1
2
زمین شناسی مهندسی
(Engineering Geology)
سنگ های رسوبی
تهیه کننده : دکتر بهزاد زراعت
زمین شناسی مهندسی
3
هدف: آشنایی با مبانی دانش زمینشناسی و تاثیر محیط زمینشناسی بر سازههای مهندسی و پروژههای عمرانی
مباحث درس:
1- موقعیت زمین در فضا
2- آشنایی با زمینشناسی و جایگاه آن در مهندسی عمران
3- آشنایی با ساختمان داخلی زمین و زمان در زمینشناسی
4- فرآیندهای زمینشناسی (آذرین، دگرگونی، ساختمانی)
5- کانیها و سنگها
6- هوازدگی سنگها و تشکیل خاک برجا
7- ساختمانهای زمینشناسی
8 – زمینساخت ورقهای
9- زمینلرزه
10- آبهای سطحی و زیر زمینی
11- ناپایداری دامنهها
12 – آشنایی با نقشههای توپوگرافی و زمینشناسی
مبانی قانونی
آموزش کارکنان دولت
سنگ های رسوبی
خاک (Soil)
سنگ ها اعم از آذرین، رسوبی و دگرگونی در اثر هوازدگی و تجزیه و تخریب نهایتاً به خاک تبدیل می شوند. واژه خاک در رشته های مختلف علوم و مهندسی به معانی متفاوت به کار می رود. مثلاً در مکانیک خاک به تمام موادّ خرد شده و نا پیوسته سطح زمین بدون توجّه به منشا و نحوه تشکیل آنها خاک می گویند. پاره ای از زمین شناسان نیز به طور کلّی تمام موادّ هوازده را به عنوان خاک در نظر می گیرند. ولی در علوم کشاورزی و خاک شناسی به موادّ دانه ریزی که ریشه گیاهان می تواند در آنها رشد کند، اصطلاحاً خاک می گویند.
5
مهمترین عوامل موثّر در تشکیل خاک همان عوامل موثر در هوازدگی (نوع سنگ مادر، آب و هوا، شکل سطح زمین، زمان و …) است.
در اجرای پروژههای عمرانی، مسائل مکانیک خاک و بررسی رفتار خاک در برابر بارهای وارده و ویژگیهای مهندسی خاک دارای اهمیت است.
6
انواع خاک ها
خاک ها را می توان به روش های مختلفی تقسیم بندی کرد. مثلاً می توان آنها را برحسب محلّ تشکیل، ترکیب شیمیایی، ابعاد ذرّات، قابلیت کشاورزی و نظایر آن دسته بندی نمود.
از نظر محل و نحوه تشکیل خاک ها به دو دسته تقسیم می شوند:
1- خاک های برجا یا باقیمانده (Residual Soils): این دسته خاک ها در نتیجه هوازدگی طبقات موجود در زیر خاک بوجود آمده اند و در مورد آنها حمل و نقل و رسوبگذاری صورت نگرفته است. این خاک ها فاقد لایه بندی هستند. دارای عمق نسبتاً کم بوده و از جنس سنگ مادر هستند و به دلیل عدم انتقال و جابجایی دانه ها گرد شده نیستند.
7
8
9
۲- خاک های حمل شده یا انتقالی (Transported Soil): این خاک ها در محلّی غیر از محلّ فعلی شان تشکیل شده اند و توسّط عواملی مانند آب، باد و یخچال ها از محلّ تشکیل به مکان دیگری انتقال یافته و رسوب کرده اند. چنین خاک هایی عموماً دارای لایه بندی هستند و ضخامت نسبتاً زیادی دارند و به دلیل انتقال دارای گردشدگی می باشند.
10
سوال
به نظر شما، برای تهیّه بتن، خاک های حمل شده مناسب تر هستند یا خاک های برجا؟ چرا؟
11
سوال
عوامل موثّر بر فرسایش خاک کدام است؟
12
سوال:
هوازدگی درکدامیک از مناطق آب و هوایی زمین شدیدتر است؟
13
سوال
پوشش گیاهی چگونه از فرسایش خاک جلوگیری می کند؟
14
سوال
فرسایش بادی در چه نوع آب و هوایی بیشتر موثّر است؟
15
سوال
چنانچه می دانیم، حرکت ماسه ها گاهی در نواحی اطراف صحراها بسیار خطرناک می شود. چگونه می توان از پیشرفت آنها به طرف نقاط مسکونی جلوگیری نمود؟
16
17
افقهای خاک
لایه های تشکیل دهنده خاک را افق می گویند.
هرچه تعداد افق خاک بیشتر باشد، خاک کاملتر است.
18
افق A: لایه سطحی خاک است و به علت داشتن گیاخاک مواد آلی تیره است. این لایه دارای مقداری ماسه بوده و مواد محلول آن توسط آب به افق B منتقل شده است.
افقB: در زیر افق A قرار دارد و مواد آلی آن کم است. مواد محلول و رس آن زیاد است.
افقC: مخلوطی از سنگ بستر و مواد تجزیه شده است. مستقیما بر روی سنگ بستر قرار دارد و رنگ آن بیشتر وابسته به رنگ سنگ بستر است.
سنگ بستر: عوامل هوازدگی بر روی آنها تاثیر نکرده است.
19
سنگ های رسوبی((Sedimentarry Rocks
سنگ های رسوبی، سنگ هایی هستند که بر اثر سخت شدن موادّ حاصل از فرسایش سایر سنگ های پوسته زمین حاصل می گردند.
21
برخی از خصوصیّات سنگ های رسوبی
1- عموماً لایه لایه اند.
2- معمولاً دارای فسیل اند.
3- معمولاً از یک یا چند کانی ساخته شده اند که به وسیله خود آنها و یا یک سیمان به هم متّصل شده اند.
4- معمولاً متخلخل اند.
5- در سطح زمین بیشترین گسترش را دارند.
22
23
24
25
26
اهمّیّت سنگ های رسوبی
چون سنگ های رسوبی بیشترین گسترش سطحی را دارند، و اجرای هر گونه سازه ای اعم از سد، تونل، بزرگراه، خطوط آهن و … بر روی این گونه سنگ ها صورت می گیرد، لذا در امور مهندسی و عمرانی، این گروه از سنگ ها از اهمّیّت ویژه ای برخوردار می باشند. در مطالعه سنگ های رسوبی از دیدگاه زمین شناسی مهندسی موارد زیر باید به دقّت مورد برّرسی و توجّه قرار گیرد:
1- ترکیب کانی شناسی سنگ 2- میزان مقاومت 3- میزان تخلخل و نفوذ پذیری 4 – ضخامت، شیب و امتداد طبقات رسوبی 5- ساختمان های زمین شناسی
27
28
29
30
31
32
دیاژنز((Diagenasis
سنگ شدن (دیاژنز) به مراحلی گفته می شود که طیّ آن از رسوبات نرم و منفصل، سنگ های سخت و متّصل پدید می آید. این مراحل شامل: متراکم شدن ((Compaction و سیمانی شدن ((Cementation است.
33
34
35
تخلخل سنگ های رسوبی ((Porosity
مقدار تخلخل سنگ به چگونگی آرایش اجزای تشکیل دهنده آن، اندازه ذرّات و مقدار سیمان موجود بین آنها بستگی دارد.
از دیدگاه زمینشناسی مهندسی هر چه سنگ متخلخلتر باشد دارای مقاومت کمتر بوده و ارزش مهندسی کمتری دارد.
36
37
38
Cement
39
رابطه تخلخل و نفوذپذیری ((Permeability
معمولاً هر چه درجه گردشدگی ذرّات بیشتر باشد، سنگ دارای تخلخل و نفوذپذیری بیشتری است.
40
41
42
43
سوال:
در رسوبات و یا سنگهای رسوبی درجه تراکم یا فشردگی دانههای تشکیل دهنده سنگ چه تاثیری در میزان مقاومت و نفوذپذیری سنگ دارد؟
44
سوال
مهمترین فرایندهایی که در پیدایش سنگ های رسوبی دخالت دارند کدام است؟
45
سوال:
مقاومت سنگ های رسوبی به چه عواملی بستگی دارد؟
46
طبقه بندی سنگ های رسوبی بر اساس نحوه تشکیل
سنگ هایی را که از حمل و نقل مکانیکی قطعات مجزّا یا ذرّات آواری حاصل از فرسایش انواع سنگ ها درست شده اند به عنوان : « سنگ های رسوبی آواری »، سنگ هایی را که حاصل ته نشینی رسوبات از مواد محلول در آب هستند به عنوان : « سنگ های رسوبی شیمیایی» و سنگ هایی را که از انباشته شدن بقایای گیاهان و جانوران به وجود می آیند به عنوان : « سنگ های رسوبی آلی » طبقه بندی می کنند.
47
48
سنگ های رسوبی تخریبی یا آواری
از آنجا که سنگ های رسوبی آواری از ذرّات و قطعات خرد شده سنگ های قبلی درست شده اند، بنابر این اندازه دانه ها معیاری برای تقسیم بندی آنهاست. سنگ های آواری را به طور قراردادی می توان به سه گروه کلّی شامل :«کنگلومراها»، «ماسه سنگ ها»و«شیل ها» تقسیم بندی کرد.
49
طبقه بندی سنگ های رسوبی تخریبی بر اساس اندازه ذرّات آواری
50
Graine size
51
52
کنگلومرا (Conglomerate)
کنگلومراها حاصل سنگ شدگی ذرّات آواری بزرگتر از ماسه اند، ولی
ممکن است مقداری موادّ دانه ریز نیز داشته باشند.
رسوبات دانه درشتی که منجر به تشکیل کنگلومرا می شود در محیط های مختلفی ممکن است ته نشین شود (مثلاً به صورت رسوبات واریزه ای، رودخانه ای، ساحلی، یخچالی و غیره). البتّه بیشتر کنگلومراهای قدیمی منشا دریایی یا رودخانه ای دارند.
53
Conglomerate
54
Conglomerate
55
بِرِش(Breccia)
نوعی سنگ رسوبی دانه درشت (مانند کنگلومرا) که از قطعات زاویه دار درست شده است، «بِرِش» خوانده می شود. وجود قطعات و ذرّات زاویه دار نشان می دهد که سنگ از منشا خود چندان دور نشده است. بعضی از برش ها حاصل ریزش و لغزش سنگ ها از پرتگاه ها می باشند. برش ها را در امتداد مناطق گسلی نیز می توان یافت (برش گسلی یا برش تکتونیکی). کنگلومراها و برش ها بخش خیلی کوچکی از سنگ های رسوبی را تشکیل می دهند.
56
Breccis
57
Breccis
58
بعضی از برشها حاصل ریزش و لغزش سنگها از پرتگاهها میباشند. برش ها را در امتداد مناطق گسلی نیز می توان یافت (برش گسلی یا برش تکتونیکی).
کنگلومراها و برشها بخش خیلی کوچکی از سنگهای رسوبی را تشکیل می دهند.
59
خواصّ مهندسی کنگلومرا و برش
کنگلومراها و برش ها به خصوص اگر دارای سیمان سیلیسی باشند، از سنگ های مقاوم و سخت محسوب می گردند و از دیدگاه زمین شناسی مهندسی در برابر بارگذاری و عوامل هوازدگی مقاومت لازم را داشته و می توانند به عنوان مصالح مناسب جهت زیر سازی جادّه و ریل راه آهن مورد استفاده قرار گیرند.
60
کنگلومراهای ضخیم لایه محل مناسبی برای احداث سد هستند. سد شهید رجایی در جنوب ساری که تاج سد بر روی کنگلومراهای پالئوسن گذاشته شده و سد دز در خوزستان که بر روی کنگلومرای بختیاری احداث گردیده از جمله سدهای موفق کشور میباشند.
دریاچه سدّ دز بر روی کنگلومرای بختیاری
62
ماسه سنگ(Sandstone)
ماسه سنگ زمانی تشکیل می شود که ذرّات ماسه ( با قطر1/16 تا ۲ میلی متر ) به سنگ تبدیل شوند. فراوان ترین کانی تشکیل دهنده ماسه سنگ ها کوارتز است، ولی کانی های دیگر مثل فلدسپات ها، میکاها، کانی های رسی، کلسیت و دانه های سنگی نیز ممکن است در آنها یافت شود.
63
ماسه سنگ ها به چند دلیل از سنگ های رسوبی مهم اند: 1- ماسه سنگ ها حدود ۲۵ درصد کل سنگ های رسوبی را تشکیل می دهند. 2- این سنگ ها اهمّیّت اقتصادی نیز دارند و از آنها به عنوان مادّه خام در صنایع زیادی مثل: شیشه سازی، ساختن دیوارهای حایل و پایه پل، تولید بتن و دیگر مصالح ساختمانی، مواد ساینده، صافی ها و
غیره استفاده می شود. 3- ماسه سنگ ها در دنیا مخازن طبیعی وسیعی را که در آنها نفت، گاز و آب پیدا می شود، تشکیل می دهند.
64
درجه مقاومت ماسه سنگها به ترکیب کانیشناسی، نوع سیمان (سیلیسی، آهکی، رسی، آهنی) و مقدار درصد تخلخل آنها بستگی دارد.
با توجّه به موارد فوق ماسه سنگها دارای مقاومتی بین 1000 تا 3000 کیلوگرم بر سانتی متر مربّع میباشند.
65
Sandstone
66
Banded sandstone
67
Quartzite
68
کوارتزیت، نوعی ماسه سنگ با بیش از 95% کوارتز
کوارتزیتهای دارای منشاء رسوبی را ارتوکوارتزیت و کوارتزیتهای دارای منشاء دگرگونی را متاکوارتزیت یا پاراکوارتزیت می گویند.
ارتوکوارتزیت: محلول سیلیسی به سرعت موجب رشد بلورهای کوارتز میشود.
متاکوارتزیت (پاراکوارتزیت): حرارت و فشار موجب تبلور دوباره سنگ های سیلیسی میشود.
69
Arkose
70
آرکوز، نوعی ماسه سنگ اغلب قرمز رنگ با بیش از 25% فلدسپات و بقیه کوارتز
شیل (Shale)
شیل ها نیز از سنگ های رسوبی تخریبی هستند که دارای تورّق اند، یعنی قابلیت جداشدگی در امتداد سطوح نزدیک به هم را دارند. شیل ها به رنگ های خاکستری، سیاه یا قرمز دیده می شوند و غالباً حاوی مواد آلی و فسیل هستند . شیل ها فراوان ترین سنگ های رسوبی اند که بیشترین ترکیب کانی شناسی آنها را رس ها تشکیل می دهند.
71
Black shale
72
به طور کلّی کانی های رسی از دیدگاه مهندسی اهمّیّت ویژه ای دارند، زیرا رفتار آنها در محیط های خشک و آبدار به شدّت متغیّر بوده به نحوی که در مقابل آب دچار تورّم (Swelling) شده و بر اثر بار گذاری دچار تراکم ((Compaction می گردند. لذا به هنگام کار در محیط هایی که کانی ها و سنگ های رسی وجود دارد، باید دقّت بیشتری به عمل آید.
توجّه
73
Siltstone
74
Mudstone
75
سنگ های رسوبی شیمیایی
سنگ های رسوبی شیمیایی (که حدود ۲۵ درصد سنگ های رسوبی پوسته زمین را می سازند) یا بر اثر فعل و انفعالات شیمیایی و یا از طریق ته نشینی املاح و یا از تبخیر موادّ محلول حاصل می گردند.
در این سنگ ها، بر خلاف سنگ های آواری، اندازه کانی ها معیاری منطقی برای تقسیم بندی نیست، لذا در آنها ترکیب شیمیایی مبنای تقسیم بندی قرار می گیرد.
76
مهمترین سنگ های رسوبی شیمیایی
کربنات ها((Carbonates:کربنات ها سنگ های رسوبی شیمیایی هستند که عمدتاً از کانی های کلسیت، دولومیت و آراگونیت درست شده اند. دو سنگ اصلی از این گروه عبارتند از: سنگ آهک و سنگ دولومیت. این دو سنگ از نظر ظاهری شبیه به هم می باشند و غالباً شناسایی آنها با چشم غیر مسلّح مشکل است. یک راه شناسایی ساده سنگ آهک آن است که با اسیدکلریدریک رقیق می جوشد، ولی این اسید بر دولومیت بی تاثیر است. دولومیت با HCl غلیظ می جوشد. تراورتن و مارن نیز از دیگر سنگ های کربناته می باشند.
77
سنگ آهک فراوانترین سنگ رسوبی شیمیایی است و عمدتاً متشکل از کانی کلسیت است. کلسیم در میان عناصر معمولی که به صورت محلول در آب دریا و آب شیرین وجود دارد، کمتر از همه محلول است و از این رو در نتیجه تغییراتی که ممکن است در شرایط محیط
رسوبی صورت گیرد، ته نشین می شود. سنگ های آهکی غالباً فسیل دارند و به رنگ ها و شکل های مختلف دیده می شوند.
سنگ آهک((Limestone
78
موارد استفاده: از سنگ های آهکی به عنوان مصالح ساختمانی و نیز در پی سازی ساختمان ها و یا برای تهیّه سیمان در کارخانجات سیمان سازی استفاده می نمایند.
توجّه: انحلال پذیری سنگ آهک در مقابل آب های جاری و زیر زمینی باعث افزایش تخلخل سنگ و ایجاد حفرات یا غارهایی در آن می گردد که این موضوع از دیدگاه زمین شناسی مهندسی به ویژه در اجرای پروژه های سد سازی از اهمّیّت فوق العادهای بر خوردار است.
79
Limestone
80
Limestone
81
Caverna travertina
82
Dolomite
83
راه شناسایی سنگ آهک و سنگ دولومیت
این دو سنگ از نظر ظاهری شبیه هم میباشند و غالباً شناسایی آنها با چشم غیرمسلّح مشکل است. یک راه شناسایی ساده سنگ آهک آن است که با اسیدکلریدریک رقیق می جوشد، ولی این اسید بر دولومیت بی تاثیر است. دولومیت با HCl غلیظ می جوشد.
84
تبخیری ها(Evaporites): تبخیری ها سنگ های رسوبی شیمیایی اند که در نتیجه تبخیر از آب های حاوی املاح و نمک ها تشکیل می شوند. فراوان ترین سنگ های تبخیری عبارت اند از: سنگ گچ آبدار (ژیپس)، سنگ گچ بدون آب (انیدریت) و سنگ نمک (هالیت). تبخیری ها بیشتر در نواحی خشک و نیمه خشک که میزان تبخیر بیش از بارندگی است، تشکیل می شوند. از سنگ گچ به عنوان مصالح ساختمانی استفاده می شود.
85
Evaporites
86
Evaporites
87
Evaporites
88
Evaporites
89
90
Chert
91
Jasper
92
سنگ های رسوبی آلی
این سنگ ها از انباشته شدن بقایای گیاهان و جانوران به وجود می آیند. مرجان ها، نرم تنان، پاره ای از اسفنج ها و تک سلولی هایی از گروه روزن داران و همچنین برخی از جلبک های دریازی چنین سنگ هایی را به وجود می آورند.
زغال سنگ، گل سفید، کوکینا و سنگ های سیلیسی با منشا آلی از جمله سنگ های رسوبی زیستی یا ارگانیکی می باشند.
93
Coal
94
95
Coquina
96
سنگ آهک مرجانی
97
گل سفید
98
گل سفید
99
100
ساخت در سنگ های رسوبی
Ripple marks
101
102
با تشکر از
همراهی صمیمانه شما
103