Тектоника Карельского картона и отрицательные геологические процессы и явления

На территории Карельского картона, как и во всей Карелии, температура воздуха зимой опускается ниже 0°С и грунт промерзает в течение 5-7 месяцев. С на­ступлением отрицательной температуры воздуха каждый из элементарных слоев грунта находится последовательно в одной из следующих стадий:

• первая стадия (подготовительная) — охлаждение грунта до темпе­ратуры начала замерзания воды, лед в нем еще не образуется;

• вторая стадия (основная) — охлаждение грунта в пределах интен­сивных фазовых переходов, когда происходит объемное увеличение воды при переходе ее в лед (замерзание) и перераспределение влаги (миграция); эта стадия сопровождается морозным пучением грунта;

• третья стадия (переохлаждение) — уменьшение грунта в объеме (усадка на морозе) при дальнейшем понижении температуры.

Переход из одной стадии в другую происходит плавно. Каждой стадии охлаждения соответствуют вполне определенные физические процессы и связанные с ними изменения состояния и свойств грунта. Главную роль при этом играют процессы миграции и замерзания воды.

Одними из наиболее важных процессов при промерзании грунта, тре­бующих учета в инженерной практике, являются неравномерное поднятие (при промерзании) и последующая неравномерная осадка (просадка при оттаивании). По этой причине происходит до 80% от всех деформаций зданий и сооружений.

Морозное пучение грунта — это результат объемного расширения воды (примерно на 9%), находящейся в нем до промерзания и дополнительно мигрирующей к границе промерзания в процессе перехода воды из жидко­го состояния в твердое. При промерзании даже всей поровой воды в грунте увеличение его объема не превышает 3-4%. Значительное пучение грунта развивается вследс­твие притока (миграции) воды к фронту промерзания из нижележащих слоев.

Признаками проявления морозного пучения обычно являются:

• бугры на уплотненных местах;

• резкое увеличение влажности верхних слоев грунта;

• накопление ледяных прослоек в промерзающем слое;

• взаимно пересекающиеся трещины на буграх;

• зыбь при проезде транспорта весной;

• выходы напорных вод на поверхность через трещины в период ве­сеннего подъема температуры.

Морозоопасностъ — способность грунтов при промерзании вза­имодействовать с заглубленными конструкциями, оказывая на них силовое воздействие (силы морозного пучения), а при оттаивании под нагрузкой проявлять дополнительные деформации (осадки, просадки) и снижая свою прочность и несущую способность. Малонагруженные здания и сооружения всегда испытывают знакопеременные деформации: «пучение — осадка».

Продолжительные периоды отрицательных температур является основной причиной образования ледников.

Во время оледенений Карельский картон испытывал значительные опускания (на сотни метров из-за нагрузки ледников) и компенсационные поднятия («воздымания») в периоды таяния льда, в результате на поверхность выведены докембрийские глубоко метаморфизированные кристаллические породы (AR, PR) с широким развитием денудационных поверхностей выравнивания.

Поверхность кристаллических пород подвержена воздействию процессов древнего и современного (преимущественно механического, морозного) выветривания.

Процесс выветривания горных пород — совокупность сложных процессов (под влиянием агентов выветривания) физических, химических, биохимических разрушений (разложений) минералов и пород. В верхней части земной коры горные породы находятся в условиях взаимодействия с гремя внешними оболочками Земли (атмосферой, гидросферой, биосфе­рой), под действием которых наземное выветривание происходит в:

• бортах карьеров;

• отвалах пород;

• насыпях и выемках дорог;

• в основании фундаментов сооружений.

Наиболее подвержены выветриванию глинистые, углистые, биотитовые, филлитовые сланцы, туфы и другие.

Изучение и оценка выветривания горных пород осложняются тем, что древние коры выветривания (мезозой — палеогеновые и неогено­вые) отсутствуют вследствие сноса их при материковых оледенениях в чет­вертичный период (Q_I,Q_II, Q_III). Современное выветривание горных пород началось только после отступления последнего ледникового периода (око­ло 10 тысяч лет назад, см. рис. 6.5), то есть в период голоцена. Из-за боль­шого притока солнечной радиации, низких среднегодовых температур относительно слабо проявляются процессы химическо­го и биологического выветривания.

Роль выветривания двойственная — положительная и отрицатель­ная. Положительная — облегчает разработку горных пород, проходку в них выработок, котлованов, карьеров. Отрицательная — обусловливает необходимость закладки фундаментов на большую глубину (увеличение глубины заложения фундаментов), уполаживания откосов, безопасность работ, повышает технико-экономические показатели.

В основном на юге центрального геоблока выделяется только одна подзона выветривания — скрытотрещиноватая, в которой наблюдаются:

1. «расшатывание» связей между зернами породы (проявляется в уменьшении плотности, появлении волосяных трещин);

2. незакономерное изменение пористости в зоне выветривания, а именно:

• увеличивается эффективная доля пор, доступных для проникновение воды внутрь камня, п (табл. 6.2);

• уменьшается доля мелких пор (0,003-0,1 мкм) и проявляются раз­меры 0,1-100 мкм, составляющие в сумме 27% порового пространства породы.

Быстрее разрушаются крупнозернистые поро­ды в сравнении с мелкозер- нистыми, а также сильнотрещиноватые породы.

В целом выветривание характеризуется следующими показателями:

• Мощностью зоны (коры) выветривания; в коре выветривания формируются подземные воды;

• Характером выветривания и физико-механическими свойствами элювия;

• Скоростью выветривания;

• Профилем выветривания.

При наличии тектонических трещин и трещин напластования они пос­тепенно расширяются. Чем гуще сеть трещин, тем легче протекают про­цессы выветривания.

Так же многократные оледенения (и таяния ледников) привели к тому, что Карельский картон имеет большое число разломов, трещин, простых и сложных горстов, грабенов, надвигов, устойчивых опусканий (погружений), наличие которых обусловило пересеченный рельеф кристаллических массивов на коротких расстояниях. Крутизна склонов может достигать 90°. Здесь могут возникнуть потенциально опасные сейсмические очаги, вызывающие разрушительные землетрясения.

Кристаллические породы разбиты разломами и разрывами разного ранга на сложную систему блоков. Интенсивность землетрясений находится в прямой зависимости от протяженности и глубины заложения активных разломов. Изменение свойств массива горных пород в разломных зонах под влиянием переменных цикличных напряжений довольно распространенное явление. В разломной зоне массив горных пород находится в тиксотропном состоянии (в период землетрясений, взрывов, в карьерах породы могут разжижаться), что ведет к повреждениям, авариям, проявляется постоянно в размытой форме на протяжении длительных промежутков времени.

Проявление поднятий поверхности и наличие высокого уровня горизонтальных сжимающих напряжений в земной коре (в несколько раз) обусловлено наличием в нижних горизонтах земной коры повышенной сейсмичности (по карте ОСР-97 сейсмика при II категории грунтов до VII баллов), поэтому необходим учет повышения сейсмического воздействия в особых условиях - микросейсморайонирования. Этот учет необходим также, потому что к естественной сейсмичности территории добавляется техногенная.

Вызвана эта сесмичность различной деятельностью человека, так, например, в районах затопления при строительстве крупных водохранилищ, усиливается тектоническая активность — увеличивается частота землетрясений и их магнитуда. Это связано с тем, что масса воды, накопленная в водохранилищах, своим весом увеличивает давление в горных породах, а просачивающаяся вода понижает предел прочности горных пород. Аналогичные явления происходят при выемке больших количеств породы из шахт, карьеров, при строительстве крупных городов из привозных материалов.

И, конечно же, значительно влияет проведение взрывных работ на карьерах и в шахтах. В зависимости от окружающих пород меняется зона влияния взрывных работ. Так при сейсмическом воздействии на коренные породы бальность понижается на 1-2 балла. Допустим, в эпицентре землетрясения было в пять баллов, а ощущается как три балла. А на рыхлых грунтах, наоборот, на 1-2 балла повышается. Такие тонкости надо знать и учитывать при строительстве, даже если строятся 1-2-этажные дома.

Различные тектонические процессы, мерзлотные процессы, выветривание приводит к ослаблению горных пород, что приводит к проявлению склоновых процессов при наличии соответствующих условий.

К склоновым относятся процессы, происходящие под действием силы тяжести (гравитации), т.е. перемещение материала с возвышенности вниз по склону.

В формировании склона участвуют многие факторы, действия кото­рых различны и которые меняются во времени:

1. генезис образования склона;

2. стратиграфия и литология пород;

3. геологический возраст формирования склона;

4. стадии развития и современное состояние склона.

Выделяются следующие категории склоновых процессов:

• гравитационные (обвалы, осыпи);

• водно-гравитационные (оползни);

• гравитационно-водные (сели);

• подводно-гравитационные (подводные оползни).

Все наземные склоновые процессы имеют катастрофический характер и представляют опасность для человека, поскольку перемещение по склону большого количества материала происходит единовременно и неожидан­но. Характерной особенностью транспорта материала при склоновых про­цессах является перемещение материала на небольшие рассто­яния с аккумуляцией на склоне и у его подножья.