Конспект лекций по геологии

процесс имеет глобальный характер.

Вследствие процессов горообразования возникают разные нарушения залегания горных пород, которые называются дислокациями. Дислокации могут происходить без разрыва сплошности пород (тогда возникают складки) и с разрывом сплошности (горст и грабен).

Наличие дислокаций на участке строительства создает своеобразные условия ведения работ. Так в верхней части площадки антиклинальные породы разбиты трещинами в процессе горообразования, поэтому они быстро разрушаются. Нередко в местах давних антиклиналей встречаются углубления, образованные вследствие разрушения и вынесения ослабленной породы. Наоборот, в нижней части синклинали (мульде) породы напряжены за счет сжатия. При разработке таких пород часто случаются внезапные обвалы стойких на первый взгляд склонов и даже выброс обломков. Наличие дислокаций значительно усложняет инженерно-геологические условия строительных площадок. Приходится делать фундаменты одного сооружения на разных грунтах, что может послужить причиной неравномерных деформаций. Наклонное залегание пластов горных пород служит причиной опасности образования сдвигов.

Пространственное положение пласта определяется элементами залегания:

азимутами линий простирания и падения, а также величинами угла паде-

ния (рис. 3.3).

2

1

3

а	б
Рис. 3.2. Дислокации, образующиеся во время		Рис. 3.3. Элементы залегания
разрывных движений земной коры:		наклонных пластов:
	а – грабен; б – горст	1 – линия падения; 2 – линия
		простирания; 3 – угол падения

Простирание пласта характеризуется линией, которая получается при пересечении его плоскости с горизонтальной плоскостью. Падение пласта определяется линией, проведенной в его плоскости перпендикулярно к линии простирания. Угол падения пласта – это угол между его плоскостью и горизонтом.

Для определения элементов залегания пласта во время геологической съемки применяют горный компас. Он отличается от обычного тем, что имеет градусное деление лимба, направленное против часовой стрелки. Чтобы определить азимут линии падения, его устанавливают в горизонтальное положение южной стороной к линии простирания. Отсчет против северного конца магнитной стрелки дает азимут линии падения. Линия простирания имеет два азимута. Угол падения определяется при помощи отвеса, который есть в горном ком-

51

пасе. Конечные измерения элементов залегания пласта могут иметь такой вид: ЮЗ 234°, 21°. Из записи следует, что пласт имеет угол падения на юго-запад, а его плоскость располагается относительно горизонта под углом 21°. Чтобы определить азимут простирания, достаточно прибавить или отнять 90° от азимута падения.

3.3. Магматизм и вулканы

Процессы проникновения магмы в толщу земной коры из очагов расплавов в верхней части мантии называются магматизмом. Магматизм бывает глубинным и поверхностным (см. п. 2.1). Поверхностный магматизм проявляется в деятельности вулканов. Вулканом называется место прорыва магмы на поверхность земной коры. Чаще всего магма поступает на поверхность по трубообразным каналам. В этом случае продукты извержения образуют конусообразные горы с кратерами на вершинах. Это центрально-кратерные вулканы. При извержении таких вулканов наблюдается выброс газов, пепла, обломочного материала, а также извержение лавы. Вулканы действуют периодически с интервалом от нескольких месяцев до нескольких сотен лет. Нередко извержение вулкана сопровождается землетрясением.

Вулканы условно разделяют на действующие и угасшие. На Земле известно 624 действующих (из них 78 подводных) и до 4000 угасших вулканов. Много вулканов – 67 действующих (из них 2 подводных) – находится на Камчатке и Курильских островах. Наибольшим действующим из них является Ключевская Сопка высотой 4810 м. Считают, что конус этого вулкана образовался вследствие 700 взрывов. При извержении Ключевской сопки в 1945 г. было выброшено 0,6 км3 пепла, который покрыл 2/3 территории Камчатки пластом в 4 см. Извержение закончилось изливом лавы. Происходят и более

грандиозные извержения. Например, извержение вулкана	Катмай (Аляска)
в 1912 г. сопровождалось выбросом в атмосферу до 20 км3	пепла и обломоч-

ного материала. При извержении вулкана Кракатау (Индонезия) объем пепла и обломочного материала достигал 80 км3.

Другой характер извержений имеют вулканы трещинного типа. Извержения таких вулканов теперь происходит редко. В 1783 г. в Исландии из трещины длиной 24 км вылилось 12 км3 лавы. Потоки этой лавы разлились по площади 550 км2. При этом один из потоков имел длину 40 км. В геологическом прошлом таких вулканов было много.

На ранних этапах геологической истории действовали вулканы плоскостного типа. Во время их извержения приближенная к поверхности магма поглощала горные породы земной коры, образуя расплавы на огромных площадях. Считают, что покров Деканского нагорья в Индии площадью 500 тыс. км2, а также покровы Якутии образовались именно таким образом.

Большинство современных вулканов территориально отнесены к двум основным поясам тектонической активности, которые охватывают весь земной шар – к Тихоокеанскому и Средиземноморско-Индонезийскому.

52

3.4. Землетрясения

Колебание отдельных участков земной коры называют землетрясениями. Они известны также как сейсмические явления. При сильных землетрясениях дома и сооружения повреждаются, а иногда и полностью разрушаются, что нередко служит причиной гибели людей. Во время землетрясений в японских городах Токио и Йокогама (1923) были полностью или частично разрушены и очень повреждены около 500 тыс. зданий, погибло почти 140 тыс. человек и более 100 тыс. человек получили ранения. Смещения поверхности Земли достигали 4 м в горизонтальном и 1,5 м в вертикальном направлениях. Вследствие значительных вертикальных смещений морского дна бухты Сагами возникла волна высотой 12 м, которая ринулась на берег. Такие волны называют цунами.

Как и вулканы, землетрясения связаны в основном с Тихоокеанским и Средиземноморско-Индонезийским поясами тектонической активности. Огромные сейсмические районы – Карпаты, Крым, Кавказ, Средняя Азия, Прибайкалье, Восточная Сибирь, Дальний Восток, Камчатка. Известны сильные землетрясения в городах Алматы (1887), Шемаси (1902), Ашгабат (1948), Ташкент (1966), Газли (1976), а также в Армении (1988), Таджикистане (1989).

В зависимости от происхождения землетрясения делят на денудационные, вулканические и тектонические. Денудационные и вулканические землетрясения имеют местное значение. Первые возникают вследствие обвала сводов пустот в верхних пластах земной коры и при обвалах в горах, а вулканические – при извержении магмы.

Подавляющее большинство землетрясений имеют тектоническое происхождение. Они часто приобретают катастрофический характер. Возникновение этих землетрясений связано с деформациями сдвига и растяжения в массивах горных пород земной коры и вещества в верхней части мантии во время тектонических движений. Если напряжение и деформации достигают критических значений, происходит разрушение массива, которое сопровождается ударами массы пород или вещества мантии. Очаг землетрясения находится на некоторой глубине и называется гипоцентром, а участок на поверхности, расположенный над ним, – эпицентром. В зависимости от глубины гипоцентра выделяют поверхностные (до 50 км), промежуточные (50 – 300 км), глубокофокусные (более 300 км) землетрясения.

Вследствие удара в гипоцентре возникают упругие сейсмические волны двух типов: продольные и поперечные. Эти волны распространяются от гипоцентра во всех направлениях и передают энергию удара в окружающую среду. Распространение сейсмических волн происходит с затуханием амплитуды их колебаний. При сильных землетрясениях сейсмические волны проходят сквозь весь земной шар.

Продольные волны характерны тем, что колебание частиц среды, через которую они проходят, происходит в направлении распространения волны. Это волны сгущения и разрежения (рис. 3.4, а). Они распространяются как в

53

твердой, так и в жидкой среде. Поперечные волны – это волны сдвига. Здесь колебание частиц происходит в направлении, перпендикулярном к направлению распространения волны (рис. 3.4, б). Поперечные волны распространяются лишь в твердой среде, то есть в той, которая оказывает сопротивление сдвига. Через расплавы и воду эти волны не проходят.

Продольные и поперечные волны при переходе с одной среды в другую преломляются и отражаются. Это свойство сейсмических волн используют для изучения строения глубоких недр Земли. Вследствие взаимодействия продольных и поперечных волн возле поверхности Земли возникают поверхностные волны, которые там распространяются, образовывая валы и впадины определенной высоты. Скорость поверхностных волн наименьшая.

Землетрясения фиксируют при помощи сейсмографов, которые бывают двух типов: для регистрации вертикальных и горизонтальных колебаний

(рис. 3.5).

			1	2
			3
2
3
1	а	б	2
			а

1

б

	Рис. 3.4. Схема образования	Рис. 3.5. Принципиальные схемы сейсмографов для
	сейсмических волн:	регистрации колебаний:
а – продольных; б – поперечных;		а – горизонтальных; б – вертикальных; 1 – маятник;
1	– очаг землетрясения; 2 – направ-	2 – записывающее устройство
ление распространения волны;
3	– направление колебания частиц

На сейсмической станции обычно устанавливают три сейсмографа: два регистрируют горизонтальные колебания и один – вертикальные. Сейсмографы, регистрирующие горизонтальные колебания, устанавливают так, чтобы маятник одного из них колебался в меридиональном направлении, а второго – в широтном.

Записанные на светочувствительную бумагу колебания маятника при землетрясении называются сейсмограммой. Сейсмограмма позволяет по разности времени поступления продольных и поперечных волн определить расстояние к эпицентру землетрясения. Если оно известно на нескольких сейсмических станциях, то место эпицентра определяют методом засечек.

Сила землетрясения в гипоцентре характеризуется магнитудой, а его интенсивность на поверхности (сейсмичность) оценивается в баллах. Интен-

54

сивность I, магнитуда M землетрясения в баллах и глубина расположения гипоцентра h, км, связаны эмпирической формулой:

I 1,5M 3,5 lgh 3.

(3.1)

Энергия землетрясения в гипоцентре, Дж, от которой зависит его сила, может быть определена по формуле Б.Б. Голицына

E 2 v( A / T )2 ,

(3.2)

где ρ – плотность земной коры;

v – скорость распространения сейсмических волн; A – амплитуда колебаний;

T – период колебаний.

Энергия наиболее слабых землетрясений, которые могут быть зарегистрированы сейсмографами, составляет 103 Дж, а наиболее сильных – 1019 Дж. В этом интервале и была составлена шкала деления землетрясений по силе, которая оценивается магнитудой (табл. 3.1). Интенсивность землетрясений определяют по 12-балльной шкале в зависимости от величины смещения упругого сферического маятника в сейсмометре системы С.В. Медведева или сейсмического ускорения, которое возникает в породах, формирующих основания зданий и сооружений, из соотношения:

A4 2 / T 2 .

(3.3)

Таблица 3.1

Магнитуда землетрясений в зависимости от их энергии в гипоцентре

	Энергия			Энергия
	землетрясения	Логарифм	Магнитуда	землетрясения	Логарифм	Магнитуда
	в гипоцентре	энергии		в гипоцентре	энергии
	Е, Дж			Е, Дж
	103	3	1	1013	13	6
	105	5	2	1015	15	7
	107	7	3	1017	17	8
	109	9	4	1019	19	9
	1011	11	5

В табл. 3.2 приведены данные о повреждениях зданий и сооружений во время землетрясений.

На основе материалов изучения землетрясений составляют сейсмические карты, при помощи которых можно получить данные о сейсмичности пункта, который нас интересует, в баллах. Полученные таким образом значения сейсмичности уточняются с учетом геологического строения и гидрологических условий конкретной местности. Уточнения делают, используя карты сейсмического микрорайонирования.

55

Таблица 3.2 Характеристика повреждений зданий в зависимости

от магнитуды землетрясений

Интенсивность, баллы	Смещение сферического маятника, мм	Ускорение, см/с2		Повреждения
				зданий и сооружений
				(по данным С. В. Медведева)
6	1,1 – 2	25 – 50	Во многих домах легкие повреждения. Некото-
			рые дома групп А, Б и В имеют значительные
			повреждения. В отдельных случаях тонкие
			трещины на дорогах
7	2,1 – 4	50 – 100	У большинства зданий группы А значительные
			повреждения, а в отдельных – разрушения.
			Большинство зданий групп Б и В имеют легкие
			повреждения, а отдельные – значительные. Во
			многих домах группы Г легкие повреждения, а в
			некоторых – значительные. Иногда наблюда-
			ются сдвиги на крутых склонах насыпей дорог,
			трещины на дорогах и разрушение стыков тру-
			бопроводов. Повреждение каменных огражде-
			ний
8	4,1 – 8	100 – 200	Во многих домах группы А разрушения, а в
			отдельных – обвалы. Большинство зданий групп
			Б	и В имеют значительные повреждения,
			а	отдельные – разрушения. Большинство домов
			группы Г повреждены легко, а многие – зна-
			чительно. Небольшие сдвиги на крутых откосах
			и насыпей дорог. Частные случаи разрыва
			стыков трубопроводов. Памятники и статуи
			сдвинуты. Каменные ограждения разрушены
9	8,1 –16	200 – 400	Во многих домах группы А обвалы. Многие
			дома групп Б и В разрушены, а отдельные –
			обвалены. Во многих домах группы Г зна-
			чительные повреждения, а в отдельных – разру-
			шения. Иногда имеют место искривления
			железнодорожных рельсов и повреждения насы-
			пей дорог. Много трещин на дорогах. Разрывы и
			повреждения трубопроводов. Памятники и
			статуи опрокинуты. Большинство труб и башен
			разрушено

Примечание

Группа А – одноэтажные дома со стенами из рваного камня, кирпичасырца, самана

Группа Б – кирпичные и каменные дома

Группа В – блочные и крупнопанельные дома

Группа Г – деревянные дома

3.5. Выветривание и элювиальные отложения

Продукты выветривания, которые остались на месте их образования,

называются элювием или элювиальными отложениями. Важным свойством этих отложений является то, что они залегают на той породе, из которой

56

	образовались. Наиболее часто встречается элювий магматических, метамор-
	фических и скального типа осадочных пород. Элювиальная толща (кора
	выветривания) имеет мощность от долей метра до нескольких десятков метров.
	Состав элювия довольно разнообразен, что обусловлено как видом коренной
	породы, так и характером выветривания. Если коренная порода магматическая
	и преобладает физическое выветривание, то элювий будет состоять из песка,
	дресвы, щебня и больших обломков. Если преобладает химическое выветри-
	вание, то элювий, который остался на той же коренной породе, будет содержать
	глинистые породы с включениями обломочного материала (рис. 3.6).
	Толщу элювия М.В. Коломенский советует разделить на четыре зоны:
	тонкого дробления, мелкообломочную, глыбовую и монолитную. В первых
			трех зонах размер частиц постепенно
		1	увеличивается с увеличением глуби-
			ны. В монолитной зоне внешних
		2	признаков изменения коренной поро-
			ды нет. Но не всегда в толще бывает
			четыре зоны. Так, материал зоны
			тонкого дробления может переме-
			щаться вследствие процессов дену-
		3	дации. Если же процессы выветри-
			вания в данной толще начались
	а	б	недавно, то вся толща элювия будет
			иметь лишь глыбовое и монолитное
	Рис. 3.6. Элювий при выветривании:
			строение.
	а – физическом; б – химическом;
	1 – песок; 2 – глина; 3 – коренная порода

3.6.Геологическое воздействие поверхностных текучих вод

иобразование делювиальных, аллювиальных

ипролювиальных отложений

Кповерхностным текучим водам принадлежат временные водные потоки, которые возникают во время дождей и таяния снега, а также ручьи и реки. Все эти воды выполняют огромную геологическую работу. В процессах денудации они играют решающую роль. Текучие воды разрушают горные породы, переносят разрушенный материал в виде растворов, в заиленном состоянии и путем перемещения по дну, а потом откладывают его в пониженных местах. Процессы разрушения горных пород движущейся водой получили название эрозии.

Различают плоскостную эрозию – смывание, а также глубинную и боковую эрозии – размывание. При смывании небольшие ручейки дождевых и талых вод стекают по поверхности склона, смещая в нижнюю его часть и к подножию мелкие частицы пород. Накапливаясь, этот материал формирует делювий или делювиальные отложения (рис. 3.7). Мощность этих отложений колеблется от долей метра до нескольких десятков метров. Они могут содер-

57

жать суглинки и супеси. Делювиальные отложения встречаются всюду, даже на
склонах с небольшими уклонами.
	Во время размывания вода движется по склону через образованные ею
углубления – русла. В этом случае водный поток углубляет и расширяет русло.
Происходит прорезание склона, которое начинается из точки, размещенной воз-
ле подножия склона. Эта точка называется базисом эрозии. Прорезание склона
идет в направлении, противоположном движению воды. Ниже базиса эрозии
размывание пород не происходит. По мере того, как поток прорезает склон,
продольный профиль его русла становится все более пологим (см. рис. 3.8).
	2		Размывая			породы в				верх-
		ней части русла, поток перено-
		сит	разрушенный				материал				и
	1	откладывает			его		возле		базиса
		эрозии. Так возникает конус вы-
		носа. Всякий поток стремится
		выработать продольный профиль
	Рис. 3.7. Делювиальные отложения:	русла с предельным уклоном,
	1 – делювий; 2 – коренная порода	так называемый профиль равно-
	3	весия. При таком уклоне русла
	4	скорость		движения				воды		уже
		недостаточна				для		размывания
5	2	пород, поэтому эрозионный про-
	1	цесс	прекращается.					Характер
		воздействия			потока			зависит			от
	Рис. 3.8. Схема эрозионного процесса:	изменения			положения				базиса
		эрозии. Если в потоке, который
1 – русло; 2 – базис эрозии; 3 – направление
прорезания; 4 – направление движения воды;		выработал профиль равновесия,
5 – конус выноса		снизить базис эрозии, то он бу-
дет формировать новый профиль равновесия, снова углубляя и расширяя русло.
Если же в потоке, где происходит углубление и расширение русла, повысить
базис эрозии, то новый профиль равновесия будет вырабатываться путем запол-
нения русла разрушенным материалом.
	Рассмотренные закономерности справедливы как для временных потоков,
так и для ручьев и рек.
	Временные водные потоки размывают на склонах овраги, а ручьи и реки
– углубления, которые называются долинами. Овраги наиболее интенсивно
развиваются на склонах, которые состоят из легко размывающихся глинистых
пород. Скорость их развития составляет от долей метра до нескольких метров в
год. Овраги подразделяют на действующие и бездействующие. Первые
естественным путем превращаются в бездействующие. Далее на месте оврагов
возникают балки. Преобладают овраги глубиной 15 м и длиной около 1,5 км.
Часто некоторые из них имеют глубину, которая достигает десятков метров,
и длину до 20 км. Овраги наносят большой ущерб сельскому хозяйству. Причем
увеличиваясь, они создают угрозу зданиям и сооружениям, делают непри-
	58

	годными ценные для сельского хозяйства земли.
	Речные долины вымываются текучими водами постепенно. Ширина
	долины большой реки может достигать десятков километров. Материал, отло-
	женный водой реки в пределах долины или в дельте, называется аллювием, или
	аллювиальными отложениями. Мощность аллювиальных отложений нахо-
	дится в пределах от долей метра до нескольких десятков метров. Например, в
	дельте р.Терек она достигает 200 м, а в дельте р. Волга – 300 м.
	Аллювиальные отложения – это толща, в которой чередуются пласты
	илов, глин, суглинков, супесей, песков, гравия и галечников. Эти пласты имеют
	различную толщину и простирание. Выделяют русловый, пойменный и дель-
	товый аллювий.
	В составе руслового аллювия горных рек преобладает крупнообло-
	мочный материал: гравий и галька, а в равнинных реках – пески. Пойменный
	аллювий формируется на равнинных реках. Чаще всего он содержит супеси и
	суглинки, а в старицах рек – также илы и глины. Дельтовый аллювий
	откладывается в	месте впадения рек в моря и озера, образуя конус выноса.
	Дельты могут занимать большие площади. Площадь дельты р. Волга равняется
	18 тыс. км2. В дельтах остается основная масса материала, который переносится
	рекой. Состав этого		материала в горных и равнинных реках				неодинаков.
	В дельтах горных рек он чаще всего крупнообломочный. В дельтах же равнин-
	ных рек – это глины, которые переслаиваются песками. Аллювиальные отло-
	жения обычно насыщены водой.
	Процесс формирования речных долин связан с изменением положения
	2			базиса эрозии рек, в частности уровня
				воды в реке или в море, куда они впа-
		1		дают. Изменение базиса эрозии может
				быть также следствием		поднятия или
		а		опускания суши. Речные долины часто
	1	4		имеют очень сложный поперечный про-
				филь из-за образования речных террас.
				Речные долины могут иметь аккумуля-
				тивные (аллювиальные) и эрозионные
		б		террасы. Этапы процесса их образова-
				ния показаны на поперечных разрезах
	3
			4	(рис. 3.9).	На рис 3.9, а представлен
		1
				разрез долины, которая образовалась в
				результате	сильного снижения базиса
		в		эрозии, что послужило причиной раз-
				вития глубинной и боковой эрозии. В
	Рис. 3.9. Схема образования речных
				этом случае формируется долина с эро-
		долин:
				зионными	террасами.	На	рис. 3.9, б
	а – эрозионной; б –		аккумулятивной;
	в – аккумулятивной		при понижении	изображен разрез той же долины после
	базиса эрозии; 1 – река; 2 – эрозионная			значительного повышения базиса эро-
	терраса; 3 – аккумулятивная терраса;
				зии.Она заполнена аллювиальными от-
	4 – аллювий
				59

ложениями. На рис. 3.9, в показан разрез долины после нового снижения базиса эрозии. Эрозионные процессы развиваются в аллювиальных отложениях, образуя аккумулятивные террасы. Долины равнинных рек могут иметь до 6 террас. Например, в долине р. Днепр, возле г. Днепропетровска выделяют 6 террас. В долинах горных рек их бывает больше.

К поверхностным текучим водам принадлежат также кратковременные потоки в горах, которые возникают периодически, после больших ливней и во время интенсивного таяния снега или льда. Такие потоки, несущие большое количество обломочного материала, имеют огромную разрушительную силу. Они получили название селей. Например, в 1921 г. селевый поток, который двигался по долине р. Малая Алматинка, вынес на территорию города Алматы и на его окраины 3,6 млн м3 обломочного материала. Расход воды в этом потоке достигал 800 – 900 м3/с. Было разрушено более 250 зданий и сооружений. Более мощный селевый поток образовался там же в 1973 г. Но он был оста-новлен искусственно сооруженной плотиной в долине р. Малая Алматинка. Возникновение таких потоков в начальной стадии связано с процессами смывания продуктов выветривания в долину.

Селевые потоки делят на связные (структурные) и несвязные (турбулентные). В связных потоках вода и перемещаемый ею обломочный материал образуют грязево-каменную массу плотностью до 1,8 – 2 т/м3. В таких потоках обломочный материал не отделяется от воды. В несвязных потоках обломочный материал откладывается обычным способом при движении в русле или в конусе выноса.

Селевые потоки формируют возле подножья гор пролювий, или пролювиальные отложения. Мощность их достигает десятков метров. Эти отложения залегают пластами, поскольку являются следствием выносов разной силы, которые повторяются. В толщах пролювия суглинки и супеси чередуются с песками, гравием и галечниками.

Борьба с разрушительным воздействием поверхностных текучих вод ведется путем выполнения профилактических и инженерных мероприятий. К важнейшим профилактическим мероприятиям относятся запрет пахоты склонов, а также вырубки на них леса и кустарников. К инженерным мероприятиям, которые применяют для борьбы с оврагами, относится обустройство в верхней их части быстротоков, а на дне – плотовых, фашинных или каменных запруд (рис. 3.10). Участок, который прилегает к верховью оврага, засаживают кустарниками.

Для сохранности берегов от размыва речными водами их укрепляют, вымащивая камнем на мхе или щебне, в том числе при помощи вымащивания в плотовых клетках, сооружением дамб и полузапруд, которые направляют течение (рис. 3.11).

Дамбы строят на вогнутых берегах, а полузапруды – на выпуклых, используя разнообразные материалы: камень и бетон.

Борьбу с селевыми потоками ведут путем строительства плотин, селеуловителей, дамб для направления потока, а для защиты дорог – селеспусков.

60