Конспект лекций по геологии. Конспект лекций по инженерной геологии направление подготовки Строительство Профиль Промышленное и гражданское строительство
 Скачать 2.57 Mb.
|
|
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 образо- вался вследствие 700 взрывов. При извержении Ключевской сопки в 1945 г. было выброшено 0,6 км 3 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 км 3 пепла и обломоч- ного материала. При извержении вулкана Кракатау (Индонезия) объем пепла и обломочного материала достигал 80 км 3 Другой характер извержений имеют вулканы трещинного типа. Извер- жения таких вулканов теперь происходит редко. В 1783 г. в Исландии из тре- щины длиной 24 км вылилось 12 км 3 лавы. Потоки этой лавы разлились по площади 550 км 2 . При этом один из потоков имел длину 40 км. В геологи- ческом прошлом таких вулканов было много. На ранних этапах геологической истории действовали вулканы плоскост- ного типа. Во время их извержения приближенная к поверхности магма погло- щала горные породы земной коры, образуя расплавы на огромных площадях. Считают, что покров Деканского нагорья в Индии площадью 500 тыс. км 2 , 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. 53 3.4. Землетрясения Колебание отдельных участков земной коры называют землетрясени- ями. Они известны также как сейсмические явления. При сильных землетря- сениях 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. Огром- ные сейсмические районы – Карпаты, Крым, Кавказ, Средняя Азия, Прибай- калье, Восточная Сибирь, Дальний Восток, Камчатка. Известны сильные земле- трясения 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 денудацион- ные, вулканические и тектонические. Денудационные и вулканические земле- трясения 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. Возник- новение 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 сопровож- дается ударами массы пород или вещества мантии. Очаг землетрясения нахо- дится на некоторой глубине и называется гипоцентром, а участок на поверх- ности, 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 ампли- туды их колебаний. При сильных землетрясениях сейсмические волны про- ходят 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 54 твердой, так и в жидкой среде. Поперечные волны – это волны сдвига. Здесь колебание частиц происходит в направлении, перпендикулярном к направле- нию 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 про- дольных и поперечных волн возле поверхности Земли возникают поверх- ностные 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). На сейсмической станции обычно устанавливают три сейсмографа: два регистрируют горизонтальные колебания и один – вертикальные. Сейсмо- графы, 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 раз- ности времени поступления продольных и поперечных волн определить рас- стояние к эпицентру землетрясения. Если оно известно на нескольких сейсми- ческих станциях, то место эпицентра определяют методом засечек. Сила землетрясения в гипоцентре характеризуется магнитудой, а его интенсивность на поверхности (сейсмичность) оценивается в баллах. Интен- 2 1 1 б а Рис. 3.5. Принципиальные схемы сейсмографов для регистрации колебаний: а – горизонтальных; б – вертикальных; 1 – маятник; 2 – записывающее устройство 1 2 2 3 3 б а Рис. 3.4. Схема образования сейсмических волн: а – продольных; б – поперечных; 1 – очаг землетрясения; 2 – направ- ление распространения волны; 3 – направление колебания частиц 55 сивность I, магнитуда M землетрясения в баллах и глубина расположения гипоцентра h, км, связаны эмпирической формулой: 3 lg 5 , 3 5 , 1 h M I (3.1) Энергия землетрясения в гипоцентре, Дж, от которой зависит его сила, может быть определена по формуле Б.Б. Голицына 2 2 ) T / A ( v E , (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 зарегис- трированы 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 упру- гого сферического маятника в сейсмометре системы С.В. Медведева или сейсмического ускорения, которое возникает в породах, формирующих осно- вания зданий и сооружений, из соотношения: 2 2 4 T / A (3.3) Таблица 3.1 Магнитуда землетрясений в зависимости от их энергии в гипоцентре Энергия землетрясения в гипоцентре Е, Дж Логарифм энергии Магнитуда Энергия землетрясения в гипоцентре Е, Дж Логарифм энергии Магнитуда 10 3 3 1 10 13 13 6 10 5 5 2 10 15 15 7 10 7 7 3 10 17 17 8 10 9 9 4 10 19 19 9 10 11 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 сей- смичности уточняются с учетом геологического строения и гидрологических условий конкретной местности. Уточнения делают, используя карты сейсми- ческого микрорайонирования. 56 Таблица 3.2 Характеристика повреждений зданий в зависимости от магнитуды землетрясений Ин тен си вн ос ть , ба ллы С м еще ни е сфери че ск ого м аятн ик а, м м Ускорени е, с м /с 2 Повреждения зданий и сооружений (по данным С. В. Медведева) Примечание 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 Группа А – одноэтаж- ные дома со стенами из рваного кам- ня, кирпича- сырца, сама- на Группа Б – кирпичные и каменные дома Группа В – блочные и крупнопа- нельные дома Группа Г – деревянные дома 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 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 57 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 увеличивается с увеличением глуби- ны. В монолитной зоне внешних 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- дации. Если же процессы выветри- вания в данной толще начались недавно, то вся толща элювия будет иметь лишь глыбовое и монолитное строение. 3.6. Геологическое воздействие поверхностных текучих вод и образование делювиальных, аллювиальных и пролювиальных отложений К поверхностным текучим водам принадлежат временные водные пото- ки, 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 состо- янии 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- 2 3 1 б а Рис. 3.6. Элювий при выветривании: а – физическом; б – химическом; 1 – песок; 2 – глина; 3 – коренная порода 58 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). Размывая породы в верх- ней части русла, поток перено- сит разрушенный материал и откладывает его возле базиса эрозии. Так возникает конус вы- носа. Всякий поток стремится выработать продольный профиль русла с предельным уклоном, так называемый профиль равно- весия. При таком уклоне русла скорость движения воды уже недостаточна для размывания пород, поэтому эрозионный про- цесс прекращается. Характер воздействия потока зависит от изменения положения базиса эрозии. Если в потоке, который выработал профиль равновесия, 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- 1 2 Рис. 3.7. Делювиальные отложения: 1 – делювий; 2 – коренная порода 1 2 3 4 5 Рис. 3.8. Схема эрозионного процесса: 1 – русло; 2 – базис эрозии; 3 – направление прорезания; 4 – направление движения воды; 5 – конус выноса 59 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. |