Почвоведение и инженерная геология. Учебное пособие

∙оценка воздействия опасных геологических процессов на насе- лённые пункты, хозяйственные объекты, состояние природных эко- систем и условия жизнедеятельности людей;

∙изучение генетических факторов и составление прогноза раз- вития опасных геологических процессов;

∙анализ данных наблюдений и разработка рекомендаций по проведению мероприятий инженерной защиты территории, зданий

исооружений от опасных геологических процессов.

Землетрясения

Под землетрясениями понимают внезапные и резкие трясения участков земной коры, вызванные процессами, протекающими на некоторой глубине от поверхности земли или дна оря. Явления, происходящие при земле- и моретрясениях, называются сейсмиче- скими. Местности, где часто наблюдаются земле- и моретрясения, называются сейсмическими районами.

Основная причина земле- и моретрясений – накопление энергии

и быстрое разрежение тектонических напряжений в недрах или на данном участке при продолжающемся горообразовании, такие зем- летрясения называют тектоническими. Они наиболее широко рас- пространены (90 % всех землетрясений) и достигают наибольшей силы и интенсивности. Землетрясения, связанные с вулканизмом, происходят вблизи действующих вулканов и охватывают неболь- шие площади. Они намного слабее тектонических. Еще меньшей силой характеризуются местные землетрясения, обусловленные горными обвалами, оползнями, провалами карстовых полостей, шахтных и других выработок.

Точка внутри Земли, где происходит разрыв или относительное перемещение пород, называется очагом (фокусом или гипоцентром)

землетрясения. Очаги большинства землетрясений располагаются в толще Земли, где происходит трение плит друг о друга; место на

земной поверхности непосредственно над гипоцентром называется эпицентром землетрясения. Если очаг находится на поверхности Земли, то гипоцентр и эпицентр совпадают. Если очаг расположен на глубине от 0 до 60 км, землетрясение считается неглубоким. Ес- ли очаг расположен на глубине от 60 до 300 км, землетрясение име- ет среднюю глубину очага. Если очаг на глубине от 300 до 700 км, то это глубокофокусное землетрясение.

141

Для измерения силы землетрясения используются две шкалы: одна для измерения интенсивности и другая для измерения магни- туды. Интенсивность землетрясения – это степень сотрясения грун- та на поверхности Земли, ощущаемого в различных точках зоны воздействия землетрясения. Величина интенсивности определяется на основании оценки фактических разрушений, воздействия на предметы, здания и почву, последствий для людей. Значение интен- сивности определяется в соответствии с разработанной шкалой ин- тенсивности, которая может быть различной в разных странах. Ин-

тенсивность часто связывают с величиной скорости колебания грунта при прохождении сейсмической волны. В большинстве стран Америки используется Модифицированная шкала интенсив- ности землетрясений Меркалли, которая имеет 12 уровней интен- сивности (баллов).

Магнитуда землетрясения – это величина, пропорциональная энергии, выделяемой в очаге землетрясения. Она определяется с помощью прибора, называемого сейсмографом. Показания прибора (амплитуда и период сейсмических волн) указывают на количество энергии упругой деформации, выделяемой в процессе землетрясе- ния. Чем больше амплитуда волны, тем сильнее землетрясение.

Шкала магнитуд была разработана американским сейсмологом Чарльзом Рихтером в 1935 году. В ней используются арабские циф- ры. Шкала Рихтера логарифмическая и открытая, т. е. нет ни верх- него, ни нижнего пределов для магнитуд Рихтера. Каждое увеличе- ние магнитуды на одно целое число соответствует 30-кратному уве- личению количества выделяемой энергии.

Скольжению пород вдоль разлома вначале препятствует трение. Вследствие этого, энергия, вызывающая движение, накапливается в форме упругих напряжений пород. Когда напряжение достигает критической точки, превышающей силу трения, происходит резкий разрыв пород с их взаимным смещением; накопленная энергия, освобождаясь, вызывает волновые колебания поверхности земли – землетрясения. Землетрясения могут возникать также при смятии пород в складки, когда величина упругого напряжения превосходит предел прочности пород, и они раскалываются, образуя разлом.

Сейсмические волны делятся на волны сжатия и волны сдвига. Волны сжатия, или продольные сейсмические волны, вызывают ко- лебания частиц пород, сквозь которые они проходят, вдоль направ-

142

ления распространения волны, обуславливая чередование участков сжатия и разрежения в породах. Скорость распространения волн сжатия в 1,7 раза больше скорости волн сдвига, поэтому их первы- ми регистрируют сейсмические станции. Волны сжатия также называют первичными (P-волны). Скорость P-волны равна скорости звука в соответствующей горной породе. При частотах P-волн, больших 15 Гц, эти волны могут быть восприняты на слух как под- земный гул и грохот.

Волны сдвига, или поперечные сейсмические волны, заставляют частицы пород колебаться перпендикулярно направлению распро- странения волны. Волны сдвига также называют вторичными (S- волны). Существует ещё третий тип упругих волн – длинные или поверхностные волны (L-волны). Именно они вызывают самые сильные разрушения.

Для оценки и сравнения землетрясений используются шкала магнитуд и шкала интенсивности. Шкала магнитуд различает зем- летрясения по величине магнитуды, которая является относитель- ной энергетической характеристикой землетрясения. Существует несколько магнитуд и соответственно магнитудных шкал: локаль- ная магнитуда (ML); магнитуда, определяемая по поверхностным волнам (Ms); магнитуда, определяемая по объемным волнам (mb); моментная магнитуда (Mw). Наиболее популярной шкалой для

оценки энергии землетрясений является локальная шкала магнитуд Рихтера. По этой шкале возрастанию магнитуды на единицу соот- ветствует 32-кратное увеличение освобождённой сейсмической энергии. Землетрясение с магнитудой 2 едва ощутимо, тогда как магнитуда 7 отвечает нижней границе разрушительных землетрясе- ний, охватывающих большие территории. Интенсивность землетря- сений (не может быть оценена магнитудой) оценивается по тем по- вреждениям, которые они причиняют в населённых районах.

Интенсивность является качественной характеристикой земле- трясения и указывает на характер и масштаб воздействия землетря- сений на поверхность земли, на людей, животных, а также на есте- ственные и искусственные сооружения в районе землетрясения. В мире используется несколько шкал интенсивности: в США – Мо- дифицированная шкала Меркалли (MM), в Европе – Европейская макросейсмическая шкала (EMS), в Японии – шкала Шиндо (Shindo). 12-бальная шкала Медведева-Шпонхойера-Карника (MSK-

143

64) была разработана в 1964 году и получила широкое распростра- нение в Европе и СССР. С 1996 года в странах Европейского союза

применяется более современная Европейская макросейсмическая шкала (EMS). MSK-64 лежит в основе СНиП II-7-81 «Строитель- ство в сейсмических районах» и продолжает использоваться в Рос- сии и странах СНГ.

Карст и суффозия Карст представляет собой комплекс явлений и процессов, ре-

зультатом которых является возникновение поверхностных и глу- бинных пустот в растворимых водою горных породах. Под карстом понимают не только процесс растворения, но и его результат – об- разование специфических карстовых форм рельефа. Необходимыми

условиями развития карста являются наличие толщи растворимых пород и наличие вод. Активному протеканию карстовых процессов способствует также пористость и трещиноватость, обеспечивающая интенсивное движение вод в массиве растворимых пород.

Наиболее распространён карбонатный карст, развивающйися в карбонатных (известняки, доломиты, мел и пр.) породах. В преде- лах материков обнажённые и погребённые карстующиеся карбонат- ные породы занимают до 40 млн. км2. Не случайно французский исследователь Э. Мартель предлагал называть карстовые процессы «явлениями в известняках». Примечательно, что карбонат кальция в дистиллированной воде практически нерастворим. Для растворения карбонатов необходимо присутствие в воде углекислого газа, ак-

тивному растворению карбонатов способствует наличие в водах минеральных или органических кислот, поступающих из почв.

Из некарбонатного карста в природе довольно широко распро- странён сульфатный карст (гипсово-ангидритовый), развитый на площади около 7 млн. км2, и соляной – до 4 млн. км2. Активность

развития сульфатного карста в десятки раз превышает активность карбонатного, а соляной карст развивается ещё энергичней. Рас- творение этих пород протекает напрямую, без участия углекислоты и других химических соединений. Но из-за пластичности этих по-

род ограничена внутренняя циркуляция вод и наиболее активно процесс протекает на контакте с вмещающими породами, где цир- куляция вод интенсивнее. Необходимо добавить, что благодаря вы- сокой растворимости гипса, ангидрита и особенно каменной и дру-

144

гих легкорастворимых солей при замедленном водообмене проис- ходит быстрое насыщение воды растворённым веществом, и про- цесс выщелачивания приостанавливается. Интенсивность развития

карста в этих породах определяется главным образом скоростью фильтрации вод.

Пустоты, сходные с карстовыми, возникают и в других горных породах, что позволяет выделять ряд явлений, традиционно относи- мые к карстовым, например, глиняный карст – пустоты, возникаю- щие в процессе суффозии глинистого вещества подземными водами, термокарст – растворение льда в зонах вечной мерзлоты и др.

Процессы развития карста наиболее ярко проявлены в образова- нии различных карстовых форм, среди которых в первую очередь выделяют поверхностные и подземные формы. Поверхностные формы представлены бороздами – каррами, а также различным за- мкнутыми углублениями: воронками, ваннами, котловинами, поль- ями, слепыми (замкнутыми в нижнем конце) долинами и балками, а также естественными колодцами и шахтами.

Карры являются микроформами карстового рельефа и представ- ляют собой рытвины и борозды, глубиной от нескольких см до 1–2 м. Борозды и разделяющие их гребни либо протягиваются почти параллельно друг другу, совпадая с направлением уклона рельефа или падения слоёв горных пород, либо располагаются хаотично, ветвятся и сливаются друг с другом. Образование карров связано с воздействием атмосферных осадков и талых снеговых вод, основ- ную роль при этом играет выщелачивание, лишь на крутых склонах проявляется также и эрозия стекающими водными струями. Карры иногда покрывают обширные площади, образуя карровые поля.

Наиболее распространённой карстовой формой являются воронки. Они имеют разнообразную форму (конические, котлообразные, блюдцеобразные либо в виде ям неправильной формы) и размеры (диаметр от 1 до 200 м и глубину от 0,5 до 50 м). На дне воронок и других понижений встречаются поноры – вертикальные или наклонные глубокие отверстия щеле- или колодцеобразной формы, поглощающие поверхностные воды и отводящие их в глубину кар- стового массива. По происхождению воронки разделяются на во-

ронки поверхностного выщелачивания, образующиеся за счёт выно-

са в растворённом состоянии выщелоченной на поверхности поро- ды через поноры или трещины; и провальные воронки, образующие- ся за счёт обвалов сводов подземных карстовых полостей.

145

За счёт слияния нескольких воронок образуются более крупные карстовые формы – котловины. Ещё более масштабными поверх- ностными карстовыми формами являются полья – обширные, ино- гда громадные формы (до сотен км2) с плоским дном и крутыми склонами, образующиеся за счёт слияния котловин. Глубина польев может достигать уровня грунтовых вод, из-за чего на их дне обра- зуются временные или постоянные водоёмы, карстовые озёра (не- редко полья частично подтапливаются только во влажный сезон, превращаясь во временные озёра).

С карстовыми процессами нередко тесно связаны процессы суф- фозии, образуя карстово-суффузионные явления. Суффозия (от лат. suffosio – подкапывание, подмывание) – механический вынос тонких частиц водой, фильтрующейся в толще горных пород. Фильтрующаяся вода осуществляет работу двоякого рода: с одной стороны, она выщелачивает и уносит растворимые соли, с другой – производит механический вынос мельчайших частиц породы. В ре- зультате происходит разрыхление пород, образование подземных пустот, приводящих к обрушению и просадке сводов. Так, в области развития лёссов на поверхности Земли наблюдаются формы, анало- гичные типичным карстовым формам – воронки, замкнутые запа- дины и т. п.

Без учёта характера протекания этих явлений невозможно проек- тирование и возведение зданий, сооружений и транспортных путей. Кроме того, с некоторыми пещерами связаны залежи полезных ис- копаемых, из обводнённых пещер добывают воду. Холодные пеще- ры-ледники служат в качестве природных «холодильников» и снабжения льдом. Борьба с карстом проводится путем водоотвода поверхностных вод и устройством дренажей, нагнетанием в карсто- вые полости цементных растворов и горячего битума.

Склоновые процессы

Склоны представляют собой наклонные участки поверхности, ограничивающие различные формы рельефа. Вниз по склонам про-

исходит перемещение рыхлых масс обломочного материала или крупных блоков пород, при этом характер перемещения определя- ется крутизной склона, составом слагающих его пород и воздей- ствующими на склон факторами. Выделяют 4 главных группы скло-

новых процессов: 1) обвально-осыпные, 2) оползневые, 3) процессы

146

массового перемещения обломочного материала, 4) плоскостной безрусловый смыв. Одной из главных характеристик склона служит их крутизна по отношению к углу естественного откоса – макси- мальному углу наклона склона, при котором горные породы не осыпаются и не оползают под собственным весом. На склонах, кру- тизна которых больше угла естественного откоса, преобладают об- валивание и осыпание. При крутизне менее угла естественного от- коса, но более 12–15° развиваются процессы оползания, часто соче- тающиеся с плоскостным смывом и массовым движением облом- ков, покрывающих склон. Для пологих склонов характерен плос- костной смыв и массовое движение обломков.

При крутизне склонов, превышающей угол естественного откоса (35–37°) рыхлые продукты выветривания и блоки пород при потере

сцепления или опоры начинают двигаться вниз под действием силы тяжести. Часто начало движения обусловлено какими-то дополни- тельными причинами (обрушение глыбы на склон, покрытый про- дуктами выветривания, землетрясение и пр.). В случае обрушении

отделившихся блоков процесс такого перемещения называется обвалом, в случае скатывания или скольжения обломков по склону –

осыпанием или камнепадом.

Обвальные и осыпные процессы, как правило, приурочены к од- ним склонам, а их продукты образуют единую толщу у подножия склонов, что даёт основание объединять их в одну обвально- осыпную группу. Вместе с тем между обвальными и осыпными накоплениями отмечаются и некоторые различия. Обвальные накопления образуют нагромождение обломков, несортированных по размеру, а для осыпных характерна гравитационная сортировка: чем больше по размеру обломки, тем дальше они откатываются от подножия склонов, так как при движении обладают большей энер- гией.

Обвально-осыпные процессы наибольшим развитием пользуют- ся в пределах расчлененного горного рельефа, где сочетаются про-

цессы интенсивного физического выветривания и наличие крутых склонов.

Оползень – это процесс соскальзывания масс горных пород вниз по склону под действием силы тяжести. Оползшую массу называют оползневым телом; поверхность, по которой происходит соскальзы- вание – поверхностью скольжения. В верхней части оползневого

147

склона размещается крутой стенка отрыва (или надоползневой уступ). В коренном склоне параллельно ему развиваются системы зияющих трещин растяжения. Место сопряжения оползневого тела

снадоползневым уступом называется тыловым швом оползня, а место выхода поверхности скольжения у подножия склона – по- дошвой оползня.

Глубина захвата пород оползневым процессом на склоне называ- ется уровнем оползания, который может располагаться выше и ни- же сопредельного базиса эрозии. Если уровень оползания лежит выше базиса эрозии, то оползни называются деляпсивными, или соскальзывающими; если ниже – детрузивными, или оползнями вы- давливания. Деляпсивные и детрузивные оползни могут развивать- ся независимо в различных участках оползневого склона или после- довательно на одном и том же участке.

Вкрупных сложных оползнях в большинстве случаев выделяет- ся две части. В верхней – структурной, или глыбовой части, частич- но сохраняется первоначальное строение массива пород. В рельефе глыбы располагаются ступенчато, поверхность ступеней наклонена к стенке отрыва и часто заболочена вдоль контакта отдельных глыб. Нижняя – аструктурная часть – представлена сильно перемятыми породами, в её рельефе выделяются бугры пучения, чередующиеся

счасто заболоченными западинами.

Главными факторами, способствующими развитию оползней, являются следующие.

1.Наличие крутых склонов и подмыв берегов реками или мо- рем, что приводит к потере опоры.

2.Геологические факторы, связанные с особенностями строения склона и активностью тектонических движений. Применительно к строению склона, одними из важнейших причин, способствующих оползню, служат наличие рыхлых водопроницаемых пород и паде- ние слоёв в сторону склона. Тектонические движения определяют в

значительной степени форму и крутизну склона и нередко служат «спусковым механизмом» для масштабного образования оползней (при землетрясениях).

3.Изменение физического состояния и ослабление прочности массива пород, что часто происходит за счёт увеличения обводнён- ности пород склона при поступлении поверхностных или подзем- ных вод. Так увлажнение глинистых отложений придаёт им пла-

148

стичное и текучее состояние, они начинают выступать в качестве «смазки» для вышележащих толщ. Генетический тип оползней, свя- занный с изменением консистенции пород, называют консистент-

ным.

4.Развитие процессов суффозии в породах склонов, приводя- щий к разрыхлению и, как следствие, к потере сцепления между частицами грунта. Суффозии подвержены слои, сложенные раство- римыми или тонкозернистыми породами, через которые активно фильтруются подземные воды. Генетический тип оползней, обу- словленных процессами суффозии, называют суффозионным. Часто оползни принадлежат к суффозионно-консистентному типу, обра- зуются при сочетании названных факторов.

5.Действие гидродинамического давления подземных вод при их выходе на поверхность склона. Влияние этого фактора наиболее активно проявляется в период спада уровня речных вод по оконча- нии половодья. В период подъёма уровня вод они инфильтруются в породы, слагающие склоны речной долины, что приводит к повы- шению уровня подземных вод. Затем, в реке относительно быстро происходит спад полых вод, а уровень подземных вод остаётся ещё высоким. В результате такого разрыва между уровнями речных и

подземных вод может происходить выдавливание присклоновой части водоносного слоя, что провоцирует оползание расположенной выше части склона.

6.Антропогенное воздействие на склоны (его подрезка, увели- чение нагрузки за счёт построек и пр.) и гидротехнические меро- приятия, приводящие к изменению уровня подземных вод.

Оползни могут наносить существенный ущерб населённым пунктам, сельскохозяйственным угодьям и транспортным комму- никациям. Активное развитие оползней является стихийным бед- ствием. Для борьбы с оползнями применяются берегоукрепитель- ные и дренажные сооружения, производится закрепление склонов сваями, насаждением растительности и другие мероприятия. Про- тивооползневые мероприятия включают в себя рытье нагорных ка- нав, устройство дренажных прорезей, вертикальных дрен, штолень для осушения, планировка местности, подпорных стенок, глубокие фундаменты, сваи, электрохимическое закрепление, съем (удале- ние) оползневых масс, сохранение растительности.

149

Выветривание (физическое, химическое, биологическое)

Выветривание – это разрушение пород на земной поверхности и их превращение в продукты, которые являются более устойчивыми в новых физико-химических условиях. Многие породы первона-

чально образовывались при высоких давлениях и температурах и при отсутствии воды и воздуха. Продукты выветривания могут сильно различаться по составу, и даже те из них, которые при одних условиях являются устойчивыми, при изменении условий могут стать неустойчивыми.

Б. Б. Полынов выделил четыре стадии выветривания, характери-

зующие единый протекающий во времени непрерывный процесс гипергенеза. Первая стадия характеризуется преобладающей ролью физических факторов выветривания с образованием крупнообло- мочных и мелкозернистых продуктов механического распада мас- сивных горных пород. В условиях сурового климата и активной де-

нудации современное выветривание нередко ограничивается этой первой стадией. Вторая стадия характеризуется щелочной реакцией среды за счет извлечения в раствор оснований при гидролизе мине- ралов. На этой стадии образуются вторичные минералы в результа- те окисления, гидратации, гидролиза и карбонатизации первичных минералов. Среди вторичных алюмосиликатов на этой стадии пре- обладают минералы группы монтмориллонита. При относительном

избытке в породах кальция в продуктах выветривания происходит накопление карбоната кальция, нередко образующего корку на об- ломках массивных пород, Б. Б. Полынов именует эту стадию «обы- звесткованной» или насыщенной сиаллитной корой выветривания,

наибольшее распространение она имеет в условиях умеренного климата при выветривании изверженных и метаморфических пород.

В горных районах современные рыхлые образования на склонах часто относятся именно к этому типу.

Третья стадия – остаточной ненасыщенной сиаллитной коры вы- ветривания – характеризуется дальнейшим выносом из продуктов выветривания щелочных и щелочноземельных элементов, вследствие чего реакция среды становится кислой. В этой обстановке среди вто- ричных алюмосиликатов преобладают галлуазит и каолинит. Разви-

тие этой стадии выветривания имеет место в условиях замедленной денудации и относительно более обильного увлажнения.

150