Виды и причины происхождения землетрясений

Механизм  процесса выветривания

Выветривание  горных пород - сложный процесс, в  котором выделяется несколько форм его проявления. 1-я форма - механическое дробление горных пород и минералов  без существенного изменения их химических свойств - называется механическим или физическим выветриванием. 2-я форма - химическое изменение вещества, приводящее к превращению исходных минералов в новые - называется химическим выветриванием. 3-я форма - органическое (биологохимическое) выветривание: минералы и горные породы физически и главным образом химически изменяются под воздействием жизнедеятельности организмов и органического вещества, образующегося при их разложении.

.      Расчленение коры выветривания на зоны

кОРА ВЫВЕТРИВАНИЯ (а. crust of weathering, mantle of waste; н. Verwitterungsdecke, Verwitterungskruste, Verwitterungsrinde; ф. croute alteree; и. соrteza de erosion) — континентальная геологическая формация, образовавшаяся на земной поверхности в результате изменения исходных горных пород под воздействием жидких и газообразных атмосферных и биогенных агентов. Продукты изменения, оставшиеся на месте своего образования, называют остаточной корой выветривания, а перемещённые на небольшое расстояние, но не потерявшие связь с материнской породой — переотложенной корой выветривания. Выделяют также инфильтрационную кору выветривания, сформировавшуюся в результате инфильтрации железа, марганца, никеля, кальция, магния, кремния или других элементов, перешедших в раствор при выветривании и вновь отложенных в залегающих ниже выветрелых или невыветрелых породах. Некоторые геологи к коре выветривания относят продукты размыва и переотложения почв, остаточные коры выветривания и горные породы (т.н. аккумулятивная кора выветривания — делювий, пролювий, аллювий и т.д.).  
 
Термин "кора выветривания" введён в геологическую литературу швейцарским геологом А. Геймом (1879). Систематическое изучение коры выветривания началось в конце 19 века русскими учёными В. В. Докучаевым, К. Д. Глинкой, Н. А. Богословским, П. А. Земятченским. В качестве самостоятельного раздела геологии учение о коре выветривания оформилось в 1-й половине 20 века. Основоположниками его были советские учёные Б. Б. Полынов и И. И. Гинзбург. За рубежом значительный вклад в учение о коре выветривания внесли шведский учёный О. Тамм, американский учёный У. Келлер, немецкий геолог Г. Гаррассовиц и др.  
 
Образование коры выветривания зависит от биоклиматических, геолого-структурных и геоморфологических особенностей, от состава исходных пород, гидрогеологических условий и длительности формирования. Глобальное значение имеет климат. Распределение на поверхности Земли ресурсов тепла и влаги обусловливает широтную зональность размещения основных генетических типов коры выветривания, формирование латеритных поясов и провинций. Внутри поясов геолого-структурные и геоморфологические особенности определяют распространение различных фациальных типов коры выветривания, а от состава исходных пород зависит минеральный состав коры выветривания. Наиболее благоприятны для формирования коры выветривания условия тёплого влажного климата в периоды относительного тектонического покоя. При этом на приподнятых и расчленённых пенепленах, обеспечивающих интенсивный дренаж, образуется мощная и проработанная кора выветривания. В умеренном влажном климате процессы выветривания проявляются в меньшей степени и проникают на незначительную глубину. В условиях аридного и холодного климатов интенсивность изменения пород минимальная. В сухом климате кальций далеко не выносится, и возникают карбонатная и гипсовая коры выветривания. В холодном климате образуется только обломочная кора выветривания малой мощности.  
 
По форме залегания выделяют площадную кору выветривания, перекрывающую коренные породы сплошным покровом мощностью от десятков сантиметров до десятков метров, и линейную, вытянутую в одном направлении вдоль тектонических нарушений или контактов горных пород и проникающую по трещинам на глубину 100-200 м, а иногда до 1500 м. В результате гидролитического разложения горных пород и воздействия растворённых в воде агрессивных органических и неорганических компонентов при образовании коры выветривания наиболее подвижные породообразующие элементы (Na, К, Ca, Mg, Si) выносятся, а менее подвижные (Fe, Al, Ti, Zr и др.) накапливаются. Поскольку проявление агрессивных свойств просачивающихся вод с глубиной уменьшается, кора выветривания приобретает зональное строение: от коренных, слабо изменённых пород до интенсивно выветрелых вблизи дневной поверхности. Под зоной коры выветривания понимают часть коры, обладающую определённым минеральным составом, физическими свойствами и структурно-текстурными особенностями. По минеральному составу, отражающему геохимические процессы его образования, выделяются 4 минерально-геохимические зоны (снизу вверх): дезинтеграции, выщелачивания, глинистых минералов, оксидов и гидроксидов (рис.).  
 
В зависимости от состава исходных пород эти зоны слагаются различными минеральными ассоциациями. Совокупность зон называется профилем коры выветривания.  
 
Различают три типа профилей (полный, сокращённый и неполный). Полный профиль включает все 4 минерально-геохимические зоны. При отсутствии одной или двух промежуточных зон профиль называется сокращённым, при отсутствии одной, двух или трёх верхних зон — неполным. Название профиля даётся либо по наиболее развитой минеральной зоне (гиббситовый, каолинитовый, нонтронитовый и др.), либо по совокупности слагающих его зон (например, полный керолито-нонтронито-охристый или сокращённый керолито-охристый).  
 
В геологической истории Земли существовало несколько эпох формирования мощной коры выветривания: докембрийская, верхнепалеозойская, триас-юрская, мел-палеогеновая, плиоцен-четвертичная. Реликты этих древних кор выветривания сохраняются под толщей осадочных отложений или выходят на дневную поверхность. После своего образования коры выветривания нередко подвергались вторичным процессам обеления, каолинизации, шамозитизации, пиритизации, карбонатизации, оглеения, засоления и т.д.  
 
С древними корами выветривания связано образование ряда полезных ископаемых. Около 1/3 всех химических элементов достигает в коре выветривания повышенных концентраций, имеющих практическое значение. В коре выветривания образуются месторождения руд алюминия, железа, марганца, никеля, кобальта, урана, редких элементов, бария, неметаллических полезных ископаемых, таких, как каолины, огнеупорные глины, магнезиты и др. С корой выветривания связано образование россыпей золота, платины, касситерита, титаномагнетита, циркона, монацита, драгоценных камней и др., освобождающихся при выветривании включающих их горных пород.

.      Оползневой процесс

Оползень – это процесс соскальзывания масс горных пород вниз по склону под действием силы тяжести.

Оползшую  массу называют оползневым телом; поверхность, по которой происходит соскальзывание – поверхностью скольжения. В верхней части оползневого склона размещается крутой стенка отрыва (или надоползневой уступ). В коренном склоне параллельно ему развиваются системы зияющих трещин растяжения. Место сопряжения оползневого тела с надоползневым уступом называется тыловым швом оползня, а место выхода поверхности скольжения у подножия склона – подошвой оползня. 

1 - тело  полозня, 2 - поверхность скольжения, 3 - оползневой уступ, 4 - тыловой шов, 5 - трещины отрыва.

Глубина захвата пород оползневым процессом  на склоне называется уровнем оползания, который может располагаться выше и ниже сопредельного базиса эрозии. Если уровень оползания лежит выше базиса эрозии, то оползни называются деляпсивными, или соскальзывающими; если ниже – детрузивными, или оползнями выдавливания. Деляпсивные и детрузивные оползни могут развиваться независимо в различных участках оползневого склона или последовательно на одном и том же участке.

В крупных  сложных оползнях в большинстве  случаев выделяется две части. В  верхней - структурной, или глыбовой части, частично 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 с часто заболоченными западинами.

Схема сложного оползня (по Е.В. Шанцеру) 
 
Дл - деляпсивная часть ополозня, Дт - детрузивная часть ополозня, Бв - бугор выпирания, Обт - оползневые брекчии трания, Обо - отложенные оползневые брекчии поточного типа; II - крупноблоковые оползни первой стадии, II - малые блоковые оползни второй стадии, III - поточный оползень третьей стадии.

Главными  факторами, способствующими развитию оползней, являются следующие.

1. Наличие крутых склонов и подмыв берегов реками или морем, 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 падение 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 обводнённости пород склона при поступлении поверхностных или подземных вод. Так увлажнение глинистых отложений придаёт им пластичное и текучее состояние, они начинают выступать в качестве «смазки» для вышележащих толщ. Генетический тип оползней, связанный с изменением консистенции пород, называют консистентным.
4. Развитие процессов суффозии в породах склонах. Под суффозией (от лат. «suffosio» – подкапывание) понимают вынос тончайших минеральных частиц и растворенных веществ водой, фильтрующейся в толще горных пород. Этот процесс приводит к разрыхлению и, как следствие, к потере сцепления между частицами грунта. Суффозии подвержены слои, сложенные растворимыми или тонкозернистыми породами, через которые активно фильтруются подземные воды. Генетический тип оползней, обусловленных процессами суффозии, называют суффозионным. Часто оползни принадлежат к суффозионно-консистентному типу, образуются 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 окончании половодья. В период подъёма уровня вод они инфильтруются в породы, слагающие склоны речной долины, что приводит к повышению 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, увеличение нагрузки за счёт построек и пр.) и гидротехнические мероприятия, приводящие к изменению уровня подземных вод.

Оползни могут наносить существенненный  ущерб населённым пунктам, сельскохозяйственным угодьям и транспортным коммуникациям. Активное разитие оползней является стихийным бедствием. Для борьбы с oползнями применяются берегоукрепительные  и дренажные сооружения, производится закрепление склонов сваями, насаждением  растительности и другие мероприятия.

Обвалы  и осыпи

Горные  обвалы и осыпи – частые явления  во всех странах мира. Их масштабы бывают грандиозными, последствия трагическими. Они способны вызвать крупные  завалы или обрушения автомобильных  и железных дорог, разрушение населённых пунктов и уничтожение лесов, способствовать образованию катастрофических затоплений и гибели людей. Такие  катастрофы нередко происходят при  землетрясениях 7 баллов и более, когда  возможно обрушение крутых горных склонов, образующих с горизонтом углы более 45–50°.

Обвал – это отрыв и падение больших  масс пород на крутых и обрывистых склонах гор. Обвалы происходят в  результате ослабления сцепления горных пород под воздействием выветривания, подмыва, растворения, а также силы тяжести и тектонических явлений. Образованию обвалов способствуют геологическое строение местности, наличие на склонах трещин и дробление  горных пород. Обвалы могут также  происходить в речных долинах  и на морских побережьях. Возникают  внезапно, когда породы на склоне теряют устойчивость в результате подмыва  их, а также при землетрясении, подрезке основания склона при прокладке  дорог, постройке на склоне тяжелых  зданий. В 80 % случаев обвалы связаны  с антропогенной деятельностью  человека. В нашей стране ведутся  большие геологоразведочные работы. Они сопровождаются закладкой различных  горных выработок: буровых скважин, канав, штолен, карьеров. В условиях горного и холмистого рельефа  производство геологоразведочных работ  вызывает активное проявление оползневых явлений, эрозии и других процессов. Площадь земель, нарушенных при разработке полезных ископаемых, в нашей стране исчисляется миллионами гектаров и  ежегодно увеличивается на десятки  тысяч гектаров. Эрозия, дефляция, оползни, обвалы, осыпи проявляются при  эксплуатации открытых разработок, особенно глубоких. Просадки, эрозии и другие побочные процессы проявляются также  при добыче полезных ископаемых подземным  способом. Грандиозные обвалы происходят в горах, где они нередко запруживают  реки. Выше подобных плотин реки разливаются  в подпрудные озера (например, озеро  Рица на Кавказе).

Осыпание  отличается от обваливания, прежде всего  величиной и скоростью. Осыпание происходит постепенно, по мере разрушения (выветривания) пород на склонах. Падают, преимущественно мелкие обломки. В  нижней части склонов образуются осыпи – конусовидные скопления  упавших обломков.

Для возникновения  обвалов, во-первых, необходим горный, сильно расчлененный рельеф, причем с  крутыми, нередко обрывистыми склонами; во-вторых, породы должны быть разбиты  трещинами, возникшими в результате действия либо эндогенных (тектонических) сил, либо экзогенных, например, выветривания. Горный массив или его часть должны находиться в неустойчивом состоянии, при котором достаточно небольшого толчка или сотрясения, чтобы куски и глыбы породы рухнули вниз. Связи между отдельными блоками пород становятся особенно непрочными во время сильных дождей и весной, когда в горах тает снег. Поэтому весна, как и период летних ливней, это время обвалов в горах. Можно ли бороться с обвалами? Да, можно, но не с всякими и не везде. Железная дорога Туапсе – Сухуми идет по самой береговой кромке Черного моря. С одной стороны, ей угрожают штормовые волны, и приходится укреплять насыпь железобетонными «ежами», кубами, блоками, предохраняющими ее от размыва. С другой стороны, над железнодорожной колеей нависают обрывы. Спасаться от обвалов помогают высокие каменные стенки, которые останавливают глыбы камней, падающие со склона. Так же в горах защищают и автомобильные дороги. Но, конечно, это предохраняет только от небольших обвалов. Если же где-то нависают скалы, то предотвратить их обвал можно только одним способом: постепенно, по частям обрушить их, закладывая динамитные заряды малой мощности. Если обвалы угрожают поселкам, людей эвакуируют, а поселок переносят в безопасное место.

.      Горные удары

го́рный удар — хрупкое разрушение предельно напряжённой части пласта породы (угля), прилегающей к горной выработке, возникающее в условиях, когда скорость изменения напряжённого состояния в этой части превышает предельную скорость релаксации напряжений в ней вследствие пластических деформаций.

В горном ударе участвует упругая энергия пласта в очаге удара и энергия окружающих пород, данное явление сопровождается резким звуком, выбросом породы в горную выработку, образованием пыли и воздушных волн. Упругое расширение массива пород, прилегающих к очагу разрушения, порождает сейсмические волны, распространяющиеся при горном ударе большой силы на десятки и сотни километров. Разрушение происходит лавинообразно и совершается образованием устойчивой по форме полости при подпоре со стороны выброшенных пород. Следствием горных ударов становятся аварии на шахтах, сопряженные с разрушением крепи и оборудования, нанесением ущерба здоровью и гибелью людей.

В качестве локальных проявлений горных ударов выделяют стреляния, толчки и микроудары.

• Стреляние горных пород (бергшляг) — это быстрое откалывание и отскакивание кусков породы от обнаженной поверхности горных выработок, сопровождающееся звуковым эффектом, возникающее вследствие их хрупкого разрушения при соответствующем напряженном состоянии. Стреляние горных пород может являться признаком возможных горных ударов.
• Толчками принято называть горные удары, проявляющиеся в разрушении угленосной толщи за пределами контуров выработок без их выброса в горную выработку.
• Микроудары характеризуются разрушением горных пород и пластов угля в пределах сравнительно небольшого объема геологического пространства при быстром их выбросе в горную выработку. Сопровождаются обычно резким звуком, образованием пыли, сотрясением горных пород и усилением газовыделения в газоносных породах.

Как правило, горные удары проявляются обычно в краевых частях подготовительных и очистных выработок, в целиках, на глубинах свыше 120—150 метров. Удароопасность тесно связана с прочностью и  структурными особенностями пород  кровли и угольных пластов, углами падения  и глубинами разработки. Чем выше прочность угля и вмещающих пород, тем выше вероятность возникновения  горных ударов. Удароопасность также  повышается с увеличением глубины  ведения горных работ, при наличии  разрывных нарушений, разделяющих  массив на крупные блоки, зон повышенного  горного давления, при ведении горных работ в «особосложных условиях». Установлено также, что удароопасны в основном песчаники, известняки, пластовые жилы изверженных пород с пределом прочности на сжатие до 100 мПа, при мощности пластов 10 метров и более, залегающие на глубине более 500 метров.

В целях  предотвращения горных ударов в ходе разработки угля принимаются меры по снижению горного давления на угольный пласт (опережающей отработкой неопасных соседних пластов, ведением работ без целиков угля, снижением зависания пород и др.) и уменьшению способности пласта к накоплению упругой энергии (бурение разгрузочных скважин, рыхлением камуфлетными взрывами, нагнетанием воды в пласт).

.      Прогноз горных ударов

Степень удароопасности оценивается на основе регистрации явлений и процессов, сопровождающих бурение скважин (выход и крупность буровой мелочи, сейсмоакустические импульсы, зажатие бурового снаряда в скважине, раскалывание керна на диски), вдавливания пуансона (индентора) в забой или стенки скважины, регистрации скорости прохождения упругих волн, электрического сопротивления угля (пород), их электромагнитного излучения, влажности и др. Для каждого месторождения выбирается обычно один или два из перечисленных методов. На шахтах действуют специальные службы прогноза горных ударов, обеспечивающие своевременный перевод шахтопластов, рудных тел и пород в опасные по горным ударам, установление (прогноз) степени удароопасности отдельных участков, приведение их в неопасное состояние. Угольные шахтопласты, рудные и нерудные месторождения (части месторождений) являются угрожаемыми по горным ударам, если в их составе имеются хрупкие породы (уголь) и возникают достаточно высокие напряжения в нетронутом массиве или если при ведении горных работ происходят стреляния и толчки. К опасным по горным ударам относятся части угрожаемого шахтопласта или месторождения, начиная с глубины, на которой при ведении горных работ появились микроудары и горные удары или удароопасность установлена на основе прогноза. Степень удароопасности отдельных участков массива горных пород, прилегающих к выработке, характеризуется величиной напряжений в зоне максимума опорного давления и расстоянием до него от стенки выработки.  
 
Борьба с горными ударами ведётся: путём снижения горного давления на пласт, рудное тело посредством специальной раскройки месторождения на шахтные поля и порядка их отработки, исключающих образование участков с большой концентрацией напряжений; опережающей отработкой неопасных, т.н. защитных, соседних пластов (рис. 2), слоев, залежей; бесцеликовой технологией отработки, сокращением количества горных выработок впереди фронта очистных работ; уменьшением способности пласта полезных ископаемых (породы) к накоплению упругой энергии (рыхлением камуфлетными взрывами, нагнетанием воды в пласт, разгрузочными скважинами и щелями) и др.  
 
Ограничение силы проявления горного удара достигается применением самораспорных проходческих комбайнов, щитов, податливой или арочной металлической крепи, оптимизацией параметров буровзрывных работ, переходом на проведение горных выработок комбайнами, гидравлическим способом, взрывным способом в режиме сотрясательного взрывания; исключением особо опасных горных выработок из использования.