Види вологи в гірських породах.

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

до самостійної роботи студентів з дисципліни

 „Інженерна геологія”

за спеціальностями 6.092100, 6092600

(ч. 2. Ендогенні геологічні процеси, основи гідрогеології)

Дніпропетровськ, 2007

Методичні вказівки до самостійних занять з дисципліни „Інженерна геологія” ч. 2. Ендогенні геологічні процеси, основи гідрогеології Для студентів денної форми за кредитно-модульною системою навчання спеціальностей 6.092100; 6092600/ Укладачі: Л.Г. Любич, Г.М. Левченко, С.М. Горлач. – Дніпропетровськ: ПДАБА, 2007. -55 с.

До другої частини методичних вказівок входять основні відомості щодо процесів внутрішньої динаміки Землі таких як гороутворення, сейсмічні та вулканічні явища, їх вплив на умови будівництва та експлуатації різних споруд

Укладачі: Л.Г. Любич, кандидат технічних наук, доцент кафедри

О та Ф ПДАБА;

Г.М. Левченко, кандидат технічних наук, доцент кафедри

О та Ф ПДАБА;

С.М. Горлач, кандидат технічних наук, доцент кафедри

О та Ф ПДАБА;

Відповідальний за випуск: В.Б. Швець, доктор технічних наук, професор, зав. кафедрою О та Ф ПДАБА

Рецензент: С.І. Головко, кандидат технічних наук, доцент кафедри О та Ф ПДАБА

Затверджено на засіданні

кафедри О та Ф

Протокол № 2 від 7.10.2007 р.

Зав. кафедрою О та Ф, Швець В.Б.

Затверджено на засіданні

Президії методичної ради ПДАБА

Протокол № 1(47) від 16.10.2007 р.

Зміст

5. ЕНДОГЕННІ ГЕОЛОГІЧНІ ПРОЦЕСИ.

Зовнішній вигляд Землі постійно змінюється. Процеси, що призводять до цих змін вивчає наука динамічна геологія (геодинаміка). Усі геологічні процеси пов’язані між собою і умовно поділяються на дві великі групи – ендогенні й екзогенні. Ендогенні відбуваються у середині Землі, а екзогенні на її поверхні.

Ендогенні процеси – це різні форми рухів у земній корі, а також магматизм, метаморфізм – є наслідком взаємодії внутрішніх оболонок Землі. Вони зароджуються в надрах планети і тому здійснюються в умовах високого тиску і температури.

Процеси, що протікають на поверхні Землі і прагнуть вирівняти її рельєф, називаються екзогенними або процесами зовнішньої динаміки Землі.

Ендогенні і екзогенні процеси діють одночасно і постійно; де переважають перші - домінують гори, де другі - простяглися великі рівнини.

5.1. Причини виникнення ендогенних процесів.

Відносно причин, що сприяють виникненню процесів внутрішньої динаміки Землі, існують різні гіпотези. Найбільш ймовірними з них є версія виникнення ендогенних процесів за рахунок диференціації мантійної речовини та гіпотеза про блокову будову земної кори.

Спільним для більшості гіпотез є те, що ендогенні процеси розглядаються як наслідок фізичних і хімічних перетворень, що відбуваються у мантії і ядрі. Вважається, що ці перетворення є наслідком зміни теплового режиму внаслідок дифернціації речовини мантії під впливом сил гравітації. Зміна температури викликає збільшення чи зменшення об’єму і щільності, а, отже супроводжується переміщенням мас мантійної речовини, змушує її „спливати” чи „тонути”, тобто переміщуватися вгору чи вниз. Речовина мантії в умовах високих температур пластична, поводиться як в’язка рідина і тому такі рухи передаються земній корі. Однак ці версії не пояснюють багатьох особливостей ендогенних процесів і їх взаємозумовленість.

Більш імовірною є гіпотеза блокової будови Земної кори, котра враховує фактичні дані з її устрою: наявність глибинних розломів, склад гірських порід і їх положення у просторі. Згідно з блоковою гіпотезою в земній корі нерівномірно розподілені рухливі її частини (геосинкліналі) і стійкі, малорухливі (платформи), що можна пояснити нерівномірністю процесів диференціації мантійної речовини, на які не могли не впливати положення осі планети, зміни швидкості її обертання, гравітаційна взаємодія з Місяцем, магнітні поля та ін.

Внаслідок цього в земній корі виникають напруження, які призводять до появи глибинних розломів. Мережею таких розломів земна кора поділена на тектонічні блоки, одні з яких здатні занурюватися, інші – підійматися. Блоки земної кори в геосинкліналях занурюються, формуючи западини (прогини) глибиною до 20...30 км. Швидкість занурення – від кількох міліметрів до кількох сантиметрів. Утворена западина заповнюється водою (трансгресія моря), в ній відбувається інтенсивне накопичення осадів, головним чином, за рахунок річкового стоку. У даний час „діючими” геосинкліналями є Середземне, Чорне, Каспійське та ін. моря. У западині Чорного моря накопичилося близько 10 км осадових порід, у Каспійському - до 20...25 км.

В межах таких западин періодично у верхній мантії виникають магматичні осередки, утворення яких пов’язано з глибинними розломами. На глибинах, де температура досягає 1300...1500 °С, а тиск знижений поблизу розломів, стає можливим розплавлювання речовини мантії і виникає магма. Магма займає більший об’єм, це призводить до підвищення тиску в осередку, що сприяє видавлюванню її уздовж розломів догори. Магма заповнює порожнечі і тріщини, проникає між шарами порід, інколи виливається на поверхню у вигляді вулканічних вивержень лави. Глибинний магматичний осередок охороняє протягом 10...15 тис. років, магма кристалізується, утворюються магматичні гірські породи.

 У западинах відбуваються процеси перетворення метаморфізу порід внаслідок занурення їх на глибини, де температура і тиск впливають на мінерали і гірські породи, змінюючи їх текстуру. структуру, речовинний склад.

Рух блоків переривчастий, з зупинками, зі зміною напрямку. В межах западин процеси мантії зумовлюють підняття кори, утворення на її місці гірських споруд, які згодом поступово руйнуються екзогенними процесами і територія перетворюється у так звану платформу.

Така схема універсальна для всіх континентів; у морських западинах у свій час утворилися породи сучасних Карпат, Кавказу, Уралу. Були такі западини у протерозої і в районі Середнього Подніпров’я, а у відносно молодій Дніпровсько-Донецькій западині (Pz - Mz) розташовані вугільні басейни Центрального і Західного Донбасу.

В історії утворення земної кори встановлено десять геотектонічних циклів (етапів складкоутворення). Це зміна етапів активного геосинклінального розвитку і етапів з платформними умовами; більшість геосинкліналей перетворилися у платформи. У наш час збереглися два великих геосинклінальних пояси – Середземноморський (в тому числі Крим, Карпати, Кавказ) і Тихоокеанський.

5.2. Тектонічні рухи земної кори

Процеси гороутворення вивчає наука тектоніка, а всі рухи Земної кори, пов'язані з цими процесами, називають тектонічними. Тектонічні рухи призводять звичайно до зміни положення шарів гірських порід, що утворилися і мали горизонтальне (непорушене) залягання. Усі тектонічні рухи поділяють на коливання (епейрогенічні) та дислокаційні (орогенічні).

Коливальні рухи розглядалися вище. Це повільні (0...3 см/рік) вертикальні переміщення блоків земної кори в межах великих регіонів; вони зберігають свою спрямованість протягом десятків і сотень мільйонів років, зумовлюють формування геосинклінальних западин і накопичення в них осадових порід, утворення таких же порід на платформах, коли ті занурюються нижче рівня моря. Завдяки таким рухам виникають гірські споруди; загалом коливальні рухи сформували земну кору.

Розрізняють коливальні рухи давні (минулих геологічних періодів), новітні та сучасні.

Коливальні рухи минулих періодів позначаються у перервах відкладення осадів, у зміні складу шарів як у вертикальному, так і в горизонтальному напрямках, перерозподілі межі суша - море. В районах підняття море відступає (регресія моря), при опусканні поверхні море наступає (трансгресія моря), тут накопичуються морські осади.

Новітні коливальні рухи відносяться до неогену та кінця палеогену. Свідоцтвом їх прояву є морські тераси, затоплені морем гирла річок з утворенням лиманів, підняття та опусканні русел річок. Так, у недалекому минулому Англія та Ірландія не розділялися протоками від континенту Європи, а складали з ним одне ціле. Внаслідок опускання місцевості сюди прийшло море, деякі старовинні портові міста опинилися на морському дні. Храм Сераписа на побережжі Неаполітанської затоки, що був збудований 2000 років тому, внаслідок опускання в ХШ сторіччі опинився на глибині 5,7 м, а потім, у ХVII віці знову був на суші; починаючи з ХVII сторіччя і до цього часу руїни храму занурилися під воду на глибину 2,5 м.

Сучасні коливальні рухи, вивчає наука неотектоніка. Ці рухи відбувалися в історичні періоди і за нашого часу. Про це свідчать історичні документи, археологічні дані та геодезичні спостереження. Наприклад, район Криворіжжя підіймається із швидкістю 10,8 мм/рік. Скандинавія – 25 мм/рік (район Стокгольма за останні 50 років піднявся на 19 см). Занурюються Москва (3,7 мм/рік), Одеса (5.1 мм/рік), Прибалтика, Голландія (40…60 мм/рік). Район Баку за останні 800 років зазнав опускання і підняття приблизно на 16 м.

Сучасні коливання мають особливе значення для інженерної діяльності, оскільки вони змінюють висоти поверхні Землі у конкретному районі, їх потрібно враховувати при будівництві лінійно-подовжених, гідротехнічних споруд, каналів, водоймищ, при споруджені морських портів, прибережних міст, дуже чутливих до коливання споруд (приміром, синхрофазотронів).

Дислокаційні рухи викликають порушення первинних умов залягання гірських порід – утворення дислокацій у вигляді розривів, складок, тріщин. Такі порушення є наслідком розрядки механічних напружень в земній корі. В місцях зіткнення блоків виникають зони напружень, породи заминаються в складки, розриваються.

Дислокаційні рухи носять епізодичний характер вони незворотні, мають набагато більші швидкості. Ці рухи досить часто супроводжуються магматизмом і метаморфізмом гірських порід.

5.3. Форми порушеного залягання гірських порід.

Тектонічні рухи виводять шари порід із горизонтального положення, порушують їх початковий стан. Це порушення носить назву дислокацій. Залежно від типу тектонічних рухів відрізняють складчасті і розривні дислокації.

5.3.1. Складчасті дислокації.

Складчасті дислокації відзначаються різноманітністю форм. Всі ці форми утворюються без розриву суцільності шарів. Найпоширенішими видами складчастих дислокацій є моноклиналь, флексура і складка (рис. 1).

Рис. 1. Типи складчастих дислокацій: а-моноклиналь; б – флексура; в – антиклінальна складка; г – синклінальна складка.

Монокліналь - це найпростіша форма порушення початкового залягання порід, (рис.1а).яка проявляється в загальному нахиленні шарів відносно горизонту. Розрізняють слабко нахилені шари (0°¼16°), полого нахилені (16^о¼31^о), дуже нахилені (31^о¼76°), круто нахилені (76^о¼81^о) і поставлені на голову (81^о¼90°).

Флексура являє собою коліноподібний перегин шарів, що утворився при зміщенні однієї частини товщі відносно іншої без розриву суцільності (Рис. 1 б). В місці згину спостерігається підвищена тріщинуватість порід.

Складка - це хвилеподібний вигин шарів, який виникає внаслідок дії тангенціальних тектонічних сил. Виділяють два типи складок: антиклінална - складка повернута випуклістю догори (Рис. 1 в) і синклінальна - випуклістю донизу (Рис. 1 г). Вершину у антикліналі називають сідлом, у синкліналі – мульдою. Внутрішня частина складки називається ядром, а боки складки – крилами. Осьова площина розділяє ядро на дві симетричні частини. Поверхня, яка утворилася внаслідок перетину складки і осьової площини називається шарніром, а ділянка, яка безпосередньо прилягає до шарніра – замком. Характеристикою тектонічного порушення є також кут складки, ширина її та висота.

Рис. 2. Основні елементи складок

Просторове положення складок визначається елементами залягання:

- простягання характеризується лінією простягання АВ (Рис. 2) яка утворюється при перетині складки горизонтальною площиною a;

- падіння крила складки визначає лінія падіння, тобто перпендикуляр, що лежить на покрівлі крила і який проведено до лінії простягання АВ;

- кут МСМ`, утворений лінією падіння і її прекцією на горизонтальну площину, називають кутом падіння.

В залежності від нахилу осей та положення крил складки поділяються на прямі, похилі, лежачі, перевернуті (Рис. 3).

Рис.3. Види складок: а - пряма складка, б – похила,

 в –- лежача, г - перевернута

Інколи складки мають форму купола або шатра, навіть перевернутого шатра (западини).Внаслідок ерозії дані структури утворюють на поверхні концентричні кола, еліпси різних за складом порід.

5.3.2. Розривні дислокації.

Розривні дислокації виникають внаслідок інтенсивних тектонічних рухів, що призводять до розриву суцільності шарів порід і зміщення розірваних частин,

Найбільш простою формою розривних порушень є тріщини. Вони зустрічаються практично в кожній породі. Виділяють наступні види тріщин:

- приховані, їх не видно, виявляються при розробці породи, утруднюють одержання крупнорозмірних блоків;

- закриті, виявляються візуально;

- відкриті, в них видно продукти вивітрювання породи.

Тріщини можуть мати тектонічне або нетектонічне походження. Тектонічні тріщини мають закономірну орієнтацію, вони розсікають цілі серії шарів.

В земній корі досить часто зустрічаються розривні дислокації із зміщенням в вертикальній або із зсувом в горизонтальній площині. Величина амплітуди зміщення зсуву буває різною - від кількох сантиметрів до кількох метрів. Ширина тектонічних розривів – також від кількох сантиметрів до метрів. До розривних дислокацій із зміщенням відносяться скид і підкид, горст і грабен, зсув і насув.

Скид утворюється внаслідок опускання однієї частини товщі порід відносно іншої (рис.4, б). Якщо при розриві відбувається підняття, тоді утворюється підкид (рис.4, а). Поверхню зміщення підкиду внаслідок її шліфування називають дзеркалом ковзання.  Інколи спостерігається серія розривів, що йдуть один за одним. В такому разі виникають ступінчасті скиди або підкиди., їх називають грабен і горст.

Грабен (рис. 5 а) виникає тоді, коли ділянка земної кори занурюється між двома великими розломами. Так утворилося озеро Байкал, Червоне море. Протилежна грабену форма називається горстом (рис. 5 б).

Зсуви та насуви, на відміну від попередніх форм розривних дислокацій, виникають внаслідок зміщення товщ порід у горизонтальній площині (зсув) або у похилій (насув). У першому випадку взаємне висотне положення шарів зберігається більш - менш постійним, у другому - молоді за віком відклади можуть перекриватися старішими (рис. 4 в, г).

в)	г)

Рис.4. Поодинокі розривні дислокації:

 а – підкид; б – скид; в – зсув, г- насув

а_г – горизонтальна амплітуда зміщення; а_в – вертикальна амплітуда зміщення.

Значний тектонічний розрив в земній корі, який спостерігається на великій віддалі, називають розломом. Розломи завжди заповнені уламками зруйнованих гірських порід.

Рис. 5. Серія розривних порушень зі зміщенням:

 а – грабен; б – горст.

5.4. Значення тектонічних умов для будівництва.

З інженерно-геологічної точки зору найбільш сприятливим є непорушене горизонтальне залягання шарів, їх значна потужність і однаковий склад. В такому випадку фундаменти будівель спираються на однорідне ґрунтове середовище, виникає передумова однакової стисливості шарів під вагою будівлі. В таких умовах споруда буде найстійкішою.

Наявність дислокацій різко змінює і ускладнює інженерно-геологічні умови будівельних майданчиків: оскільки порушена однорідність ґрунтів основи, зустрічаються зони подрібнення, знижена міцність порід. Окрім того, в тріщинах розломів періодично відбуваються зміщення, циркулюють підземні води. При великих ухилах та крутому падінні шарів різні частини споруди спираються на різні породи. Це може сприяти деформуванню споруди внаслідок нерівномірного осідання окремих її частин.

Споруда може опинитися у несприятливих умовах у випадку складного характеру та невеликого розміру складок, оскільки на схилах антиклінальних складок виникають зсуви ґрунтів.

При наявності складних розломів великих розмірів споруди слід розміщувати на значній віддалі від них, оскільки вони можуть зазнати пошкоджень при наступних тектонічних зміщеннях.

Отже, наявність різних видів дислокацій обов'язково слід враховувати при виборі будівельного майданчика, проектуванні та будівництві споруд.

5.5. Вулканічні явища.

Проникнення магми у товщу Земної кори з осередків розплавів у верхній частині мантії називається магматизмом. Магматизм буває глибинним (див. розділ 3.1.5) та поверхневим. Поверхневий, ефузивний магматизм проявляється в діяльності вулканів.

Вулканом називають геологічне утворення конусоподібної форми в місці прориву магми на поверхню Землі. Подібний до труби канал, яким рухається магма, носить назву жерла, а чашоподібна верхня частина вулкана - кратером.

Вулкани умовно поділяють на діючі та згаслі. На Землі відомо 624 діючих (з них 78 підводних) та до 4000 згаслих вулканів. 67 діючих вулканів знаходяться на Камчатці та Курильських островах. Найбільшим серед них є вулкан Ключевська Сопка висотою 4810 м. Згаслі вулкани є на Кавказі – Арарат, Ельбрус, Казбек.

Вулкани діють періодично, з інтервалом від кількох місяців до кількох сотень років. Приміром, Ключевська Сопка діє через 7¼8 років. Під час її виверження в 1945 р. було викинуто 0,6 км³ попелу, який покрив 2/3 території Камчатки шаром 4 см завтовшки. Виверження закінчилось виливанням лави. При виверженні вулкана Катма на Алясці в 1912 р. в атмосферу було викинуто до 20 км³ попелу та уламкового матеріалу. Виверження вулкана Кракатау (Індонезія) супроводжувалося викиданням значного об'єму попелу та уламків. Газоподібні продукти піднялися в стратосферу до висоти 60км.

Бувають також вулкани тріщинного типу, потоки основної (базальтової) лави таких вулканів розливаються на значних площах. У вулканів лощинного типу під час виверження магма, наближена до поверхні, поглинає гірські породи Земної кори, утворюючи розплави на величезних площах (наприклад, покриви Якутії).

Більшість сучасних вулканів належить до двох основних поясів тектонічної активності, які охоплюють усю Земну кулю: Тихоокеанського та Середземноморсько - Індонезійського.

Рис.6 Основні елементі вулканів.

За характером виверження вулкани поділяють на типи.

Тип Кракатау (в Індонезії) – виверження супроводжується потужними підземними поштовхами, вулкан з вибухом викидає величезну кількість газів, попелу, уламків, лаву вивергає не завжди.

Тип Пеле (Карибське море) виверження супроводжується вибухом та викидом великої кількості газів. В жерлі з в’язкої (кислої) магми утворюється нек, який при наступному виверженні утворює вулканічні бомби; інколи вибухом зносить вершину і виникає велика западина – кальдера.

Гавайський тип – виверження відбувається спокійно, виходять гази, потім витікає потоками основна за складом, базальтова лава; довжина потоку досягає 40…50 км.

Тип Везувію (о. Сицилія) – виверження починається з підземних поштовхів, вибухів, викидів твердих продуктів, газів і водяної пари, потім з’являється кисла лава; серед твердих продуктів – велика кількість вулканічного попелу, який разом з вулканічними бомбами покриває околиці.

До продуктів виверження вулканів належать: гази, тверді продукти, лава, грязь (в грязьових вулканах).

Гази складають 2…3% від ваги твердих продуктів, мають температуру до 800 ⁰С; це хлор, кисень, водень, сірчані гази, водяна пара. Газоподібні виділення мають форму атомного гриба в спокійній атмосфері і пінії (сосни), якщо на різних висотах вітер рухається в різних напрямках.

Твердих продуктів вулкани викидають в 6 разів більше, ніж лави; це вулканічний попіл (Æ < 1 мм), вулканічний пісок (1¼2 мм), лапілі (2¼30 мм), вулканічні бомби (> 30 мм). В разі сильного вибуху крупні уламки розлітаються на відстань до кількох кілометрів.

Рідкі продукти (лава) мають температуру понад 1000 ⁰С. Кисла лава грузла (в’язка), рухається із швидкістю 1¼3 км/год, швидко охолоняє і твердіє, утворює пробки (неки) в жерлах вулканів. Основна лава рідка, має більшу швидкість до 10…30 км/год. При охолодженні і твердінні кисла лава розтріскується на брили, основна – на стовпи. Після закінчення основного виверження виділяються гази і водяна пара, з’являються гейзери.

5.6. Сейсмічні явища.

Сейсмічні явища (землетруси) це особливі форми дислокаційних рухів, які появляються у двигтінні окремих ділянок Земної кори в місцях, де міцні породи накопичують пружну енергію від коливальних рухів.

При сильних землетрусах відбуваються значні вертикальні та горизонтальні зміщення земної кори, котрі спричиняють виникнення морських хвиль заввишки 10¼15 та більше метрів (цунамі).

Як і вулкани, землетруси пов'язані, головним чином, з Тихоокеанським та Середземноморсько-Індонезійським поясами. Величезними сейсмічними районами є Карпати, Крим, Кавказ, Середня Азія, Прибайкалля, Східний Сибір, Далекий Схід, Камчатка. Катастрофічні землетруси відбулися в містах Алма-Аті (1887 р.), Шемалі (1902 р.), Ашгабаті (1948 р.), Ташкенті (1966 р.), Газлі (1976 р.), а також у Вірменії (1988 р.) і Таджикистані (1989 р.). Під час землетрусів пошкоджуються і руйнуються будівлі, гинуть люди. Так, під час землетрусу в м. Токіо (1923р.) зруйновано 500 000 будівель, загинуло 140 000 чоловік і більше 100 000 людей було поранено.

За походженням землетруси поділяють на денудаційні, вулканічні, тектонічні та техногенні. Денудаційні і вулканічні мають місцеве значення. Денудаційні землетруси виникають при обвалах склепінь печер, пустот у верхніх шарах земної кори і при обвалах у горах, вулканічні - внаслідок вибухів при виверженні магми. Техногенні землетруси є наслідком інженерної діяльності людини.

Переважна більшість землетрусів тектонічного походження. Вони часто носять катастрофічний характер. Виникнення цих землетрусів пов'язане з деформаціями зсуву та розтягання в масивах гірських порід Земної кори і речовини у верхній частині мантії під час тектонічних рухів. Коли напруга і деформації досягають критичних значень, відбувається руйнування масиву, яке супроводжується ударами маси порід або речовини мантії. Осередок землетрусу знаходиться на певній глибині і називається гіпоцентром, а ділянка на поверхні, розташована над ним -епіцентром (рис. 7)

Рис. 7. Види сейсмічних хвиль.

Залежно від глибини залягання гіпоцентру виділяють поверхневі (до 50 км), проміжні (50...З00 км), глибокофокусні (більше 300 км) землетруси.

Формування осередків відбувається на різних глибинах, оскільки цей процес є наслідком руйнування виступів суміжних літосферних плит (блоків) під час взаємного переміщення. Внаслідок удару в гіпоцентрі виникають пружні сейсмічні хвилі : поздовжні, поперечні та поверхневі (рис. 7).

Поздовжні хвилі поширюються від гіпоцентру в усіх напрямках і передають енергію удару в довкілля. Коливання часток речовини, через яку вони проходять, відбувається в напрямку поширення хвилі. Це хвилі згущення і розрідження.

Поперечні хвилі сприяють зсуву часток. Їх коливання відбувається по перпендикуляру до напрямку поширення поздовжніх хвиль. Ці хвилі не проходять через розплави і воду. Швидкість поперечних хвиль в 1.7 рази менша, ніж поздовжніх

Внаслідок взаємодії поздовжніх та поперечних хвиль біля поверхні Землі виникають поверхневі хвилі, які поширюються на поверхні Землі, утворюючи вали і западини певної висоти.

Сейсмічні явища реєструють за допомогою сейсмографів – приладів, що записують горизонтальні та вертикальні синусоподібні коливання маятника (сейсмограми). Сила землетрусу в гіпоцентрі характеризується магнітудою, а його інтенсивність на поверхні (сейсмічність) оцінюється в балах (табл..1). Ці величини пов'язані між собою такою залежністю:

I = 1.5M – 3.5 lgh+ 3 ,

де I - інтенсивність землетрусу в балах; М - магнітуда; h – глибина залягання гіпоцентру, км.

Магнітуда землетрусу являє собою логарифм відношення амплітуди коливань ґрунту при конкретному землетрусі А до амплітуди стандартного землетрусу А^*, тобто

М=ln A/A^*

За визначеною магнітудою Ріхтер розділив землетруси на: сильні землетруси регіонального характеру (М³7); сильні землетруси локального характеру (М=6¼7); середні землетруси (М=5¼6) і слабкі землетруси (М<5).

Енергія, що виділяється землетрусом (в Дж) у гіпоцентрі (а від неї залежить його сила) визначається за формулою Б. Б. Голіцина

де p=3.14; g = питома вага речовини земної кори, Н/м³ ; v - швидкість поширення сейсмічних хвиль, м/с; А - амплітуда коливань, м; Т - період коливань, с. Енергія землетрусів змінюється в інтервалі 10³ ... 10¹⁹ Дж.

 Інтенсивність землетрусів визначають за 12 - бальною шкалою залежно від величини зміщення пружного сферичного маятника в сейсмометрі системи С. В. Медведєва або сейсмічного прискорення, що виникає в породах під будівлями та спорудами і визначається залежністю  . В табл. 1 наведені значення сейсмічного прискорення та характерні пошкодження в будівлях при землетрусах інтенсивністю більше 6 балів.

Таблиця 1

Інтенсивність та наслідки землетрусів

На основі вивчення землетрусів складають карти сейсмічності: на географічні карти наносять ізосейти (лінії з однаковою інтенсивністю можливого землетрусу в балах). За допомогою карт сейсмічності можна одержати дані про сейсмічність конкретного району у балах та визначити величину сейсмічного прискорення. Одержані дані уточнюють з урахуванням геологічної будови та гідрогеологічних умов конкретного майданчика. В районах, де інтенсивність не перевищує 5 балів, будівництво ведуть без врахування сейсмічності. При 6 балах в проектах закладають підвищені вимоги до якості будівельних матеріалів і якості робіт. При 7…9 балах будівництво ведуть згідно з вимогами ДБН на сейсмічні райони: враховується додаткова горизонтальна сейсмічна сила, що визначається в залежності від сейсмічного прискорення; забороняється будівництво на розривних дислокаціях, на схилах пагорбів, в місцях зсувів та обвалів, на пухких водонасичених ґрунтах з високим рівнем підземних вод, оскільки можливий гідравлічний удар під фундаментами. Як основу фундаментів слід використовувати міцні щільні ґрунти.

У Наддніпрянський регіон землетруси поширюються з боку Криму та Карпат і сягають 2¼3 балів за шкалою Ріхтера. Такі землетруси можуть спровокувати раптові зсуви, обвалення гірських порід.

5.7. Форми і типи рельєфу.

Внаслідок сукупної дії ендогенних та екзогенних процесів рельєф поверхні Землі зазнає суттєвих змін і перетворень. Наука, що вивчає рельєф земної поверхні, його походження і розвиток, називається геоморфологією.

Рельєф - це сукупність усіх форм земної поверхні: височин, рівнин і заглибин. Ці нерівності на поверхні досить динамічні, знаходяться у стані безперервних змін і перетворень, внаслідок чого знищуються старі і виникають нові форми рельєфу.

Рельєф відіграє величезну роль на Землі у перерозподілі тепла та вологи, поверхневих і підземних вод, відкладів пухких наносів, пересування повітряних мас. Він має великий вплив на розміщення, характер і стійкість промислових та цивільних будівель і споруд, а також гідротехнічних об'єктів, шляхів і т. ін.

5.7.1. Елементи і форми рельєфу

У геоморфології розрізняють елементи і форми рельєфу. До елементів відносять поверхні, лінії і точки, що складають форми рельєфу.

Поверхні бувають горизонтальними, похилими, випуклими, увігнутими і складними.

Лінії є результатом перехрещення поверхонь. Розрізняють такі лінії: вододільну, водозливну, підошовну, брівку. Вододільна лінія поділяє поверхневий стік двох протилежних схилів. Водозливна лінія є результатом перехрещення двох поверхонь схилів і пролягає дном долини, балки, яру. Підошовна (підгірна) лінія обмежує підніжжя схилів різних форм рельєфу. Брівка - це лінія, якою йде різкий перегин схилу, тобто різка зміна його крутизни.

До характерних точок рельєфу відносять вершинні - найвищі на певній ділянці місцевості і донні - найнижчі точки понижень рельєфу.

Форми рельєфу утворюються із різних сполучень елементів. Розрізняють дві групи форм: позитивні - випуклі по відношенню до площини горизонту і негативні - увігнуті. За походженням усі форми поділяються на тектонічні, ерозійні та акумулятивні.

Тектонічні виникають внаслідок рухів земної кори. Це величезні форми, що утворюють загальний вигляд рельєфу Землі (гірські хребти, рівнини, морські западини і т. ін.).

Ерозійні форми пов'язані із руйнівною роботою текучих вод (атмосферних, річкових, підземних) і з часом активно змінюють свої обриси (яри, балки, річкові долини, ущелини).

Акумулятивні форми (річкові тераси, дюни, бархани і т. ін.) є наслідком накопичення продуктів вивітрювання.

До позитивних форм належать різноманітні випуклі геологічні об’єми:

Нагір’я – це широка височина, що складається із системи гірських хребтів і вершин (наприклад, Памір).

Гірський кряж –це невисокий гірський хребет із пологими схилами і плоскою вершиною (приміром, Донецький кряж).

Гірський хребет – являє собою витягнуту височину із відносною висотою понад 200 м, має круті, часто скелясті схили.

Гора - це ізольована височина з крутими схилами. Відносна висота більше 200 м.

Плоскогір'ям вважають високо (за 500 м) підняту над рівнем моря ділянку суходолу з плоскою або хвилястою поверхнею.

Плато – це підвищена рівнина, що підноситься над рівнем моря більш як на 200 м і обмежена добре вираженими, часто стрімкими схилами.

Гряда - вузька, витягнута в довжину височина із крутизною схилів більше 20⁰ і плоскою вершиною.

Увал - видовжена височина із пологими схилами і плоскими вершинними поверхнями.

Пагорб - відокремлена куполоподібна або конічна височина із пологими схилами. Відносна висота менше 200 м.

Курган - штучний пагорб.

Згірок (горб) - ізольована куполоподібна або конічна височина із чіткою лінією підніжжя. Крутизна схилів не перевищує 25°, вершини плоскі.

Конус виносу - невисоке підвищення в гирлі русел; має вигляд зрізаного конуса зі слабко випуклими пологими схилами,

Негативні форми рельєфу створюють увігнуті геологічні утворення:

Котловина - западина значної глибини із крутими схилами.

Впадина - неглибоке зниження з пологими схилами.

Долина – рівна плоска місцевість, що розташована між пагорбами чи горами.

Балка - витягнута заглибина значної довжини; із трьох боків має пологі задерновані, покриті рослинністю схили.

Яр - витягнута заглибина з крутими, інколи прямовисними оголеними схилами; утворилася внаслідок розмиву пухких осадових порід тимчасовими водяними потоками.

Промоїна - невелика (до 0.5м) і неглибока видовжена заглибина, що має з трьох боків круті, непокриті рослинністю схил. Виникає при розмиванні схилів.

Лощина – невелика витягнута улоговина з пологими схилами, покритими рослинністю. Глибина не перевищує кількох метрів.

ОСНОВИ ГІДРОГЕОЛОГІЇ.

Загальні відомості.

Води, що знаходяться у верхній частині земної кори і циркулюють у порах та тріщинах гірських порід, називаються підземними. Вони є головним джерелом питного та технічного водопостачання, використовуються також для зрошення, у лікувальних цілях. Однак, підземні води досить часто утруднюють будівництво, особливо в разі проведення земляних робіт в умовах припливу їх до котлованів, траншей, кар'єрів та інших виробок. Підземні води зменшують механічні властивості глинистих порід, призводять їх до текучого стану, викликають явища пливучості в піщаних ґрунтах, просадкові процеси в лесах. Підземні води розчиняють такі породи як вапняки, гіпси, кам'яну сіль з утворенням великої кількості порожнин.

Наведене вказує на необхідність вивчення підземних вод і заходів боротьби з ними при будівництві різних споруд.

Наука, що вивчає походження, склад, взаємодію підземних вод з гірськими породами, динаміку підземних вод, називається гідрогеологією.

Походження підземних вод.

Підземні води тісно пов’язані з поверхневими та атмосферними. Щорічно з тропосфери на поверхню землі випадає у вигляді дощу та снігу 51200 км³ води. З цього об’єму води приблизно 100000 км³ випадає на сушу, 20000 км³ цієї води проникає (інфільтрується) в товщу гірських порід. Частина води потрапляє в ріки, моря, інша - надходить у тропосферу, випаровуючись з поверхні морів та океанів. Вода постійно поновлюється в атмосфері, морях. на суші і в ґрунті. Кругообіг води в природі відбувається приблизно за 7 діб.

Запаси підземних вод оцінюються в 60 млн. км³. За походженням підземні води поділяються на інфільтраційні, конденсаційні, ювенільні та реліктові седиментаційні (лат. sidimentum – осад).

Інфільтраційні води утворюються внаслідок просочування (інфільтрації) води з поверхні в товщі гірських порід.

Конденсаційні води формуються з водяної пари, яка знаходиться в порах гірських порід. Так утворюються підвішені горизонти під спорудами („верховодка”).

Ювенільні води виникають на значній глибині при взаємодії кисню і водню, що виділяються магмою. На поверхню Землі ювенільні води потрапляють при тектонічних процесах.

Седиментаційні підземні води утворюються в процесі діагенезу – перетворення первинних осадів у гірську породу з поступовим витисненням води. Переважно це поховані залишкові води давніх басейнів.

Види вологи в гірських породах.

За характером зв'язку з гірськими породами усі види води поділяють на зв’язану і вільну.

Зв'язана вода у свою чергу поділяється на хімічно і фізично зв'язану. Хімічно зв'язана вода - це конституційна, кристалізаційна і цеолітна.

Конституційна вода міститься у кристалічних решітках мінералів у вигляді окремих іонів водню і гідроксильних груп. Цю воду можна видалити з мінералу тільки після хімічного розпаду його при нагріванні. Мінерали з конституційною водою утворюються в земній корі лише в умовах підвищеного тиску.

Кристалізаційна вода також входить до кристалічної просторової решітки мінералу у вигляді молекул. Наприклад, гіпс CaSO₄·2H₂O, каолініт Al₂O₃·6SiO₂· 2H₂O. Цю вологу можна видобути із мінералу шляхом нагрівання (<250°С), мінерал при цьому також руйнується або переходить в інший (гіпс переходить в ангідрит CaSO₄ ). За певних умов відбувається зворотний процес.

Цеолітна вода - це різновид кристалізаційної, але зв'язана вона слабкіше і тому може поступово, самопливом видалятися з мінералу; мінерал поступово змінює свої властивості.

Фізично зв'язана вода поділяється на гігроскопічну і плівкову (див. рис. 6.3).

Гігроскопічна – це вода, що адсорбована частками породи у вигляді окремих острівців; утримується вона силами молекулярного притягання. Ця вода не може рухатися, не передає гідростатичний тиск, не має розчинних властивостей, не замерзає при низьких температурах (до -78°С). Видалити її можна тільки шляхом випаровування. Вміст гігроскопічної води у пісках не перевищує 1%, у лесах - до 8%, у глинах - до 18% і залежить від питомої поверхні та мінералогічного складу.

Плівкова вода утворює суцільну тонку ( не товще 0,001 см) плівку на поверхні часток породи поверх гігроскопічної води. Плівкова вода також утримується на поверхні часток електростатичними силами, але їх дія зменшується з віддаленням від них (рис.8). Вона має обмежену рухливість, може рухатись тільки від товщої плівки до тоншої. Плівкова вода не підкоряється силі тяжіння, не передає гідростатичного тиску, замерзає при температурі -5...-6°С. Кількість цієї води залежить також від питомої поверхні часток та мінералогічного складу. Вміст плівкової вологи у пісках не перевищує 2.7%, у глинах - досягає 45%. Найбільшу кількість гігроскопічної та плівкової води у породі називають максимальною молекулярною вологоємкістю (W_м.м.в).

Рис. 8 Схема взаємодії води з частками грунта.

Вільна вода поділяється на капілярну та гравітаційну.

Капілярна вода міститься в тонких (Æ< 1 мм) капілярах - порах. Вона знаходиться під дією сил поверхневого натягу і рухається знизу догори, тобто, у напрямку, протилежному дії гравітаційних сил. Ця вода утворює так звану капілярну кайму, що залягає вище постійного рівня підземних вод. У пісках висота капілярного підняття складає від 15 до 100 см, у глинах - до 400 см.

Гравітаційна вода рухається під дією і в напрямку сили тяжіння в залежності від різниці рівнів (гідравлічного градієнту). Частки породи, що знаходяться у вільній воді, виважуються, частково втрачаючи свою вагу. Це явище називається гідростатичним виваженням. Крім цього, рух вільної води викликає гідродинамічний тиск, який являє собою рівнодіючу сил тиску (під час руху води) на тверді частки породи.