Geologie1 přednáška Geologie ve stavební praxi - cíl : ukázat interakci mezi stavbou a horninovým prostředím na příkladech poruch staveb způsobených nerespektováním geologických (základových) poměrů. zdůraznit uplatnění znalostí z geologie : - při návrhu založení staveb - při zpracování podkladů pro územní plán - při řešení a předcházení negativních dopadů ekonomického rozvoje na životní prostředí Inženýrsko-geologické průzkumy prováděné pro založení staveb, geologické průzkumy nerostných surovin, hydrogeologické průzkumy pro zajištění pitné podzemní vody nebo rozsahu kontaminace podzemní vody a horninového prostředí, stejně tak i zpracovávané Dokumentace vlivu plánovaných staveb na životní prostředí (EIA) obsahují řadu odborných geologických termínů, jejichž porozumění pro stavebního inženýra je v praxi základem pro správné rozhodování. Závěrečné zprávy těchto průzkumů podléhají ze zákona o geologických prací archivaci v Geofondu, kde je možné do nich nahlédnout (www.geofond.cz ) Čím se zabývá geologie : VŠEOBECNÁ GEOLOGIE : STRUKTURNÍ geologie se zabývá SLOŽENÍM ZEMĚ (horniny) STAVBOU ZEMĚ Využívá k tomu poznatky ze specializovaných vědních oborů: -Krystalografie -Mineralogie -Petrografie -Tektonická geologie (tvar horninových těles a jejich deformace) DYNAMICKÁ geologie se zabývá GEOLOGICKÝMI PROCESY působícími uvnitř a na povrchu Země) Endodynamická geologie (magmatismus, pohyb litosférických desek, zemětřesení, metamorfismus -Exodynamická geologie ( zvětrávání, eroze, transport, sedimentace) Výsledkem působením vnitřních a vnějších sil je modelace terénu, ke které by nedocházelo v takovém měřítku, pokud by na Zemi nebyla atmosféra a hydrosféra. Právě rozmanitostí povrchových tvarů se liší naše planeta Země od ostatních planet Sluneční soustavy (SS). Společný chemický základ těles SS, o kterém podávají důkaz meteority, je předpokladem, že planety SS vznikly ze společného zdroje, avšak jejich historický vývoj od kosmického stádia se díky fyzikálním a chemickým zákonů, vyvíjel jinak. HISTORICKÁ GEOLOGIE, která se zabývá geologickým vývojem Země, zkoumá nejen vývoj neživé hmoty, ale i vznik a vývoj organické hmoty od primitivních organismů až po člověka. Geologickou minulost Země rozděluje podle významných geologických událostí, podle paleoklimatických a paleografických změn na geologické éry a další kratší časová období (periody) a dává časový rozměr (absolutní a relativní stáří) geologickým procesům a to hlavně na základě poznatků ze sedimentární (stratigrafické) geologie, = vědní obor studující sledy sedimentárních vrstev, jejich vzájemné vztahy (korelace) a stáří, neboť sedimenty jsou takovou kronikou vývoje Země. Facie sedimentů je význačným znakem nebo souborem znaků (např. celkový vzhled, složení, podmínky vzniku nebo změny vlastností) charakterizující horninové jednotky nebo celky. Termín vyjadřuje zejména specifický typ horniny (např. f. vápencová), plošně omezenou, mapovatelnou jednotku (tj. f. ve smyslu stratigrafickém), nebo sedimentační prostředí třeba celého vrstevního sledu (např. f. mořská, bažinná, J. Tourková, katedra geotechniky FSv ČVUT Geologie pro obor architektura 1
mělkovodní, útesová. Je-li facie definována litologicky, mluví se o litofacii (např. pískovcová, černých břidlic), je-li definována paleontologicky, mluví se o biofacii (např. globigerinová, amonitová). Zákon superpozice - v tektonicky neporušeném vrstevním sledu jsou výše ležící vrstvy mladší než níže ležící vrstvy - relativní stáří) a zákon stejných zkamenělin (vrstvy obsahující shodné společenstvo fosilií jsou shodného stáří). Využívá k tomu i vědní obor - paleontologii (-vývoj již vyhynulé organické hmoty - zkamenělin). Určení absolutního stáří se opírá především o radiometrické (radiochronologické) metody, tj. studium radioaktivních prvků a produktů jejich rozpadu (radiometrie). Aplikuje se především na minerály i celé horniny magmatického nebo metamorfního původu. Hlavní metody jsou rubidium-stronciová (Rb/Sr), kalium-argonová (K/Ar), uran-olovo (U/Pb) a radiouhlíková (je vhodná jen pro období posledních asi 50 000 let; nazývá se též metoda 14C). ABSOLUTNÍ STÁŘÍ geologické historie ZEMĚ: cca 4,7 mld. let Geologickou historii dělí podle významných změn na éry : KENOZOIKUM 1, 8 mil.l. ANTROPOZOIKUM / čtvrtohory - kvartér/ 65 mil.l. TŘETIHORY - terciér / 230 mil.l. MEZOZOIKUM / druhohory / 570 mil.l. PALEOZOIKUM /prvohory/ 1.700 mil.l PROTEROZOIKUM / starohory/ (svrchní proterozoikum - algonkium) 3.700 mil.l. nejstarší známé horniny 4.700 mil.l ARCHAIKUM / prahory/ Éry se dělí na útvary KVARTÉR : HOLOCÉN PLEISTOCÉN TERCIÉR : NEOGÉN PALEOGÉN DRUHOHORY : KŘÍDA JURA TRIAS PRVOHORY : PERM KARBON DEVON SILUR ORDOVIK KAMBRIUM REGIONÁLNÍ GEOLOGIE využívá výsledky specializovaných geologických vědních oborů pro objasnění geologické stavby území, kterou zobrazuje v geologických mapách a řezech s příslušnou legendou, ve které jsou horniny vyskytující se v daném území seřazeny podle stáří. Přehled geologických map vydaných tiskem jsou k dispozici na : www.geology.cz/extranet/sluzby/vydavatelstvi/mapy Mapy online jsou přístupné na mapovém serveru J. Tourková, katedra geotechniky FSv ČVUT Geologie pro obor architektura 2
APLIKOVANÁ GEOLOGIE využívá poznatky geologie v : Hornictví Geologii ložisek nerostných surovin Inženýrské geologii Hydrogeologii Geofyzice Pedologii V historickém vývoji člověka se vyskytovala aplikovaná geologie již na samém počátku jeho vývoje. Citlivé vnímání geologického prostředí bylo způsobeno nutností o udržení existence člověka v daném ekosystému. Proto se geologické prostředí stalo nedílnou součástí jeho životního prostředí minimálně svými horninami, nerostnými surovinami, vodou a geomorfologií. Člověk v paleolitu využíval pazourky křemité horniny s lasturnatým lomem, vhodné pro první nástroje a zbraně. Proto centrum tehdejší civilizace bylo soustředěno do oblastí výskytu těchto hornin ( sev. Francie, Belgie), o čemž svědčí zbytky po dolování pazourku. Tam, kde pazourek nebyl, využil člověk místní materiál obdobných vlastností ( křemence, buližníky, rohovce, chalcedony). Nerostné suroviny NS, které se postupně naučil zpracovávat, vyhledával podle barvy. Zvládl povrchovou těžbu NS, později se pouští do hlubinného způsobu dobývání. Při tomto způsobu těžby vznikají přímým pozorováním první vědomosti o hornictví, geologii nerostných surovin, ale i o geologii jako takové, stejně tak i první poznatky o podzemní vodě. (M. Kužvart Kámen ve službách civilizace) Morfologie terénu, která je obrazem geologické stavby území, si člověk všímal velmi pečlivě při výběru míst osídlení a to kvůli bezpečnosti polohy z hlediska válečných ataků, ale i možné povodni. Člověk vyhledával přírodní dutiny jeskyně a postupně využil i neopracovaný kámen menších rozměrů jako konstrukční prvek při stavbě zástěn proti větru a později ke stavbě spodní části obydlí. Z pravěku se rovněž dochovaly megalitické stavby postavené z kamenů neobvyklých rozměrů, jen částečně opracovaných. Pro tyto stavby člověk přirozeně vyhledával kámen s pravidelným rozpadem (odlučností). Ve starověku se člověk naučil kámen opracovávat a začal pro své stavby využívat snadněji opracovatelné horniny měkké kameny (pískovce, tufy) a začínal všímat jejich vlastností..je-li kámen vylámaný na krytém místě, snáší dobře namáhání, je-li však na místech otevřených a volných, drobí se mrazy a jinovatkou na něm nahromaděnou a rozpadává se. Také podél mořského pobřeží je rozžírán slanou vodou a nevydrží vlnobití Marcus Vitruvius Pollio Deset knih o architektuře kniha2. kap.7 Kamenolomy. S rozvojem civilizace již ve starověku se začínají budovat i velké stavby s vnitřním prostorem budované ve skále, vznikají první inženýrské stavby jako jsou dochovány akvadukty, závlahové systémy, hráze. Již tehdy se do podvědomí tehdejších stavitelů dostávají zkušenosti z inženýrské geologie a hydrogeologie. Rozvoj stavitelství je spjat s vývojem lidské civilizace a tak aplikací geologických znalostí s vědami technickými se postupně vyvinul další vědní obor jako je geotechnika. Aplikací poznatků z INŽENÝRSKÉ GEOLOGIE A HYDROGEOLOGIE MECHANIKY ZEMIN A HORNIN ZAKLÁDÁNÍ STAVEB PODZEMNÍHO STAVITELSTVÍ vznikl obor : GEOTECHNIKA který řeší : Stabilitu a bezpečnost stavby : (konstrukce x návrh založení ) Základové poměry (horninové prostředí), které je pod základovou spárou musí odpovídat : - únosností - stlačitelností a s tím souvisí : mechanické vlastnosti zemin a jejich změny vyvolané klimatem, rozpojování zemin, stabilita stěn stavební jámy, hloubka hladiny podzemní vody a její agresivita J. Tourková, katedra geotechniky FSv ČVUT Geologie pro obor architektura 3
zemníky skládky odpadů využití spolupůsobení stavební konstrukce s pevnostními a deformačními vlastnostmi horninového masivu u podzemní staveb se stavební inženýr bez geologických znalostí neobejde Stabilita a bezpečnost každé stavby je podmíněna nejen vlastní konstrukcí, ale i kvalitou prostředí, na němž konstrukce stojí. Horninové prostředí (základové poměry) pod základovou spárou plocha, na níž se stýká základová konstrukce se základovou půdou - musí danému typu stavby odpovídat únosností a stlačitelností. Vedle těchto základních požadavků na základovou půdu je třeba podle typu stavby a základových poměrů zjišťovat další vlastnosti horninového prostředí např. jeho změny vyvolané klimatickými činiteli (rozbřídavost, namrzavost, bobtnavost ) Pro vyhloubení stavební jámy je nutné posoudit obtížnost hornin při rozpojování, těžbě a dopravě, ale i využitelnost výkopku, navrhnout optimální sklon dočasných svahů stavební jámy, či její pažení. Podzemní voda znamená pro zakládání staveb vždy komplikace a to nejen svou existencí v dosahu hloubky založení, ale i možným kolísáním její hladiny nebo její agresivitou na beton. To znamená, že nejen vlastnosti horninového prostředí ale i podzemní voda a její agresivita určují celkové základové poměry a tedy i návrh bezpečného, ale i hospodárného založení stavby. Ještě větší spojitost mezi geologií, hydrogeologií a inženýrskou stavbou je patrná u podzemního stavitelství, které by se bez znalostí horninového prostředí neobešlo. Stavební konstrukce podzemního díla spolupůsobí s okolním horninovým masivem, a proto snahou je, aby se co nejvíce využilo jeho pevnostních a deformačních vlastností. Rovněž i zde vždy nepříjemně působí pozemní voda. Při stavbě zemních konstrukcích jako jsou hráze, násypy, terénní úpravy je snaha využít výkopku.při jeho nedostatku nebo nevhodných vlastnostech pro další využití je nutné zajistit jiné zdroje - zemníky Zde se stavební inženýr může setkat s řadou problémů týkajících se hlavně stability svahům lomů příležitostné těžby, nebo výsypek a změnou hydrogeologického režimu podzemní vody. Tato těžba stavebních hmot se dotýká životního prostředí stejným způsobem jako jiné povrchové dobývání nerostných surovin. Opětné využití vydobytých prostor pro ukládání odpadů, stejně tak zakládání nových skládek odpadů přináší s sebou celou řadu inženýrsko-geologických a hydrogeologických problémů. Pro návrh na vydání územního rozhodnutí (ÚR) pro umístění stavby je třeba podle Vyhlášky MMR č. 132/1998 Sb. 3, odst. 4, h - ochrana stavby před škodlivými vlivy, doložit vhodnost geologických a hydrogeologických poměrů v území Již při sestavování územního plánu, jehož smyslem je cílevědomé uspořádání krajiny a racionální využívání a ochrana přírodních zdrojů, se řeší vedle vlastní urbanizace také rozvoj a ochrana těžby nerostných surovin, vodních a energetických zdrojů. Stejně tak se územní plán zabývá zemědělským a lesnickým hospodařením, dopravou i rekreační hodnotou přírody. Pro všechny tyto činnosti je nutné již ve stádiu přípravy shromáždit potřebné informace o geologických faktorech, které podmiňují racionální využití a rozvoj území. Již zde se musí kvalifikovaně odhadnout vliv lidských činností, hlavně jejich škodlivé důsledky, na jednotlivé složky životního prostředí. J. Tourková, katedra geotechniky FSv ČVUT Geologie pro obor architektura 4
Jako geofaktory životního prostředí se označují ty složky a procesy geologického prostředí, které ovlivňují ať již příznivě (geopotenciály) nebo nepříznivě (geobariéry) jeho vývoj a podmínky využívání pro společnost. GEOLOGIE V ÚZEMNÍM PLÁNOVÁNÍ informace o geologických faktorech, které podmiňují racionální využití a rozvoj území GEOFAKTORY: -ložiska nerostných surovin -zdroje podzemní vody -úrodné půdy -kvalitní základové poměry GEOBARIÉRY : 1. ohrožující život a díla člověka -vulkanické erupce -zemětřesení -sesuvy -záplavy -toxické a radiační působení geol.prostředí 2. snižující efektivnost a bezpečný provoz technických děl -velmi stlačitelné a neúnosné základ. půdy -rychle zvětrávající a objemově nestálé zeminy -zkrasovatělá území -málo stabilní svahy -vysoká hladina podzemní vody -seismicky aktivní území 3. poškozující životní prostředí negativními vlivy technických děl -poklesy území způsobené těžbou -devastace krajiny povrchovou těžbou -změny hladiny podzemní vody -kontaminace horninového prostředí a podzemní vody Problematiku ochrany životního prostředí při využívání území, zejména při výstavbě upravuje zákon č. 100/2001 Sb. o posuzování vlivů na životní prostředí, tzv. EIA (environmental impact assessment). V zákoně jsou určeny vymezené záměry, jejichž realizace by mohla závažně ovlivnit ŽP. Účelem EIA má být získání objektivního odborného podkladu pro další rozhodovací řízení. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Dynamický vývoj Země dokumentují horninová tělesa a jejich deformace HORNINY (podle geneze) 1.VYVŘELÉ / Magmatické / se dělí podle toho, kde magma utuhlo v horninové těleso na - hlubinné (ŽULY, SYENIT, DIORIT, GABRO) - žilné PORFYRY - výlevné ( vulkanické ) RYOLIT, TRACHYT,ZNĚLEC, ČEDIČ, (SPILIT, DIABÁS) - pyroklastické horniny (úlomkovité horniny sopečného původu = TUFY (strukturně bývají řazeny k sedimentům klastickým) J. Tourková, katedra geotechniky FSv ČVUT Geologie pro obor architektura 5
2. PŘEMĚNĚNÉ /Metamorfované/ ze sedimentů či vyvřelin se dále dělí podle typu metamorfózy ( FYLIT, SVOR, RULY, MRAMOR, HADEC) -regionálně metamorfované nejrozšířenější metamorfované horniny u nás (-kontaktně metamorfované -tlakově metamorfované ) 3. USAZENÉ / Sedimentární / se dělí dále podle materiálu, ze kterého vznikly na : -úlomkovité /klastické/ - nezpevněné ( zeminy: ŠTĚRK,PÍSEK, SPRAŠ,JÍL, HLÍNY) - zpevněné PÍSKOVEC, ARKÓZA,OPUKA,KŘEMENEC, JÍLOVÁ, PRACHOVÁ BŘIDLICE - antropogenní jsou nezpevněné - jakýkoliv vytěžený materiál přemístěný člověkem na jiné místo -organogenní ( vzniklé z organických zbytků) VÁPENEC -chemogenní ( vzniklé vysrážením z minerálních vod) TRAVERTIN Horninotvorné částice mohou tvořit tvořit : - minerály (horniny krystalické) - úlomky (sedimenty úlomkovité, tufy) - organická hmota (sed. organogenní) dle % zastoupení v hornině se horninotvorné minerály dělí na : -hlavní (určující pro pojmenování horniny ) -vedlejší (určují druh pojmenované horniny) J. Tourková, katedra geotechniky FSv ČVUT Geologie pro obor architektura 6