1
2
زمین شناسی مهندسی
(Engineering Geology)
هوا زدگی سنگ ها،
تشکیل خاک بر جا
تهیه کننده : دکتر بهزاد زراعت
زمین شناسی مهندسی
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
3
مبانی قانونی
آموزش کارکنان دولت
هوا زدگی سنگ ها،
تشکیل خاک بر جا
تعاریف
هوازدگی ((Weathering: عبارت از تجزیه و خرد شدن سنگ ها در سطح و یا نزدیک سطح زمین است که در نتیجه تاثیر عوامل مختلف فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی مانند: رطوبت، تغییرات دما، عوامل شیمیایی و گیاهان انجام می شود. هوازدگی موجب خرد شدن و تجزیه شیمیایی سنگ ها در محل خود می گردد.
فرسایش :(Erosion) شامل حمل مواد توسّط عواملی مثل: باد، آب (باران، رودخانه ، دریاچه، دریا، آب های زیرزمینی)، یخ(یخچال های طبیعی)، حرکت ثقلی مواد (زمین لغزش) و انسان است.
حرکت ثقلی مواد:(Gravitational Sliding)شامل حمل مواد سنگی به طرف پایین تحت تاثیر نیروی جاذبه زمین می باشد.
5
6
7
8
9
10
هوازدگی مکانیکی یا فیزیکی (Mechanical or Physical Weathering)
وقتی سنگ ها در معرض هوازدگی مکانیکی یا فیزیکی قرار می گیرند، به قطعات کوچکتری تقسیم می شوند که هر یک ویژگی های مواد اصلی را دارند. پس نتیجه این نوع هوازدگی، ایجاد قطعات کوچکتر از یک قطعه بزرگتر است.
بر اثر خرد شدن سنگ ها، سطح جانبی قطعات زیادتر می شود و در نتیجه سنگ برای تجزیه شیمیایی آماده تر می شود.
در طبیعت عوامل مختلفی مانند: انجماد، گرم و سرد شدن مکرّر سنگ ها، عدم تجانس سنگ ها و تبلور نمک ها باعث خرد شدن سنگ ها می شوند.
11
سوال:
بافت سنگ چه تاثیری بر هوازدگی مکانیکی سنگ ها دارد؟
12
13
14
15
16
الف) انجماد:
آبی که در منافذ و شکاف سنگ ها جمع می شود، در اثر انجماد ۹ درصد افزایش حجم می یابد و در نتیجه، فشار قابل توجّهی به دیواره شکاف ها و درزه ها وارد می کند و به مرور باعث خردشدن آنها می شود. فرآیند انجماد اکثراً در نواحی کوهستانی که در آن چرخه روزانه یخبندان و ذوب وجود دارد، مشاهده می شود. وجود درزه ها در سنگ به آب اجازه می دهد تا به اعماق نفوذ کند و فرآیندهای هوازدگی در اعماق و قبل از رسیدن سنگ به سطح زمین آغاز شود. علاوه بر شکاف ها و درزه ها، تخلخل طبیعی موجود در سنگ نیز باعث جمع شدن آب و در نتیجه تاثیر این نوع هوازدگی می شود.
17
ب) گرم و سرد شدن مکرّر:
تغییر دمای هوا سبب تغییر حجم سنگ ها می شود. بدین معنی که در روز به علّت حرارت خورشید، سنگ ها منبسط و در شب به علّت کاهش دما، منقبض می شوند. در مقیاس بزرگ تر، درفصول مختلف سال نیز به علّت اختلاف دما، حجم سنگ ها متفاوت است. این انبساط و انقباض مکرّر سنگ ها که ناشی از گرم و سرد شدن متوالی آنهاست، باعث سست شدن و در نتیجه متلاشی شدن سنگ ها می شود و این امر، به ویژه در مواردی که اختلاف دمای شبانه روز و فصول زیاد است(مانند نواحی خشک که اختلاف دمای روزانه از ۳۰ درجه سانتیگراد بیشتر است)، در هوازدگی مکانیکی سنگ ها بیشتر موثّر است.
18
ج) عدم تجانس سنگ ها:
سنگ ها معمولاً متجانس نیستند و از کانی های مختلف تشکیل گردیده اند. به علّت یکسان نبودن ضریب انبساط حرارتی (Thermal expansion) کانی های مختلف، در اثر تغییر دما، کانی های مختلف سنگ به طور نابرابر منبسط می شوند و همین امر سبب تولید نیروهای داخلی در سنگ می شود که در اثر تکرار منجر به متلاشی شدن آن می گردد.
این پدیده در مواردی که سنگ از کانی های درشت تشکیل شده، بیشتر موثّر است.
19
د) تبلور نمک ها:
در مناطقی که آب و هوای گرم و خشک دارد، دمای هوا باعث تبخیر سریع آب موجود در شکاف سنگ ها می شود و در نتیجه، املاح موجود در آن رسوب می کنند. در مرحله بعد، تبلور این نمک ها باعث ایجاد فشارهای ناشی از تبلور و در نتیجه خرد شدن سنگ ها می شود.
20
هوازدگی شیمیایی (Chemical Weathering)
مراحلی که طیّ آن، عوامل شیمیایی سنگ را تجزیه و تخریب می کنند، هوازدگی شیمیایی نامیده می شوند. آب عامل اصلی هوازدگی شیمیایی است، زیرا آب با عناصر موجود در هوا و زمین ترکیب می شود و اسیدها و بازهای مختلف را تولید می کند که این مواد باعث فعل و انفعالات شیمیایی و تغییر سنگ ها می شود.
اکسیژن، گاز دی اکسید کربن، رطوبت و حرارت بر سنگ ها تاثیر می گذارند و موجب هوازدگی شیمیایی می شوند. در این نوع هوازدگی ساختمان داخلی کانی ها بر اثر کاهش یا افزایش عناصر تغییر می کند.
21
22
سوال
هوازدگی در کدامیک از مناطق آب و هوایی زمین شدیدتر است؟
23
هوازدگی شیمیایی باعث تغییرات زیر می شود:
– تغییر شکل سنگ ها
– تشکیل موادّ سبکتر
– خرد شدن سنگ ها و در نتیجه ایجاد سطح آزاد بیشتر جهت تاثیر سایر هوازدگی ها
– تشکیل کانی های با ثبات تر در شرایط جدید
– از بین رفتن جلای کانی ها
24
انواع هوازدگی شیمیایی
انواع هوازدگی شیمیایی شامل: اکسیداسیون، هیدراته شدن، هیدرولیز و انحلال است.
25
الف) اکسیداسیون (Oxidation): هنگامی که دو عامل هوا و آب وجود داشته باشد، عمل اکسیداسیون انجام می گیرد. به طور کلّی سنگ هایی که واجد اکسید آهن هستند، وقتی در معرض هوازدگی قرار می گیرند، شروع به اکسیده شدن می کنند و لکّه های زرد تا قهوه ای مایل به قرمز در سطح آنها ظاهر می شود. یکی از مشخّص ترین مراحل اکسیداسیون، تاثیر آب اکسیژن دار (یعنی آبی که مقداری هوا را در خود حل کرده) بر سولفورها است که به عنوان نمونه می توان به تجزیه و تبدیل پیریت به هماتیت اشاره کرد.
اکسیداسیون درتمام کانی های فرّومنیزین مانند اولیوین دیده می شود.
26
سوال:
وجود کانیهای سولفوره چه تاثیری بر خصوصیّات مهندسی سنگها دارد؟
27
ب) هیدارته شدن (Hydration): اثر آب بر روی کانی ها که منجر به جذب آب توسّط کانی می شود، هیدراته شدن (آب گیری) نامیده می شود. به عنوان نمونه می توان از تبدیل انیدریت به ژیپس و یا هماتیت به لیمونیت نام برد.
عمل هیدراته شدن معمولاً فعل و انفعال دو طرفه است.
28
سوال:
عکس عمل هیدراته شدن (جذب آب توسط کانی) چه نامیده میشود؟
29
ج) هیدرولیز (Hydrolysis): هیدرولیز عملی است که در نتیجه تاثیر آب، عامل –OH و H+در محیط وارد عمل شده و نیز وارد فرمول شیمیایی جسم می گردد و موجب تغییر ساختمان شیمیایی آن می شود.
عمل هیدرولیز برخلاف هیدراته شدن یک طرفه است و به آسانی قابل برگشت نیست. برای نمونه می توان از تبدیل فلدسپات ها به کائولن نام برد.
30
Feldspar
31
گرانیت – یعنی فراوان ترین سنگ قاره ای- عمدتاً ازکوارتز و فلدسپات پتاسیم دار تشکیل گردیده است. آب باران در هنگام ریزش از آسمان مقداری گاز کربنیک موجود در هوا را در خود حل می کند و اسیدکربنیک بوجود می آورد. این اسید ضعیف با فلدسپات پتاسیم دار موجود در گرانیت وارد واکنش شده و کانی های رسی را ایجاد می نماید.
چون عمدتاً کانی های رسی محصول نهایی هوازدگی هستند، بنابر این درشرایط سطح زمین بسیار پایدارند. بدین علّت کانی های رسی قسمت اعظم موادّ معدنی خاک را تشکیل می دهند.
32
سوال:
چرا فلدسپاتها – بر خلاف کوارتز – اجزاء اصلی تشکیل دهنده رسوبات نیستند؟
33
سوال: کوارتز یکی از کانی های اصلی گرانیت است. هوازدگی شیمیایی چه تاثیری بر روی این کانی دارد؟
34
سوال:
چرا کانی های رسی قسمت اعظم موادّ معدنی خاک را تشکیل می دهند؟
35
سوال: باران اسیدی چیست؟
در شهرهای صنعتی در اثر احتراق سوخت های فسیلی مانند نفت و بنزین و زغال سنگ، همیشه مقداری گاز دی اکسیدکربن و دی اکسیدگوگرد در هوا وجود دارد که به هنگام باران این گازها در آب حل می شود و تشکیل اسیدهایی را می دهد که به آن باران اسیدی می گویند. این اسیدها قابلیّت انحلال آب را افزایش می دهند.
36
توجّه: مناطقی که از سنگ های دارای قابلیت انحلال مانند: سنگ های کربناته، سولفاته و یا سنگ نمک تشکیل گردیده اند و یا دارای پدیده های انحلالی هستند (Karstic zones)، در انجام پروژه های عمرانی باید مورد توجّه قرار گیرند. مثلاً برای انجام پروژه های بزرگ مانند سدهای مخزنی، شناخت نوع سنگ بستر سد از اهمّیّت بسیار زیادی برخوردار است و حضور سنگ های دارای قابلیت انحلال می تواند به ردّ محلّ یک سد منجر شود.
37
د) انحلال:
آب به تنهایی و یا همراه با سایرعوامل – مانند دی اکسیدکربن- باعث حل شدن سنگ ها و در نتیجه تخریب آنها می شود. قابلیت انحلال املاح مختلف در آب خالص متفاوت است، مثلاً در حالی که آب خالص در دمای C10 قادر است gr263 نمک طعام را در هر لیتر حل کند، در همین شرایط ، فقط قادر به انحلال gr1/9 گچ است.
وجود دی اکسیدکربن در آب باعث افزایش قدرت انحلال آن می شود. مثلاً تاثیر آب خالص بر سنگ های آهکی و کربناتی ناچیز است ولی اگر آب حاوی دی اکسیدکربن باشد به سهولت باعث انحلال این سنگ ها می شود. چرا؟
38
پدیده انحلال در داخل غار
39
40
سوال:
تخلخل چه نقشی در میزان مقاومت سنگ دارد؟
در چه شرایطی یک سنگ سریعتر تحت تاثیر هوازدگی قرار میگیرد؟
41
سوال:
عوامل موثر در هوازدگی
۱- نوع سنگ: به طور کلّی کانی های تشکیل دهنده سنگ ها، اکثراً در شرایطی غیر از شرایط فعلی بوجود آمده اند. مثلاً کانی های سنگ های آذرین در شرایط فشار و دمای بالا تولید شده اند؛ لذا کانی ها و در نتیجه سنگ ها در شرایط موجود زمین در حال تعادل نیستند و در اثر عوامل مختلف تجزیه و به موادّ دیگر تبدیل می شوند. مقاومت کانی ها نیز در برابر عوامل هوازدگی متفاوت است و در شرایط ثابت، یک کانی ممکن است با سرعت زیاد تجزیه شود و کانی دیگر بدون تغییر باقی بماند. بنابر این مقاومت کانی و نوع سنگ در نحوه و شدّت هوازدگی موثر است. طبق مطالعات گلدیک (Goldich) در شرایط موجود اولیوین غیرمقاوم ترین و کوارتز مقاوم ترین کانی است.
42
43
44
۲- شیب زمین: در مواردی که شیب سطح زمین زیاد است، ذرّات خرد شده در اثر نیروی وزن خود و یا بارش باران، به قسمت های پایین حمل می شوند و بدین ترتیب قسمت تازه ای از سنگ ها درمعرض هوازدگی قرار می گیرد و هوازدگی با سرعت بیشتری انجام می شود. امّا اگر شیب زمین کم باشد، اوّلین قشرهای هوازده، مانع نفوذ عوامل هوازدگی به قسمت های پایین تر شده و باعث کندی هوازدگی می شود.
45
۳- آب و هوا: از آنجا که رطوبت و دما از عوامل مهمّ هوازدگی به شمار می آیند، لذا نوع آب و هوا در شدّت هوازدگی تاثیر به سزایی دارد و طبیعتاً در آب و هوای گرم و مرطوب تاثیر آن زیادتر از آب و هوای سرد و خشک است، مثلاً سنگ های آهکی که به علّت تاثیر مشترک آب و دی اکسیدکربن در آب و هوای مرطوب به سهولت تجزیه می شوند، در آب و هوای خشک بسیار مقاوم هستند.
46
۴- زمان: مطالعه تجزیه سنگ ها در ساختمان های قدیمی و کوه ها نشان داده است که برای تجزیه چند میلیمتر از سنگ، چندین صد سال و حتّی هزاران سال وقت لازم است، لذا زمان از عوامل مهمّ موثّر در هوازدگی است.
بر اثر فعالیت های گیاهان (ریشه گیاهان )، جانوران حفّار (موش، کرم ها، مورچه) و انسان نیز هوازدگی انجام می شود که به آن هوازدگی زیستی (Biological Weathering) می گویند.
47
48
49
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.
50
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.
51
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.
52
53
54
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.
55
سوال
به نظر شما، برای تهیّه بتن، خاک های حمل شده مناسب تر هستند یا خاک های برجا؟ چرا؟
56
سوال
عوامل موثّر بر فرسایش خاک کدام است؟
57
سوال:
هوازدگی درکدامیک از مناطق آب و هوایی زمین شدیدتر است؟
58
سوال
پوشش گیاهی چگونه از فرسایش خاک جلوگیری می کند؟
59
سوال
فرسایش بادی در چه نوع آب و هوایی بیشتر موثّر است؟
60
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؟
61
62
افقهای خاک
لایه های تشکیل دهنده خاک را افق می گویند.
هرچه تعداد افق خاک بیشتر باشد، خاک کاملتر است.
63
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.
64
با تشکر از
همراهی صمیمانه شما
66