अनुप्रयुक्त भूविज्ञान (Applied Geology) — अध्ययन सामग्री

 

सिविल इंजीनियरिंग विभाग

विषय: अनुप्रयुक्त भूविज्ञान (Applied Geology) — अध्ययन सामग्री

1. भूविज्ञान का परिचय (Introduction of Geology)

"भूविज्ञान" (Geology) शब्द ग्रीक भाषा के दो शब्दों 'Geo' (पृथ्वी) तथा 'Logos' (अध्ययन/विज्ञान) से मिलकर बना है। अतः भूविज्ञान वह विज्ञान है जिसमें पृथ्वी की उत्पत्ति, संरचना, संगठन, संघटन (composition) तथा उस पर होने वाली प्राकृतिक प्रक्रियाओं (जैसे भूकंप, ज्वालामुखी, अपरदन, अवसादन आदि) का अध्ययन किया जाता है।

सरल शब्दों में, भूविज्ञान पृथ्वी की उत्पत्ति से लेकर वर्तमान स्वरूप तक की संपूर्ण कहानी, उसमें पाए जाने वाले खनिजों, शैलों (चट्टानों) एवं भूगर्भिक क्रियाओं का व्यवस्थित अध्ययन है।

सिविल इंजीनियरिंग के छात्रों के लिए भूविज्ञान का अध्ययन इसलिए आवश्यक है क्योंकि प्रत्येक इंजीनियरिंग संरचना (भवन, बांध, सड़क, पुल, सुरंग आदि) किसी न किसी रूप में पृथ्वी की सतह अथवा उसके नीचे की चट्टानों/मृदा पर ही आधारित होती है।

2. भूविज्ञान की शाखाएं (Branches of Geology)

भूविज्ञान एक विस्तृत विषय है जिसे अध्ययन की सुविधा हेतु निम्नलिखित प्रमुख शाखाओं में बांटा गया है —

●    भू-आकारिकी/भौतिक भूविज्ञान (Physical Geology) — पृथ्वी की सतह पर होने वाली प्रक्रियाओं (अपक्षय, अपरदन, निक्षेपण) का अध्ययन।

●    संरचनात्मक भूविज्ञान (Structural Geology) — शैलों में पाई जाने वाली वलन (folds), भ्रंश (faults), संधियों (joints) आदि संरचनाओं का अध्ययन।

●    शैल विज्ञान (Petrology) — विभिन्न शैलों (आग्नेय, अवसादी, कायांतरित) की उत्पत्ति, संगठन एवं वर्गीकरण का अध्ययन।

●    खनिज विज्ञान (Mineralogy) — खनिजों के भौतिक व रासायनिक गुणों का अध्ययन।

●    स्तर विज्ञान/ऐतिहासिक भूविज्ञान (Stratigraphy / Historical Geology) — पृथ्वी की परतों के क्रम एवं भूगर्भिक काल का अध्ययन।

●    आर्थिक भूविज्ञान (Economic Geology) — आर्थिक महत्व के खनिजों व अयस्कों (ores) का अध्ययन।

●    इंजीनियरिंग भूविज्ञान (Engineering Geology) — इंजीनियरिंग संरचनाओं की योजना, डिजाइन व निर्माण में भूवैज्ञानिक तथ्यों का अनुप्रयोग।

●    भूकंप विज्ञान (Seismology) — भूकंपों की उत्पत्ति, तरंगों व प्रभावों का अध्ययन।

●    जल भूविज्ञान (Hydrogeology) — भूमिगत जल के स्रोत, संचलन व दोहन का अध्ययन।

●    खनन भूविज्ञान (Mining Geology) — खनिज पदार्थों के अन्वेषण व खनन से संबंधित अध्ययन।

3. सिविल इंजीनियरिंग के लिए भूविज्ञान का महत्व (Importance of Geology for Civil Engineering)

किसी भी सिविल इंजीनियरिंग परियोजना की सफलता, सुरक्षा एवं दीर्घायु उस स्थल की भूवैज्ञानिक परिस्थितियों पर बहुत हद तक निर्भर करती है। भूविज्ञान के ज्ञान का उपयोग निम्न क्षेत्रों में होता है —

●    स्थल चयन (Site Selection) — बांध, पुल, सड़क, भवन एवं औद्योगिक परियोजनाओं हेतु उपयुक्त एवं सुरक्षित स्थल के चयन में।

●    नींव अभिकल्पन (Foundation Design) — शैल/मृदा की भार वहन क्षमता (bearing capacity), पारगम्यता (permeability) व स्थिरता जानकर उपयुक्त नींव के प्रकार व गहराई का निर्धारण।

●    बांध एवं जलाशय (Dams & Reservoirs) — जलाशय स्थल की रिसाव (leakage) प्रवृत्ति, आधार शैल की मजबूती एवं भूकंपीयता की जांच।

●    सुरंग निर्माण (Tunnelling) — शैलों की प्रकृति, संधियों/भ्रंशों की स्थिति जानकर उत्खनन विधि व सहारा प्रणाली (support system) का चयन।

●    भूस्खलन एवं भू-धंसाव (Landslides & Subsidence) — पहाड़ी क्षेत्रों में सड़क व भवन निर्माण से पूर्व ढाल स्थिरता (slope stability) का आकलन।

●    भूकंपीय सुरक्षा (Earthquake Safety) — भ्रंश रेखाओं (fault lines) तथा भूकंपीय क्षेत्रों की पहचान कर भूकंपरोधी डिजाइन।

●    निर्माण सामग्री (Construction Materials) — भवन-पत्थर, गिट्टी (aggregate), बालू, सीमेंट के कच्चे माल (चूना पत्थर) आदि के स्रोतों की पहचान व गुणवत्ता परीक्षण।

●    भूमिगत जल अन्वेषण (Groundwater Investigation) — जल आपूर्ति योजनाओं व नलकूपों (tube wells) हेतु जलभृतों (aquifers) की पहचान।

संक्षेप में — "एक अच्छा सिविल इंजीनियर वही है जो जमीन के ऊपर बनाने से पहले जमीन के नीचे को समझे।"

4. पृथ्वी की संरचना एवं संगठन (Structure and Composition of Earth)

भूकंपीय तरंगों (seismic waves) के अध्ययन के आधार पर पृथ्वी की आंतरिक संरचना को घनत्व एवं संगठन में भिन्नता के अनुसार मुख्यतः तीन संकेंद्रीय परतों (concentric layers) में बांटा गया है — भूपर्पटी (Crust), भूप्रावार (Mantle) तथा क्रोड/केंद्रमंडल (Core)।

परत (Layer)	मोटाई (लगभग)	अवस्था	प्रमुख संगठन
भूपर्पटी (Crust)	5–40 किमी (महासागरीय: 5–10 किमी, महाद्वीपीय: 25–40 किमी)	ठोस	सिलिका व एल्युमिनियम प्रधान (SIAL) — महाद्वीपीय भाग; सिलिका व मैग्नीशियम प्रधान (SIMA) — महासागरीय भाग
भूप्रावार (Mantle)	लगभग 2900 किमी (क्रस्ट के नीचे से)	अर्ध-प्लास्टिक/ठोस (ऊपरी भाग में आंशिक पिघला — दुर्बलतामंडल/Asthenosphere)	सिलिकेट खनिज — लौह व मैग्नीशियम प्रधान (SIMA/Peridotite)
बाह्य क्रोड (Outer Core)	लगभग 2200 किमी	तरल (द्रव)	निकिल-लौह (Ni-Fe) मिश्रधातु
आंतरिक क्रोड (Inner Core)	लगभग 1250 किमी (त्रिज्या)	ठोस	निकिल-लौह (Ni-Fe) — अत्यधिक दाब के कारण ठोस

 

ध्यातव्य: भूपर्पटी की मोटाई पृथ्वी की त्रिज्या (लगभग 6371 किमी) की तुलना में बहुत कम है — यह सेब के छिलके के समान पतली परत है, फिर भी संपूर्ण सिविल इंजीनियरिंग निर्माण-कार्य इसी परत के ऊपरी भाग तक सीमित रहता है।

5. शैल (चट्टान) की परिभाषा (Definition of Rock)

शैल (Rock) एक या अधिक खनिजों (minerals) अथवा खनिज-द्रव्यों का प्राकृतिक रूप से निर्मित ठोस समूह (aggregate) है, जो पृथ्वी की भूपर्पटी का निर्माण करता है। शैल कठोर (जैसे ग्रेनाइट) अथवा मुलायम/असंगठित (जैसे मृत्तिका/clay) भी हो सकती है।

6. उत्पत्ति (Genesis) के आधार पर शैलों का वर्गीकरण

उत्पत्ति अथवा निर्माण-विधि (mode of origin) के आधार पर शैलों को तीन प्रमुख वर्गों में बांटा जाता है —

●    आग्नेय शैल (Igneous Rocks) — मैग्मा/लावा के ठंडा होकर जमने से निर्मित।

●    अवसादी शैल (Sedimentary Rocks) — अवसादों के निक्षेपण, संहनन (compaction) व सीमेंटीकरण (cementation) से निर्मित।

●    कायांतरित शैल (Metamorphic Rocks) — उच्च ताप व दाब के प्रभाव से पूर्व-स्थित शैलों में परिवर्तन से निर्मित।

6.1 आग्नेय शैल (Igneous Rocks) — निर्माण एवं वर्गीकरण

जब पृथ्वी के आंतरिक भाग का पिघला हुआ पदार्थ (मैग्मा) ठंडा होकर ठोस रूप में जम जाता है, तो आग्नेय शैल का निर्माण होता है। यह सभी शैलों की जननी ("Primary Rock") मानी जाती है, क्योंकि अवसादी व कायांतरित शैलें अंततः इन्हीं से बनती हैं।

आधार	प्रकार	निर्माण स्थान	गुण	उदाहरण
शीतलन दर	पातालीय/अंतर्वेधी (Plutonic/Intrusive)	भूपर्पटी के गहराई में धीमी शीतलन	बड़े व स्पष्ट क्रिस्टल (coarse-grained)	ग्रेनाइट (Granite), गैब्रो (Gabbro)
शीतलन दर	ज्वालामुखीय/बहिर्वेधी (Volcanic/Extrusive)	सतह पर तीव्र शीतलन	बारीक/कांच जैसी संरचना (fine-grained)	बेसाल्ट (Basalt), प्यूमिस (Pumice)

 

आग्नेय शैलों के इंजीनियरिंग उपयोग

●    अत्यधिक कठोरता, संहति (compactness) व कम सरंध्रता (porosity) के कारण उत्कृष्ट भवन-पत्थर व नींव आधार (foundation rock) — विशेषकर ग्रेनाइट।

●    उच्च संपीडन सामर्थ्य (compressive strength) के कारण बांध, पुल, सुरंग जैसी भारी संरचनाओं की नींव हेतु सर्वोत्तम।

●    सड़क निर्माण में गिट्टी (road metal/aggregate) एवं रेलवे बैलास्ट के रूप में व्यापक उपयोग (बेसाल्ट विशेष उपयुक्त)।

●    पॉलिश योग्य होने से सजावटी पत्थर (decorative stone), फर्श व क्लैडिंग में उपयोग (ग्रेनाइट)।

●    सीमेंट व कांच उद्योग में कच्चे माल के रूप में उपयोग।

6.2 अवसादी शैल (Sedimentary Rocks) — निर्माण एवं वर्गीकरण

पूर्व-स्थित शैलों के अपक्षय (weathering) व अपरदन (erosion) से प्राप्त अवसाद (sediments) जब जल, वायु अथवा हिम द्वारा किसी स्थान पर परतों में जमा होकर, संहनन (compaction) एवं सीमेंटीकरण (cementation) की प्रक्रिया से ठोस शैल में परिवर्तित होते हैं, तो अवसादी शैल का निर्माण होता है। इनकी विशिष्ट पहचान इनमें पाई जाने वाली परत-संरचना (stratification/bedding) है।

प्रकार	निर्माण-विधि	उदाहरण
चूर्णज/यांत्रिक (Clastic/Mechanically formed)	चट्टानों के टुकड़ों/कणों के भौतिक निक्षेपण से	बलुआ पत्थर (Sandstone), शैल/शेल (Shale), गोलाश्म संगुटिका (Conglomerate)
रासायनिक (Chemically formed)	जल में घुले पदार्थों के रासायनिक अवक्षेपण (precipitation) से	चूना पत्थर (Limestone), जिप्सम (Gypsum), शैलखड़ी
जैविक/कार्बनिक (Organically formed)	जीव-जंतु व वनस्पति के अवशेषों के संचयन से	कोयला (Coal), खोल-चूना पत्थर (Shelly Limestone)

 

अवसादी शैलों के इंजीनियरिंग उपयोग

●    बलुआ पत्थर व चूना पत्थर भवन-निर्माण व फर्श हेतु सामान्य रूप से प्रयुक्त भवन-पत्थर हैं।

●    चूना पत्थर सीमेंट व चूने (lime) के निर्माण का प्रमुख कच्चा माल है।

●    परत-संरचना (bedding planes) के कारण इन शैलों में दिशात्मक दुर्बलता (directional weakness) हो सकती है — नींव, बांध व सुरंग स्थल चयन में परतों की दिशा (dip व strike) की सावधानीपूर्वक जांच आवश्यक है।

●    कोयला ऊर्जा स्रोत के रूप में महत्वपूर्ण खनिज ईंधन है।

●    अपेक्षाकृत कम सामर्थ्य व अधिक सरंध्रता वाली अवसादी शैलें (जैसे शेल) भारी संरचनाओं की नींव हेतु सामान्यतः कम उपयुक्त मानी जाती हैं, विशेष परीक्षण के पश्चात ही उपयोग करें।

6.3 कायांतरित शैल (Metamorphic Rocks) — निर्माण एवं वर्गीकरण

जब आग्नेय अथवा अवसादी शैलें पृथ्वी की गहराई में उच्च ताप, उच्च दाब अथवा दोनों के संयुक्त प्रभाव से — बिना पूर्णतः पिघले — अपने खनिज-संगठन, संरचना व बनावट (texture) में परिवर्तन के फलस्वरूप नए स्वरूप में परिवर्तित हो जाती हैं, तो कायांतरित शैल का निर्माण होता है।

प्रकार	पहचान	उदाहरण (मूल शैल)
पर्णित/पत्रित (Foliated)	खनिज-कणों की समानांतर पट्टीदार/परतदार संरचना	नाइस/गिनीस (Gneiss ← ग्रेनाइट), शिस्ट (Schist ← शेल), स्लेट (Slate ← शेल)
अपर्णित (Non-foliated)	कोई परतदार संरचना नहीं, दानेदार व सघन बनावट	संगमरमर (Marble ← चूना पत्थर), क्वार्ट्जाइट (Quartzite ← बलुआ पत्थर)

 

कायांतरित शैलों के इंजीनियरिंग उपयोग

●    संगमरमर (Marble) — पॉलिश योग्य, सुंदर व टिकाऊ होने से फर्श, मूर्तिकला व सजावटी क्लैडिंग में व्यापक उपयोग।

●    क्वार्ट्जाइट (Quartzite) — अत्यंत कठोर व टिकाऊ, उत्तम गुणवत्ता की गिट्टी (aggregate) व रेलवे बैलास्ट हेतु उपयुक्त।

●    स्लेट (Slate) — पतली-पतली परतों में आसानी से चिरने (splitting) के गुण के कारण छत निर्माण (roofing) व फर्श की टाइलों में परंपरागत रूप से प्रयुक्त।

●    नाइस (Gneiss) — ग्रेनाइट के समान सामर्थ्यवान, नींव व भवन-पत्थर हेतु उपयुक्त, परंतु पर्णित संरचना के कारण दिशात्मक सामर्थ्य की जांच आवश्यक।

●    सामान्यतः कायांतरित शैलें उच्च सामर्थ्य, कम सरंध्रता व अच्छी टिकाऊपन के कारण भारी इंजीनियरिंग संरचनाओं हेतु उत्तम मानी जाती हैं, बशर्ते पर्णन (foliation) की दिशा भार-दिशा के प्रतिकूल न हो।

7. तीनों प्रकार की शैलों की तुलना (सारांश)

गुण	आग्नेय शैल	अवसादी शैल	कायांतरित शैल
निर्माण	मैग्मा/लावा के ठंडा होने से	अवसादों के संहनन-सीमेंटीकरण से	ताप-दाब से पूर्व शैल में परिवर्तन से
संरचना	क्रिस्टलीय, परतरहित	परतदार (stratified)	पर्णित अथवा दानेदार
सामर्थ्य	उच्च	निम्न से मध्यम	उच्च
सरंध्रता	कम	अधिक (चूना पत्थर/बलुआ पत्थर में)	कम
उदाहरण	ग्रेनाइट, बेसाल्ट	बलुआ पत्थर, चूना पत्थर, शेल	संगमरमर, क्वार्ट्जाइट, स्लेट
मुख्य इंजीनियरिंग उपयोग	नींव, गिट्टी, भवन-पत्थर	भवन-पत्थर, सीमेंट कच्चा माल	फर्श/क्लैडिंग, गिट्टी, छत (स्लेट)

 

अभ्यास हेतु प्रश्न: (1) भूविज्ञान की किन्हीं पांच शाखाओं का वर्णन कीजिए। (2) सिविल इंजीनियरिंग में भूविज्ञान के महत्व पर टिप्पणी लिखिए। (3) पृथ्वी की आंतरिक संरचना का चित्र सहित वर्णन कीजिए। (4) उत्पत्ति के आधार पर शैलों का वर्गीकरण करते हुए प्रत्येक के इंजीनियरिंग उपयोग लिखिए। (5) आग्नेय, अवसादी व कायांतरित शैलों में अंतर स्पष्ट कीजिए।