Платформы и геосинклинали

Тектонические движения (ТД) и дислокации.

ТД разнообразны и классифицируются по ряду признаков:

- по времени проявления ТД подразделяются на древние (до палеогена), новейшие и современные, проявившиеся в исторический период.

- по скорости – медленные и быстрые (землетрясения);

- по преобладающему направлению – радиальные (вертикальные) и тангенциальные (горизонтальные); если первые были известны давно, то факт горизонтальных движений стал общепризнанным только в ХХ веке.

- по характеру движений – колебательные, складкообразующие и разрывообразующие.

Основным видом ТД являются колебательные, проявляющиеся практически везде. Они представляют собой очень медленные (несколько мм в год) поднятия и опускания отдельных участков ЗК, причем размеры этих участков могут меняться от нескольких до тысяч километров. Значение колебательных ТД очень велико, поскольку за длительные геологические периоды поднятия и опускания могут составить десятки и сотни метров, что приведет к изменению очертаний береговой линии и соответственно наступлению (трансгрессия) или отступлению моря (регрессия).

При изменении направленности движений меняется последовательность отложений: при отступлении моря в верхней части разреза оказываются прибрежные отложения гравия, гальки, конгломератов. При наступлении моря, наоборот, в верхней зоне такого трансгрессивного разреза залегают глинистые породы, известняки и др.

Далее, поднятие территории вызывает активизацию процессов денудации: реки углубляют русла, расчлененность поверхности и высота склонов растут, усиливается смещение пород на склонах, их снос. Опускание территории, напротив, способствует отложению осадков и накоплению отложений.

При проектировании сооружений на прибрежных территориях, в том числе участков железнодорожных линий, направленность и интенсивность ТД обязательно учитываются. Известны случаи разнонаправленных ТД по поперечному профилю долины реки, что затрудняет проектирование плотин, в особенности арочного типа. Наглядный пример практического значения ТД – длительное опускание суши в Голландии, что приводит к наступлению моря. Поэтому постоянно наращиваются защитные дамбы, достигшие уже высоты 15 метров. Другие примеры – изменение уровня Каспийского моря, Венеция и т.д.

Складко- и разрывообразующие ТД приводят к нарушениям первоначального залегания пород - дислокациям. К складкообразующим относятся дислокации без разрыва слоев: моноклиналь (наклон слоев) и складки - флексура, антиклиналь и синклиналь (рис.3.1). В последних выделяют ось складки, крылья и ядро – седло для антиклинали и мульду для синклинали.

По размерам, наклону оси, положению крыльев складки очень разнообразны. Важно, что складкообразование приводит к изменению не только положения форм залегания (слоев для ОГП), но и свойств пород. Например, в ядре антиклинали породы более трещиноваты, чем в ядре синклинали. В последнем следует ожидать большего обводнения пород.

Основные виды разрывных дислокаций – сбросы, взбросы, надвиги, сдвиги (рис.3.2). Во всех случаях смещения происходят вдоль поверхности разрыва – сместителя. Слои по обе его стороны называются крыльями. Крыло над сместителем – висячее; при сбросе оно опущено, при взбросе поднято по отношению к лежачему крылу под сместителем. Взброс по очень пологому сместителю называется надвигом. При сдвиге смещение происходит в горизонтальной плоскости.

Рис. 3.1. Складчатые дислокации:

а – моноклиналь; б – флексура; в – антиклиналь; г - синклиналь

Системы сбросов и взбросов образуют опускания пород – грабены, и поднятия – горсты. Грабены (при большой глубине образовавших их разломов называемые рифтами) часто образуют впадины озер (Байкал), узких морей (Красное море); горсты обычно представляют собой возвышенности – Саяны, Ангарский массив. Однако и горсты, и грабены могут быть перекрыты четвертичными отложениями и не обнаруживаться с поверхности. Такие дислокации встречаются, например, в Карелии; при этом перепад отметок кровли одинаковой скальной породы даже на отдельной строительной площадке может составлять 5-10 метров.

Рис. 3.2. Разрывные дислокации:

а – сброс; б – взброс; в – надвиг; г – грабен; д – горст;

1 – сместитель; 2 – лежачее крыло; 3 – висячее крыло

В зоне тектонического разрыва (разлома) происходит изменение первоначальных пород с возникновением новых ММГП – милонитов, тектонических брекчий. По разломам возможны прорывы подземных вод, в том числе термальных. Эти зоны облегчают распространение выветривания в глубину. Все это осложняет строительство подземных сооружений.

В условиях нарушенного залегания пород сложнее установление геологического строения; при этом необходимо характеризовать пространственное положение слоев, замеряя горным компасом углы их падения и азимуты простирания.

В геотектоническом отношении ЗК разделяется на платформы и геосинклинали. Платформы – большие по площади территории (например, Восточно-Европейская или Русская, Сибирская между р. Енисеем и Леной), для которых характерны лишь слабые колебательные движения. Разделяющие платформы геосинклинали, напротив, характеризуются интенсивными ТД всех типов, с проявлением процессов вулканизма и магматизма. Так, Русская платформа на юге ограничена средиземноморской геосинклиналью (Карпаты,Крым, Кавказ). Еще большее протяжение имеет тихоокеанская геосинклиналь.

В истории Земли чередовались длительные эпохи «тектонического покоя» со слабыми ТД и более короткие эпохи складчатости с интенсивными ТД, вулканизмом и магматизмом. Результатом такой тектонической революции являлось присоединение подвергнувшейся складчатости территории, то есть геосинклинали, к платформе. Выделяют геотектонические циклы: Байкальский (от позднего РR), Каледонский (от среднего кембрия до раннего девона), Герцинский (от раннего карбона до среднего триаса), Киммерийский (от ранней Юры до палеоцена) и Альпийский (от среднего палеогена до настоящего времени). В таблице начало цикла отмечено звездочкой над номером соответствующей эпохи (отдела).

Платформы имеют двухэтажное строение: первый этаж, или фундамент, сложен кристаллическими МГП и ММГП, а второй мощной толщей ОГП. Поэтому в платформенных условиях строительство проходит обычно в породах второго этажа, то есть осадочных. В условиях геосинклинали часто встречаются также МГП и ММГП. Плотность пород здесь выше, более сложны условия их залегания. Характерны распространенность дислокаций, повышенная степень метаморфизации. Существенно отличаются поля напряжений: для геосинклиналей коэффициент бокового давления в породных массивах зачастую оказывается больше единицы, так что горизонтальные напряжения больше вертикальных. Причина в интенсивных тектонических движениях.

Таким образом, ТД и геотектоническое строение в целом влияют на всю совокупность инженерно-геологических условий (ИГУ) – рельеф, геологическое строение, гидрогеологические условия, протекающие геологические процессы. Поэтому они должны учитываться при выборе местоположения сооружений, особенно подземных, проведении изысканий и проектировании их конструкций, выборе технологии возведения - например, проходки тоннелей. Тектонические разломы – это места наиболее интенсивного развития физического и химического выветривания пород; по ним возможен сильный приток в выработку подземных вод и смещения при землетрясениях. Следует еще отметить определяющее влияние тектоники при выделении инженерно-геологических регионов, то есть обширных территорий, характеризуемых общностью важнейших событий их геологической истории. Далее регионы подразделяются на области, устанавливаемые уже по климатическим и геоморфологическим признакам.

3.4. Сейсмические явления – землетрясения

Землетрясения делятся на тектонические, вулканические, денудационные и техногенные. Наиболее сильные – тектонические. Их причина – накопление энергии в некоторых областях ЗК вследствие происходящих в ней и подстилающей мантии процессов. Разрядка накопленной энергии и есть землетрясение, всегда проявляющееся как волновой нестационарный случайный процесс с толчками, колебаниями, смещениями пород по существующим разломам и с появлением новых разрывов и трещин. Место разрядки энергии, или очаг землетрясения называется гипоцентром, а его проекция на поверхность – эпицентром.

Вулканические землетрясения сопутствуют извержениям вулканов; денудационные возникают вследствие больших обвалов в горах, провалов в полости ЗК, образующиеся при некоторых геологических процессах. Техногенные землетрясения связаны с деятельностью человека; примеры – ядерные взрывы, устройство глубоких водохранилищ, закачка больших объемов воды в глубокие скважины.

Для оценки силы землетрясений используется 12-бальная шкала. Баллы устанавливаются по проявлениям землетрясения, включая ощущения людей, повреждения и разрушения сооружений, смещения пород и др. Применяются также другие шкалы; например, в сообщениях СМИ часто указывается магнитуда по шкале Рихтера, характеризующая энергию землетрясения.

Указание силы землетрясения, возможного в данном районе, или, иначе, сейсмического риска, имеет большое значение. Например, повышение балльности с 7 до 8 влечет удорожание сооружений на 20…30% за счет антисейсмических мероприятий.

На основе длительных исследований в СССР была составлена карта сейсмического районирования. Например, для Северного Кавказа по ней находим, баллов: Краснодар, Ставрополь – 6; Кисловодск, Пятигорск – 7; Махачкала –8.

Однако общая карта сейсмического районирования не может отразить всех особенностей участка. Возможно, что в пределах большого по территории города различные его районы будут подвержены различному сейсмическому риску. Уточнение его, или сейсмическое микрорайонирование проводится на основе учета ИГУ конкретного участка.

Перечислим факторы, заставляющие повышать сейсмический риск и соответственно балльность участка, указав также и возникающие опасности:

- резко расчлененный, тем более горный рельеф, вследствие чего резко возрастает опасность обвалов, оползней, селевых потоков;

- наличие на участке и вблизи него тектонических нарушений (разломы, сбросы, сдвиги и др.), по которым возможны смещения пород;

- высокое положение уровня подземных вод, обводненность пород;

- наличие в основании сильно выветрелых, трещиноватых скальных пород;

- то же – водонасыщенных песков (а для рыхлых – независимо от влажности) и глинистых грунтов с I_L>0,5. При сейсмических воздействиях возможно разжижение таких грунтов в основаниях сооружений, откосах насыпей и выемок.

- то же, вечномерзлых песчаных и глинистых грунтов, если предполагается их оттаивание при строительстве или эксплуатации сооружения; при этом их влажность повышается и они переходят в категорию предыдущих грунтов. В СНиП «Строительство в сейсмических районах» грунты подразделены на три категории; из них первая – благоприятные, а третья – неблагоприятные грунты, повышающие сейсмическую опасность. При первых расчетная сейсмичность может быть понижена, а при третьих, наоборот, повышена.

Антисейсмические мероприятия можно разделить на пассивные и активные. К первым относятся ограничения на нагрузки и параметры сооружений. Например, при сейсмичности 7…9 баллов высота насыпей на песчано-глинистых грунтах ограничена 20 метрами, глубина выемок 15 м. Сюда же относится прогноз землетрясения, информация населения о поведении и защите, страхование и другие меры социального характера.

Активные меры сейсмозащиты зависят от типа сооружений и рассматриваются в специальных курсах.