Геологические методы и карты

Итак, геологию следует рассматривать как одну из основных научных дисциплин, содействующих работе инженеров, архитекторов и всех, кто связан с созданием новых городов и районов. Естественно, лица, призванные использовать результаты геологических исследований в своей проектной работе, не обязаны знать все детали составления геологических карт и описаний. Однако им очень полезно иметь хотя бы общее представление о том, как получают эти материалы.

Для проведения полевых работ геолог прежде всего нуждается в топографических картах. Не случайно в учреждениях Геологической службы США топографические работы тесно связаны с геологическими. Вооруженный самыми крупномасштабными из имеющихся в наличии топографическими картами геолог приступает к полевым работам. Несмотря на успехи современных геологических методов исследования, они не могут заменить непосредственных наблюдений специалиста в поле и присущего ему умения «видеть» ниже поверхности земли. Все существенные результаты своих наблюдений геолог наносит на топографическую карту. Обнажения коренных пород и их типы, характер трещиноватости и особенно любые признаки разломов (или разрывных нарушений), присутствие и направление ледниковых борозд, наблюдающихся на отшлифованной поверхности пород, и, естественно, наличие любых органических остатков в них — все это типичная информация, которую следует терпеливо собирать и регистрировать. Необходимо также фиксировать состояние и тип грунта, различные незначительные и резкие его изменения и особенно любые признаки присутствия подземных вод (например, родники). «Сырые грунты» всегда представляют особый интерес, как и растения, встречающиеся в таких местах. Желательно, чтобы геолог обладал познаниями в ботанике, так как некоторые растения являются надежным признаком подземных вод.

Один из видов детальных исследований нам хотелось бы пояснить подробнее с помощью фиг. 3.13. Это поможет понять, каким образом определяются геологические условия под землей по наблюдениям на ее поверхности. В обнаженных горных породах нетрудно заметить отдельные пласты. Такие породы обычно относят к осадочным или метаморфическим. Первоначально пласты занимали горизонтальное или очень близкое к нему положение, так как образовались в результате отложения осадков. Позднее они могли быть наклонены, иногда очень круто, вследствие движений земной коры. Многие пласты были изогнуты в крупные складки. Если замерить элементы современного положения пласта в нескольких обнажениях, то по полученным данным можно установить характер его залегания на глубине. Замеренные на обнажениях величины известны как угол падения и азимут простирания пластов. Угол падения образуется с горизонтальной линией, идущей по поверхности наклонного пласта точно под прямым углом к простиранию. Азимут простирания представляет собой замеренное по компасу направление горизонтальной линии, проходящей по поверхности обнаженного пласта. Этими двумя величинами, замеряемыми на каждом обнажении, можно точно определить пространственное положение пласта в данной точке.

Фиг. 3.13. Диаграмма, поясняющая термины «падение» и «простирание», используемые для определения пространственного положения пластов горных пород.

Азимут простирания — замеренное по компасу направление линии АБВ. Угол падения — угол а. Линия АБВ и Б Б' находятся в одной горизонтальной плоскости. Линии АБВ и Бб находятся на обнаженной поверхности пласта породы.

Для того чтобы всю эту разнообразную информацию наносить на топографические карты, геологи вынуждены использовать своего рода стенографическую форму записи. С этой целью приняты единые условные обозначения. После завершения полевых исследований для составления предварительной геологической карты необходимо провести корреляцию полученных данных. Обычно это очень кропотливая работа, нередко требующая дополнительных полевых исследований, особенно на площадях со сложным геологическим строением. Следует помнить, что геологические карты должны быть пространственно  более выразительными, чем топографические. Такая выразительность достигается точным указанием углов падения всех пластов горных пород. Если углы указаны и прослежены контакты пластов, выходящих на поверхность, то с помощью специальных геометрических методов по карте легко определить их мощность и характер залегания на глубине. Эти данные обычно приводятся на прилагаемых к геологическим картам разрезах, проведенных по определенным направлениям (отмеченным на карте). Именно геологические разрезы и используются главным образом для целей планирования строительства. Разрезы наглядно изображают подземную структуру пластов, выходящих на поверхность вдоль выбранной линии, и оказывают наиболее действенную помощь инженерам и архитекторам в проектных работах.

Фиг. 3.14. Типичные условные обозначения («графическая стенография»), используемые на геологических картах.

Указаны обозначения, наиболее часто применяемые Геологической службой США.

1 — гравий и крупнозернистые слоистые отложения; 2 — глина; 3 — песок; 4 — конгломерат; 5 — слоистый песчаник; 6 — глинистый сланец; 7 —массивный или слоистый известняк; 8 — зернистый известняк; 9 — кристаллический сланец; 10 — гнейс; 11 — гранит; 12 — порфирит; 13 — массивная изверженная порода.

Когда коренные породы залегают на поверхности или вблизи нее, их легко нанести на геологические карты. Однако в некоторых районах, таких, как равнины Среднего Запада США и Канадские прерии, коренные породы залегают на очень большой глубине. В этом случае карты коренных пород составляются на основании результатов глубокого бурения *. Для всех видов строительных работ намного важнее геологические карты отложений, перекрывающих коренные породы. В районах развития мощных ледниковых отложений подобные карты наносов имеют огромное значение. Они составляются так же, как и карты коренных пород, иногда с добавлением данных, полученных с помощью мелкого бурения, которое легко проводится в рыхлых грунтах.

Для наиболее развитых районов составляются еще карты третьего типа, показывающие характер изменения грунтов и почв. Эти карты подобны тем, которые составляются почвоведами для сельскохозяйственных нужд. В настоящее время наука о картировании почв развита очень хорошо, а результаты картирования имеют важное значение для сельского хозяйства. Если исследовать почвенный слой по вертикали, можно проследить, как происходило преобразование грунтов в различные почвенные горизонты. Обычно выделяются три горизонта: А, Б и В. На фиг. 3.15 видно, что горизонт В представлен неизмененным обломочным материалом, который известен инженерам и геологам под названием «грунт». Читателей не должны беспокоить эти небольшие семантические трудности, поскольку контекст, в котором используются слова «грунт» и «почва», позволяет определить, какое значение придается данному слову **. Почвенные карты представляют большую ценность не только для сельского хозяйства, но во всех случаях, когда строительными работами вскрывается грунт вблизи земной поверхности. Использование почвенных карт оказывает значительную помощь при выборе мест расположения аэропортов, дорог и тому подобных сооружений в относительно равнинных местностях, когда не требуется проведения больших земляных работ.

Фиг. 3.15. Соотношение между почвой, грунтом и коренной породой.

Данные о почвах настолько широко используются дорожно-строительными организациями, что они могут, например, составить (и опубликовать) для своих районов целые системы соотношений между различными типами почв (обычно известных под местными названиями) и их физико-механическими свойствами. Учитывая, что в настоящее время в Северной Америке широко распространено составление почвенных карт округов, легко представить ценность сотрудничества инженеров-строителей и почвоведов. Большим вкладом инженерно-строительных организаций в это общее дело является определение физико-механических свойств грунтов в лабораториях механики грунтов, оборудованных приборами для определения всех основных физических параметров стандартными методами. В любом окончательном инженерно-геологическом отчете по району планируемых работ сведения о физико-механических свойствах грунтов всегда имеют большое значение. Часто для различных целей не менее важно знать физико-механические свойства скальных пород, которые определяются в лабораториях горной геомеханики: такие лаборатории по применяемым методам и оборудованию подобны лабораториям механики грунтов. Поэтому результаты исследований, проводимых в этих лабораториях, лучше всего помещать под рубрикой «геотехнические свойства грунтов и горных пород».

Хотя полевые работы остаются основным источником геологической информации, они существенно  дополняются лабораторными исследованиями. В лабораториях изучаются собранные в поле образцы горных пород, причем теперь, помимо обычных, используется ряд нетрадиционных методов исследования. Среди них наибольший интерес представляют те, которые позволяют с приемлемой точностью определять абсолютный возраст горных пород и грунтов. Наиболее известен метод радиоактивного углерода (по 14С), но разработаны и другие, позволяющие определять возраст пород непосредственно в поле.

Любые геологические исследования опираются на научные достижения не только в геологии, но и в смежных областях знаний. Ученые-геологи вынуждены расширять границы своих знаний, пользуясь химическими, физическими и биологическими методами исследований. Геологические и инженерно-геологические исследования имеют дополнительную сложность, так как по большей части выполняются в поле. Соединение в геологии теоретических, лабораторных и полевых методов исследований делает ее одной из самых захватывающих областей научной деятельности.

. В результате научных разработок созданы новые методы полевых исследований. Современная специализированная аппаратура позволяет обнаруживать в пробах воды, почв и даже в растениях незначительные количества различных химических элементов, которые попали в пробы из коренных пород, перекрытых рыхлыми отложениями. Геохимические и геоботанические методы полевых исследований в настоящее время широко используются для разведки рудных месторождений. Однако они находят применение и при детальном геологическом картировании. Геофизические методы применяются на протяжении многих лет и являются мощным средством, дополняющим геологические исследования. Существуют четыре основных вида геофизических методов, позволяющих с поверхности земли определять главные черты глубинной структуры земной коры: электрические методы, основанные на измерении сопротивлений горных пород, через которые пропускается электрический ток; сейсмические методы, с помощью которых измеряются скорости прохождения искусственно вызванных сейсмических волн; магнитные методы, основанные на измерении точных значений магнитного поля Земли; гравиметрические методы, использующие особо чувствительные приборы для измерения слабых изменений гравитационного поля. Приведенные в очень упрощенном виде краткие описания позволяют судить о разнообразии существующих геофизических методов, которые можно использовать по выбору в зависимости от местных условий. Однако следует помнить, что это косвенные методы и получаемые с их помощью результаты необходимо проверять непосредственными наблюдениями и измерениями (например, бурением).

Следует упомянуть и об аэрофотосъемке. Несмотря на то что впервые этот метод нашел применение свыше 100 лет назад, лишь сравнительно недавно он продемонстрировал свои подлинные возможности при геологических исследованиях. Главным фактором, обусловившим последние успехи, явилось использование цветных пленок, которые позволяют получать высокоточные цветные изображения и проводить дешифрирование аэрофотоснимков с такой полнотой, которая была недостижима по черно-белым отпечаткам. Однако и черно-белые снимки позволили достичь многого. Достаточно сказать, что Канада, вторая по величине страна на земном шаре, уже полностью заснята с воздуха. Особенно ценной оказалась аэрофотосъемка при изучении наиболее труднодоступных районов мира, прежде всего северных областей с зонами многолетней мерзлоты. Методика дешифрирования аэрофотоснимков местности такого тина сейчас настолько совершенна, что позволяет с достаточной степенью надежности устанавливать по особенностям растительности границы распространения мерзлых грунтов. Приведенные примеры свидетельствуют о важности аэрогеологических исследований.

Хотелось бы отметить и самые последние достижения в методике аэрогеологических исследований, в частности стереоскопическое аэрофотографирование. В случае цветной пленки при просмотре с помощью соответствующих приборов полученные стереоскопические фотоснимки дают поразительную по ясности картину исследованной площади. На качественных стереоскопических аэрофотоснимках легко осуществить предварительное проведение основных контуров машинным способом, что помогает их последующему дешифрированию. Значительно облегчает наземные исследования и метод высотной аэрофотосъемки. Наконец, совершенно новое направление аэрогеологии связано с использованием специальных фотоматериалов, чувствительных к инфракрасному излучению, что открывает поразительные перспективы в будущем. Важным достижением высотной аэрофотосъемки стало использование сканирующего радиолокатора с боковым обзором; этот прибор успешно применялся для изучения территории Калифорнии с ее гигантским разломом Сан-Андреас. Мощный радиолокационный луч легко проникал сквозь растительность, давая четкую аэрофотографию подстилающих коренных пород, которая приведена ниже.

Фиг. 3.16. Шарлесберг, Квебек, Канада. Типичный аэрофотоснимок местности; отчетливо выделяются формы рельефа земной поверхности и необычная радиальная планировка улиц города.

Мы умышленно не останавливаемся подробнее на новых интересных методах исследования, ибо назначение нашей книги — рассказать не о самих методах, а о результатах, которые можно достигнуть с их помощью. Современный геолог оснащен самыми разнообразными методами исследования земной коры. Все эти методы можно по мере надобности использовать для детальных исследований геологии района, чтобы составить обоснованный план его развития. Нередко такие исследования проводятся по заказу планирующих организаций и в тесном контакте с ними. В других же случаях для планировщиков составляется-специальный отчет, а иногда и карта, основанные на ранее полученной геологической информации. Вряд ли имеет смысл подчеркивать, что» все эти исследования слишком обобщенные; они годятся лишь для общей геологической оценки района и явно недостаточны при проектировании фундаментов отдельных сооружений.

Поэтому на второй стадии реализации генерального плана развития района требуется исследовать строительные площадки под каждое сооружение или группу сооружений. При этом особое внимание уделяется техническим характеристикам грунтов и пород, а также гидрогеологическим условиям.

Третья, последняя стадия геологических исследований в процессе-городского планирования связана с началом строительства. На этой стадии происходит непрерывное изучение грунтов и пород, вскрываемых в ходе землеройных работ. Полученные данные сопоставляются с результатами предварительного бурения и другими сведениями о геологии района. Таковы три последовательные стадии геологических исследований местности при планировании городского развития. Ниже приводятся типичные примеры использования геологической информации для целей городского и регионального планирования. Часть примеров-была специально подготовлена для этой книги, остальные представляют собой итог многолетних геологических исследований определенных, районов.

* Обычно для этой цели используются данные глубокого бурения и геофизических исследований. — Прим. перев.

** В английском языке для обозначения терминов «грунт» и «почва»  часто используется одно и то же слово «soil». — Прим. перев.