Эндогенные процессы

Земная кора подвержена, постоянным воздействиям внутренних (эндогенных) и внешних (экзогенных) сил, изменивших ее состав, строение и форму поверхности.

Внутренние силы Земли, обусловленные, главным образом, колоссальным давлением и высокой температурой глубинных толщ вызывают нарушения первоначального залегания пластов горных пород, в связи, с чем образуются складки, трещины, сбросы, сдвиги.

С деятельностью внутренних сил связаны землетрясения и магматизм.

Магматизм - сложный геологический процесс, включающий, в себя явления зарождения магмы в подкорковой области, перемещение ее в верхние горизонты земной коры и образование магматических горных пород.

Движение магмы к поверхности обусловлено, во-первых, гидростатическим давлением и во вторых, значительным увеличением объема, которым сопровождается переход твердых горных пород в состояние расплава.

Результатом деятельности внутренних сил является образование на земной поверхности гор и глубоких впадин.

Внутренние силы вызывают вековые колебания - медленные поднятая и опускания отдельных частей земной коры. Море при этом надвигается на сушу (трансгрессия) или отступает (регрессия). Кроме медленных вертикальных движений происходят также и горизонтальные смещения земной коры.

Раздел геологии, занимающийся изучением движений земной коры, изменяющих ее строение и формы залегания горных пород (складки, сбросы и др.), получил название тектоники. Тектонические процессы проявлялись на протяжении всей геологической истории Земли, менялась только их интенсивность.

Современные движения поверхности земной коры изучаются неотектоникой (наукой о новейших движениях земной коры).

Скандинавия медленно поднимается, а горное сооружение Большого Кавказа каждый год «вырастает» почти на 1 см. Очень медленные поднятия и опускания испытывают и равнинные участки Восточно-Европейской равнины, Западно-Сибирской низменности, Восточной Сибири и многих других районов.

Земная кора испытывает не только вертикальные, но и горизонтальные перемещения, причем их скорость составляет несколько сантиметров в год. Иными словами, земная кора как бы «дышит», постоянно находясь в замедленном движении.

Этот вопрос очень серьезный и в первую очередь имеет большое значение при строительстве крупных сооружений, а также при их эксплуатации. Поднятия и опускания, несомненно, имеют влияние на их сохранность, особенно на сооружения, имеющие линейно-удлиненные формы (например, плотины, каналы), а также водохранилища и др. объекты.

При разработке каменных карьеров и оценке прочности оснований сооружений необходимо также учитывать наличие в земной коре трещин, разломов, возникающих также в результате движений земной коры.

Следовательно, сведения о геологических процессах необходимы для того, чтобы заранее предвидеть возможность их появления, результаты изменений, происходящих в природе под влиянием естественных причин и деятельности человека.

При оценке какой-либо территории в связи со строительством объектов инженерная геология дает планирующим органам сведения о возможности и характере геологических процессов данного района. Прогноз должен даваться как во времени, так и в пространстве. Это позволит правильно и рационально проектировать сооружение с учетом всех инженерных мероприятий и нормальной эксплуатации.

В этой связи инженерная геология изучает также и те процессы, которых раньше не было на данной территории, но они могут возникнуть в результате деятельности человека. Эти процессы называются инженерно-геологическими. У них много общего есть с природными геологическими процессами, но есть и отличия.

Разница заключается в том, что инженерно- геологические процессы отличаются большой интенсивностью, более быстрым протеканием во времени, более ограниченной площадью своего проявления. Особенно большое воздействие сказывается на состоянии и свойствах пород.

Кора Земли обладает различной подвижностью, отсюда характерное для нее образование и сочетание платформ и геосинклиналей.

Платформы - это наиболее жесткие части земли, для них характерны сравнительно спокойные колебательные движения вертикального характера. Они занимают огромные пространства. К ним относятся Восточно Европейская, Сибирская платформы, Австралийская, Северо-Африканская и др.

Области, залегающие между платформами, называются складчатыми и являются их подвижными сочленениями.

В начале своего развития зоны складчатостей представляют собой морской бассейн, куда сносился обломочный материал. Накапливаются многокилометровые толщи осадков. В результате эндогенных процессов тектонические силы сминают накопившиеся осадочные толщи, происходит горообразовательный процесс. Так образовались Альпы, Карпаты, Крымские, Кавказские горы и другие.

Для районов геосинклиналей характерны разнообразные движения, но в основном складчатого и разрывного характера, что вызывает изменения первоначального положения пород и образование разломов.

Разломы на Земле могут быть скрытые под чехлом пород и могут быть хорошо выражены на поверхности.

Разломы - это зоны дробления коры, участки ослабленные, которые в свою очередь помогают ученым изучать различные явления, например землетрясения, изучать самые корни этого явления. В земной коре в результате вертикальных и боковых давлений происходит нарушение первоначального залегания пластов горных пород, с образованием складок сбросов, сдвигов и других тектонических форм.

Горами принято называть возвышенности, имеющие высоту более 500 м над уровнем моря, характеризующимся расчлененным рельефом.

Различают формы - хребты, горные цепи, горы массивные и даже глыбы.

5-7 млн. лет назад образовались Жигулевские горы - единственное в пределах Русской платформы уникальное тектоническое сооружение. По разлому в фундаменте поднялся блок. Движения осадочной толщи были плавными, без разрывов и смещения слоев относительно друг друга.

Образовавшаяся дислокация имеет форму складки с крутым северным крылом и пологим южным. Разлом в фундаменте проходит от города Кузнецка через город Сызрань, поселок Зольное и переходит на левый берег р.Волги. Сокольи горы являются продолжением Жигулей. Самарская Лука и Сокольи горы - часть общего куполообразного тектонического поднятия, которое постепенно становится пологим на восток, юг и запад. На южном крыле флексуры располагается г.Самара.

Горные породы, слагающие горы залегают обычно в виде пластов (слоев). Если пласты расположены горизонтально или немного под уклоном, носят название нормального залегания. Параллельное залегание нескольких пластов называется согласным залеганием.

Простейшей тектонической структурой служит моноклиналь (рис.2), где пласты имеют общий наклон в ту или другую сторону.

Рис. 2 Складчатые дислокации. Моноклиналь

Складчатые дислокации отличаются значительным разнообразием форм, характерная черта которых— отсутствие разрывов сплошности пластов. Главная форма этих дислокаций — складка.

Рис.3 Антиклиналь (А) и синклиналь (С): 1 —1 оси складки, 2 складки, 3 — крыло складки, 4 — ядро складки

Выделяют два главных типа складок: антиклиналь— повернутую выпуклой частью вверх и синклиналь — обратную форму.

Первая складка характеризуется тем, что в ее центральной части или в ядре, залегают более древние породы, во второй — более молодые. Эти определения не меняются, даже если складки наклонить, положить на бок или перевернуть.

У каждой складки существуют определенные элементы: крыло складки, ядро, свод, осевая поверхность, ось и шарнир складки.

Характер наклона осевой поверхности складки позволяет выделять следующие виды складок: прямые, наклонные, опрокинутые, лежачие, ныряющие (рис. 4).

В зависимости от положения осевой плоскости складки делятся на

Рис.4 . Классификация складок по наклону осевой поверхности и крыльев (складки изображены в поперечном разрезе): а — прямая; б— наклонная; в — опрокинутая; г — лежачая; д — ныряющая

При определенных условиях возникает разновидность этого типа дислокаций — флексура — коленоподобная складка (рис.5), образовавшаяся при смещении одной толщи пород относительно другой без разрыва сплошности.

Необходимо запомнить, что при выборе площадок для строительства в районе со складчатым характером залегания пород всегда в вершинах складок породы более трещиноватые, даже иногда раздроблены, что естественно ухудшает их технические свойства.

При горизонтальном движении горных пород возникают тектонические напряжения.

Если тектонические напряжения увеличиваются, то в какое-то время может быть превышен предел прочности горных пород и тогда эти напряжения могут разрушиться или разорваться — образуется разрывное нарушение, разрыв и разлом, а вдоль этой плоскости разрыва происходит смещение одного массива относительно другого.

Тектонические разрывы, как и складки, чрезвычайно разнообразны по своей форме, размерам, величине смещения и т. д.

Основные формы разрывных дислокаций — сброс и взброс. Эти формы характеризуются возникновением разрывов пластов и последующим относительным перемещением разорванных частей. Они возникают по месту разрыва перемещения пластов вверх (взброс) или вниз (сброс) (рис. 6).

Рис.6 Сброс. Взброс

Взброс - это когда при разрыве, наоборот, происходит подъем одной части пласта но отношению к другой.

Величина амплитуды перемещения крыльев может быть самой различной — от десятков сантиметров до километра и более.

Ширина сбросовой трещины также имеет различное значение — от сантиметров до многих метров. Сами трещины, как правило, заполняются продуктами разрушения горных пород, но возможны случаи открытых трещин.

Иногда на одном участке возникает серия сбросов, следующих друг за другом. Такое сочетание носит название ступенчатых сбросов.

(Красное море)(рис.7).

Рис. 7 Грабен. Горст.

Знаменитое озеро Байкал, крупнейшее в мире хранилище пресной воды, как раз и приурочено к асимметричному грабену, в котором наибольшая глубина озера достигает 1620 м, а глубина днища грабена по осадкам плиоценового возраста (4 млн лет) составляет — 5км. Байкальский грабен многоступенчатый и является частью сложной рифтовой системы молодых грабенов, имеющей протяженность 2500 км

Горст – это, когда участок поднимается между двумя неподвижными крыльями.

Сдвиг и надвиг – это горизонтальное смещение слоев (рис.8). В результате этих процессов более молодые породы могут оказаться погребенными под более древними.

Сдвиги и надвиги интересны тем, что под ними могут залегать важные полезные ископаемые, особенно нефть и газ. Но на поверхности никаких признаков нефти нет, и чтобы добраться до нее, надо пробурить 3 — 4-километровую толщу совсем других пород.

Виды залегания слоев, их мощность, состав необходимо учитывать при строительстве.

Так, с инженерно - геологической точки зрения наиболее благоприятным является горизонтальное залегание слоев, большая их мощность и однородный состав, В этом случае созданы условия для предпосылок равномерной сжимаемости пластов под весом сооружений, наибольшей устойчивости (рис.9).

Наличие дислокаций, геологических нарушений резко изменяет и усложняет инженерно- геологические условия строительных площадок.

Например, строительство на пластах с крутым падением может оказаться очень неблагоприятным.

При наличии, например, сбросом, надвигов расположенных на больших пространствах, следует выбирать место для сооружений в удалении от линии разлома.

Сейсмические явления

Землетрясения — резкие сотрясения земной коры, обычно вызванные естественными причинами.

Изучаются землетрясения наукой — сейсмологией (от греч. сейсмос — сотрясаю).

По происхождениюземлетрясения подразделяют на:

Тектонические, вулканические, обвальные(денудационные), ударные

(метеоритные) и антропогенные (искусственные, вызванные человеком).

Тектонические — обусловленные перемещением пород в глубинных недрах земли.

Вулканические- вызваны процессами извержения вулканов.

Ударные— вызванные ударами метеоритов.

Антропогенные- искусственные, вызванные человеком.

Слабые сотрясения этого типа регистрируются приборами непрерывно. За год их насчитывается более миллиона. Большинство их не ощущается. Почти каждую минуту на Земле происходит 2 — 3 макросейсмических удара, а мегасейсмические — катастрофические землетрясения наблюдаются 1—2 раза в год. Обычно происходит несколько сот, приносящих минимальный ущерб и oт 20 крупных.

Вулканические землетрясения происходят при вулканических извержениях, могут достигать большой силы, но ощущают только в непосредственной близости от вулкана.

Ударные (метеоритные, космогенные) землетрясения в настоящий период отмечались только при падении очень крупных метеоритов (в 1908году. Тунгусским метеорит и в 1947 г. Сихотэ-Алиньский).

Антропогенныеземлетрясения не принято описывать в разделах, посвященных описанию землетрясений, возникающих под действием природных факторов. Однако деятельность человека, часто приводит к возникновению таких сотрясений, которые вполне соизмеримы с обвальными землетрясениями.

В центре очага условно выделяется точка, называемая гипоцентром. Проекция гипоцентра на поверхность Земли называется эпицентром.

Из гипоцентра во все стороны расходятся сейсмические волны. Различают два типа волн; продольные и поперечные.

Первые вызывают колебания частиц горных пород вдоль, вторые -перпендикулярно к направлениям сейсмических лучей.

Продольные волны обладают наибольшим запасом энергии. Разрушение зданий и сооружений обусловлено воздействием главным образом продольных волн.

Поперечные волны несут меньший запас энергии , скорость их в 1,7 раза меньше. Они не распространяются в жидких и газообразных средах.

При оценке разрушительного воздействия сейсмической волны большое значение имеет угол, под которым она проходит из гипоцентра к поверхности земли. Его величина может быть различной.

Степень разрушительности землетрясений оценивается по величине ускорения горизонтальной составляющей (λ).

Максимальная величина ее вычисляется по формуле:

где: Т - период, сек.

А - амплитуда сейсмической волны, мм.

Для оценке силы землетрясения употребляется коэффициент сейсмичности

где g- ускорение силы тяжести.

При расчете сооружений, а также определении устойчивости откосов курьеров величина горизонтальной составляющей сейсмической волны (сейсмической инерционной силы) определяется по формуле:

S=P Ks, т.

где Р - вес сооружения или оползневого массива, т.

Угол подходасейсмических волн к поверхности земли тоже влияет на силу землетрясения.

Наибольшую опасность вызывают те очаги, из которых сейсмические волны подойдут к поверхности под углом 30-6Оградусов, В этом случае особенно большую роль в проявлении силы сейсмического толчка будут играть инженерно- геологические условия.

На увеличение балльности землетрясения влияют обводненные грунты. Отмечено, что в пределах верхней 10- метровой толщи повышение грунтовых вод влечет постоянное приращение балльности.

Анализ сейсмических геологических и геофизических данных позволяет заранее наметить те области, где следует ожидать в будущем землетрясение и оценить их максимальную интенсивность.

В этом сущность сейсмического районирования.

Карта сейсмического районирования - официальный документ,

который обязаны принимать в расчет проектирующие организации в сейсмических районах. Строгое соблюдение норм сейсмостойкого строительства позволяет значительно снизить разрушительное воздействие землетрясения.

Сила землетрясений оценивается по ряду признаков; смещению грунтов, степени повреждения зданий, изменению режима грунтовых вод, остаточным явлениям в грунтах и т.д.

В России для определения силы землетрясения принята 12-балльная шкала, по которой самое слабое землетрясение оценивается в 1 балл, самое сильное — в 12 баллов.

Строительство сооружений и проектирование карьеров в сейсмических районах

В районах, подверженных землетрясениям (от 7 баллов и выше)_, ведется антисейсмическое строительство, при котором осуществляются мероприятия, направленные на повышение сейсмостойкости зданий и сооружений,

В сейсмических районах, в которых максимальная сейсмичность не превосходит 5 баллов, никаких особых мероприятий не предусматривается.

При 6 баллах строительство ведется с применением соответствующих строительных материалов, а также предъявляются более высокие требования к качеству строительных работ:

При проектировании сооружений в районах с возможным 7—9-балльным землетрясением необходимо применение специальных мероприятий, предусмотренных в особых нормативах.

В этих районах при выборе места, для сооружений необходимо стремиться размещать их на участках, сложенных массивными породами или мощными толщами рыхлых отложений с глубоким залеганием уровня грунтовых вод.

В качестве фундаментов рекомендуется применять железобетонные плиты.

Опасно размещение сооружений в зонах, разбитых сбросами.

Конструкции зданий делаются по возможности более жесткими. Для этой цели предпочтительно применять железобетонные монолитные конструкции.

Как правило, устраиваются один-два и более железобетонных поясов.

Избегают тяжеловесные архитектурные украшения.

Контуры здания в плане предусматриваются возможно более простыми, без входящих углов.

Ограничивается высота зданий.

Большое значение при проектировании сооружений имеет соблюдение следующего принципа: период собственных свободных колебаний сооружения не должен резко отличаться от периода сейсмических колебаний, характерных для данной местности.

Соблюдение этого условия помогает избежать возникновения резонанса (сложение однозначных, совпадающих по фазе колебаний), который может привести к полному разрушению зданий.

Если периоды колебаний оказываются близкими, то изменяется жесткость сооружения или способ устройства фундаментов и оснований.

При проектирования в сейсмических районах карьеров строительных материалов и различных выемок необходимо помнить, что при землетрясениях устойчивость откосов резко снижается.

Это заставляет ограничивать высоту я крутизну стенок выемок. При несоблюдении этих требований при землетрясениях неизбежны обвалы и оползни. При расчетной величине землетрясений в 7 баллов глубина выемки должна быть не более 15-16м. В районах с 8-балльным землетрясением —14—15м.