книги / Опасные природные процессы. Вводный курс

Гшва 11. Геологические опасные природные процессы

Б. Геологические экзогенные

опасные процессы

11.5

Выветривание. Типизация склоновых процессов

Выветривание. Экзогенные процессы возникают от внешних по отношению к земной коре источников, например, от атмосфер­ ных, гидросферных и биосферных процессов.

Выделяют 4 группы экзогенных геологических процессов: выветривание, денудация, аккумуляция, диагенез.

Выветривание (от нем. «веттер» — погода) — это процесс глубокого из­ менения магматических, метаморфических и осадочных пород и минералов, оказавшихся неустойчивыми в условиях земной поверхности. Изменение хими­ ческого и физического состояния первичных минералов и горных пород происходит на месте их залегания в результате физикохимического и био­ логического воздействия воды, кислорода, газа, различных минеральных и органических кислот, живых организмов и воздействия солнечной радиа­ ции и разности температур.

Денудация (от лат. denudatio — обнажение) — это совокупность процессов

удаления (сноса и переноса) продуктов выветривания с места их образования и непосредственного разрушения агентами денудации (гравитация, вода, ветер,

ледники). Это разрушение и одновременное выравнивание рельефа.

Аккумуляция (от лат. accumulatio — накопление) — это скопление проду­

ктов разрушения в пониженных местах в соответствии с законом гравитации (подножия гор, долины, озера, моря, океаны).

Диагенез (перерождение) — это сложный процесс преобразования продук­ тов экзогенной деятельности (осадков) в осадочные породы под влиянием гра­ витации и физико-химических условий в приповерхностной части земной коры.

Благодаря экзогенным процессам формируются почвы и полезные иско­ паемые. 60% мировой добычи полезных ископаемых связано с продуктами экзогенной деятельности.

Наиболее активна гидросфера — это деятельность текучей воды (рек, ручьев), стоячей воды (озер, болот), морской и океанической воды, воды в твердом состоянии (ледники), подземной воды. И во всех случаях наклады­ вается действие гравитации.

551

Разбег II. Опасные природные процессы

Во всех процессах существуют 3 стороны: 1) разрушение и разрыхление горных пород: 2) их транспортировка: 3) накопление продуктов разрушения.

Все процессы комплексны и зачастую имеют ветвящийся цепочечный характер. Физическое выветривание обеспечивает механическое разрушение, измельчение и превращение горных пород в щебень, дресву, песок или гли­ ну. Основные факторы: вариации температуры, изменение солнечной актив­ ности, механическое воздействие воды при ее замерзании в трещинах и по­ рах горных пород, кристаллизация солей, расклинивание корнями деревьев, деятельность роющих животных.

В результате физического выветривания склонов гор возникают склоно­ вые отложения обрушения или сползания — колтвий (от лат. «коллювио» — скопление), если же материал смывается — то делювий. Продукты выветри­ вания, накопившиеся на месте своего образования, называются элювий.

Вследствие физического выветривания горные породы разделяются на обломки (формы отдельности), иногда даже в виде скал. В базальтах, напри­ мер, проявляются столбчатые отдельности в виде призматических столбов высотой несколько метров. В диабазах и песчаниках — шаровые отдельно­ сти, в гранитах и толстослоистых осадочных породах — подушечные и мат­ раце видные отдельности, лежащие целыми стопами. Могут возникать зам­ ки, крепости, бастионы.

Температурное выветривание возникает из-за суточных и сезонных изме­ нений температуры и соответствующего изменения объема. Наиболее ин­ тенсивно разрушаются полиминеральные горные породы (граниты, сиени­ ты, гнейсы, песчаники) из-за различия теплофизических свойств слагающих минералов. В мономинеральных породах (мрамор, кварцит, известняк) раз­ рушение происходит из-за анизотропии свойств. Темноцветные породы (габбро) более подвержены температурному выветриванию, равномерно — зернистые более устойчивы. Хрупкие и трещиноватые — разрушаются легче. Внешние, прогреваемые солнцем породы разогреваются сильнее более глубо­ ких, поэтому возникают трещины, а по ним происходит шелушение и отсла­ ивание (десквамация). Влияют также выпадение холодных дождей, пожары.

Морозное выветривание возникает за счет периодических расширений и сжатий от замерзания и оттаивания воды в трещинах и порах. Замерзание увеличивает объем до 9%, и лед дает давление до 1000 кг/см2. Суточный цикл охватывает мелкие глубины и возникают мелкие обломки, тогда как сезонный — дает глыбы. Асфальт Москвы при —40°С из-за переохлаждения насыщенных водой подстилающих суглинков часто растрескивается. Наи­ более подвержены морозному выветриванию горные и северные районы. На разрушенную часть поселяются мхи и лишайники и довершают дело. Корни растений могут создавать давление до 19 МПа.

Химическое выветривание — разрушение горных пород под влиянием химического воздействия воздуха и воды. Типы химического выветрива­

552

Гi .а 11 Геологические опасные природные процессы

ния: растворение, гидратация, гидролиз, карбонатизация и восстановление, окисление.

Гидратация — это поглощение воды минералами. Например, в резуль­ тате реакции CaS04 + 2Н20 = CaS04 х 2Н20 объем гипса увеличивается в 0,63 раза. Происходит вспучивание, и горные штольни могут раздавливать­ ся и обрушиваться. Далее, когда гематит переходит в лимонит, образуются железные шляпы, и это тоже сопровождается увеличением объема. В ре­ зультате окисления голубой ил Амазонки через некоторое время становит­ ся красным. Кислород с водой проникает на большие глубины. В резуль­ тате гидролиза, когда на породу действуют вода и углекислота, происходит разложение калиевого полевого шпата. На гранитах образуется каолиновая кора выветривания мощностью до 60 м.

При восстановлении минерал теряет кислород. Например, в болотах окись железа переходит в закись (зеленая).

Органическое выветривание — механическое воздействие (рыхление), воздействие органическими кислотами, извлечение солей Са, К, кремнезе­ ма, Mg. Na. Р, S, А1 и др. В результате образуется почва-рыхлый слой по­ верхности, способный производить урожай. При образовании почв боль­ шую роль играют воды (атмосферные и подземные).

Склоновые процессы. К склонам относят такие поверхности, в переме­ щении вещества на которых определяющую роль играет составляющая си­ лы тяжести, ориентированная вниз по этой поверхности. Для уклона 1—2° гравитация еще мала, и такие поверхности к склонам не относят. Но даже без них на долю склонов приходится более 80% земной поверхности. Этим уже определяется важность изучения генезиса склонов и происходящих на них процессов.

К склоновым относится большая группа процессов движения масс грун­ та и снега, происходящего за счет силы тяжести: например, обрушения, кам­ непады, оползни, солифлюкционные потоки, смешения кутумов и каменных глетчеров, снежные лавины, подвижки ледников и др.

Классификация склоновых процессов:

по крутизне: очень крутые (> 35 ), крутые (15—35°), средней крутизны (8—15°), пологие (4—8°), очень пологие (2—4°);

по длине: длинные ( ' 500 м), средней длины (50—500 м), короткие (< 50 м);

по форме: прямые, выпуклые, вогнутые, ступенчатые.

Эндогенные склоны возникают от тектонических движений, магматизма, землетрясений. Экзогенные — от поверхностных текучих вод (флювиальные), от деятельности морей, озер, ледников, подземных вод, мерзлотных процессов. Выделяют также склоны биогенные, или созданные организмами (коралловые рифы), и антропогенные, или созданные человеком.

Различают денудационные (выработанные) и аккумулятивные склоны. Денудационные делятся на структурные (по падению и простиранию пла­ стов) и аструктурные (против падения).

553

Г iaea 1L Геологические опасные природные процессы

Гравитационно-геологические процессы подразделяются на:

1) обвально-осыпные:

обвальные (обваливание — обрушение с частичным скатыванием); осыпные (скатывание несвязное и полусвязное; схождение лавин ка­

менных и снежно-каменных) — мгновенное обрушение с последующим скатыванием;

переходные полигенные (обрушения, обвально-осыпные и обвально­ оползневые) — быстрые смещения, нерегулярно повторяющиеся;

2) блокового смещения: оползневые (скольжение пород, преимуществен­ но медленное с отдельными быстрыми перемещениями);

3) массового смещения: десерпционно-солифлкжционные:

десерпционные — смещения десерпционные вязкополастичные; солифлююшонные — (течение вязкое и жидкое) — связное движение

щебнисто-глинистых масс; сложные (полигенные) десерпционно-осыпные, солифпюкционно-осып-

ные, солифлюкнионно-пролювиальные, солифлюкционно-оползневые и др. Общее условие начала смещения материала вниз по склону: достижение такого состояния, при котором сдвигающее усилие (составляющая силы тя­ жести, параллельная склону) оказывается больше удерживающих сил, пер­ пендикулярных склону (сцепление сдвигаемого слоя с ложем, внутреннее сцепление в слое, не имеющем резкой нижней границы). Характер и ско­ рость дальнейшего движения зависят от условий рельефа и обводненности.

Причины начала движения по склону делятся на 4 группы:

1) увеличение сдвигающего усилия может быть вызвано возрастанием массы смещающегося слоя (рост высоты снежного покрова при снегопаде, метели — для схода лавин; утяжеление грунта за счет увлажнения дождя­ ми — для соответствующих видов оползней; антропогенная нагрузка скло­ нов — для оползней и т.д.);

2) увеличение сдвигающего усилия может быть вызвано увеличением крутизны склона за счет речного подмыва, абразии и т.п. (рис. 11.50);

3)внутренний распор в смещающемся слое в результате температурно­ го расширения, набухания, замерзания льда и т.д.;

4)смачивание поверхности скольжения и, следовательно, уменьшение силы сопротивления.

Уменьшение удерживающих сил на подошве двигающегося слоя может происходить за счет ее «смазки» водой (при дождях, снеготаянии и др.).

Дополнительными внешними импульсами (обычно при обрушении) слу­ жат всевозможные сотрясения — сейсмические толчки, взрывы и др.

При хаитском (1943) землетрясении на Памире произошел обвал объе­ мом 400 млн м\ Слоем крупных обломков с суглинистым заполнителем тол­ щиной 80 м были засыпаны город Хант и другие населенные пункты на пло­ щади 7 км2.

555

Гшеи / /. Гео юеические опасные природные процессы

Рис. 1L51. Схема осыпи и камнепадов с крутого склона [Леонтьев О.К., Рыча­ гов Г.И., 1979]

Обвалы отличаются от камнепадов не просто большим объемом, но сплоченностью облака обрушивающегося материала, что меняет характер его движения. Скорость движения обвалов на отдельных участках достигает 300 км/ч. длина пути — несколько километров.

Причиной крупных обвалов служат землетрясения. Горный склон как бы вскипает и приходит в движение. Особую опасность обвалы представ­ ляют для трансмагистралей. Для защиты на них строят специальные инже­ нерные сооружения.

Оползень — скользящее смещение монолитного блока горных пород вниз по склону под влиянием силы тяжести. Процессы оползания всегда гидрогеологически обусловлены. Они возникают в случае, если водопрони­ цаемые породы подстилаются горизонтом водоупорных пород, чаше всего глин. Оползню предшествует подготовка пород к подвижке: образование тре­ щин, формирование зон дробления и др. Время, необходимое для подготов­ ки с учетом времени на релаксацию напряжений от предыдущей подвижки, называется средней продолжительностью межоползневого интервала. Напри­ мер, стадия предварительной подготовки может продолжаться от 30—40 лет (в аллювиальных отложениях) до многих сотен (в глинах оксфордского яру­ са) и тысяч лет (в глинах и аргиллитах татарского яруса пермской системы) и лишь в ледниковых, песчано-глинистых отложениях и глинах хвалынского яруса четвертичного периода продолжается от года до 10 лет. Чем продолжи­ тельнее период между проявлениями внешних признаков смещения горных масс, тем более интенсивный оползень следует ожидать.

Благоприятным является залегание пластов пород параллельно склону. Водоупорный горизонт при этом служит поверхностью скольжения, по ко­ торой блок пород соскальзывает вниз. При оползании порода может частич­ но дробиться, превращаться в бесструктурную массу. При оползании фор­

557

Раздел //. Опасные природные процессы

мируется определенный комплекс форм рельефа: оползневой цирк, ограни­ ченный стенкой отрыва оползня (оползневым уступом), оползневой блок с запрокинутой верхней плошалкой (оползневой террасой) и напорный ополз­ невой вал внизу с полностью деформированной структурой (рис. 11.52).

Рис. 77.52. Схема строения оползня: поперечный профиль (справа) и в плане (слева): 1 —трещины отрыва, по которым могут возникнуть следующие оползни; 2 — стенка срыва оползневого тела; 3 — тела сошедших оползней; 4, 5 — напор­ ные оползневые валы; 6 — контур оползневого тела

Оползни возникают вследствие следующих причин:

нарушение равновесия пород, вызванное увеличением крутизны склона в результате подмыва водой;

ослабление прочности пород при выветривании; переувлажнение осадками и подземными водами; воздействие сейсмических толчков;

хозяйственная деятельность, проводимая без учета геологических усло­ вий местности.

Различают деляпсивные оползни, возникшие под влиянием силы тяжести, и детрузивные — сместившиеся и значительно раздробленные, перемятые в результате напора выше расположенных движущихся блоков.

П о механизму оползневого процесса различают: оползни сдвига (среза­

ющие, консеквентные и смешанные; оползни выдавливания; оползни вяз­ копластичные — оползни-потоки, оплывы); оползни гидродинамического выноса (суффозионные, гидродинамического напора); оползни внезапно­ го разжижения (разрушение структурных связей в слабоуплотненных глини­ стых породах); комбинированного механизма.

П о мощности выделяют оползни: малые (до 10 тыс. м3), средние: И — 100 тыс. м3), крупные (101 тыс. — 1 млн м3), очень крупные (свыше 1 млн м3).

Угроза: оползни создают опасность для движения транспорта (разрушение трансмагистралей); вызывают неконтролируемое перекрытие рек, что способ­ ствует усилению катастрофичности паводков; обусловливают снижение уро­ жайности из-за падения уровня грунтовых вод; вызывают заболачивание па­ хотных земель и выбытие земель из сельскохозяйственного оборота.

558

Гшва // . Геологические опасные природные процессы

На рис. 11.53 приведен пример оползня, сошедшего в водохранилище и вызвавшего прорыв дамбы и наводнение, что повлекло человеческие жерт­ вы и нанесло ущерб людям, живущим в долине ниже по течению реки.

Рис. 7/.5J. Поперечный разрез оползня, сошедшего с горы Маунт-Ток в водо­ хранилище Вайонт (вверху), и схема разрушения в городах и деревнях (внизу), вы­ званного паводковой волной, образовавшейся в результате этого оползня [по Уолтхэму Т.]

Оползневые явления развиваются в определенных условиях, и их рас­ пределение по территории района строго подчиняется определенным зако­ номерностям. Например, подготовка горных пород к оползням в 1969 г. в Таджикистане продолжалась не один десяток лет, и произошли они под воз­ действием значительного переувлажнения пород атмосферными осадками.

559

Раздеi //. Опасные природные процессы

За период наблюдений в республике из 3,5 тыс. зафиксированных ополз­ невых смешений в Таджикистане 95% приходится на 1969 г.

Распространенность оползней: Карпаты, Молдавия, Крым, Кавказ, Сред­ няя Азия, Восточная Сибирь. В Азербайджане под оползнями 4040 км2, в Ар­ мении — 2 тыс. в Средней Азии — 20 тыс., в Узбекистане — 188 тыс., в Кир­ гизии и Таджикистане — 32 тыс. км1 (рис. 11.54).

Одним из главных агентов, вызывающих оползневые процессы, являет­ ся вода. В результате действия подземных вод происходит снижение проч­ ности массивных горных пород, в зоне тектонических контактов, в тектони­ ческих трещинах, трещинах выветривания и слоистости, в зонах смятия и разуплотнения, где часто имеются скопления глинистого материала.

Оползни-потоки образуются в лёссовых породах, способных при интен­ сивном увлажнении и определенном напряженном состоянии уменьшать свою прочность и разрушаться. Это вызывает просадку пород и последую­ щее их горизонтальное перемещение.

При сильном увлажнении склоновых отложений дождевыми и талыми водами оползневые смещения могут начаться при сравнительно слабых зе­ млетрясениях — около 4—5 баллов.

Большое число оползней потоков наблюдается в годы с большим коли­ чеством атмосферных осадков, когда уровень грунтовых вод повышается в 2—3 раза. Это повышение происходит с запаздыванием на 1—2 месяца пос­ ле выпадения основного количества осадков.

Процесс оползания часто возникает в результате развития овражной эрозии при вскрытии водоносных горизонтов.

Коэффициент устойчивости склона показывает соотношение сил сопроти­ вления оползневому смещению и активных сдвигающих сил, т.е. отношение суммарной прочности пород вдоль этой поверхности (на сдвиг) к алгебра­ ической сумме касательных сил вдоль той же поверхности.

Коэффициенты устойчивости склонов непрерывно изменяются во вре­ мени, поэтому имеют определенную величину только для определенных мо­ мента времени и условий. Оползневое смещение начинается в тот момент, когда коэффициент устойчивости склона, уменьшаясь во времени, достигает величины, равной 1.

Подземные льды определяют физико-механические свойства горных пород.

Зона многолетнемерзлых пород неустойчивого состояния отвечает рай­ онам со среднегодовой температурой от 0 до —1,5 С, здесь обычны пластич­ но мерзлые грунты с малой несущей способностью.

Зона многолетнемерзлых пород относите W H O устойчивого состояния ха­ рактеризуется среднегодовой температурой от —1,5 до —3°С. в ней прерыви­ стое распределение мерзлоты переходит в сплошное.

Зона устойчивого состояния многолетнемерзлых пород и твердомерз­ лых грунтов отвечает среднегодовой температуре —3°С.

560