زمین شناسی

دید گاه کلی
زمین شناسی مهندسی ضمن بررسی تاثیر «محیط زمین شناسی» بر سازه‌های مهندسی یا زمین شناسی مهندسی ، راه‌حلهای مناسبی جهت کاهش یا برطرف نمودن خطرات احتمالی ارائه می‌دهد.

باید توجه داشت که محیط زمین شناسی اطراف یک سازه به دو صورت با آن در ارتباط است. یکی توسط مصالح زمین شناسی ، یعنی سنگ ، خاک و آب ، دیگری فرآیندها و مخاطرات زمین شناسی مثل سیل ، زمین لرزه ، حرکات دامنه‌ای و مانند آن. برخی از مولفین زمین شناسی مهندسی را سهوا به جای «ژئوتکنیک» به کار می‌برند. بطور کلی زمین شناسی مهندسی به توسط روشهای اکتشافی متنوع تاثیر محیط زمین شناسی اطراف را بر سازه مهندسی یا پروژه عمرانی تعیین می کند. همچنین نقش احداث سازه را در تحریک و تغییر رفتار زمین مشخص می سازد.
تاریخچه و سیر تحولی

از قرنها پیش معماران و سازندگان بناها بر این نکته معترف بودند که برای جلوگیری از نشست، کج شدن یا فرو ریختن ساختمانشان محتاج آگاهی از شرایط زمین هستند. البته ساختمانهای قدیمی همواره با توجه به تجربیات سازنده بنا و اغلب به روش آزمون و خطا احداث می‌شد. در سال ۱۷۷۶ و زمانی که «کولن» برای اولین بار تئوریهای مربوط به فشار زمین را ارائه داد، استفاده از روشهای تحلیلی در بررسی زمین آغاز شد.

بررسی‌های کولن بر روی دیواره‌های حائل نشان داد که وقتی دیوار حائلی کج می‌شود، گوه‌ای از خاک ناپایدار در پشت آن ایجاد می‌گردد که یک طرف آن ، دیوار و سمت دیگر آن یک سطح گسیختگی است. کولن فشار اولیه وارده به دیوار را به وزن گوه و مقاومت برشی در امتداد سطح برش ، که برحسب اصطکاک داخلی بیان نمود، مربوط کرد. در سال ۱۸۷۱ «اتو مور» فرضیه‌ای عمودی برای مقاومت مصالح زمین شناسی در برابر گسیختگی ارائه داد.

سالها گذشت تا آنکه «ترزاقی» مکانیک خاک را به صورت شاخه‌ای از مهندسی عمران مطرح نمود. دانش مکانیک خاک با اولین کنفرانس بین المللی در مورد مکانیک خاک و مهندسی پی که در سال ۱۹۳۶ میلادی در دانشگاه هاروارد آمریکا برگزار شد، در سطح جهانی تثبیت گردید.
از سالهای دور مهندسان و زمین شناسان مفاهیم مربوط به رفتار مکانیکی سنگها را در معدن‌کاری و صنعت نفت به کار می‌گرفتند، ولی این رشته تا اوایل دهه ۶۰ میلادی مخصوصا تا سال ۱۹۹۶ که اولین کنفرانس بین المللی مکانیک سنگ در شهر لیسبون پرتغال برگزار شد، هنوز به طور رسمی به عنوان شاخه‌ای از دانش مهندسی به حساب نمی‌آمد.
واژه «ژئوتکنیک» اولین بار در سال ۱۹۴۸ میلادی توسط انستیتوی مهندسان ساختمان بریتانیا به کار گرفته شد و به تدریج مفهوم آن غنای بیشتری یافت، تا اینکه در سال ۱۹۷۴ «مهندسی ژئوتکنیک» به عنوان رشته‌ای خاص توسط انجمن مهندسان ساختمان ایالات متحده امریکا نیز به رسمیت شناخته شد. امروزه واژه ژئوتکنیک به مفهوم مجموعه‌ای مشتمل بر سه دانش مکانیک خاک ، مکانیک سنگ و زمین شناسی مهندسی به کار گرفته می‌شود.
نقش زمین شناسی در زندگی:
زمین شناسی علم قدیمی و سابقه‌داری است. اصولا بشر اولیه ، همیشه در مورد زمین کنجکاو بوده است. این کنجکاوی را می‌توان معلول دو علت اساسی دانست. اول اینکه بشر و سایر موجودات زنده ، هستی خود را مرهون زمین بوده و همیشه غذای خود را از آن بدست می‌آورده‌اند و بدین ترتیب مجبور بوده‌اند که دائما در مورد آن مطالعه کنند تا بتوانند غذای مناسب و حدالامکان متنوعی برای خود به دست آورند. نکته دومی که بشر را در مورد زمین نگران می‌کرده است، وقوع حوادث ناگواری مانند زلزله ، آتشفشان ، طوفان ، سیل و نظایر آن بوده که همیشه خسارات مالی و جانی زیادی را سبب می‌شده است و بشر به ناچار همواره در صدد بوده است که علل این حوادث را دریابد تا بتواند حتی المقدور از وقوع آن جلوگیری و یا حداقل آن را پیش بینی کند.

مفاهیم کلیدی زمین شناسی مهندسی
زمین و سازه‌های مهندسی :

سازه‌های مهندسی صرفنظر از آن که ما آن را مجموعا «محیط شناسی» می‌نامیم ، تاثیر می‌پذیرند. شاید بتوان عناصر تشکیل دهنده محیط زمین شناسی را به نحو زیر به چهار جز مختلف تقسیم کرد:
«فرآیندهای زمین شناسی» ، چون فرسایش ، رسوب گذاری ، زمین لرزه و آتشفشان
«ساختمانهای زمین شناسی» ، چون لایه بندی ، گسلها ، کوه یا دره یک رود
«مواد زمین شناسی» ، چون سنگ و خاک و آب و هوا
«زمان» ، که همه چیز در ارتباط با آن در تغییر دائم است.

 

مواد و مصالح زمین شناسی از دیدگاه مهندسی
مواد جامد و طبیعی تشکیل دهنده ، بخشهای خارجی زمین را به دو گروه اصلی سنگ و خاک تقسیم می‌کنند.

سنگ :
از نقطه نظر زمین شناسی ، سنگ به موادی از پوسته زمین اطلاق می‌شود که از یک یا چند کانی که با یکدیگر پیوند یافته‌اند، درست شده است.

خاک :
خاک توده‌ای از ذرات یا دانه‌های منفصل یا دارای پیوند سست است که بر اثر هوازدگی سنگ تشکیل شده است درجه سختی و سنگ شدگی خاک ناچیز تا صفر بوده و در بسیاری موارد حاوی مواد آلی است و گیاهان می‌توانند بر روی آن رشد کنند.

ژئودینامیک :
یکی از وظایف مهم زمین شناسی مهندسی تشخیص احتمال وقوع فرآیندهای ژئودینامیکی ، مثل سیل و زمین لرزه ، که شاید بتوان آنها را «بلایای زمین شناسی» نیز نامید، قادرند ضمن ایجاد تلفات جانی ، خسارات جبران ناپذیری نیز به سازه مهندسی وارد آورند. مهندسانی که در پروژه‌های عمرانی و ساختمانی فعالیت دارند، باید از شرایط طبیعی که منجر به بروز این مشکلات می‌شود، آگاهی داشته باشند، تا به این وسیله بتوانند احتماsل رخداد هر یک از آنها را در محدوده سازه مورد نظر برآورد نمایند.

نقش زمین شناسی مهندسی و مسئولیت‌های حرفه‌ای
زمین شناسی مهندسی واقعیت‌های علمی مشاهده شده یا اندازه گیری شده را که سرشت فیزیکی یگانه پوسته زمین را توصیف می‌کند به صورت اطلاعات زمین شناسی در می‌آورد و این اطلاعات را بر تشخیص مرز محدودیت‌های مهم فیزیکی که می‌تواند در طراحی ، ساخت و نگهداری هر پروژه مهندسی موثر باشد به دانسته‌های مهندسی تبدیل می‌کند.

زمین شناسی مهندسی با ایفای این نقش ویژگیهای زمین شناختی محل اجرای پروژه را که در صورت داشتن شرایط نامطلوب سبب افزایش هزینه و در صورت داشتن شرایط مطلوب سبب کاهش هزینه خواهند شد، مشخص می‌کند. بدین ترتیب زمین شناسی مهندسی را می‌توان صاحب حرفه‌ای دو سویه نگر در نظر گرفت که از یک سو فرآیندهای زمین شناسی را در نظر دارد و از طرفی محصولات مهندسی مورد نظر اوست. بطورکلی مسئولیت‌های حرفه‌ای او را بصورت زیر می‌توان خلاصه کرد:
توصیف محیط زمین شناختی مربوط به پروژه مهندسی

توصیف مواد زمین ، توزیع آنها ، و ویژگیهای فیزیکی- شیمیایی آنها
استنتاج پیشینه رویدادهای موثر در مواد زمین
پیش بینی رویدادهای آتی و شرایطی که می‌تواند ایجاد شود.
توصیه مواد معرف برای نمونه برداری و آزمون
توصیه نحوه‌های کار و عمل با مواد و فرآیندهای گوناگون زمین ،

توصیه یا ارائه معیارهای طراحی استخراج بخصوص در مورد زاویه شیبهای برش در موادی که آزمون مهندسی آنها نامناسب بوده است، یا در جاهایی که عناصر زمین شناسی عامل کنترل پایداری هستند.
وارسی حین کار ساختمانی برای تحقیق شرایط.
زمین ‌شناسی طبیعی دربرگیرنده رشته های زیر است :
کانی‌شناسی:

یکی از شاخه‌های زمین‌شناسی است که به بررسی ویژگی‌های شیمیایی، ساختار بلورین و ویژگیهای فیزیکی کانی‌ها می‌پردازد. پژوهش بر روی فرایندهای پیدایش و نابودی کانی‌ها نیز در گستره بررسی‌های این دانش قرار می‌گیرد. تا سال ۲۰۰۴ میلادی بیش از ۴۰۰۰ گونه کانی توسط انجمن جهانی کانی‌شناسی (IMA) شناسایی شده است. از این تعداد، ۱۵۰ کانی را می‌توان جزو کانی‌های معمول و ۵۰ کانی را می‌توان از کانی‌های تا ندازه ای کمیاب بشمار آورد. بقیه آن‌ها کانی‌های کمیاب یا بسیار کمیاب هستند.

سنگ‌شناسی بخشی از زمین‌شناسی است که به بررسی و پژوهش در خاستگاه ساختار، ویژگیها و تاریخ سنگ‌های لایه جامد زمین می‌‌پردازد. سنگ‌شناسی دارای دو بخش عمده است:
سنگ نگاری
سنگزایی

بلورشناسی:
بلورشناسی یا کریستالوگرافی علمی است که به قوانین حاکم بر حالت بلورین مواد جامد، آرایش اتمی/مولکولی بلورها، خواص فیزیکی و شیمیایی و ساخت، رشد و شناسایی بلورها می‌پردازد.

این علم در اول بدست زمین‌شناسان در شناسایی کانی‌ها توسعه یافت سپس شیمیدانان این علم را برای شناسایی مواد بکار گرفتند. پس از آن فیزیکدانان با بکار گیری پراش اشعه ایکس به پیشبرد آن کمک کردند.
در بیشتر کشورها به ویژه در آلمان، بلورشناسی بخشی از کانی‌شناسی است ولی در کشورهایی مانند انگلستان و ایالات متحده غالبآ به صورت بخشی از فیزیک یا شیمی تدریس می‌شود.

اکثر کشورها یک کمیتهٔ ملی بلورشناسی دارند که نمایندهٔ اتحادیهٔ بین‌المللی بلورشناسی است. این اتحادیه گاهنامهٔ آکتا کریستالوگرافیکا (یادداشت‌های بلورشناختی) و جدول‌های بین‌المللی بلورشناسی را منتشر می‌کند.

ژئوفیزیک:
ژئوفیزیک یا فیزیک زمین از شاخه‌های اصلی علوم زمین ( زمین‌شناسی) است، که به مطالعهٔ کمّی خواص فیزیکی زمین با روشهای لرزه ای، الکترومغناطیس، رادیواکتیو و گرانشی می‌پردازد. با استفاده از این نتایج کمی می توان به مطالعهٔ خصوصیت‌های فیزیکی و رفتار پوسته زمین ‌پرداخت. لذا می توان این علم را پلی بین فیزیک و زمین شناسی دانست که از تکنیک ها وتئوری های ریاضیات و علوم کامپیوتر می باشد [۱] .

این علم ولی امروزه همچنین شامل فیزیکِ اوزون (اوزونوگرافی) و فیزیک اتمسفر ( مترولوگی) نیز می‌شود. به عبارتی ژئوفیزیک به پدیده‌های طبیعی و همچنین رفتار زمین و اطرافش می‌پردازد. ژئوفیزیک به دو شاخه اصلی تقسیم می‌شود: ‍ژئوفیزیک محض و ژئوفیزیک کاربردی. هر کدام از این شاخه‌ها به زیرشاخه‌های دیگری مرتبط می‌شوند. به‌عنوان مثال لرزه شناسی جزو شاخه‌های کاربردی این رشته‌است.

زمین شناسی مهندسی (Geological Engineering) :
کاربرد مفاهیم و داده های زمین شناسی در کارهای مهندسی به ویژه در مهندسی عمران، مهندسی معدن و مهندسی نفت می باشد. همانگونه که به وسیله مجمع مهندسین زمین شناس در ۱۹۶۹ تبیین گردیده است : ” این علم کاربرد داده ها, فن آوری و مبانی زمین شناسی در مطالعه رخنمون های طبیعی، مصالح سنگی و خاکی یا آب زیر زمینی با هدف اطمینان از شناخت دقیق، تفسیر، استفاده و ارایه فاکتورهای زمین شناسی که ساختگاه, برنامه ریزی, طراحی , ساخت ,اجرا و نگهداری سازه های مهندسی را تحت تأثیر قرار می دهند، می باشد.

در بسیاری از پروژه های مهندسی که به نحوی به ساختار زمین در آن محل مربوط می شود مثلا برای ساخت سازه های عظیم (سدها، پل های با دهانه زیاد، نیروگاه ها، سازه های صنعتی)،معادن، حفاری چاه های عمیق (نفت، گاز و ژئوترمال) نیاز به درک و درنظر گرفتن ساختارهای زمین شناسی با آگاهی از جنبه های مهندسی موضوع می باشد.

برای دستیابی به اهداف فوق, مهندس زمین شناس از علم زمین شناسی ,هیدرولوژی , مکانیک خاک، مکانیک سنگ، ژئو مکانیک و کاوش های زیر سطحی(شامل گمانه زنی و آزمایش های ژئوتکنیک و ژئوفیزیک) بهره می برد. در نهایت داده ها، نتایج کیفی و کمی و ارزیابی حاصل از این مطالعات برای استفاده به مهندسین ارایه می گردد.

زمین‌ساخت یا تکتونیک
زمین‌ساخت یا تکتونیک یکی از شاخه‌های زمین‌شناسی می باشد که به مطالعه تغییرشکل پوسته زمین بر اثر تنش ها و کرنش‌های وارده در طول دوران‌های مختلف زمین‌شناسی می پردازد[۱] . هدف اصلی این رشته توجیه هندسه و نحوه پیدایش سازه ها و ساختارهای زمین شناسی مانند طاقدیس ها، گسل ها، درزه ها و ناودیس ها می باشد.

تکتونیک صفحه‌ای
توری تکتونیک صفحه ای که به حرکت تکه های پوسته زمین در ابعاد قاره ای می پردازد بخشی از این شاخه است. از این دانش برای مطالعه نحوه رخداد زلزله، زمین شناسی مهندسی و مطالعه مخازن نفت و گاز استفاده می شود.
مفهوم زمینساخت همچنین برای گفتگو دربارهٔ حرکت آهستهٔ صفحه‌ها به‌کار می‌رود، که در آن مورد به آن بیشتر زمینساخت صفحه‌ای یا رانش قاره‌ای گفته‌ می‌شود. زمین ساخت همچنین به مباحث زلزله،صفحات قاره‌ای و پدیده‌هایی از این دست می‌‌پردازد.