Geologia inżynierska

Wiek bezwzględny skały,
wyrażony jest w latach (tysiącach i milionach lat)
– badany jest metodami datowania izotopowego,
czyli na podstawie rozpadu pierwiastków promieniotwórczych

Wiek względny skał
określany jest w stosunku do innej skały,
czyli określa która skała jest starsza a która młodsza
– badany jest najczęściej metodami paleontologicznymi

w tzw. tabeli stratygraficznej uporządkowane są utwory geologiczne pod
względem następstwa wiekowego

Era

Okres

Epoka

trwa od:

[mln lat]

kenozoik

czwartorzęd

holocen

0,01

plejstocen

2

trzeciorzęd

neogen

26

paleogen

65

mezozoik

kreda

140

jura

210

trias

250

paleozoik

perm

290

karbon

370

dewon

420

sylur

450

ordowik

510

kambr

580

proterozoik

2500

archaik

4600

Gdyby

skrócić historię Ziemi do 1 roku (tzn. 4500-krotnie) to:

•do 17 stycznia powstawała skorupa ziemska powstał pierwszy znany minerał
– cyrkon;

•z 17 lutego pochodzą pierwsze skały;

•ok. 20 marca pojawiły się pierwsze, bardzo prymitywne formy życia, które przez
długo utrzymywały się na słabo zaawansowanym poziomie;

•gwałtowny rozwój życia organicznego rozwija się ok. 13 listopada, a już 24
listopada pierwsze organizmy

żywe wyszły na ląd;

•w pierwszych dniach grudnia na wielu kontynentach wypiętrzyły się góry, a w
kotlinach i na przedpolach

gór gromadziły się pokłady szczątków roślinnych, z

których później wytworzył się węgiel kamienny;

•około 11 grudnia Europa połączyła się z Azja tworząc góry Ural;

•w wigilię Bożego Narodzenia wymierają wielkie gady, w tym samym dniu
fałdują się skały w Tatrach;

•w ciągu ostatnich dwóch dni Ziemia zmienia oblicze w wyniku potężnych
ruchów górotwórczych orogenezy alpejskiej, w Polsce wypiętrzają się i
fałdują Karpaty;

•31 grudnia ok. godziny 20 stopniowo zaczyna się oziebiać klimat na
półkuli północnej, rozpoczyna się epoka lodowcowa,

jednocześnie zaczyna się szybka ewolucja człowiekowatych;

•ich najwyższa forma – Homo Sapiens pojawia się w ostatniej godzinie
roku, w ciągu tej godziny ......... zasiedliliśmy ziemię

•Procesy egzogeniczne to:

•· wietrzenie – rozpad mechaniczny i rozkład chemiczny skał pod wpływem
nasłonecznienia, oddziaływania wód i świata organicznego, zachodzący na
powierzchni i w strefie przypowierzchniowej;

•· erozja – mechaniczne niszczenia skał (połączone z usuwaniem powstających
okruchów) przez wodę, lodowce, wiatr; uruchomiony erozją materiał skalny
uderza o podłoże, ponad którym jest transportowany, intensyfikując jego dalsze
niszczenie;

•· powierzchniowe ruchy masowe – przemieszczanie w dół po stoku
przypowierzchniowych partii podłoża (zwietrzeliny, osadów stokowych oraz
fragmentów skał) pod wpływem działania siły ciężkości;

•· sedymentacja (osadzanie, akumulacja) – gromadzenie się osadów
(materiału skalnego) skupianego na miejscu dzięki działalności organizmów lub
wytrącania podczas naturalnych procesów fizykochemicznych.

Wietrzenie

– proces niszczenia skał poprzez ich rozkruszanie i zmianę

składu mineralnego w warunkach panujących na powierzchni Ziemi

Wietrzenie fizyczne

– prowadzi do rozkruszenia i rozpadu skały bez zmiany jej

składu mineralnego (chemicznego)

• zmiany temperatury

• krystalizacja soli

• pęcznienie pod wpływem wody i wysychanie

• mechaniczne oddziaływanie roślin i zwierząt

Wietrzenie chemiczne

– prowadzi do zmiany składu mineralnego (chemicznego)

skały, czynnikiem przyspieszającym jest wcześniejsza fizyczna dezintegracja
skały

•utlenianie (oksydacja)

•rozpuszczanie (solucja) w tym uwęglanowienie (karbonatyzacja)

•uwodnienie (hydratacja)

•hydroliza w tym kaolinityzacja i lateryzacja

zamróz (wietrzenie mrozowe) – pod wpływem

zmiany

objętości wody podczas zamarzania

gromadzenia wody w formie soczewek

wśród skał ilastych

(stress weathering, insolation weathering)

rozpad ziarnisty

w skałach

o strukturach ziarnistych zachodzi
w wyniku nierównomiernej
rozszerzalności cieplnej osobników
krystalicznych w skale

łuszczenie (eksfoliacja)
i rozpad blokowy

w skałach

o strukturach skrytokrystalicznych

krystalizacja soli

w porach skał – podczas

wzrostu kryształów może nastąpić zwiększenie
ich objętości do 300%

pęcznienie

skał zawierających minerały ilaste (gł. minerał montmorillonit) pod

wpływem wody może prowadzić do nawet 8-krotnego zwiększenia objętości
jest to proces odwracalny (skurcz)

mechaniczna

działalność

korzeni roślin i zwierząt kopiących tunele

kolejność minerałów wg ich podatności na wietrzenie chemiczne:

1.

kalcyt

2.

dolomit

3.

oliwin

4.

pirokseny i amfibole

5.

plagioklazy

6.

ortoklaz

7.

biotyt

Wietrzenie chemiczne

Muskowit i kwarc są odporne na wietrzenie chemiczne

Niezwietrzałe (złote)

i utlenione (brunatne)

kryształy pirytu

utlenianie (oksydacja)

– łączenie pewnych składników mineralnych z tlenem,

w wyniku czego np.:

• z kwasów beztlenowych powstają kwasy tlenowe,

• siarczki przechodzą w siarczany itp.

Hematyt

niezwietrzały ( metaliczny) pokryty

„śmietaną hematytową” – bordowym nalotem

utlenionego minerału

Procesy wietrzenia chemicznego:

skała rozpuszczona w
formie „plastra miodu” (a
honey-comb dissolution)

rozpuszczanie (solucja)

gdy minerał

pod wpływem wody jest całkowicie lub
częściowo odprowadzany do roztworu –
np. rozpuszczanie soli

uwęglanowienie (karbonatyzacja) to specyficzna odmiana rozpuszczania:
polega na rozpuszczaniu węglanów (kalcyt, dolomit zawarte w wapieniach)
w

wodzie zawierającej CO

2

CaCO

3

+ H

2

O + CO

2

<-> Ca(HCO

3

)

2

Procesy wietrzenia chemicznego:



chemiczna działalność mchów, porostów, soków korzeniowych roślin

wyższych

uwodnienie (hydratacja)

– przyłączenie wody do struktury minerału, np.

CaSO

4

+ 2H

2

O <-> CaSO

4

*2H

2

O

(gips zamienia się w anhydryt)

2* Fe2O3 (hematyt) + 3* H2O => 2* Fe2O3*3H2O (limonit)

kaolinityzacja i
lateryzacja skaleni

specyficzną formą hydrolizy

jest kaolinityzacja i
lateryzacja skaleni, czyli ich
przebudowa w

minerały ilaste

2KAlSi

3

O

8

+ CO

2

+ H

2

O <->

Al

2

Si

2

O

5

(OH)

4

+ K

2

CO

3

+ 4SiO

2

hydroliza

rozkład i przebudowa

minerałów pod wpływem wody

Zmiana barwy

minerały ciemne „tracą” barwę

rdzawe plamy i

nacieki oraz brunatniejące skały zawierające żelazo

rozjaśniają się skały zawierające substancję bitumiczną

Oznaki wietrzenia

Powierzchnia skał staje się matowa i chropowata

Zmniejsza się wytrzymałość skał,

aż do ich dezintegracji

Minerały zmniejszają twardość

Strefa wietrzenia sięga:

do kilku m dla wietrzenia fizycznego
(do głębokości dobowych i sezonowych zmian temperatur

do kilkunastu m dla wietrzenia chemicznego
(do lustra wody gruntowej)

W zależności od rodzaju skały i dominującego rodzaju wietrzenia:

•jeżeli skała jest nieodporna na wietrzenie chemiczne
występuje ostra granica pomiędzy skałą niezwietrzałą (macierzystą)
a zwietrzeliną,

•jeżeli skała jest odporna i ulega wietrzeniu fizycznemu
zwietrzelina przechodzi stopniowo w skałę macierzystą.

Profile wietrzeniowe:

gleba

zwietrzelina

skała
macierzysta

rumosz ze
zwietrzeliną

gleba

skała
macierzysta

rumosz

skała
spękana

dla skał nieodpornych na wietrzenie chemiczne

dla skał odpornych na wietrzenie chemiczne

Znaczenie wietrzenia w budownictwie:

Zmniejszenie wytrzymałości skał
używanych jako materiały budowlane

Zmniejszenie nośności
podłoża budowli

Osłabia
wytrzymałość
kruszyw do
betonu

Osłabia wytrzymałość
elementów kamiennych

Skały ilaste są
szczególnie
podatne na
wietrzenie
mrozowe,
rozmakanie i
wysychanie

w. chemiczne

Rumosz stanowi
dobre podłoże
dla przeciętnych
obiektów

w. mechaniczne

Warunki geologiczno-

inżynierskie

na obszarach pokryw zwietrzelinowych

wraz ze wzrostem głębokości wzrasta nośność podłoża

lecz trudniejsze stają się roboty ziemne

(ze względu na zwiększenie zawartości skały macierzystej)

najwyższa część profilu może wykazywać cechy charakterystyczne dla iłów

(np. pęcznienie lub skurcz)

Procesy wietrzeniowe szczególnie ważne
dla geologii inżynierskiej

Krasowienie skał

Sufozja

Krasowienie

polega na rozpuszczeniu skał węglanowych (karbonatyzacji)
i gipsowo-solnych przez wody powierzchniowe i podziemne.
Sole

ulegają rozpuszczeniu w czystej wodzie, skały węglanowe w wodzie

zasobnej w CO

2

. Wody takie rozpuszczają skały na powierzchni a także

wewnątrz, wnikając w skały poprzez sieć szczelin.

1

2

3

4

5

6

1

– lej

2- studnia

3

– ostaniec

(skałka)

4

– komin

5

– korytarz

6 - jaskinia

Warunki geologiczno-

inżynierskie

na obszarach krasowych

przykryte zwietrzeliną lub osadami młodszymi formy krasowe,

wymagają szczególnie dokładnego rozpoznania, gdyż stwarzają

niebezpieczeństwo bardzo nierównomiernego osiadania

silnie rozwinięte formy podziemne krasu (kawerny, jaskinie)

mogą spowodować zapadnięcie się posadowionego obiektu

organy
krasowe

Stan
rzeczywisty

Interpretacja
danych z
otworów
wiertniczych

Sufozja

Wynoszenie niektórych składników skały
przez wody przepływające przez nią,
co prowadzi do zwiększenia porowatości skały,
a w rezultacie do zwiększenia wodoprzepuszczalności.

Sufozja mechaniczna

Sufozja chemiczna

Grota w Mechowie

–

procesy sufozyjne
„przemyły” morenę

Zapadliska tworzące się w
procesach sufozyjnych

Proces powstawania skał osadowych

wietrzenie \ erozja

transport

sedymentacja

diageneza

Wietrzenie i erozja dostarczają materiału,

który jest następnie transportowany

do miejsca depozycji i osadzany.

Następnie w procesach diagenetycznych

luźny osad przekształcany jest

w skałę osadową zwięzłą

Sedymentacja

Osady

– nagromadzenie materiału:

terygenicznego („pochodzącego z ziemi”), chemicznego,

organicznego,

pirogenicznego, wietrzeniowego

tworzące się w wyniku działania procesów geologicznych

Sedymentacja

Środowisko sedymentacyjne

–

obszar, w którym działa pewien zespół procesów

powodujących akumulacje osadów

lądowe

morskie

mieszane

rzeczne

eoliczne

glacjalne

limniczne

deltowe

Ś.s. klastycznej

na wybrzeżach

morskich

s. litoralna

s. sublitoralna s. pelagiczna

s. hemi-

pelagiczna

Sedymentacja morska

Na dnie mórz i oceanów osadzają się pod wpływem siły ciężkości cząsteczki

mineralne różnej wielkości oraz szczątki organiczne. Kolejne warstwy

nagromadzonego osadu ściskają leżące niżej powodując ich diagenezę, czyli

„zeskalenie”

Sedymentacja morska

W zamkniętym, płytkim zbiorniku morskim, znajdującym się w ciepłym klimacie

następuje odparowywanie wody, wskutek czego substancje mineralne

rozpuszczone w tej wodzie krystalizują na dnie (sole kamienne, gipsy,

anhydryty).

Sedymentacja lądowa

Powstają w wyniku sedymentacji w środowisku lądowym: rzecznym,
lodowcowym, eolicznym, jeziornym, bagiennym. Występują lokalnie.

Transport materiału osadowego polega na jego

przenoszeniu z jednego miejsca na inne

przez wiatr, rzeki, prądy morskie, lodowce, grawitację.

Diageneza jest 3

-stopniowa, obejmuje:

• kompakcję i odwodnienie

• cementację

• rekrystalizację

Skały
osadowe

•Klastyczne (terygeniczne)

Składają się z pokruszonych fragmentów minerałów i wcześniej istniejących skał
(zarówno magmowych i metamorficznych jaki osadowych ). Poszczególne ziarna
mogą być scementowane przy użyciu spoiwa takiego jak kalcyt, tlenki i
wodorotlenki żelaza, minerały ilaste itp.

•Organiczne

Składają się głównie ze szczątków roślin lub/i zwierząt, np. muszli, kości, budowli
rafowych, rozłożonej substancji organicznej, często również scementowanych.

•Krystaliczne

Składają się z kryształów powstałych w wyniku odparowywania wody morskiej z
płytkich, odciętych zatok w ciepłym klimacie.

Skały klastyczne dzielimy na
podstawie

wielkości ziaren

Skały osadowe
Klasyfikacja

• żwir – ziarna większe niż 2 mm:



Jeśli są obtoczone –

konglomerat



Jeśli są kanciaste -

brekcja

• piasek – ziarna o wielkości 0,05 do 2 mm

 piaskowiec

: może być kwarcowy – zbudowany głównie z ziaren kwarcu,

arkozowy

ze skaleniami i szarogłazowy zawierający fragmenty skał

• pył - ziarna o wielkości 0,002 do 0,05 mm



mułowiec

• ił - ziarna o wielkości <0,002 mm



Jeśli jest warstwowany –

łupek



Jeśli nie -

iłowiec

Konglomerat

Brekcja

Skały pochodzenia chemicznego i
organicznego

dzielą się na

• ewaporaty – utworzone w wyniku odparowywania wody:



Sól kamienna

złożona z halitu, sylwinu i karnalitu



Skały gipsowe

zbudowane z gipsu i anhydrytu

 Trawertyny

zbudowane z minerałów węglanowych wokół gorących źródeł

• skały węglanowe – utworzone w procesach organicznych (nagromadzenie

szczątków szkieletowych roślin i zwierząt) i chemicznych

 wapienie

 dolomity

• skały krzemionkowe

 diatomity
 krzemienie i czerty

Skały osadowe
Klasyfikacja

Transport

Transport osadów odbywa się przy pomocy grawitacji, rzek,

lodowców i wiatru

Diageneza

Diageneza przebiega 3-etapowo:

•

twardnienie koloidów

•

kompakcja

•

rekrystalizacja

•

cementacja

Diageneza

–

zespół procesów zachodzących w skale po jej depozycji,

prowadzących do zlityfikowania skały,

a zachodzących przy niskiej temperaturze i niskim ciśnieniu