Инженерно-геологических условий

Современные тектонические движения – это один из ведущих факторов, создающих современный облик инженерно-геологической обстановки. Их необходимо учитывать при инженерно-геологической оценке и районировании территории с тем, чтобы своевременно разработать мероприятия по устранению или предупреждению нежелательных последствий, вызванных современными тектоническими подвижками. Установлено, что неотектонические движения со скоростями долей миллиметра в год и меньше практически не влияют на условия многих сооружений; движения со скоростью 5–10 мм в год имеют большое значение, а скорости больше 10 мм в год ведут к катастрофам.

Неотектонические движения обуславливают:

1. Формирование современного рельефа и четвертичных отложений.

2. Интенсивность и глубину эрозионного вреза.

3. Возникновение в массивах пород систем тектонических трещин и разрывов.

4. Значительные изменения состояния раздробленности, прочности, деформируемости и водопроницаемости пород в зонах тектонических разрывов и прилегающих частях массива.

5. Развитие различных экзогенных процессов, влияющих на формирование склонов; обвалы, оползни, осовы, карстовые, эрозионные и другие явления.

6. Мгновенное и резкое по величине перераспределение напряжений в массивах пород, возникновение очагов концентрации и перепадов их при землетрясении.

7. Угрозу устойчивости бетонным плотинам и другим крупным сооружениям в тех случаях, когда они располагаются непосредственно на подвижных тектонических разрывах.

Проектирование, возведение и обеспечение устойчивости высоких плотин Токтогульской, Ингурской, Саяно-Шушенской, Нурекской и других ГЭС потребовало детального инженерно-геологического анализа новейших структур и современных тектонических движений с применением методов: геоморфологического анализа, высокоточного геодезического нивелирования, изучение состояния заполнителя и минеральных образований в зонах разрыва и тектонических трещин, наблюдений по реперам и другим приборам, установленным в подземных камерах вблизи потенциально подвижных зон.

Неотектоническими движениями земной коры называют современные тектонические движения, начавшиеся на границе палеогена и неогена. Эти движения представляют собой фазу незавершенного геологического и геоморфологического цикла.

По современным представлениям, начиная с палеозоя, происходит увеличение площади платформ за счет уменьшения площади геосинклиналей. Эта закономерность развития земной коры с середины олигоцена (Рq₃) существенно изменилась. Спокойные условия платформ сменяются на некоторых участках интенсивными колебательными движениями (Средняя Азия, Южная Сибирь). Происходит некоторое расширение океанических бассейнов, образование глубоких морских впадин, высоких хребтов на океаническом дне: Курильская впадина (10377 м), Японская (10789 м). Впадины окружены характерными вулканическими грядами и островами.

В течение кайнозоя на всем земном шаре происходили напряженные тектонические движения, в результате которых сформировался крупный пояс альпийских горных хребтов и мощных складчатых областей, особенно на периферии Тихого океана: на Анадыре, Камчатке, Сахалине, в Японии и т.д. Произошло прогибание крупных впадин у подножья горных хребтов, заполнение их мощными толщами осадков (у северного подножья Альп, Карпат, Крыма, Кавказа, Копетдага), образование глубоких морских бассейнов (Охотское и Японское моря, некоторые участки Средиземного моря). Произошло омоложение и поднятие в виде крупных сводов или глыб, ограниченных разломами земной коры, многих более древних складчатых областей. Эти области до того были размыты и представляли собой пенеплен. К ним относятся: Тянь-Шань, Памир, Алтай, Саяны, Танну-Ола, хребты Прибайкалья, Верхоянский. Некоторые поднятия испытал Урал. Неотектонические движения сопровождаются сильными вулканическими извержениями.

В настоящее время считают, что средняя высота суши за четвертичный период увеличилась от 300 до 800 м по отношению к современному уровню моря. Исследованиями В.А.Обручева и других установлены поднятия в Забайкалье, Восточной Сибири и Дальнем Востоке. Поднятия и опускания создают общий размах неотектонических движений горных стран до 10км. Для равнинных стран характерны дифференциальные движения небольшой амплитуды 300–500 м (омоложенные Уральские горы), прогибы и поднятия земной коры, разрывные дислокации, ритмичные колебательные движения. Средние значения скоростей поднятий и опусканий по данным Ю.А. Мещерякова составляют 2–4 мм/год, максимальные 8–10 мм/год.

Тектонические движения земной коры на территории СССР проявляются повсеместно и в достаточно активной форме. Эти движения нашли свое отражение в изменении климата, рельефа территории.

Современный климат в значительной степени определяется наличием и величиной (размером) материковых и горных оледенений. В то же время развитие этих оледенений на территории СССР и других стран земного шара связывается с фазами поднятий и опусканий земной коры, т.е. с колебательными тектоническими движениями.

В частности установлено, что с поднятиями в Сев. Атлантике и большой изоляцией Арктического бассейна от тепловых течений Гольфстрима происходит резкое похолодание климата и формирование льдов–материковые оледенения. При этом происходит увеличение площади суши. Обратный процесс–опускание земной поверхности приводит к увеличению площади моря, потеплению климата, отступлению (таянию) ледников.

Установлено, что колебательные движения земной коры сопровождались изменением климата в сторону похолодания или потепления. Эти изменения носили скачкообразный характер: периодическое увеличение или уменьшение площади суши и моря, изменение рельефа и морских течений, потепление или похолодание климата, изменение режима, круговорота и баланса воды земной коры.

Теоретические расчеты ученых показывают, что достаточно сократить площадь суши на 10% (по сравнению с современной) как температура в экваториальных областях понизится на 3,5^оС, а в высоких полярных – повысится на 3,3^оС, т.е. климат станет мягче. Если бы выровнять современный рельеф, то температура воздуха повысилась бы на 0,7^о.

Таким образом, климатические колебания в четвертичное время определяются сочетанием космических и физико-географических факторов при ведущем значении тектонических движений.

С колебательными движениями (фазами поднятий и опусканий) связаны также антропогеновые трансгрессии и регрессии. Имеющиеся данные о распространении осадков морских трансгрессий позволяют говорить о том, что прибрежные области материков и островов неоднократно подвергались затоплению и осушению значительных участков суши и моря, а следовательно, аккумуляции осадков, их эрозии и абразии.

Следы неоднократных колебаний уровня океана наглядно иллюстрируют карты четвертичных отложений Западной Сибири.

О диапазоне вертикальных колебаний суши и масштаба морских трансгрессий и регрессий свидетельствует современное положение морских террас. Например, на севере Западно-Сибирской низменности имеется от 3 до 4–5 террас.

В соответствии с характером и интенсивностью неотектонических движений находится распределение формаций и стратиграфо-гене-тических комплексов горных пород, неотектонические движения, происходившие в неогене и антропогене, формировали различные уровни денудационных и эрозионных-аккумулятивных поверхностей. В связи с этим неоднократно менялась география областей сноса и аккумуляции осадков, их фациальный состав и пространственное распределение различных генетических типов отложений. Формировались исключительно сложные по строению толщи отложений, особенно в районах, где имели место смены трансгрессий и регрессий моря, а также поднятия горных хребтов.

В настоящее время, как мы уже отмечали, делаются попытки установить главные факторы, влияющие на образование осадков в различных условиях тектонического режима. Л.Б. Рухин выделяет три типа тектонических движений и характерные для них тектонические типы осадков: платформенный, геосинклинальный и переходный. Каждый тип тектонического режима вызывает образование определенных форм рельефа и создает определенные физико-географические условия осадконакопления.

В условиях платформенного типа при малой амплитуде и малой дифференциации колебательных движений, формируется пологий рельеф и идет равномерное распределение фаций в пределах зональных площадей. Влияние климата проявляется отчетливо, эрозионная деятельность затухает. Поэтому платформенные формации характеризуются большой однородностью состава, широким распространением среди обломочных пород устойчивых минералов.

В условиях геосинклинального тектонического режима характерны дифференцированные движения большой амплитуды, расчлененный рельеф. Осадкообразование сопровождается сильной эрозией, вулканической деятельностью, быстрым захоронением обломочного материала. Поэтому геосинклинальные формации обладают весьма значительной мощностью, быстрой изменчивостью состава, наличием неустойчивых минералов в обломочном материале. В горных условиях образуются комплексы глубокообломочных продуктов разрушения и перемещения силой тяжести, водными потоками и деятельностью льда. Генетические типы отложений: грубообломочный элювий, делювий, пролювий, коллювий (оползни, обвалы, осыпи), ледниковые отложения.

В области древнего оледенения–комплексы ледниковых отложений (моренные, флювио-гляциальные, озерно-ледниковые). Характерны эти отложения для платформенных и высокогорных областей. В областях с господством вечной мерзлоты и морозного выветривания широко распространены солифлюкционные образования. Наибольшие толщи отложений характерны для областей тектонических опусканий (Западно-Сибирская плита).

Выяснение закономерностей проявления неотектоники в различных геоструктурных условиях земной коры позволяет объяснить закономерности формирования форм рельефа, генетических типов четвертичных отложений, климатические изменения. Неотектоника же помогает установить закономерности размещения почвенного покрова, физико-геологических явлений, распространения и состава подземных вод. Все это определяет инженерно-геологические особенности формаций четвертичных отложений, рассмотренные выше.

Неотектоника является одним из ведущих факторов формирования горных склонов. Обвалы, оползни, сели находятся в прямой зависимости от тектонических движений, что установлено при изучении этих явлений в районе строительства Саяно-Шушенской, Токтогульской, Ингурской и других ГЭС, возведенных в горноскладчатых областях с повышенной тектонической активностью. Быстрые и значительные по величине дифференцированные движения создают крутые и высокие склоны в прочных, осадочных, метаморфических и магматических породах. Амплитуда таких движений определяет глубину эрозионного расчленения. Чем больше высота склона, тем больше по объему зона присклоновой разгрузки пород и тем вероятнее частые оползни и обвалы. В районе Токтогульской ГЭС к максимально поднятым структурно-тектоническим блокам приурочено 58% оползней и обвалов, к умеренно-поднятиым – 36%, к относительно мало поднятым – 6%. Объем оползней и обвалов при этом составляет в первом случае 1 млн.м³, во втором – десятки и сотни тысяч, в третьем – десятки тысяч м³.

Для учета характера и величины новейших тектонических движений при решении практических задач, в том числе и при оценке ИГУ, необходимо неотектоническое районирование территории всей страны. Такая работа была проведена Н.И. Николаевым и С.И. Шульцем.

При районировании территории России авторы руководствовались тем, что современные тектонические движения протекают в большинстве случаев унаследовано в соответствии с древними тектоническими структурами. Поэтому они применяют терминологию, близкую таковой при выделении древних тектонических структур, а именно: на неотектонической карте ими выделены крупные геоструктурные области, разнящиеся по общей направленности и интенсивности проявления новейших тектонических движений:

1. Материковые платформы

2. Области материкового горообразования

3. Современные геосинклинальные области

4. Океанические платформы

Материковые платформы – области слабого проявления тектонических движений, с малыми градиентами и с преобладанием в неогенчетвертичное время преимущественно длительных слабых поднятий. Среди материковых платформ выделяются районы, в пределах которых в течение новейшего тектонического этапа абсолютно преобладали поднятия (Восточно-Европейская равнина, Средне-Сибирское плоскогорье, Центральный Казахстан и районы, в пределах которых существенную роль играли относительные опускания (Западно-Сибирская, Туранская, Прикаспийская низменность). Материковые платформы охватывают большую часть зон докембрийской и палеозойской складчатости.

Область материкового горообразования – структурный элемент, для которого характерны мобильность, дифференцированные движения с большим градиентом общих поднятий, проявившихся в неоген-четвертичное время. Эта область охватывает северо-восток и юг России. История развития этой области неодинакова в различных ее частях. Поэтому выделены подобласти:

1) со слабым проявлением процессов горообразования – с относительно увеличенными градиентами движений в районе развития докембрийской и палеозойской складчатости – Урал, хр. Бырранга, Енисейский кряж и т.д.;

2) с более интенсивными процессами горообразования и большими градиентами тектонических движений. Это области развития мезозойской складчатости (Верхоянский хребет и другие горы Северо-Востока России);

3) с весьма интенсивным проявлением процессов горообразования. Это зоны докембрийской и палеозойской складчатости с предшествующим платформенным развитием (Алтай, Саяны, Забайкалье и т.д.);

4) с весьма интенсивным проявлением процессов горообразования и контрастными движениями с большими градиентами. Это эпигерцинская платформа Тянь-Шаня;

5) с весьма интенсивными процессами горообразования. Соответствует поясу альпийской складчатости юга России–остаточная альпийская геосинклиналь в стадии “замыкания” с предшествующим геосинклинальным развитием (Карпаты, Крым, Кавказ, Копет-Даг, Памир).

Современные геосинклинальные области отличаются подвижностью, проявлением контрастных дифференцированных движений с большими градиентами и преимущественно общим опусканием – Камчатка, Корякский хребет, островные дуги, прилегающие части окраинных морей.

Океанические платформы – относительно стабильные крупные геоструктурные элементы, характеризующиеся преобладанием длительных опусканий.

На основе этой карты Н.И. Николаевым составлена схема новейших тектонических движений по признаку их практического значения. В частности, в пределах материковых платформ выделяются:

а) участки, где современные движения обладают небольшой скоростью. Их следует учитывать только при производстве высокоточных геодезических работ;

б) участки, где проявляются относительно интенсивные направленные послеледниковые движения и современные движения, связанные с разгрузкой земной коры от плейстоценового оледенения.

На отдельных участках эти движения достигают значительной величины и должны быть учтены как инженерно-геологический фактор при проектировании портовых и гидротехнических сооружений, проведении канализации в город области развития мезозойской складчатости (Верхоянский хребет и другие горы Северо-Востока России);

Области интенсивного горообразования и современные геосинклинальные области (южное и северо-восточное обрамление России), где новейшие тектонические движения проявляются интенсивно, имеют различный знак и амплитуду, являются территориями, для которых эти движения являются инженерно-геологическим фактором. Этот фактор должен быть учтен при проектировании всех видов инженерных сооружений. Это сейсмически опасный район, где сейсмичность достигает 6–7 и более (до 10) баллов. На востоке подводные землетрясения вызывают цунами.

Данные неотектоники, их учет и выявление закономерностей позволяют решить ряд важных инженерно-геологических задач:

1. Обосновать инженерно-геологическое районирование территории – выделить области разных порядков.

2. Прогнозировать проявление физико-геологических и инженерно-геологических явлений.

3. Решать вопросы инженерно-геологического обоснования проектируемых сооружений.