Теплота Земли, радиоактивность пород, распределение силы тяжести и земной магнетизм

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Факультет ФВЗО

Кафедра: геологии

КОНТРОЛЬНО-КУРСОВАЯ РАБОТА

ВАРИАНТ № 4

Тула 2011

1.     Теплота Земли, радиоактивность пород, распределение силы тяжести и земной магнетизм

Далеко не всегда при решении вопроса о возможности               строитель­ства или освоения месторождения полезных ископаемых руководству­ются инженерно-геологической обстановкой. Часто превалируют эко­номические и другие соображения, и в этих случаях приходится особен­но тщательно приспосабливать сооружение к природным условиям и заранее разрабатывать мероприятия, ограждающие его от вредного воздействия геологических процессов. При этом особого внимания за­служивают геологические процессы катастрофического характера, воз­никающие неожиданно, быстро развивающиеся и вызывающие значи­тельные разрушения. В качестве примера таких геологических процес­сов можно назвать землетрясения, оползни и обвалы, сели и др. Однако было бы ошибкой считать, что геологические процессы, мед­ленно развивающиеся во времени, не имеют практического значения, что ими можно пренебречь. Например, современные тектонические дви­жения земной коры при разной их интенсивности по поперечному про­филю долины реки могут явиться труднопреодолимым препятствием при строительстве арочных плотин. Выветривание, более активное в свеже-обнаженных горных породах, сократит срок длительной устой­чивости их в откосах каналов и карьеров, в выемках железных  шос­сейных дорог, в стенках подземных горных выработок.

1.1. Внутренняя теплота Земли

По современным представлениям Земля после ее образования была холодным телом. Затем распад радиоактивных элементов постепенно разогревал ее. Однако в результате излучения тепла с поверхности в околоземное пространство происходило ее охлаждение. Образовались относительно холодная литосфера и земная кора. На большой глубине и сегодня высокие температуры. Рост температур с глубиной можно наблюдать непосредственно в глубоких шахтах и буровых скважинах, при извержении вулканов. Так, изливающаяся вулканическая лава имеет температуру 1200–1300 °C.

На поверхности Земли температура постоянно изменяется и зависит от притока солнечного тепла. Суточные колебания температур распространяются до глубины 1–1,5 м, сезонные – до 30 м. Ниже этого слоя лежит зона постоянных температур, где они всегда остаются неизменными и соответствуют среднегодовым температурам данной местности на поверхности Земли.

Глубина залегания зоны постоянных температур в разных местах неодинакова и зависит от климата и теплопроводности горных пород. Ниже этой зоны начинается повышение температур, в среднем на 30 °C через каждые 100 м. Однако величина эта непостоянна и зависит от состава горных пород, наличия вулканов, активности теплового излучения из недр Земли. Так, в России она колеблется от 1,4 м в Пятигорске до 180 м на Кольском полуострове.

Зная радиус Земли, можно подсчитать, что в центре ее температура должна достигать 200 000 °C. Однако при такой температуре Земля превратилась бы в раскаленный газ. Принято считать, что постепенное повышение температур происходит только в литосфере, а источником внутреннего тепла Земли служит верхняя мантия. Ниже рост температур замедляется, и в центре Земли она не превышает 50 000 °C.

1.2. Радиоактивность горных пород

Радиоактивность горных пород определяется, прежде всего, радиоактивностью породообразующих минералов. В зависимости от качественного и количественного состава минералов, условий образования, возраста и степени метаморфизма их радиоактивность изменяется в очень широких пределах. Радиоактивность пород и руд по эквивалентному процентному содержанию урана принято подразделять на следующие группы:

        породы практически нерадиоактивные (10-5 %);

        породы средней радиоактивности (10-4 %);

        высокорадиоактивные породы и убогие руды (10-3 %);

        бедные радиоактивные руды (10-2 %);

        рядовые и богатые радиоактивные руды (0,1 %).

К практически нерадиоактивным относятся такие осадочные породы, как ангидрит, гипс, каменная соль, известняк, доломит, кварцевый песок и др., а также ультраосновные, основные и средние породы. Средней радиоактивностью отличаются кислые изверженные породы, а из осадочных - песчаник, глина и особенно тонкодисперсный морской ил, обладающий способностью адсорбировать радиоактивные элементы, растворенные в воде. Радиоактивные руды (от убогих до богатых) встречаются на урановых или ураново-ториевых месторождениях эндогенного и экзогенного происхождения. Их радиоактивность изменяется в широких пределах и зависит от содержания урана, тория, радия и других элементов. С радиоактивностью горных пород тесно связана радиоактивность природных вод и газов. В целом в гидросфере и атмосфере содержание радиоактивных элементов ничтожно мало. Подземные воды могут иметь разную радиоактивность. Особенно велика она у подземных вод радиоактивных месторождений и вод сульфидно-бариевого и хлоридно-кальциевого типов. Радиоактивность почвенного воздуха зависит от количества эманаций таких радиоактивных газов, как радон, торон, актинон. Ее принято выражать коэффициентом эмалирования пород, являющимся отношением количества выделившихся в породу долгоживущих эманаций (в основном радона с наибольшим) к общему количеству эманаций. В массивных породах  = 5 - 10%, в рыхлых трещиноватых  = 40 - 50 %, т.е.  увеличивается с ростом коэффициента диффузии.

Кроме общей концентрации радиоактивных элементов, важной характеристикой радиоактивности сред является энергетический спектр излучения или интервал распределения энергии. Как отмечалось выше, энергия альфа-, бета - и гамма-излучения каждого радиоактивного элемента либо постоянна, либо заключена в определенном спектре. В частности, по наиболее жесткому и проникающему гамма-излучению каждый радиоактивный элемент характеризуется определенным энергетическим спектром.

Например, для уранорадиевого ряда максимальная энергия гамма-излучения не превышает 1,76 МэВ, а суммарный спектр 0,65 МэВ, для ториевого ряда аналогичные параметры составляют 2,62 и 1 МэВ. Энергия гамма-излучения калия-40 постоянна (1,46 МэВ).

1.3. Распределение силы тяжести и земной магнетизм

Земной магнетизм — это свойство Земли (как космического тела), обусловливающее существование вокруг нее магнитного поля. Из других планет доказательства существования магнитного поля имеются для Юпитера. Измерения на американском космическом аппарате «Маринер-4» показали, что дипольный магнитный момент Марса меньше 3•1O-4 магнитного момента Земли. На Венере и Луне магнитные поля отсутствуют. В 1912 г. было обнаружено магнитное поле Солнца, а в 1947 г. и других звезд.

По данным космических измерений на больших расстояниях магнитное поле Земли (магнитосфера) простирается за пределы планеты на несколько земных радиусов, причем на освещенной Солнцем стороне Земли оно значительно сжато.

На расстоянии 10 земных радиусов близ линии, соединяющей Солнце и Землю, регулярное магнитное поле Земли переходит в нерегулярное, или хаотическое, поле. Граница между регулярным и хаотическим полем называется магнито-паузой. Она, по-видимому, стабильна относительно потока солнечного ветра. Хаотическое поле представляет собой переходную область между магнито-паузой и невозмущенным межпланетным полем, расположенным на расстоянии около 14 земных радиусов (также близ линии Солнце — Земля). Напряженность магнитного поля Земли изменяется обратно пропорционально кубу расстояния.

С захватом магнитным полем Земли заряженных частиц (электронов и протонов) связано наличие двух радиационных поясов, обнаруженных с помощью счетчика Гейгера во время многочисленных зондирований, выполненных на космических кораблях и спутниках.

В связи с дипольным характером геомагнитного ноля радиационные пояса имеют вид рогов полумесяца  (точнее, тороидальную форму вследствие дрейфа частиц по долготе, обусловленного неоднородностью магнитного поля). Внутренний радиационный пояс, по-видимому, стабилен во времени, внешний подвержен сильным изменениям, в частности во время магнитных бурь.

Нагляднее всего магнитное поле Земли проявляется своим действием на магнитную стрелку, которая в любой точке земной поверхности устанавливается в определенном направлении (на этом основано устройство компаса) при различных склонениях и наклонениях.

Склонение — угол отклонения магнитной стрелки от географического меридиана данного места. Склонение может быть восточным и западным, причем величина его меняется в разных районах. Линии, соединяющие на картах точки с одинаковым склонением, называются изогонами.

Наклонение — угол наклона магнитной стрелки к горизонту. В северном полушарии вниз опущен северный конец стрелки, в южном — южный. Линии, соединяющие точки одинакового наклонения, называются изоклинами. Изоклина, на которой наклонение равно нулю, называется магнитным экватором. Магнитный экватор пересекает географический экватор на 169° в. д. и на 23° з. д. и отступает от него к югу в западном полушарии и к северу — в восточном. По направлению к северу и к югу наклонение увеличивается и достигает 90° в точках, называемых магнитными полюсами. В магнитных полюсах сходятся и все изогоны.

Магнитные полюса меняют свое положение из года в год. В их положении отмечаются также небольшие периодические суточные колебания. В 1970 г. положение Северного полюса определялось 78°31′ с. ш. и 70°01′ з. д., а Южного — 78°31′ ю. ш. и 109°59′ в. д. Точно так же вековые, годичные и суточные колебания отмечаются и в магнитном склонении, причем вековые колебания достигают 30°. Кроме склонения и наклонения магнитное поле Земли характеризуется напряженностью, различной в разных участках и меняющейся во времени. Линии, соединяющие точки равной напряженности, называются изодинамами.

Напряженность магнитного поля увеличивается от магнитного экватора (0,4 э) (Эрстед (э) — единица измерения напряженности магнитного поля. Это — напряженность магнитного поля на расстоянии 2 см от бесконечно длинного прямолинейного проводника, по которому протекает ток силой в одну абсолютную электромагнитную единицу тока) к магнитным полюсам (0,7 э). Горизонтальная составляющая магнитного поля Земли H достигает наибольшей величины на магнитном экваторе (0,4 э) и убывает до нуля на магнитных полюсах. Вертикальная составляющая Z меняется от 0,7 э на магнитных полюсах до нуля на магнитном экваторе. Такое распределение элементов магнитного поля сближает его с полем однородно намагниченного шара, точнее, с полем магнитного диполя, расположенного в центре Земли, ось которого отклонена от оси вращения Земли на 11,5°.

Однако наблюдаемое магнитное поле Земли заметно отличается от дипольного наличием наложенных на него внешнего и недипольного полей. Внешнее поле связано с движением электрических зарядов в ионосфере и меняется в результате атмосферных приливов и солнечной деятельности (солнечных пятен). Средне-алгебраическая интенсивность его очень мала, хотя во время магнитных бурь может составлять несколько процентов от общего суммарного магнитного поля. Недипольная компонента определяется при вычитании из наблюдаемого поля дипольной и внешней компонент. Недипольное поле состоит из неравномерно распределенных участков высокой и слабой интенсивности размером от 25 до 100°. Эти участки изменяются в размерах, и современные скорости их изменения показывают, что средний период жизни каждого из них достигает 100 лет. Недипольные элементы перемещаются по поверхности Земли к западу со скоростью 0,5° географической долготы в год.

Неустойчивое положение магнитных полюсов определяется влиянием неоднородного, быстро меняющегося недипольного поля: на магнитных полюсах недипольная горизонтальная составляющая полностью уничтожает горизонтальную составляющую дипольного поля. Точки на поверхности Земли, на которые направлен диполь, называются геомагнитными полюсами. Современные координаты северного геомагнитного полюса — 78,5° с. ш. и 69° з. д. Его положение не изменилось за период, для которого имеются измерения, тогда как положение магнитного полюса менялось относительно быстро, соответственно с изменениями недипольной составляющей.

Отклонения наблюдаемого распределения элементов земного магнетизма от среднего для данной местности называются магнитными аномалиями. По размерам аномалии делятся на региональные и местные. Региональные аномалии распространяются на огромные регионы, и действительные причины их возникновения не выяснены. Местные аномалии распространяются на области от нескольких квадратных метров до нескольких десятков тысяч квадратных километров и вызываются обычно залежами магнитных пород и руд. Крупнейшая в мире местная магнитная аномалия охватывает Курскую область и прилегающие районы:

Курская аномалия вызвана наличием на некоторой глубине залежей железистых кварцитов.

Таким образом, магнитные аномалии определяются различными магнитными свойствами горных пород, в различной степени намагничивающихся в магнитном поле Земли, и, следовательно, ориентировка их намагниченности должна быть параллельна этому полю. Оказалось, однако, что горные породы часто обладают остаточной намагниченностью, которая   далеко  не   всегда параллельна современному магнитному полю Земли и бывает сильнее современной индуцированной намагниченности.

В слабом магнитном поле Земли (0,5 э) остаточная намагниченность появляется при температуре Кюри в процессе застывания магмы и охлаждения раскаленных горных пород. Такая намагниченность называется термоостаточной. Она ориентирована параллельно силовым линиям магнитного поля Земли, существовавшего во время застывания намагниченной горной породы. Главная часть естественной остаточной намагниченности изверженных горных пород является термоостаточной намагниченностью.

При выпадении осадков ранее намагниченные ферримагнитные частицы поворачиваются в направлении магнитного поля Земли и сохраняют эту ориентировку после уплотнения осадка и превращения его в осадочную породу; т. е. и в осадочных породах остаточная намагниченность параллельна магнитному полю Земли, существовавшему во время их образования. Таким образом, направление остаточной намагниченности горных пород соответствует направлению магнитного поля Земли в момент их образования, и, зная возраст намагниченных пород, можно восстановить положение магнитного меридиана и полюсов для этого времени.

Конечно, остаточная намагниченность может образоваться и иными путями, например, при ударах молний возникают сильные магнитные поля, вызывающие в горных породах изотермическую остаточную намагниченность, ориентировка которой может не совпадать с ориентировкой магнитного поля Земли. Химические изменения горных пород и минералов (например, переход гематита в магнетит) в магнитном поле Земли сопровождаются появлением остаточной намагниченности, сходной с термостатической, хотя и не столь интенсивной. Эти и некоторые другие виды намагниченности могут возникнуть значительно позднее образования горных пород, и время их появления обычно не устанавливается. Однако «намагниченности, возникающие в результате различных процессов, обладают весьма различными свойствами, которые, как правило, могут быть определены в лабораторных условиях» (А. Кокс, Р. Долл. Обзор явлений палеомагнетизма. M., 1963, с. 239).

Происхождение магнитного поля. Гипотезы, связывающие магнитное поле Земли с ее остаточной намагниченностью, встречают серьезные возражения:

1) геологические процессы в земной коре и верхней мантии протекают медленно и с ними трудно увязать большую скорость изменения недиполитного поля и его перемещения в западном направлении со скоростями до 20 км/год;

2) для обеспечения современной интенсивности магнитного поля Земли недостаточно ферримагнитного материала, температура которого ниже точки Кюри (температура земных недр на глубине более 25 км в подавляющем большинстве случаев, вероятно, выше 750° С, и, следовательно, только внешняя оболочка планеты может обладать остаточной намагниченностью).

Поэтому в настоящее время широким признанием пользуется теория происхождения земного магнетизма, предложенная Эльзассером — Френкелем (1956 г.), согласно которой жидкое ядро во вращающейся Земле действует как самовозбуждающаяся динамо-машина. Быстрое изменение недипольного поля объясняется как результат вихревых движений жидкости у границы ядра и мантии, а перемещение его в западном направлении связывают с меньшей угловой скоростью внешней зоны ядра по сравнению с мантией. Динамометрия была успешно применена для объяснения свойств магнитных полей Солнца и некоторых звезд, была предсказана также корреляция между магнитным полем Солнца и осью его вращения. В после нее время она нашла подтверждение в отсутствии магнитного поля у медленно вращающихся планет — Венеры и Луны.

Согласно этой теории ось вращения Земли и средняя ось магнитного поля Земли должны совпадать, т. е. смещение во времени геомагнитных полюсов происходит одновременно со смещением географических полюсов — вывод чрезвычайно важный для геологии. Изучение остаточного магнетизма (палеомагнетизма) показало, что положение магнитных и близких к ним географических полюсов на протяжении геологической истории Земли менялось весьма существенно, что полностью согласуется с палеогеографическими и палеоклиматическими данными (в позднем палеозое, например, полюса находились в современной экваториальной области, где имело место мощное покровное оледенение). Мало того, определение положения полюсов одних и тех же геологических эпох, произведенное в разных точках одного материка, дает обычно хорошее совпадение. Однако данные, полученные на разных материках, систематически расходятся, и расхождение увеличивается от более поздних геологических периодов к более ранним. Совмещение полюсов, определенных на разных материках, приводит к объединению этих материков в единый континентальный массив.

Плотность Земли была впервые определена И. Ньютоном в 1736 г. в пределах 5—6 г/см3. Последующие, более точные, определения дали среднюю плотность 5,527 г/см3. Эта величина значительно превышает плотность верхних горизонтов земной коры, которая на основании многочисленных измерений плотностей выходящих на поверхность горных пород может быть определена более или менее точно. В табл. приводятся средние плотности полнокристаллических изверженных пород (по Р. А. Дэли).

Исходя из средних плотностей горных пород (Считается, что до глубины 16 км земная кора состоит из 95% изверженных, 4% метаморфических и 1% осадочных пород), слагающих земную кору, плотность «гранитного слоя» земной коры принимают равной 2,7 г/см3, «базальтового слоя» — 2,9 г/см3, «базальтового слоя» океанической коры — от 3,0 до 3,1 г/см3, а верхней части подкоркового слоя (мантии) — 3,3 г/см3 (с учетом давления на глубине 30—40 км).

Установить подобным путем плотность глубоких недр Земли нельзя. Для определения их плотности учитываются не только скорости сейсмических волн, но и данные о распределении силы тяжести, размерах и форме

Земли, движении полюсов, приливах, вызванных притяжением Луны и Солнца и т. п. Сопоставление всех этих данных с обязательным учетом массы и момента инерции планеты позволяет составить систему уравнений, выражающих зависимость значений различных физических свойств земных недр от глубины. Но однозначного решения этих уравнений пока еще нет, и полученные в настоящее время значения плотности материи внутри Земли в значительной мере гипотетичны.

Наука, изучающая земное поле силы тяжести, называется гравиметрией (от лат. gravis — тяжелый и греч. metreo — измеряю).

Сила тяжести обусловлена общей массой Земли. Поэтому все колебания в распределении масс в вертикальных разрезах должны отражаться на величине силы тяжести. В связи с этим естественно было бы ожидать более или менее значительного влияния рельефа на распределение силы тяжести на земной поверхности. В частности, на материках, сложенных отчетливо выраженными в рельефе нагромождениями горных пород, сила тяжести должна бы быть больше, чем на океанах, поверхность которых лежит на более низком гипсометрическом уровне и верхние горизонты сложены 4-километровым слоем воды, значительно менее плотным, чем горные породы материков. Однако из сопоставления полей силы тяжести океанов и материков следует, что по абсолютной величине аномалии силы тяжести на тех и других почти равны.

Схема распределения плотностей внутри Земли приведена в табл.

Некоторые более значительные, но вполне понятные и закономерные изменения силы тяжести на Земле вызваны полярным сжатием и центробежной силой, развивающейся при вращении планеты и направленной на экваторе в сторону, противоположную силе тяжести (величина силы тяжести увеличивается от экватора к полюсам на 0,5%). Сила тяжести меняется также под воздействием притяжения Луны и Солнца («лунно-солнечные вариации силы тяжести»), которое влияет не только на любое тело на земной поверхности, но и на всю Землю, вызывая приливные деформации, изменяющие форму не только жидкой, но и твердой земной оболочки.

Деформации твердой оболочки составляют около 1/3 величины деформации гидросферы и проявляются в изменении высоты и наклона земной поверхности. Под действием небесного тела поверхность Земли приподнимается и наклоняется таким образом, что нормаль к поверхности приближается к направлению на центр небесного тела. Расположение масс Земли меняется и вызывает изменение величины потенциала силы тяжести. Эти изменения достигают максимума, когда небесное тело находится в зените или надире места наблюдения. Максимальная величина Dg может достигать 0,15 мгал, т. е. хорошо фиксируется современными гравиметрами, а величина отклонения отвеса достигает 0,02″ и уверенно отмечается горизонтальными маятниками.

Притяжение небесного тела вызывает появление пары сил, направленных против вращения Земли. Эти силы действуют постоянно и замедляют вращение Земли, период которого снижается примерно на 0,002 сек в столетие. Соответственно уменьшается и полярное сжатие геоида. Угловая скорость вращения Земли 15,041″/сек. Кинетическая энергия вращения 2,160 • 1036 эрг. Скорость вращения точки на экваторе 167,4 км/ч. Скорость вращения Земли скачкообразно меняется по несколько раз в год (флуктуации). По подсчетам А. Д. Сытинского, при этом освобождается энергии 1,17-1027 эрг/год, что на 3 порядка больше энергии, освобождающейся за то же время при землетрясениях (П. С. Воронов, 1968). Поэтому в настоящее время с вращением Земли (с «ротационными силами») связывают многие тектонические процессы.

Строение земной коры более или менее отчетливо выражается в аномалиях силы тяжести (гравитационных). Эти аномалии соответствуют разности между наблюдаемой силой тяжести и ее теоретическим значением в тех же точках земной поверхности, т. е. отражают различия в строении идеальной и реальной Земли. При этом гравитационные аномалии отличаются не только по величине, но и по направлению силы тяжести (вызывают отклонения отвеса от вертикали).

Поскольку определения силы тяжести производятся на поверхности Земли, не совпадающей, за исключением поверхности Мирового океана, с уровнем геоида, гравитационные аномалии обычно приводятся к поверхности геоида и выражаются в так называемых аномалиях Буге, вычисленных с поправками за высоту точки наблюдения и за притяжение промежуточного слоя.

Выделяют региональные и местные аномалии. Первые распространяются на десятки и сотни тысяч квадратных километров и отличаются большой интенсивностью (многие десятки и сотни миллигалов Миллигал (мгал) — тысячная часть гала. Гал — единица измерения ускорения силы тяжести, 1 гал = 1 см/сек2). На фоне региональных аномалий проявляются местные аномалии разного масштаба и характера, связанные с особенностями строения самых верхних горизонтов земной коры. Местные аномалии широко используются в поисково-разведочной практике (при поисках нефти, газа и других полезных ископаемых).

При изучении земного поля силы тяжести установлена закономерная связь региональных аномалий Буге с наиболее крупными формами рельефа земной поверхности. Причем связь эта имеет обратный характер: над высокогорными областями материков аномалии, обычно отрицательные, т. е. неожиданно фиксируют «недостаток масс» и достигают почти 500 мгал, а над глубоководными океаническими впадинами — положительные, т. е. фиксируют «избыток масс» и достигают также почти 500 мгал.

Для объяснения этого явления в середине XIX в. английскими астрономами Дж. Эри и Ф. Праттом была предложена оригинальная гипотеза строения земной коры, впоследствии (1889 г.) названная американским геологом Е. Диттоном изостазией. Дж. Эри предположил (1855 г.), что земная кора состоит из блоков, имеющих одинаковую плотность, но разную толщину. Блоки плавают в более плотном и вязком подкорковом субстрате, подчиняясь закону Архимеда. Толщина блоков и глубина их погружения наиболее велики в горных районах и минимальны в океанических впадинах. При этом материал субстрата перетекает от погружающихся частей к поднимающимся.

Гипотеза Ф. Пратта предполагала, что разности высот рельефа обусловлены разной плотностью земной коры: возвышенностям соответствует меньшая плотность, низменностям — большая. Нижняя поверхность коры при этом считалась горизонтальной. «В первоначальном виде эта гипотеза так противоречила всему развитию Земли (при эрозии на месте гор должны были бы получаться колоссальные отрицательные аномалии, а на месте впадин такие же положительные), что вскоре последователи Ф. Пратта привлекли идею плавления коры на субстрате и соответственно идею о компенсирующих перетеканиях вещества под земной корой», — пишет В. А. Магницкий (1953 г.): «С этого момента принципиальная разница между»… гипотезами Дж. Эри и Ф. Пратта пропала. Обе гипотезы являются «…крайними случаями более общей гипотезы, предполагающей, что компенсация осуществляется как за счет изменения плотности самой коры, так и за счет изменения ее толщины».

Гипотезы Дж. Эри и Ф. Пратта впоследствии были развиты зарубежными учеными (Ф. Венинг-Мейнесом, Д. Хейфордом) и претерпели весьма значительные изменения. Причем было выяснено, что принцип изостазии полностью подтверждается данными геодезии, полученными на основании угловых измерений и определений силы тяжести, по которым с точностью до малых первого порядка Земля находится в состоянии гидростатического равновесия и в первом приближении состоит из однородных концентрических слоев, плотность которых увеличивается к центру Земли.

«В основе приведенных гипотез лежит представление об одном уровне изостатической компенсации. В настоящее время такое представление является неполным. Все больше пробивают себе дорогу взгляды о множественности изостатических уровней, лежащих в интервале от верхних частей земной коры до верхних горизонтов мантии» (Ф. С. Моисеенко и др.).

Однако если принцип изостазии более или менее правильно отражает распределение силы тяжести в масштабе наиболее крупных частей земной поверхности — океанов и материков, то он оказывается вовсе несостоятельным для объяснения более мелких и практически более важных деталей строения земной коры, фиксируемых относительно небольшими, но широко распространенными отклонениями от изостатического равновесия — местными аномалиями. Эти аномалии с большой точностью отражают особенности геологического строения верхних слоев земной коры и в некоторых случаях могут быть использованы при поисках и разведке полезных ископаемых. Для этого карты гравитационных аномалий сопоставляют с геологическими картами, что позволяет делать выводы об особенностях геологического строения больших глубин, недоступных непосредственному изучению. Таким путем были, например, обнаружены в районе Эмбы соляные купола, скрытые под мощными наносами, в Донецком бассейне были прослежены залегающие на глубине угленосные толщи и т. п.

Гравитационное поле (поле силы тяжести) Земли неоднородно. В нем отчетливо выделяются следующие типы.

Огромные пространства поверхности материков со спокойным рельефом (платформы), которые характеризуются чередованием небольших положительных и отрицательных аномалий, охватывающих сравнительно незначительные по площади районы. Расчеты показывают, что лишь ничтожное количество таких аномалий связано со строением поверхностных горизонтов земной коры, а большинство вызвано действием масс, лежащих на глубинах первых десятков километров. Так как в этих регионах положительные аномалии чередуются с отрицательными, их среднее значение, как правило, близко к нулю. Подобная спокойная картина гравитационного поля нарушается лишь в областях, испытавших сравнительно недавние поднятия (южная часть Индии, область поднятий в Африке) и в участках центральных оседаний земной коры, например в зоне восточноафриканских озер (Ньяса, Танганьика, Киву, Виктория, Эдуард, Альберт). Большинство таких областей характеризуется отрицательными гравитационными аномалиями (резким минимумом силы тяжести).

Гравитационное поле горно-складчатых областей неоднородно и сложно. Среди этих областей можно выделить два основных типа:

1) молодые (альпийские) горные сооружения — Альпы, Карпаты, Крым, Кавказ и другие

2) горные хребты, сформированные на палеозойском или более древнем складчатом фундаменте (активизированные горы), — Урал, Алтай, Саяны, Тянь-Шань и др. Высокогорные районы первого типа характеризуются расчлененным рельефом поверхности Мохоровичича с колебаниями мощности земной коры от 20 до 60 км и с преобладанием «базальтового слоя» (в глубоких депрессиях «гранитный слой» иногда совсем отсутствует). В среднем «базальтовый слой» составляет 50—60% от общей мощности коры. Мощность земной коры в горно-складчатых областях второго типа до 60—70 км, причем явно преобладает «гранитный слой» (на долю «базальтового слоя» приходится 40% и менее от общей мощности коры, за исключением Урала, где «базальтовый слой» очень мощный). Во многих областях 2-го типа гравитационные аномалии Фая (в свободном воздухе) отрицательные, тогда как в областях 1-го типа положительные. Однако, как указывает В. А. Магницкий, эти аномалии недостаточно велики и в топографической редукции делаются обычно резко отрицательными, т. е. альпийские горы нельзя рассматривать как надстройку на земной коре с избыточной массой. Интенсивные отрицательные аномалии указывают на дефект масс на некоторой глубине под горами. В целом для высокогорных областей, если и можно говорить об изостатической компенсации, то только для достаточно крупных массивов, а не каждой горы в отдельности, причем компенсации приблизительной, и приблизительность эта очень различна. И в горах и во впадинах часто наблюдаются отклонения от изостазии, и многие участки земной коры оказываются то заметно тяжелее, то легче, чем это требует изостатическое равновесие.

Особое положение занимает прибрежная зона Тихого океана (островные дуги — Индонезия, Япония, Курильские острова и др.), характеризующаяся крупными отклонениями от изостазии, выраженными в аномалиях силы тяжести. Полосы очень сильных отрицательных гравитационных аномалий приурочены к глубоководным желобам, расположенным вдоль обращенной к океану периферии островных дуг. Самим островным дугам и внутренним морям, отделяющим их от материка, соответствуют положительные аномалии. Глубина залегания масс, вызывающих эти аномалии, по исследованиям А. Н. Люстиха, не превышает 50 км.

В океанах гравитационное поле спокойно и меняется более плавно, чем на материках. Заслуживает большого внимания поле силы тяжести вулканических островов (Гавайских в Тихом океане, о. Вознесения в Атлантическом и др.).

Эти острова характеризуются громадными положительными аномалиями. Однако после введения поправки Буге аномалии становятся близкими к нулю. Это значит, что массы вулканических островов являются как бы посторонним грузом, наложенным на земную кору. Характерно, что грандиозные нагромождения траппов на платформах не вызывают сколько-нибудь сильных аномалий. Участки платформ, покрытые траппами, по своей гравитационной характеристике принципиально не отличаются от других частей платформ.

Из сказанного видно, что гравитационное поле Земли отражает особенности ее строения, фиксируемые сейсмическими методами: мощность земной коры заметно увеличивается в высокогорных районах, где отчетливо отмечается ее вдавленность в нижележащий субстрат, снижается в равнинных платформенных областях и достигает минимума под океанами. Изменение мощности коры сопровождается изменениями плотности слагающих ее пород. На континентах преобладают более легкие породы («граниты»); океаническое дно сложено в основном более тяжелыми базальтами.

2. Сели, прогноз селевой опасности и способы защиты инженерных сооружений от селевой опасности

Изучение селевых явлений важно для нашей страны. Ведь согласно карте селевых потоков 20% территории Российской Федерации находятся в зоне действия селевых процессов.

Сель – бурный грязевый, или грязекаменный поток, состоящий из воды и обломков горных пород внезапно возникающий в бассейнах небольших горных рек. Опасность селей не только в их разрушающей силе селя, но и во внезапности их появления. Селям подвержено примерно 20% территории нашей страны.

Сель распространен в горах Кавказа, Карпат, Крыма, Урала, Памира, Алая, Тянь-Шаня, Алтая, Саян, на хребтах Баргузинский, Удакан, Становой, Верхоянский, Черского, Колымский.

Многим горным районам свойственно преобладание того или иного вида селя по составу переносимой им твердой массы. Так, в Карпатах чаще всего встречаются водокаменные селевые потоки сравнительно небольшой мощности, на Северном Кавказе – преимущественно грязекаменные, в Средней Азии – грязевые потоки. Скорость течения селевого потока обычно составляет 2,5 – 4,0 м/с, но при прорыве заторов она может достигать 8–10 м/с и более. Последствия селей бывают катастрофическими. Так, 8 июля 1921 г. в 21 ч на г. Алма-Ату со стороны гор обрушилась масса земли, ила, камней, снега, песка, подгоняемая могучим потоком воды. Этим потоком были снесены находившиеся у подножия гор дачные строения вместе с людьми, животными и фруктовыми садами. Страшный поток ворвался в город, обратил улицы его в бушующие реки с крутыми берегами из разрушенных домов. Ужас катастрофы усугублялся темнотой ночи. Слышались крики о помощи, которую почти невозможно было сказать. Дома срывались с фундаментов и вместе с людьми уносились бурным потоком.

К утру следующего дня стихия успокоилась. Материальный ущерб и человеческие жертвы оказались значительными. Сель был вызван сильнейшими ливнями в верхней части бассейна р. Малой Алмаатинки. Общий объем грязекаменной массы составил около 2 млн. м3. Поток перерезал город 200-метровой полосой.

Селевой поток может распространяться на большие расстояния и производить массовые заграждения и разрушения на пути своего движения. При этом расход и объем селевого потока при движении вниз по руслу может увеличиваться по сравнению с первоначальным прорывом в десятки раз, особенно за счет эрозионного разлива русла.

Потенциальный селевой очаг – участок селевого русла или селевого бассейна, имеющий значительное количество рыхлообломочного грунта или условий для его накопления, где при определенных условиях обводнения зарождаются сели. Селевые очаги делятся на селевые врезы, рытвины и очаги рассредоточенного селеобразования.

Селевой рытвиной называют линейное морфологическое образование, прорезающее скальные, задернованные или залесенные склоны, сложенные обычно незначительной по толщине корой выветривания. Селевые рытвины отличаются небольшой протяженностью (редко превышают 500…600 м) и глубиной (редко более 10 м). Угол дна рытвин обычно более 15°.

Селевой врез представляет собой мощное морфологическое образование, выработанное в толще древних моренных отложений и чаще всего приуроченное к резким перегибам склона. Кроме древне-моренных образований селевые врезы могут формироваться на аккумулятивном, вулканогенном, оползневом, обвальном рельефе. Селевые врезы по своим размерам значительно превосходят селевые рытвины, а их продольные профили более плавные, чем у селевых рытвин. Максимальные глубины селевых врезов достигают 100 м и более; площади водосборов селевых врезов могут достигать более 60 км2. Объем грунта, выносимый из селевого вреза за один сель, может достигать 6 млн. м3.

Под очагом рассредоточенного селеобразования понимают участок крутых (35…55°) обнажений, сильно разрушенных горных пород, имеющих густую и разветвленную сеть борозд, в которых интенсивно накапливаются продукты выветривания горных пород и происходит формирование микроселей, объединяющихся затем в едином селевом русле. Они приурочены, как правило, к активным тектоническим разломам, а их появление обусловлено крупными землетрясениями. Площади селевых очагов достигают 0,7 км2 и редко больше.

2.1. Причины возникновения селя

Селевые потоки возникают при одновременном выполнении трех условий:

      наличие на склонах бассейна достаточного количества продуктов разрушения горных пород;

      наличие нужного объема воды для смыва или сноса со склонов рыхлого твердого материала и последующего его перемещения по руслам;

      наличие крутого уклона склонов и водотока.

Главная причина разрушения горных пород заключается в резких внутрисуточных колебаниях температуры воздуха. Так, в летние месяцы в горных районах Туркмении и Армении суточная амплитуда колебаний температуры воздуха достигает 50–60°С. Это ведет к возникновению многочисленных трещин в породе и ее дроблению. Описанному процессу способствует периодическое замерзание и оттаивание воды, заполняющей трещины. Замерзшая вода, расширяясь в объеме, с огромной силой давит на стенки трещины. Кроме того, горные породы разрушаются за счет химического выветривания (растворение и окисление минеральных частиц внутрипочвенными и грунтовыми водами), а также за счет органического выветривания под воздействием микро- и макроорганизмов. В большинстве случаев причиной образования селей служат ливневые осадки, реже интенсивное таяние снега, а также прорывы моренных и завальных озер, обвалы, оползни, землетрясения. Впрочем, каждому горному району свойственна определенная статистика причин возникновения селей. Например, в целом для Кавказа причины возникновения селей распределяются следующим образом: дожди и ливни – 85%, таяние вечных снегов – 6%, сброс талых вод из мореных озер – 5%, прорывы завальных озер – 4%. А вот в Заилийском Алатау все наблюдавшиеся большие и огромные сели вызваны прорывом моренных и завальных озер.

В общих чертах процесс формирования селя ливневого происхождения протекает следующим образом. Вначале вода заполняет поры и трещины, одновременно устремляясь вниз по уклону. При этом резко ослабевают силы сцепления между частицами, и рыхлая порода приходит в состояние неустойчивого равновесия. Затем вода начинает течь и по поверхности. Первыми приходят в движение мелкие частицы грунта, потом галька и щебень, наконец, камни и валуны. Процесс лавинообразно нарастает. Вся эта масса поступает в лог или русло и вовлекает в движение новые массы рыхлой горной породы. Если расход воду недостаточный, то сель как бы выдыхается. Мелкие частицы и небольшие камни уносятся водой вниз, крупные камни создают в русле самоотмостку. Остановка селевого потока может так же происходить в результате затухания скорости течения при уменьшении уклона реки. Какой-либо определенной повторяемости селей не наблюдается. Замечено, что образованию грязевых и грязекаменных потоков способствует предшествующая засушливая длительная погода. При этом на горных склонах накапливаются массы тонких глинистых и песчаных частиц. Они-то и смываются ливнем. Напротив, формированию воднокаменных потоков благоприятствует предшествующая дождливая погода. Ведь твердый материал для этих потоков в основном находится у подножия крутых склонов и в руслах рек и ручьев. В случае хорошей предшествующей увлажненности ослабевает связь камней друг с другом и с коренной породой.

В последние годы к естественным причинам формирования селей добавились антропогенные факторы, то есть те виды человеческой деятельности, которые вызывают формирование селей или их активизацию. К таким факторам относятся:

      вырубка лесов на горных склонах;

      деградация почвенного покрова нерегулируемым выпасом скота;

      неправильное размещение отвалов отработанной породы горнодобывающими предприятиями;

      взрывы при строительстве железных и автомобильных дорог и различных сооружений;

      недостаточная рекультивация земель после вскрышных работ и нерегулируемый сброс воды из ирригационных сооружений на склонах;

      ухудшение почвенно-растительного покрова отходами промышленных предприятий.

Так, уничтожение растительности, разработка карьеров, подрезка склонов дорогами, массовое строительство на склонах привело к развитию селевых явлений почти на всем Черноморском побережье Кавказа (от Новороссийска до Сочи).

2.2. Классификация селей

Водокаменный – смесь воды с преимущественно крупными камнями, в том числе с валунами и со скальными обломками. Объемный вес 1,1 –1,5 т/м3. Формируется в основном в зоне плотных пород.

Грязевой – смесь воды с твердой фазой глинистых и пылеватых частиц при небольшой концентрации камней. Объемный вес 1,5–2,0 т/м3.

Грязекаменный – смесь воды, мелкозема, гальки, гравия, небольших камней; попадаются и крупные камни, но их немного, они то выпадают из потока, то вновь начинают двигаться вместе с ним. Объемный вес 2,1–2,5 т/м3.

Водно-снежно-каменный – переходная стадия между собственно селью в которой транспортирующей средой является вода, и снежной лавиной.

Из этой классификации видно, что селевой поток очень тяжёлый, вследствие чего удар селевого потока достигает 5–12 т/м2.

По генезису:

Альпийский тип – характерно быстрое сезонное таяние снега (США, Канада, Анды, Альпы, Гималаи)

Пустынный тип – встречается в засушливых или полузасушливых областях при внезапных обильных ливнях (Аризона, Невада, Калифорния)

Лахары – вулканические грязевые потоки, возникающие после сильного дождя на склонах вулканов, недавно засыпанных мощными, находящимися ещё в неустойчивом положении отложениями пыли и пепла.

По частоте схода селей 3 группы:

           высокой селевой активности (с повторяемостью один раз в 3–5 лет и чаще);

           средней селевой активности (с повторяемостью один раз в 6–15 лет);

           низкой селевой активности (с повторяемостью один раз в 16 лет и реже).

По их воздействию на сооружения:

Маломощный – небольшие размывы, частичная забивка отверстий водопропускных сооружений.

Среднемощный – сильные размывы, полная забивка отверстий, повреждение и снос без фундаментных строений.

Мощный – большая разрушительная сила, снос мостовых ферм, разрушение опор мостов, каменных строений, дорог.

Катастрофический – полное разрушение строений, участков дорог вместе с полотном и сооружениями, погребение сооружений под наносами. По источнику воды:

По источнику воды:

Дождевые – характерны для среднегорных и низкогорных селевых бассейнов, не имеющих ледникового питания. Основным условием формирования таких селей является количество осадков, способных вызвать смыв продуктов разрушения горных пород и вовлечь их в движение.

Гляциальные – характерны для высокогорных бассейнов с развитыми современными ледниками и ледниковыми отложениями (моренами). Основным источником их твердого питания являются морены, которые вовлекаются в процесс селеобразования при интенсивном таянии ледников, а также при прорыве ледниковых или моренных озер. Формирование гляциальных селей существенно зависит от температуры окружающего воздуха.

Вулканогенные – могут образовываться при землетрясениях. В отдельных случаях (при извержении вулканов), когда происходит совместное формирование жидкой и твердой составляющих селевых потоков.

По состоянию воды:

Связанные (структурные) потоки – состоят из смеси воды, глинистых и песчаных частиц. Раствор имеет свойства пластичного вещества. Вся вода находится в оболочках мицелл. Поток движется как единое целое. В отличие от водного потока, он не следует изгибам русла, а разрушает и выпрямляет их или переваливает через препятствия.

Несвязанные потоки – они движутся с большой скоростью; отмечается постоянное соударение камней, их обкатывание и истирание. Имеется большое количество воды, которая выступает в роли транспортного средства. Поток в основном следует изгибам русла, местами разрушая его.

По объему перенесенной твердой массы:

При огромных селях с 1 км2 селеносного бассейна в среднем сносится 20–50 тыс. м3 твердого материала, или 50–120 тыс. т. В качестве примера можно привести три случая селя огромного размера, зарегистрированные в районе г. Алма-Ата. (1921, 1963 и 1973 гг.), и один случай – в районе г. Еревана (1946 г.).

По основным факторам возникновения

           зонального проявления. Главным фактором формирования являются климатические условия (осадки). Носят они зональный характер. Сход происходит систематически. Пути движения относительно постоянны;

           регионального проявления. Главный фактор формирования – геологические процессы. Сход происходит эпизодически, а пути движения непостоянны;

           антропогенные. Это результат хозяйственной деятельности человека. Происходят там, где наибольшая нагрузка на горный ландшафт. Образуются новые селевые бассейны.

2.3. Противоселевые мероприятия и сооружения

Способы борьбы с селевыми потоками весьма разнообразны. Это возведение различных плотин для задержки твердого стока и пропуска смеси воды и мелких фракции пород, каскада запруд для разрушения селевого потока и освобождения его от твердого материала, подпорных стенок для укрепления откосов, нагорных стокоперехватывающих и водосборных канав для отвода стока в ближайшие водотоки и др.

Существуют также пассивные методы защиты, заключающиеся в том что люди предпочитают не селиться в потенциально селеопасных районах и не проводить в этих территориях дорог, линий электропередач, не возводить полей.

Выделяют 4 группы активных мероприятий:

           Селепропускные (отводы)

           Селенаправляющие (подпорные стенки, опояски, дамбы)

           Селесбрасывающие (запруды, перепады, пороги)

           Селеотбойные (полузапруды, бумы, шпоры)

Основные виды противоселевых сооружений:

           плотины (земляные, бетонные, железобетонные), предназначенные для аккумуляции всего твердого стока. Имеют водосборные и водопропускные узлы;

           плотины фильтрующие с решетчатыми ячейками в теле. Позволяют пропускать жидкий сток и задерживать твердый;

           плотины сквозные. Выполнены из соединенных между собой железобетонных балок с целью аккумуляции крупных камней;

           каскады запруд или низконапорных плотин;

           лотки и селедуки. Предназначаются для транзитного пропуска селевой массы под и над дорогами;

           струенаправляющие дамбы и берегозащитные стенки. Служат для отвода селевых потоков и защиты пойменных земель;

           водосборные траншеи и сифонные водосливы. Создаются для спуска моренных озёр во избежание их прорыва;

           поднапорные стенки для укрепления откосов;

           напорные стокоперехватывающие и водосбросные канавы. Служат для перехвата жидкого стока со склонов и отвода его в ближайшие водотоки.

Почти на каждом конусе выноса горных речек селевого характера и по их берегам расположены культурные земли, населенные места, транспортные пути (железнодорожные и автомобильные), ирригационные и деривационные каналы и другие народнохозяйственные объекты.

Защита народнохозяйственных объектов от селевых потоков в зависимости от характера объекта выполняется различными путями. Наиболее распространенный метод непосредственной защиты от селей является строительство различных гидротехнических сооружений.

Когда подзащитные объекты представляют собой неширокую полосу, как например, железнодорожную или автомобильную дорогу или ирригационные и деривационные каналы, то селевые потоки можно пропускать над или под ними по гидротехническим сооружениям – селеспускам.

По плановому расположению защитные сооружения

можно подразделить на два типа:

           продольные сооружения в виде опоясок, подпорных стенок или дамб, ограждающих народнохозяйственные объекты, или защищающих размываемые участки берега, или вала на более, или менее значительном протяжении;

           поперечные сооружения в виде системы полузапруд (шпор), отходящих от защищаемого объекта, дамб или берега в пойму реки под тем или иным углом, в основном вниз по течению.

           Вторая система защиты является более распространенной, но иногда обе системы комбинируются.

           Расстояние между полузапрудами изменяется от 30 до 200 м; угол полузапруды с направлением дамб или берега колеблется от 10° до 85°, обычно 25–30°; длина изменяется от 20 до 120 м.

В отношении капитальности конструкций, сооружения можно

разбить на два основных класса:

I. Долговременные сооружения из кладки на цементном или известковом растворе, а также широко применяются и сборные железобетонные;

II. Недолговременные каменно-хворостяные, каменно-бревенчатые и габионные сооружения.

В практике эксплуатации наибольшее распространение получили сооружения второго класса.

Сооружения первого класса, то есть долговременные, применяются в бассейне Верхней Кубани на ее горных притоках. Повсюду они встречаются в сочетании с сооружениями второго класса. В поперечном сечении они имеют или прямоугольную, или трапециевидную форму: с наклонными либо обеими боковыми гранями, либо одной передней или задней гранью; ширина профиля меняется от 0,4 до 4,0 м, высота – от 1,0 до 3,5 м.

В некоторых случаях эти сооружения снабжены донными шпорами, защищающими их основание от подмыва; длина шпор меняется от 1,5 до 6 м, а ширина от 0,5 до 1 м.

Естественный срок службы недолговременных сооружений – 1–2 года, долговременных – 3–4 года. Фактический срок службы, однако, определяется степенью устойчивости противоселевых сооружений из местных материалов. Селевые потоки даже средней мощности обычно вызывают их полное разрушение. К сооружениям второго класса относятся: каменно-хворостяные, каменно-бревенчатые с сипаями или без них и габионные устройства.

К сооружениям второго класса относятся: каменно-хворостяные, каменно-бревенчатые с сипаями или без них и габионные устройства.

При назначении планового расположения защитных сооружений непосредственно на месте замечается стремление к возможно полной защите лишь данного объекта, без учета возможного действия этого расположения на режим реки и на другие объекты, расположенные на той же реке, так что зачастую защита одних объектов влечет за собой появление угрозы для безопасности других.

Назначение схемы расположения сооружения без учета необходимости изменения режима реки в благоприятном для работы сооружений направлении наблюдалось на многих горных водотоках бассейна Верхней Кубани. Поскольку осуществленные сооружения не изменяли аккумулятивную деятельность реки, обычно повышение ее ложа продолжалось, что обусловливало необходимость периодического повышения сооружений. В некоторых случаях наблюдалось противоположное явление размыва.

Необходимо отметить также, что при назначении планового расположения сооружений не всегда в достаточной; степени учитывалась необходимость взаимной связи между отдельными сооружениями, необходимость надежного примыкания их к устойчивым неразмываемым или неподвергающимся прямому действию потока участкам коренного берега.

3. Оборудование для проведения инженерно-геологического бурения и горнопроходческих работ

Буровые и горнопроходческие работы следует выполнять в соответствии с требованиями СНиП 1.02.07-87,с учетом требований, изложенных в ГОСТ20276-85, ГОСТ 23278-78, ГОСТ 23741-73,РСН31-83, а также настоящих республиканских строительных норм.

Способы проходки горных выработок должны обеспечивать достоверную геологическую документацию и высокую производительность труда на конкретном объекте изысканий. Выбранный способ проходки горной выработки (скважины, шурфа (дудки) и т.п.) должен удовлетворять требованиям технологии отбора образцов грунта ненарушенной структуры (монолитов) и проб воды и возможности проведения комплекса работ в горной выработке, предусмотренных программой изысканий.

Проходка горных выработок должна осуществляться оборудованием, по техническим и экономическим параметрам, соответствующим характеристикам горных выработок (глубине, диаметру, площади поперечного сечения, конструкции выработок), и условиям производства работ (транспортабельности).

При производстве горнобуровых работ должны осуществляться мероприятия по экономии материальных ресурсов, соблюдению правил эксплуатации, ремонта и профилактики бурового и горнопроходческого оборудования.

Нормирование расхода материалов и инструмента на производство буровых и горнопроходческих работ и списание материальных ценностей должно осуществляться в соответствии с требованиями РСН71-88.

Сметная стоимость буровых и горнопроходческих работ определяется согласно Сборнику цен на изыскательские работы для капитального строительства. По согласованию с заказчиком могут устанавливаться надбавки за достижение конкретных результатов (эффективность, качество, а также сокращение сроков работ, против нормативных).

При производстве буровых и горнопроходческих работ необходимо выполнять требования, предусмотренные действующими правилами и инструкциями по охране труда и технике безопасности.

Основными техническими средствами для производства буровых и горнопроходческих работ (бурения шурфов) являются выпускаемые промышленностью буровые установки (станки), а также находящиеся в эксплуатации изыскательских организаций установки (станки), выпускавшиеся ранее, по своим техническим параметрам удовлетворяющие требованиям технологии проведения горных выработок инженерно-геологического назначения.

3.2. Сложность доставки и транспортировки бурового оборудования определяют транспортную базу и конструктивные особенности буровых установок (станков).

Характеристики различных условий производства буровых работ и типы буровых установок (станков) по транспортабельности приведены в таблице.

Характеристики различных условий производства буровых работ и типы буровых установок по транспортабельности

Задачей буровых работ при инженерно-геологических исследованиях является, как правило, изучение:

      геолого-литологического строения вскрытого разреза;

      свойств горных пород.

Являясь чуть менее информативным способом разведки, в отличие от горных выработок (шурфы, дудки), обеспечивающих бoльшую детальность изучения пород, бурение, тем не менее, является способом достаточно представительным, гораздо более быстрым и менее дорогостоящим, чем проходка горных выработок и не вызывает больших затруднений при разведке водоносных, неустойчивых и скальных пород.

При бурении инженерно-геологических скважин применяются следующие основные способы: ударно-канатный кольцевым забоем, колонковый, вибрационный и шнековый. Во всех этих способах процесс бурения, как правило, механизирован.

Применение того или иного способа бурения определяется следующими основными условиями:

Ударно-канатное бурение кольцевым забоем рекомендуется применять для разведки различных рыхлых, связных и полускальных пород; глубина бурения до 50 метров;

Колонковое бурение используют преимущественно в скальных и полускальных породах, также в плотных связных грунтах при условии использования глинистой промывки; глубина бурения до 100 метров;

Вибрационный способ, являясь наиболее производительным, применяется для проходки связных и рыхлых пород, не содержащих значительной примеси крупнообломочного материала; глубина бурения до 15 –20 метров.

Шнековый способ, также весьма производительный, следует применять в случаях вскрытия водоносных слоев, забоя на ту или иную глубину без подробного изучения проходимых пород, так как данный способ не обеспечивает точной характеристики разреза; глубина бурения до 50 метров.

Ударно-канатное, вибрационное и шнековое бурение при необходимости изучения механических и прочностных свойств пород в естественном состоянии следует сопровождать отбором монолитов (образцов с ненарушенной структурой) пород исключительно при помощи грунтоносов различного типа.

Так в глинистых грунтах твердой и полутвердой консистенции следует применять обуривающие грунтоносы, со скоростью их вращения, при отборе монолита, не более 60 об/мин и давлением на забой 150-300 кгс; в грунтах тугопластичной, мягкопластичной и текучепластичной консистенции – вдавливаемые грунтоносы.

Величина заглубления грунтоноса не должна быть меньше полутора его диаметра и не больше 0,4 метров.

Начальные диаметры бурения определяются количеством перемен диаметра по глубине скважины, связанных, как правило, с неустойчивостью стенок скважины и необходимостью их закрепления обсадными трубами, а также заданной величиной конечного диаметра. Так, например, при необходимости отбора монолитов для испытания в компрессионном приборе, диаметр обоймы (кольца) которого составляет 90 мм, диаметр скважины должен быть не менее 115 мм, если отбора не требуется, то 75 мм.

1) При бурении ударно-канатным способом, когда разрушение породы на забое производится повторными ударами наконечника, подвешенного на тросе (канате), в качестве наконечника применяют: в связных породах – буровой стакан, в несвязных – желонку, в полускальных – долото.

Инструмент для ударно-канатного бурения «клюющим» способом состоит из забивного стакана и утяжеленной ударной штанги или ударного патрона при забивном способе. Стаканы, как правило, по всей длине имеют прорезь для очистки от породы или являются разъемными.

2) При колонковом бурении разрушение породы на забое производится прорезанием кольцевого канала при помощи вращения колонковой трубы с размещенной на ее конце буровой коронкой. При этом в центральной части забоя (внутри колонковой трубы) образуется керн в виде столбика (монолит) ненарушенной структуры. После образования керна достаточной длины его отрывают от массива при помощи кернорвателя, устанавливаемого на колонковой трубе сразу над коронкой и поднимают на поверхность.

Следует отметить, что на инженерных изысканиях колонковое бурение в большинстве случаев производится «всухую», углубка скважин, в этом случае, нередко осуществляется грунтоносами обуривающего типа.

Нередко колонковое бурение пород ведется с призабойной циркуляцией промывочной жидкости, реже с промывкой ствола скважины глинистым раствором, обеспечивающим вынос шлама и создающим надлежащий вес столба жидкости в скважине для поддержания в ней равновесия при помощи гидростатического давления, что позволяет поддерживать устойчивость стенок скважины.

Для получения качественных образцов проходимых пород, необходимо, чтобы глинистый раствор, помимо вышеуказанных, удовлетворял следующим требованиям:

           образовывал тонкую (0,5-1,0 мм) плотную корку на стенках скважины для предотвращения поглощения промывочной жидкости;

           обеспечивал минимальное содержание свободной воды в суспензии с целью предотвращения набухания глин в стенках скважины.

Таким требованиям отвечает раствор, приготовленный из бентонитовой глины, обладающей высокой дисперсностью, тиксотропностью. Контроль за качеством глинистого раствора и за его свойствами во время бурения устанавливают лабораторными методами, определяя его следующие параметры:

           вязкость;

           водоотдачу;

           содержание фракций крупнее 0,005 мм;

           суточный отстой;

           толщу глинистой корки;

           сопротивление сдвигу;

           стабильность суспензии;

           плотность;

           рН;

           содержание газов;

           температуру.

Вместо промывки применяется также продувка забоя сжатым воздухом. Продувка имеет ряд немаловажных преимуществ перед промывкой, с точки зрения разведочного бурения, а именно:

           исключается дополнительное увлажнение, а также размыв керна и забоя;

           исключается возможность загрязнения и увлажнения шлама, а также смешивание разностей шлама, вынесенных с разных горизонтов.

Ну и конечно исключается такой важный пункт, как доставка воды к скважинам.

Существенная причина, препятствующая широкому использованию данного метода, заключается в геолого-гидрогеологическом ограничении возможности бурения: продувание забоя наиболее целесообразно и эффективно проводить в скважинах, не содержащих воду в жидком состоянии.

3) Вибрационное бурение основано на принципе передачи буровому инструменту направленных колебаний, создаваемых вибропогружателем. Частота колебаний существующих вибропогружателей составляет от 1200 до 2000 в минуту, а амплитуда колебаний от 1,5 до 10 мм. Вибропогружатели применяются в двух вариантах: с жестким креплением к бурильным трубам и со свободной опорой на специальную плиту – наковальню, в последнем случае вибропогружатель называют вибромолотом. Инструмент для вибрационного бурения состоит из зондов и бурильных труб. Зонды, практически, те же, что и стаканы при ударно-канатном бурении. Для бурения связных глинистых грунтов применяют зонды с одной прорезью, для бурения слабосвязных грунтов – зонды с клапаном.

4) При шнековом способе бурения мягких и рыхлых пород разрушение породы на забое производят вращающимся долотом различных конструкций, разрушенная порода транспортируется с забоя на дневную поверхность шнеками, представляющими собой единый винтовой транспортер.

Геологическая документация при шнековом бурении затрудняется частичным перемешиванием разрушенной породы в процессе ее транспорта шнеками. Пробы можно отбирать при непрерывной или при периодической углубке скважины.

При шнековом бурении кольцевым забоем применяют магазинные шнеки и специальные коронки. Но шнековое бурение имеет свойство искривлять ствол скважины, что также сказывается на структуре и свойствах отобранных монолитов.

В настоящее время в городах, в условиях плотной городской застройки, развитой сети коммуникаций и активизации техногенных процессов, все больше возникает необходимость в использовании «малогабаритного», но и мало применяемого, ударно-вращательного ручного способа бурения в рыхлых породах.

Большим недостатком ручного бурения всегда являлась его низкая производительность и высокая трудоемкость. Поэтому, не занижая достоинств ударно-вращательного способа бурения, особенно в период все возрастающей его потребности, следует сейчас вернуться к его активному внедрению с обязательным условием механизации процесса.

4. Фильтрационные свойства пород,

лабораторные методы их определения

Для лабораторных исследований физико-механических свойств грунтов отбирают пробы с нарушенной или ненарушенной (монолиты) структурой. Вид пробы зависит от целей исследования горной породы и ее состояния, а способ отбора – от типа разведочной выработки из которой отбирают пробу.

При инженерно-геологических изысканиях применяют три метода отбора проб:

           точечный,

           бороздовой,

           валовый.

Точечный метод заключается в том, что слой породы характеризуют одним или несколькими образцами относительно небольшого размера. При бороздовом методе по всему опробуемому  пласту в крест его простирания делают борозды, из которых отбирают грунт для пробы.

Валовый метод состоит в исследовании всего извлеченного из выработки грунта. Два последних метода обычно применяют при разведке строительных материалов.

Физико-механические свойства грунтов при инженерно-геологических изысканиях исследуют для следующих целей:

           классификация пород и выделение литологических слоев, пластов и других элементов геологического разреза;

           определение расчетных характеристик физико-механических свойств грунтов, слагающих основание проектирующих сооружений, естественный и искусственный откосы определение характеристик грунтов, предназначенных для использования в  качестве строительных материалов.

Монолиты отбирают для определения расчетных характеристик физико-механических свойств связных пород. Для рыхлых песчаных пород монолиты можно заменить пробами с нарушенной структурой, но в этом случае надо определять плотность грунтов в естественном залегании полевыми методами.

При отборе проб необходимо соблюдать следующие основные правила:

           проба должна быть характерной для того слоя, из которого она взята, и не содержать случайных включений и загрязняющих примесей;

           каждая проба должна быть немедленно упакована, снабжена этикеткой по установленной форме, занесена в журнал разведочной выработки и помечена зарисовке горной выработки;

           после упаковки и регистрации проба должна быть туту же отправлена в полевую лабораторию или в соответствующее место хранения.

Объем отбираемых проб должен быть достаточным для выполнения всех определений. Объем проб с нарушенной структурой для скальных и
крупнообломочных должен быть не менее 2000 см2, для песчаных – не менее
1000см2, для глинистых – не менее 500см2.

Монолиты, отбираемые из горных выработок, могут иметь форму куба или цилиндра (отобранные из скважин).

Консервирование монолитов

После извлечения из грунтоноса монолит очищают от шлама и немедленно консервируют для сохранения структуры и естественной влажности грунта.

Существуют два способа консервации:

           парафинированием;

           упаковкой в жесткую тару.

При упаковке монолита следует отметить его верх и в случае
необходимости дать ориентировку по странам света.
Монолит, отобранный из жесткой тары, покрывают слоем туго обматывают
марлей, предварительно пропитанной расплавленным парафином. Затем поверх марли его покрывают еще одним слоем парафина, вновь обматывают марлей и покрывают третьим слоем парафина. До парафинирования на верхнюю грань образца кладут этикетку, завернутую в кальку, которую также покрывают парафином.

Второй экземпляр этикетки смачивают расплавленным парафином, прикрепляют к поверхности запарафинированного образца и также покрывают тонким слоем парафина.

Монолиты грунта, отбираемые в жесткую тару (обойму) или специально изготовленные металлические или деревянные ящики, упаковывают в той же таре. На верхнюю грань образца между резиной и крышкой кладут этикетку, а вторую этикетку прикрепляют к поверхности жесткой тары.

Для парафинирования монолитов применяют смесь, состоящую из двух частей парафина и одной части гудрона, которую подогревают до температуры 60-65 градусов. Перевозить монолиты надо в деревянных ящиках. Во избежание повреждений упаковки промежутки между монолитами засыпают опилками. Образцы талых пород необходимо предохранять от замораживания, а мерзлых – от оттаивания, так как при этом они теряют структуру.

5. Вязко-пластические свойства глинистых пород

Люди повсеместно сталкиваются с очень распространенными и всем хорошо известными породами - глинами. Мы знаем, что эти породы, в сухую погоду твердые как камень, после дождя часто превращаются в пластичную красновато-бурую грязь, сильно затрудняющую передвижение, а после отжига в печи глинистая масса преобразуется в прочный кирпич или керамику.

Вследствие чрезвычайно широкого распространения на земной поверхности (по данным Л.Б. Рухина, глинистые породы составляют не менее 60% от общего объема осадочных пород земной коры), глины на протяжении всей истории человечества постоянно были в центре внимания строителей. И это, прежде всего из-за весьма специфических свойств таких пород - резкого падения прочности при увлажнении, разжижения при динамических воздействиях, набухания при обводнении и усадки при высушивании. Подобные свойства глинистых пород часто бывают причиной серьезных аварий инженерных сооружений: прорыва и разрушения дамб и плотин, деформации, а иногда и полного разрушения жилых зданий, ухода воды из каналов.

Большой интерес представляют такие свойства глинистых пород, как их высокая адсорбционная способность, позволяющая проводить эффективную очистку разнообразных веществ. Глинистые породы также являются природными минеральными барьерами против распространения различных загрязнений.

Глинами называется группа пород, состоящих главным образом из глинистых минералов: каолинита, гидрослюд, монтмориллонита, палыгорскита и др., размер частиц которых не превышает 0,01 мм в диаметре, а по некоторым классификациям – 0,005 мм.

Глины осадочные горные породы, состоящие в основном из глинистых минералов и обладающие свойством пластичности.

Под пластичностью понимается способность глины образовывать с водой тесто, принимающее под давлением любую форму, сохраняя её и по высыхании. После обжига глины приобретают прочность камня. Главными химическими компонентами глины являются SiO2 (30—70%), Al2O3 (10—40%) и H2O (5—10%). В подчинённых количествах присутствуют TiO2, Fe2O3, FeO, MnO, MgO, CaO, K2O, Na2O. В составе глины главную роль играют каолинит, монтмориллонит, гидрослюды, иногда полыгорскит и сапонит. Кроме того, обычно присутствуют примеси, представленные обломками различных минералов или горных пород, растительными или животными остатками, новообразованными минералами (карбонатами, гипсом, окислами железа и др.). При большом содержании примесей получаются переходы от собственно глины к др. осадочным породам — глинистым пескам, мергелям и др. По преобладанию того или иного глинистого минерала выделяют следующие минеральные типы глины: каолинитовые, монтмориллонитовые, гидрослюдистые и др.

В глине преобладают частицы меньше 0,01 мм. При увеличении количества более крупных песчанистых частиц глины постепенно переходят в пески.

Все важнейшие физико-химические и технологические свойства глины и глинистых пород (пластичность, набухание, усадка, спекаемость, огнеупорность, вспучивание, адсорбция) зависят главным образом от минерального, гранулометрического и химического состава.

Глина и глинистые сланцы слагают более половины всех осадочных пород земной коры. Благоприятные условия для формирования месторождений наиболее ценных промышленных глин создаются на платформах, где процессы выветривания при длительно продолжающемся континентальном режиме приводят к образованию мощных коры выветривания. При размыве коры выветривания на платформах в бассейнах седиментации обычно образуются хорошо отмученные глины. В геосинклинальных областях вследствие быстрого механического разрушения продуктов выветривания и отсутствия условий для их сортировки возникают преимущественно глины малоотсортированные. Глины, образовавшиеся на месте залегания горных пород (глины коры выветривания), называются первичными, а образованные в результате переотложения глинистого материала — вторичными. Вторичные глины встречаются среди осадочных толщ всех типов (континентальных, включая озёрные, прибрежно-лагунные и морские).

Озерные глины часто имеют мономинеральный каолинитовый состав.

Чистые монтмориллонитовые глины (т. н. бентониты) образуются обычно в результате изменения вулканических пеплов и пемз.

Глины относятся к полезным ископаемым, имеющим большое практическое значение, и добываются в больших количествах.

По ценности, составу и характеру технических требований промышленности выделяются следующие 4 наиболее важные группы глины:

           грубокерамические,

           огнеупорные и тугоплавкие,

           каолины,

           адсорбционные и высокодисперсные монтмориллонитовые.

Грубокерамические глины, обычно железисто-монтмориллонитовые, богаты SiO2 (до 65—70%) и содержат много примесей. Из них крупные гальки и песок являются причиной образования трещин в изделиях. Известковые и гипсовые включения при обжиге переходят в негашёную известь, которая, соединяясь с водой, вызывает вспучивание и разрушение изделий. Глины преимущественно легкоплавкие; температура спекания 900—1000 °С, присутствие окислов железа вызывает её понижение. Используются в сыром виде (земляная набивка, саманный кирпичи пр.) и для изготовления грубокерамических изделий: посуды, дренажных труб, строительного красного кирпича, черепицы и т.д.

Пластичные сорта глины применяются также для изготовления гончарных сосудов, фигурок и пр., для лепки скульпторами оригиналов, которые либо переводятся в др. материалы (бронзу, мрамор, фарфор и др.), либо закрепляются обжигом.

Податливость глины, фиксирующей легчайшие движения руки скульптора, позволяет ему достигать большого разнообразия светотеневых, пластических и живописных эффектов и тонко учитывать фактурные возможности того материала, в котором задумано скульптурное произведение. Глины широко применяются также для получения Керамзита, используемого в качестве наполнителя лёгких бетонов.

Огнеупорные и тугоплавкие глины, преимущественно каолиновые с различными примесями, характеризуются высоким содержанием глинозёма (30—42%). Содержание вредных компонентов должно быть не более: Fe2O3 3—4%, TiO2 1—2%, CaO 0,8%, SO3 0,2—0,3%. Эти Г. обладают высокой связующей способностью и пластичностью, высокой огнеупорностью (не ниже 1600—1670 °С) и являются сырьем для различных керамических производств. Важнейшие из них — производство огнеупорного припаса для металлургических и стекольных печей, топок паровых котлов, изготовления различных изделий тонкой керамики, электрокерамики.

Огнеупорные глины входят в состав многих формовочных земель, широко применяемых в литейном деле. Месторождения имеются в СССР (на Украине, Урале, в районе Воронежа, в Подмосковном бассейне и др.), за рубежом — в Великобритании, ЧССР, ГДР, ФРГ, Китае и др. странах.

Каолин — малопластичные глины. Получают из каолина (сырца), который подвергают очистке — отмучиванию в воде или воздушная сепарации, для отделения от крупных песчанистых примесей. Отмученный или очищенный каолин не должен содержать примесей песчанистых частиц; содержание окиси железа в нём не должно быть больше 1—1,5%, а в лучших сортах — менее 0,5%. Используется в бумажной, резиновой, пластмассовой, парфюмерной и др. отраслях промышленности в качестве наполнителей, а также в керамическом производстве как компонент фарфорово-фаянсовых масс. Месторождения в СССР (на Украине и Урале), за рубежом — в Великобритании, Китае, ЧССР, ГДР, США и в др. странах.

Монтмориллонитовые глины, характеризующиеся большой пластичностью, применяются в:

           нефтеперерабатывающей промышленности;

           как компонент глинистых растворов при бурении;

           в металлургии — в качестве связки при производстве железорудных окатышей и для приготовления формовочных земель;

           в пищевой, химической, фармацевтической промышленности и т.д.

Требования к монтмориллонитовым глинам сводятся к определённой дисперсности, размоканию в воде, связующей и адсорбционной способности. Месторождения монтмориллонитовых Г. имеются в СССР (в Поволжье, на Украине, в Крыму, Грузии, Армении, Туркмении, Азербайджане, Казахстане), за рубежом — в США, Мексике, Италии, Румынии и в др. странах.

В зависимости от степени цементации и уплотнения среди глинистых пород выделяют:

           глины – несцементированные связные пластичные осадочные породы, обладающие свойством образовывать с водой вязкую массу, способную формоваться и сохранять приданную ей форму. Обожженная в огне - приобретает каменную твердость и крепость;

           аргиллиты – камнеподобные породы, не размокающие в воде, образующиеся в результате уплотнения и эпигенеза глин. По минеральному составу аргиллиты практически не отличаются от глин;

           глинистые сланцы – метаморфические плотные сланцеватые породы, состоящие из гидрослюд, хлорита, иногда каолинита, реликтов других глинистых минералов, кварца, полевого шпата и других неглинистых минералов.

По содержанию глинозема в прокаленном состоянии глинистые породы подразделяются на высокоглиноземистые (А12О3 свыше 45 %), высокоосновные (А12О3 38–45 %), основные (А12О3 28–38 %), полукислые (А12О3 14–28 %) и кислые (А12О3 менее 14 %).

Основная масса глинистых пород используется в производстве изделий строительной, грубой и тонкой керамики, огнеупорных материалов, цемента, керамзита а также для, очистки нефтепродуктов и жиров, для окомкования железорудных и флюоритовых концентратов, в литейном производстве, буровом деле, химической промышленности. Кроме того, глинистые породы служат в качестве строительного материала при постройке небольших сооружений, наполнителя в бумажной, фармацевтической, парфюмерной промышленности, в сельском хозяйстве, винодельческой, комбикормовой, пищевой, текстильной промышленности.

В производстве изделий строительной керамики (кирпич, камни и плитки керамические различных видов, черепица и др.) используются в основном легкоплавкие глины и суглинки, реже лесс, аргиллиты, глинистые сланцы (предварительно размолотые). Сложность технологического процесса заключается в трудности установления строгой зависимости между свойствами сырья и готовой продукции. В настоящее время единых регулируемых стандартами требований к качеству глинистого сырья для изделий строительной керамики не существует, пригодность сырья устанавливается по качеству готовых изделий и возможности получения стандартной продукции.

Легкоплавкие глинистые породы, используемые для производства кирпича и черепицы, должны обладать необходимой пластичностью и связующей способностью, причем при полусухом способе формования кирпича могут приме­няться и малопластичные глинистые породы. Качество сырья зависит также и от содержания в нем собственно глинистых частиц: недостаток их может вызвать зыбкость рабочей массы. Содержание песчаных фракций до 10 % вполне допустимо. Вредны каменистые включения, особенно известковые и гипсовые, и фракции крупнее 3 мм.

Требования промышленности к глинам, используемым в литейном производстве, определены ГОСТ 3226–93. Для глин, употребляемых при изготовлении литейных красок, технических условий не имеется. Наиболее пригодными для этой цели считаются бентонитовые глины. Для оценки формовочных глин большое значе­ние имеет содержание в них вредных примесей (S, CaO+MgO, Na2O+K2O и оксидов Fe). Для производства керамзитового гравия используются в основном легкоплавкие глины, глинистые сланцы, суглинки, обладающие способностью вспучиваться при нагревании их до температуры 1050–1250 °С. Сырьем для производства керамзитового гравия являются разновидности глинистых пород, которые при обжиге с добавками или без них вспучиваются, образуя легковесный заполнитель ячеистой структуры для легких бетонов. Могут применяться рыхлые, плотные, камнеподобные глины и суглинки, неразмокающие в воде метаморфизованные глинистые сланцы и аргиллиты, характеризующиеся высокой плотностью, а также бентонитовые глины. При этом химический, зерновой и минеральный состав глинистого сырья не регламентируется, а рекомендуемое содержание отдельных компонентов должно находиться в следующих пределах: SiO2 – до 70 %, А12О3 – 12–23 %,Fe2O3 + FeO – 5–10 %, CaO + MgO – 3–8 %, Na2O + K2O – 2,5–5 %, свободного кремнезема – до 25 %. Желательной является тонкодисперсная примесь органического вещества (0,9–2,5 %). Для увеличения вспучиваемости возможно введение корректирующих добавок: опилок и др. Пригодность различных глинистых пород в качестве сырья для производства керамзитового гравия определяют, в первую очередь, по степени и интервалу вспучивания при обжиге, по объемной массе в куске получаемого керамзитового гравия и основным физико-механическим показателям. Для глинистых пород некоторых разрабатываемых месторождений существуют технические условия, в соответствии с которыми к ним предъявляются требования по внешнему виду (цвет, плотность, структура), зерновому, химическому составу, оптимальной температуре вспучивания, интервалу вспучивания и другим свойствам. Для приготовления буровых растворов используются тонкодисперсные пластичные глины с минимальным содержанием песка, способные образовывать с водой вязкую, долго не оседаю­щую суспензию. Лучшими свойствами обладают существенно щелочные (натриевые) разности монтмориллонитовых (бентонитовых) глин, глинопорошки из которых применяются главным образом при бурении нефтяных и газовых скважин и для приготовления глинистых растворов с низкой плотностью. Хорошие солеустойчивые свойства имеют палыгорскитовые глины, применяемые при бурении соленосных пород. Высокодисперсные бейделлитовые, каолинитовые и гидрослюдистые глины характеризуются удовлетворительными свойствами.

Вредными примесями в глинах, ухудшающими стабильность глинистых растворов, являются гипс, растворимые соли, известняк. Основным показателем качества глинистого сырья и глинопорошков, предназначенных для приготовления буровых растворов, является выход раствора – объем раствора (суспензии) заданной вязкости, получаемый из 1 т глинистого сырья; кроме того, регламентируются плотность раствора, содержание песка. В черной металлургии глины во все возрастающем количестве применяются для окомкования мелкозернистых железорудных концентратов и получения плотных и прочных окатышей. Для этой цели наиболее пригодны глины с высокой набухаемостью и связующей способностью, высокой влагоемкостью и сравнительно низкой температурой спекания. Такими являются щелочные (натриевые) бентониты и щелочноземельные их разновидности, но лишь после предварительной обработки. Глинистые породы используются также в качестве отбеливающего материала, адсорбентов, как наполнители и пр. Единых требований к качеству глинистых пород каждого из указанных назначений не имеется. В качестве отбеливающих материалов глинистые породы (главным образом природные и активированные бентонитовые глины) применяются для очистки нефтепродуктов (бензина, керосина, смазочных масел), растительных масел и животных жиров. Некоторые виды отбеливающих глин используются для очистки уксуса, вина, фруктовых соков и т. д.

Оценка их пригодности производится по величине сорбционной активности и индексу активности.

Глинистые породы, используемые в качестве сорбентов и коагулянтов в пищевой промышленности, оцениваются по зерновому составу, влажности, содержанию свободной H2SO4, фильтрующей и отбеливающей способностям. Число потребителей бентонитовых глин постоянно возрастает. Изучается возможность применения этого сырья в сельском хозяйстве, медицине, фармакологии и др.

Важнейшими технологическими свойствами глинистых пород, определяющими их использование в промышленности, являются пластичность, огнеупорность, спекаемость, вспучивание, а также набухание, усушка, усадка, адсорбционная способность, связующая способность, укрывистость, окраска, способность образовывать устойчивые суспензии с избытком воды, относительная химическая инертность.

Пластичность – способность глиняного теста формоваться и сохранять приданную ему форму при сушке и обжиге. Пластические свойства глинистых пород характеризуются числом пластичности (П), определяемым как разность между влажностью, соответствующей нижней границе текучести глины (W1), и влажностью пробы, соответствующей границе раскатывания (W2), по формуле Π = W1 – W2. По степени пластичности глинистые породы подразделяются на высокопластичные (с числом пластичности более 25), среднепластичные (15–25), умеренно пластичные (7–15), малопластичные (менее 3–7) и непластичные, не дающие пластичного теста; к последним относятся сухарные глины, глинистые сланцы и аргиллиты. Пластичность глин определяется их минеральным составом и дисперсностью. Высокой пластичностью обладают тонкодисперсные монтмориллонитовые глины, затем в порядке понижения идут гидрослюдистые и каолинитовые разности глин. Пластичность суглинков колеблется в пределах 7–17, супесей – менее 7.

Огнеупорность – способность глинистых пород противостоять воздействию высоких температур без существенного размягчения и деформации. По огнеупорности различают три группы глинистых пород:

           огнеупорные с температурой плавления 1580 °С и выше;

           тугоплавкие с температурой плавления менее 1580 до 1350 °С;

           легкоплавкие с температурой плавления ниже 1350°С.

Огнеупорные разности глинистых пород имеют в основном каолинитовый, гидрослюдистый и галлуазитовый состав или состоят из смеси этих минералов с примесью кварца и карбонатов. В химическом составе огнеупорных глинистых пород преобладают SiO2 и А12О3, которые в лучших разностях огнеупорных глин находятся в количествах, близких к содержанию их в каолините (SiO2 – 46,5 %, Аl2О3 – 39,5 %). В некоторых разностях огнеупорных глин содержание А12О3 снижается до 15–20 %. Оксиды железа и сульфиды находятся в подчиненных количествах. Вредными примесями являются кальцит, гипс, сидерит, соединения Mn и Ti.

Тугоплавкие глинистые породы по минеральному составу не выдержаны: в них присутствуют каолинит, галлуазит, гидрослюды и в виде примесей – кварц, слюда, полевой шпат и другие минералы. Глинозем содержится в них в пределах 18–24 %, иногда до 30–32 %; кремнезем – 50–60 %, оксиды железа – до 4–6 %, реже 7–12 %.

Легкоплавкие глинистые породы, как правило, полиминеральны. Обычно в них присутствуют монтмориллонит, бейделлит, гидрослюды и примеси кварца, слюд, карбонатов и других минералов. Содержание глинозема в этих породах не превышает 15–18 %, кремнезема – 80 %, а содержание оксидов железа повышено до 8–12 %. Для них характерно также высокое содержание плавней – тонкодисперсных примесей железистых, кальциевых, магниевых и щелочных минералов.

Спекаемость – способность глинистых пород частично расплавляться при температурах ниже, чем температура огнеупорности, а после охлаждения давать плотную массу (черепок). Спекание определяется присутствием минералов (полевые шпаты, слюды, хлориты, карбонаты, гипс, соединения железа и т. д.), способных плавиться раньше, чем основная масса. Спекание глинистых пород проявляется в уменьшении пористости черепка, которая измеряется величиной его водопоглощения. Температурой спекания принято называть температуру, при которой обжигаемый черепок уменьшает свое водопоглощение до 5 %. Температура спекания глинистых пород колеблется в широких пределах: от 850–950 °С (иногда выше) у монтмориллонитовых, гидрослюдистых, палыгорскитовых глин до 1200–1400 °С у некоторых каолинитовых и галлуазитовых глин. Температура спекания повышается в глинах, содержащих большое количество кварца, и понижается при наличии в них полевых шпатов, оксидов железа, карбонатов кальция, магния и щелочей. Интервалом спекания называется температурный интервал от начала спекания до начала вспучивания и деформации, когда водопоглощение перестает падать. Оптимальным считается интервал спекания в 100–150 °С. В некоторых видах огнеупорных и тугоплавких глин он достигает 300–350 °С. Короткий интервал спекания в 30–50 °С обычно приводит к частому браку.

Вспучивание – свойство некоторых глинистых пород увеличиваться в объеме при обжиге с образованием прочного материала ячеистого строения. При производстве обычных керамических изделий вспучивание относится к отрицательным свойствам, но составляет основу про­изводства легких искусственных заполнителей для бетона. Хорошо вспучиваются глины, сложенные монтмориллонитом и гидрослюдами, а также различные глинистые сланцы, содержащие органическое вещество.

Набухание – свойство глинистых пород увеличиваться в объеме при их смачивании. Зависит от минерального и зернового состава пород. Наибольшим набуханием обладают глины, содержащие минералы группы монтмориллонита (монтмориллонит, нонтронит, бейделлит), наименьшим – каолинитовые глины.

Усушкой (или воздушной усадкой) называется уменьшение размеров глиняного изделия в результате его высыхания, а усадкой (или огневой усадкой) – уменьшение размеров в результате обжига. Общей усадкой называют суммарное изменение размеров изделия, как в результате высыхания, так и в результате обжига. На практике обычно ограничиваются измерением линейной усушки и усадки.

Адсорбционная способность – это свойство глинистых пород адсорбировать на поверхности слагающих их частиц глинистых минералов ионы и молекулы из окружающей среды. Она зависит от состава глинистых пород и от степени их дисперс­ности. Особенно высокая адсорбционная способность свойственна монтмориллонитовым глинам.

Бинтонитовые глины – тонкодисперсные глины, состоящие главным образом из монтмориллонита и обладающие высокой адсорбционной способно­стью, хорошей каталитической активностью, связующей, клеящей и эмульгирующей способностями – по составу обменных катионов и свойствам разделяются на щелочные – с преобладанием обменного катиона Na и щелочноземельные – с преобладанием катиона Ca. Адсорбционные свойства глин широко используются для обесцве­чивания и очистки масел и жиров в пищевой, нефтяной, текстильной промышленности, для изготовления лекарств, очистки воды и в других отраслях. Каталитическая активность бентонитовых глин обусловила их использование в качестве катализаторов в ряде химических производств, при синтезе каучука, крекинге нефти и др.

Связующая способность – это свойство глинистых пород связывать частицы другого непластичного материала и образовывать при высыхании твердую массу. Связующая способность находится в тесной связи с пластичностью и способностью формоваться и объясняется капиллярными силами и силами слипания частиц глинистых минералов. Это свойство глин имеет большое значение и используется в керамике, в строительном деле, где глина применяется как самостоятельный стройматериал, при устройстве плотин, для каптажа ключей и т. д.

Кроющая способность (укрывистость) и окраска. Некоторые пестроокрашенные железистые глины применяются в производстве красок в качестве минеральных пигментов. В зависимости от цвета такие пигменты называются охра, мумия, умбра, болюс и др. Свойство краски делать невидимым цвет окрашиваемой поверхности (не просвечивать) называется укрывистостью. Она обеспечивает экономичность краски и выражается в граммах сухого пигмента или готовой краски на квадратный метр поверхности.

Способность глинистых пород образовывать устойчивые суспензии с избытком воды. Некоторые разновидности глин (например, монтмориллонитовые, бейделлитовые) обладают способностью в природном виде образовывать с избытком воды устойчивые суспензии, препятствующие оседанию попавших в них крупных частиц. На этом основано применение глинистых растворов при бурении скважин, а также при отливке керамических изделий, создании пастообразных масс, в производстве тканей и др.

Относительная химическая инертность глинистых пород (свойство не вступать в химические соединения с некоторыми кислотами и щелочами) позволяет использовать их в качестве наполнителей в ряде производств для придания продукту специфических свойств, например, жесткости и кислотоупорности – резине, белизны – бумаге и т. д.