Земная кора представляет собой блоки различных размеров, которые находятся в постоянном движении. Тектонические движения блоков имеют циклический характер, определяемый эндогенной ритмикой процессов Земли и влиянием Космоса. Границами блоков в коренных породах являются разрывные нарушения различного порядка - глубинные разломы, разрывные тектонические нарушения, трещинные зоны, отдельные трещины.
Влияние особенностей геологического строения участков под жилищное строительство на устойчивость жилых домов, прежде всего, связаны с зонами тектонической нестабильности. Разрывные нарушения в земной коре являются одним из главных источников нарушений и загрязнений окружающей среды. Для зон разрывных нарушений характерна повышенная трещиноватость, дезинтеграция и водонасыщенность пород. Вдоль них активно развивается карст, наблюдаются интенсивные водоперетоки, устанавливается гидравлическая связь поверхностных и подземных вод.
В покровных рыхлых отложениях активные разрывные дислокации проявляются в виде геодинамических зон (ГДЗ). В таких зонах возникают аномалии радиоактивного газа радона, изменяются параметры геофизических и атмогеохимических полей, наблюдается разуплотнение и оседание несущих грунтов, инфильтрация поверхностных загрязнителей в подземные водоносные горизонты. В геодинамических зонах над активными разрывными нарушениями наблюдаются деформации земной поверхности, приводящие к нарушениям целостности зданий, промышленных сооружений, дорог, трубопроводов и т.д.
Зоны тектонической нестабильности приурочены к активным разрывным нарушениям коренного массива горных пород и вызывают деформации, как покровных отложений, так и фундаментов жилых зданий. В свою очередь деформации возникают в аномальных полях напряжений массива горных пород. Поля напряжений и деформаций в пределах зон экологического риска тектонической природы еще слабо изучены. Аномалии этих полей могут вызывать различные неблагоприятные явления – обводнение несущих грунтов в условиях растяжения или нарушение фундаментов зданий по типу сдвига в условиях сжатия и т.д. Эти поля являются предметом тектонофизических исследований и проводятся по специальной методике.
Проблема исследований тектонофизических особенностей зон экологического риска является злободневной для Донецкой области и города Донецка, так как на данной территории находятся участки аномальных значений градиентов скоростей современных движений земной коры, а также многочисленные региональные зоны экологического риска.
Целью выполняемых работ тектонофизическими методами и методами СГДК-А на участках – «Широкий» и др. является картирование геодинамических зон тектонической природы и определение роли тектонофизических факторов в формировании зон экологического риска. Дальнейшее описание исследования будет проводиться на примере участка жилищной постройки «Широкий».
Всемирно известный факт, что особенности геологического строения тесно связаны с зонами эколого-геологического риска – участками тектонической нестабильности. Эти участки представлены в виде линейно-организованных элементов ландшафта – зон линеаментов. Анализы подтверждают, что к линеаментам разного ранга приурочены малоамплитудные разрывы и зоны трещиноватости повышенной флюидопроводности.
На территории Донецкой области и Донецка находятся участки аномальных значений градиентов скоростей современных движений земной коры, также многочисленные региональные зоны экологического риска, пересекающие данную территорию, что достаточно четко отображено в атласе «Геология и полезные ископаемые Украины», который был издан в 2001 году.
В недавнем прошлом Институтом геоэкологии РАН была проведена геофизическая проверка линеаментов . Использовались сейсмо- и электроразведка. Исследования проводились на территории Москвы. В результате чего были выявлены в разрезе вертикальные границы раздела сред, которые удовлетворительно коррелировались с линеаментными зонами, выделенными ранее. Большинство зафиксированных геофизическими методами линеаментов представляют собой зоны повышенной трещиноватости.
При изучении влияния структурно-геологических особенностей (исследования проводились также на территории Москвы) на распределение концентраций подпочвенного радона и радона в подвалах жилых зданий подтвердилась версия о возможности поступления радона к земной поверхности из более глубоких горизонтов при наличии зон повышенной проницаемости.
Классическими геофизическими методами выявить геодинамические зоны в рыхлых покровных отложениях и оценить их активность в современную эпоху невозможно. В связи с этим нами проведен комплекс геофизических исследований методами структурно-геодинамического картирования (СГДК-А, СГДК–Г), которые были разработаны в 70-е годы прошлого столетия. Одним из таких методов является азимутальный способ изучения анизотропии электропроводности почвенных отложений (СГДК-А). Способ СГДК-А основан на явлении азимутальной неоднородности электропроводности поверхностного слоя покровных отложений в связи с геодинамическими процессами. Это ранее неизвестное природное явление фиксируется повсеместно при электромагнитном обследовании небольших объемов горных сред в условиях их естественного залегания. В данном методе покровные отложения используются в качестве источника информации о напряженном состоянии коренного массива.
С участием кафедры полезных ископаемых и экологической геологии ДонНТУ разработан прибор для реализации способа СГДК-А - электронный фиксатор аномалий (ЭФА). Прибор ЭФА (Анимация 1) позволяет оперативно выявлять геодинамические зоны по изменению анизотропии электропроводности в покровных отложениях до глубины 2,5м. Аппаратура дипольного индуктивного профилирования ЭФА относится к разряду индикаторных средств измерения и предназначена для технической реализации полевого геофизического способа структурно-геодинамического картирования, азимутального (СГДК-А).
Анимация 1 – ЭФА и её составные части
(7 кадров, 6 повторений, время задержки - 1,5 секунды)
ЭФА представляет собой горизонтальную малобазную установку с жестким креплением магнитных диаполей, расчитанная на работу в горной среде. Масса установки ЭФА с комплектом электропитания, рассчитанным на 120 ч работы, около 6 кг. Питание прибора автономное от двух батарей по 12В, составленных из 8 элементов типа 343. Время установления рабочего режима составляет не более 3 минут.По концам диэлектрической штанги размещены генератор и приемник . При помощи вертлюга генератор сочленен с платформой, которая имеет угломерный лимб и магнитный компас . Приемник имеет гибкий поводок и демпфирующую опору. Вертлюг позволяет вращать штангу в горизонтальной (азимутальной) плоскости и переводить ее вертикальное положение.На каждом геофизическом пикете оператор совмещает указатель угла поворота вертлюга с нулевой отметкой лимба платформы, ориентирут по компасу приемник на север и устанавливает прибор генератором на пикет. Генератор возбуждает индуктивным путем в горной среде гармоническое электромагнитное поле. Приемник индуктивным путем регистрирует амплитуду магнитной компоненты вторичного поля, отражающую электропроводность обследуемой немагнитной среды. Отсчет амплитуды в относительныхъ единицах производится по показаниям стрелочного индикатора приемника.Основная цель полевых наблюдений состоит в выявлении и регистрации азимутальной неоднородности электричсеских свойств горных пород поверхностного горизонта на геофизических пикетах по сети заданной плотности наблюдений. На пикетах практикуют угловой шаг наблюдений, равный 30 градусов.
Геодинамические зоны, выявленные методом СГДК-А, отражают активные в настоящее время разрывные нарушения и зоны повышенной трещиноватости в массиве коренных пород, а также зоны формирующихся деформаций в покровных отложениях. Метод прошел широкую апробацию в разных странах - Беларусь, Россия, Узбекистан, Киргизии, Китай.
Установление связи геодинамических зон с особенностями полей напряжения и деформаций коренного массива является важной задачей. Обычно поля напряжения и деформаций изучаются методами тектонофизики.
Тектонофизические исследования проводились М.В.Гзовским, Р.Хоеппенером, Д.Н.Осокиной, Н.А.Цветковой, Л.А.Сим, О.И.Гущенко и были основаны на кинематическом анализе структур разрушения горного массива.
Съемка СГДК-А проводилась по профилям с шагом 5-10м. Профиля размечались на местности с учетом рельефа и закреплялись деревянными колышками. В пределах участка жилищной застройки «Широтный» пройдено 9 профилей СГДК –А с шагом 5-10м. Шаг 5м был принят для участка профиля, пересекающего проектную площадку под строительство жилого дома. Такой же шаг принят для детализационного профиля 7а. Для выделения комплексных аномалий СГДК-А на план профилей выносились аномальные точки разных показателей, а затем по комплексу аномалий выделялись геодинамические зоны. Из всех показателей К1 наиболее стабилен во времени и его аномалии отражают шовные зоны разрывных дислокаций в коренном массиве. Показатель К3 – в большой степени отражает зону динамического влияния разрывных дислокаций, и изменение ее активности во времени.
Съемка методом СГДК-А выполнена по десяти профилям, 9 из которых расположены непосредственно на участке. Один из профилей являлся региональным и был задан для обнаружения крупных надвигов в районе строительства. Региональный профиль пройден с шагом наблюдения 10 м. Количество наблюдений на профиле составило 156 точек.
Тектонофизические исследования проводились по методике Гущенко-Корчемагина.
Тектонофизические исследования состаяли из нескольких стадий:
Следующим шагом является реконструкция поля хрупких деформаций по элементам залегания трещин, даек, минеральных жил, борозд и штрихов на зеркалах скольжения трещин и тектонических нарушений. Для решения этой задачи использовались программы “STEREO” и “GEOS”, которые позволяют проводить реконструкции поля хрупких деформаций по совокупности трещин, зеркал скольжения, даек и жил, а также по отдельным видам хрупких деформаций - только трещин, только зеркал скольжения со штрихами, только даек или только жил. В результате использования программы “STEREO” была построена роза-диаграмма простирания систем трещин. По результатам работы программы “GEOS” было установлены в пространстве ориентировки главных осей напряжения.
По сумме наблюдений на участке проведены статистические расчеты локального фона. Установлены следующие фоновые направления максимальной электропроводности грунтов:
Авторами методики были подсчитаны направления электропроводности грунтов, характерные для структуры с однородной электропроводностью:
На региональном профиле по комплексу показателей (К1, К2, К3) выделено три крупные и три мелкие комплексные аномалии, которые формируют геодинамические зоны разных направлений.
Главная геодинамическая зона проходит в районе пикета 125 и совпадает по местоположению и простиранию с самым крупным надвигом района работ. Две геодинамические зоны (пикет 145 и пикет 75 ) отражают положение двух других надвигов. В первом случае простирание зоны – СЗ, во втором случае –СВ. Последняя зона протягивается к участку работ, где она фиксируется в ЮВ углу участка по другим профилям СГДК-А. Из других геодинамических зон две имеют субширотное простирание ( пикеты 43 и 60). Эти зоны протягиваются к южной части участка «Широтный». Простирание геодинамической зоны в районе пикета 104 точно не установлено, но предполагается, что эта зона входит в систему крупного надвига СВ простирания.
В пределах участка жилищной застройки «Широтный» пройдено 9 профилей СГДК –А с шагом 5-10м. Шаг 5м был принят для участка профиля, пересекающего проектную площадку под строительство жилого дома. Такой же шаг принят для детализационного профиля 7а (Рис. 1).
1 – аномалии показателя К1 интенсивностью 27 -81 бал;
2 - аномалии показателя К1 интенсивностью 9 баллов;
3 - аномалии показателя К3 интенсивностью 64 балла;
4 - аномалии показателя К3 интенсивностью 16 баллов;
5 – аномалии углекислого газа интенсивностью более 0,3 объемных %;
6 - аномалии углекислого газа интенсивностью 0,25 объемных %;
7 – Профили СГДК -А: 3 – номер профиля, 1 – номер пикета;
9 – буровые скважины и их номера.
Анализ аномалий СГДК-А по профилям показывает, что интенсивность аномалий по показателю К1 колеблется в пределах 9 – 27 баллов. Только в одном случае на пикете 23 профиля 2 она достигает максимального значения. То есть можно говорить о средней геодинамической активности по этому показателю. Аномалии К2 в целом совпадают с аномалиями К3. Последние имеют интенсивность от 16 до 64. В одном случае на пикете 23 профиля 2 интенсивность достигает 256 баллов. Этот показатель также указывает на среднюю геодинамическую активность. Плотность аномалий повышена на профилях 3,4,8. Минимальное количество аномалий зафиксировано на профилях 6,9 и в западной части профилей 5,4. В целом можно сказать, что северная и восточная часть площади более активны, чем западная часть.
С учетом полевых данных по методу и по результатам расчета показателя К4 построена карта геодинамической зональности. Геодинамические зоны, выделенные по данным СГДК –А сопоставлены с зонами, которые выявлены методом ЕМПЗ, который применялся на участке другими исследователями. Результаты таких сопоставлений показаны на рис.2.
Рисунок 2. Карта геодинамической зональности по данным СГДК-А
1 – геодинамические зоны по данным ЕМПЗ;
2 – главные геодинамические зоны по данным СГДК-А;
3 - второстепенные геодинамические зоны по данным СГДК-А;
4 – буровые скважины и их номера
В целом главные геодинамические зоны по данным ЕМПЗ нашли свое отражение в данных СГДК-А. Наблюдается некоторое смещение зон относительно друг друга, что можно объяснить разной глубинностью методов. С другой стороны выявлен ряд мелких зон СВ простирания, которые не зафиксированы методом ЕМПЗ. Одна из таких зон обнаружена на региональном профиле всеми методами.
Проведенные тектонофизические исследования показали(Рис 3):
Рисуонк 3. Роза трещиноватости песчаников на участке «Широкий»
1 – системы трещин;
2 – направление оси растяжения суммарного поля деформаций;
3 – направления главных разрывных нарушений участка по геологическим данным.
В целом по результатам всех исследований можно сказать, что крупных надвигов на участке жилищной застройки нет. Тектонофизические факторы играют далеко не последнюю роль, так как на участке есть проявления мелкоамплитудных тектонических нарушений и зон повышенной трещиноватости в основном СЗ простирания, которые более проницаемы для подземных вод, что может негативно действовать на строения. Максимальные деформации зданий наиболее вероятны в узлах пересечения выявленных зон.
Планируются дальнейшие исследования данными методами других участков Донецкой области.