Геодинамические зоны (ГДЗ)- структурные элементы горного массива, с локально измененным напряженно-деформированным состоянием горных пород на границах тектонических (геодинамических) блоков. ГДЗ в горном массиве проявляются дезинтеграцией пород, локальным изменением тектонической и литологической структуры пород и сопровождаются аномалиями физических полей, а на земной поверхности проявляются линеаментами (фрагментарно или полностью) [6].
Во многих случаях геодинамические зоны могут являться зонами эколого-геолоического риска [7]. Они являются участками тектонической нестабильности, к которым часто приурочены аварии на линейно-вытянутых объектах (нефте- и газопроводах, линиях электропередач), деформации и разрушения промышленных сооружений и жилых зданий, в некоторых случаях такие зоны представляют экологическую опасность для населения. Поэтому выявление и изучение влияния зон эколого-геологического риска тектонической природы на человека и окружающую природную среду в пределах населенных пунктов является важной экологической задачей.
Основными целями работы являются выявление особенностей проявления зон эколого-геологического риска тектонической природы, оценка влияния этих зон на различные инженерные сооружения, а также на здоровье и жизнедеятельность населения. В работе предусматривается решение следующих задач:
• Изучение геолого-тектонического строения центральной части г.Донецка.
• Изучение экологической обстановки.
• Исследование современной геодинамики участка работ.
• Установление влияния ГДЗ на здоровье населения.
• Установление влияния ГДЗ на инженерные сооружения.
Объектами исследования являются Французский и Мушкетовский надвиги, и оперяюшие их второстепенные разломы.
Предложенная методика легка в использовании, не требует больших экономических затрат. Метод структурно-геодинамического картирования азимутального позволяет использовать покровные отложения в качестве источника информации о глубинном строении и геодинамической активности массива горных пород.
Доклады по теме выпускной работы на заседаниях V и VI Международных научных конференциях аспирантов и студентов в апреле 2006 и 2007 гг. в секции "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов", г. Донецк, а также выступление на Всеукраинской научно-практической конференции «Геология глазами студентов» в г. Кривой Рог в мае 2007 г.
Земная кора представляет собой блоки различных размеров. Они находятся в постоянном движении. Нет ни одной точки на земной поверхности, которая осталась бы в состоянии покоя и не испытывала какого-либо движения. Одни участки земной коры медленно опускаются, другие – поднимаются, третьи – нагромождаются друг на друга или расходятся. Такие процессы происходят очень медленно – со скоростью в несколько миллиметров (реже сантиметров) в год.
Различная тектоническая активность движущихся блоков горных массивов определяет зонально-блочное строение земной коры и всей литосферы. Тектонические движения блоков имеют ритмический (циклический) характер, определяемый эндогенной (внутренней) ритмикой процессов Земли, а также ритмичностью внешних (космических) процессов, важнейшими из которых являются лунно-солнечные приливные вариации. Цикличность проявлений эндогенных и космических процессов обеспечивает не только вариации интенсивности перемещений, но и смену направления движения одних и тех же блоков земной коры. Это обуславливает пульсационный, знакопеременный характер тектонических движений конкретных массивов горных пород и соответствующие переменные по направлению и интенсивности проявления воздействия на основаниях любых инженерных сооружений.
Границы между блоками земной коры представляют собой геодинамические зоны (ГДЗ). Они имеют определенные размеры по ширине (в плане) и различную протяженность на глубину, зависящие от причин, вызывающих движение блоков. Геодинамические зоны могут иметь либо аномально напряженное состояние (при дальнейшем развитии которого может произойти разрыв и перемещение блоков горного массива), либо представляют собой структуры, по которым происходили или происходят тектонические подвижки блоков горного массива [1,2].
Зоны ГДЗ, представленные многочисленными субпараллельными трещинами, являются системой упорядоченной ориентации и пересекают ареалы разнообразных категорий рельефа, ландшафтов, литофациальных и стратиграфических ассоциаций горных пород без смены ориентации. В этих зонах наблюдаются закономерные изменения физических свойств горных пород: увеличение пористости и уменьшение упругости, механической устойчивости, молекулярной влагоемкости, электропроводности, магнитной восприимчивости [3].
Такие зоны представляют собой участки нестабильности и возможной повышенной миграции веществ. Разуплотненные, трещиноватые породы в пределах ГДЗ обеспечивают повышенную фильтрацию как природных (естественных), так и техногенных загрязненных вод. Одновременно ГДЗ являются наилучшими путями энерго- и массопереноса. По этим зонам (особенно глубинных разломов) из недр Земли поднимаются к поверхности различные виды энергии, а также пароводные и газообразные потоки различных химических элементов и соединений, в том числе и агрессивных по отношению к инженерным конструкциям [1]. Геодинамические зоны относятся к участкам повышенной сейсмической активности из-за того, что именно по ним упругие волны от эпицентра землетрясения распространяются с минимальными затуханиями. Поэтому именно в этих зонах возможна максимальная степень понижения сейсмической устойчивости [3].
Зонально-блочное строения глубинных геологических образований находит свое отражение и на земной поверхности. Чаще всего это проявляется в виде линейно вытянутых форм рельефа, их границ, элементов гидрографической сети, в виде различных зон почвенного и растительного контрастов, обусловленных геологическими причинами.
Поверхностное проявление в рельефе крупных глубинных (планетарных и глобальных) тектонических структур получило название линеаментов. Аналогичные поверхностные проявления более мелких структурных элементов горных массивов называют микролинеаментами.
Таким образом, геодинамические зоны, как глубинные геологические структуры, соответствуют линеаментам поверхности. Вследствие эрозионных процессов, сглаживающих рельеф, далеко не всегда геодинамические зоны отчетливо отображаются в рельефе поверхности.
Поэтому обнаружение, трассирование и изучение геодинамических зон необходимо выполнять геофизическими методами. Для этого существуют объективные и надежные физико-геологические предпосылки. Они базируются на том, что любое изменение вещества горных пород и их состояния обеспечивает заметные отклонения от фоновых значений физических свойств пород и физических полей над геологическими объектами. На этом основании все геофизические методы (грави-, магнито-, электро-, сейсмометрические, радиоактивные и ядерные, тепловые) позволяют обнаруживать различных блоки горных пород, трассировать геодинамические зоны, оценивать их показатели, то есть эффективно изучать геодинамическое состояние геологической среды. Весьма высокие возможности при геодинамических исследованиях имеются у атмогеохимических (эмационные газовые) методов, так как ГДЗ характеризуются повышенными газовыделениями, особенно в периоды тектонической активности.
Современная тектоническая активность по геодинамическим зонам, разрушающим образом действует на любые инженерные объекты и сооружения. Наиболее интенсивно это проявляется, когда основание объекта размещено на различных блоках горного массива (объект пересекает ГДЗ), или когда объекты расположены в пределах самой ГДЗ. Для линейных объектов (трубопроводы, тоннели, авто- и железнодорожные магистрали, каналы, ЛЭП и т.п.) места пересечения с ГДЗ являются аварийно-опасными участками. Нарушение прочности, целостности и разрушение инженерных объектов в преобладающем числе случаев обусловлено влиянием геодинамических процессов. Подтопление и заболачивание территорий, загрязнение поверхностных и подземных вод осуществляется от источника загрязнения подземными путями по ГДЗ.
Кроме потери механической прочности и разрушения инженерных объектов, зачастую возникают побочные (сопровождающие) явления и процессы, создающие социальный и экологический ущерб, во много раз превышающий ущерб от самого разрушения.
Пожалуй, самым ярким примером является авария на Чернобыльской атомной электростанции (1986 г.), как оказалось расположенная на пересечении тектонических разломов. Одна из версий этой трагедии мирового масштаба - геодинамическая.
Также примером может служить новый административный корпус на нефтеперерабатывающей станции в Николаевской области, который начал деформироваться на геодинамических зонах через два года его эксплуатации. Якорная опора мостового перехода продуктопровода через реку Днепр начала деформироваться через 20 лет эксплуатации, причем начало деформации было зафиксировано в период одиннадцатилетнего пика солнечной активности, когда активизируются тектонические нарушения (Девладовский раздвиг).
В городе Донецке на Французском надвиге рухнул жилой дом № 9 по улице Розы Люксембург в 1981 г. Сейчас на этом месте возводится новое здание, причем, не известно были ли учтены геодинамические особенности участка, при проектировании нового сооружения.
Наибольшую опасность для жизнедеятельности человека представляют активные в современную эпоху разломы. При этом часто максимальной активностью, отличаются оперяющие второстепенные разрывы. Оценить геодинамическую активность разрывных структур классическими геологическими и геофизическими методами практически невозможно. Для решения этой задачи в 70-е годы XX века донецкими учеными Рябоштаном Ю.С., Горбушиной Л.В., Тахтамировым Е.П. был разработан комплекс методов структурно-геодинамического картирования (СГДК). Важной особенностью этих методов является использование покровных отложений в качестве источника информации о тектоническом строении и геодинамической активности структур массива горных пород. Дело в том, что в поверхностном слое грунтов образуются микродеформационные структуры, которые являются отображением современных геодинамических процессов в массивах коренных пород. Эти микродеформации изменяют концентрацию газа радона в почвах и влияют на электропроводность грунтов [3,4,5,7].
Метод СГДК-А (структурно-геодинамическое картирование азимутальное) позволяет выявлять геодинамические зоны по изменению анизотропии электропроводности грунтов. Этот метод был широко опробован в разных странах и дал положительные результаты. Он прошёл внедрение в геологических организациях Украины, Беларуси, России, Узбекистана, Киргизии, Китая.
Основным техническим средством реализации способа является специально разработанный для этих целей геофизический приборЭФА (электронный фиксатор аномалий). Установка относится к классу приборов индикаторного типа. Съемка проводилась по профилям, заданным вдоль улиц города. При проведении съемки в каждой точке наблюдения проводились измерения электропроводности грунтов в горизонтальной плоскости. Измерения проводились по кругу с угловым шагом в 30 градусов. Снятые замеры отражают электропроводность грунтов в различных направлениях. Их анализ позволяет установить направление с максимальной электропроводностью в пределах каждого из 4 квадрантов круга. Эти направления сопоставляются с региональным и локальным фоном и выделяются аномальные участки. Аномалии выделяются по трем параметрам. Наиболее надежны те аномалии, которые проявлены по 2-3 параметрам. Такие аномалии оцениваются по интенсивности и ширине влияния. Степень и характер отклонений от фона определяют ширину и активность геодинамической зоны, связанной с тектоническим разрывом, а также местоположение выхода тектонического нарушения под рыхлые отложения. В ряде случаев по одному пересечению удается с точностью до 30 градусов определить простирание разрыва.
Другим методом обнаружения геодинамических зон является дистанционный метод. Суть метода в анализе космических снимков и выявлении линеаментов – линейных структур ландшафта, отражающих активные в современную эпоху разрывные нарушения и связанные с ними геодинамические зоны. Третьим методом, который очень эффективен в пределах населенных пунктов, является метод изучения видимых деформаций фундаментов и стен жилых домов и промышленных сооружений, а также дорожного покрытия.
Нами проведены исследования геодинамических зон в центральной части города Донецка. В первую очередь была изучена тектоническая карта участка работ, затем с помощью программы MapInfo данная карта была совмещена с картой города.
На участке по геологическим данным проходят два крупных тектонических нарушения - Французский и Мушкетовский надвиги.
Французский надвиг — крупнейшее дизъюнктивное нарушение Донецко-Макеевского района. Амплитуда Французского надвига изменяется от 74 до 585 м. в крайней северо-западной части района амплитуда составляет 500-580 м на верхних горизонтах, уменьшается с глубиной до 370-450 м. Далее к востоку амплитуда постепенно уменьшается до 410-430 м, а на крайнем северо-востоке — до 125-160 м. зона дробления по данным скважин составляет в среднем 100 м.
Мушкетовский надвиг – прослеживается на большом протяжении на полях шахт Калининского, Пролетарского и Моспинского комплексов района. Простирание надвига северо-западное (аз. простирания 270-330°). Падение плоскости сместителя северо-восточное и северное под углом 40-60°. Амплитуда надвига в крайней западной части шахтного поля вблизи Французского надвига — 45 м, далее к востоку увеличивается до 95-125 м.
Методом СГДК-А изучен участок вдоль реки Кальмиус, где пройдено 2 профиля с расстоянием между точками наблюдений в 10 м. Результаты полевых исследований обработаны с использованием ПЭВМ. По построенным графикам изменения трех параметров поля азимутальной электропроводности были выделены аномалии. Участки совпадения аномалий разных параметров интерпретированы как активные геодинамические зоны тектонической природы и отнесены к зонам геолого-экологического риска. Один профиль пройден вдоль правого берега реки Кальмиус от бульвара Шевченко до проспекта Ильича. Здесь выделены две аномальные зоны. Южная зона нами интерпретирована как зона экологического риска тектонической природы. Ширина ее составляет примерно 100 м, простирание субширотное. Выявленная зона простирается на территорию больницы Калинина. Эта зона хорошо согласуется с выходом под рыхлые покровные отложения главного шва Мушкетовского надвига, определенного по данным геологоразведочных работ.
Северная аномалия нами интерпретируется как геодинамическая зона, связанная с разрывом, который оперяет Мушкетовский надвиг. Аналогичные аномальные зоны выделены на левом борту реки Кальмиус (второй профиль). Анализ космоснимка данного участка позволил выявить группу линеаментов, которые по расположению близки к аномальным зонам СГДК-А.
Третий профиль СГДК-А пройден вдоль улицы Розы Люксембург. Здесь в северо-восточном направлении проходит Французский надвиг. В зоне его влияния, особенно в сторону падения, методом СГДК-А зафиксированы несколько аномальных зон. Практически все они отнесены к зонам геолого-экологического риска, так как в их пределах наблюдаются видимые деформации зданий различной интенсивности. Наиболее активна северная аномальная зона, которая расположена в 200-З00м южнее проспекта Б. Хмельницкого. Здесь деформации в виде трещин рассекают здания от фундамента до крыши.
При изучении территории, прилегающей к третьему учебному корпусу ДонНТУ, была зафиксирована еще одна геодинамическая зона. Ширина зоны составляет 50м, она имеет северо-западное простирание. По отношению к главному шву Французского надвига эта зона занимает положение оперяющей, но чрезвычайно активной структуры. Нами она интерпритирована как зона эколого-геологического риска.
Проведенные исследования подтвердили эффективность обнаружения активных геодинамических зон комплексом геофизических, дистанционных и визуальных методов. Такие зоны представляют собой участки тектонической нестабильности, они приводят к деформациям зданий и сооружений и представляют экологическую опасность для населения. Очевидно, что такие исследования необходимо проводить в большом объеме. Особенно они важны на стадии проектирования строительства, когда есть возможность заранее учесть положение опасных геодинамических зон и правильно выбрать участки под застройки. На уже застроенных участках необходимо внедрение мероприятий, которые снижают негативное воздействие таких зон на условия проживания человека.
Данная выпускная работа находится в процессе написания и будет завершена в ноябре 2007 г. В настоящее время проводится изучение влияния выявленных зон эколого-геологического риска на здоровье населения в рамках сотрудничества с Донецким государственным медицинским университетом им. М. Горького. Кроме того, планируется изучить еще несколько участков для составления полной картины влияния геодинамических зон на окружающую среду и получения более точных выводов.
1. Воєвода Б.И., Соболев Е.Г., Савченко О.В. Геодинаміка и ее роль в устойчивом развитии регионов//Наукові праці ДонНТУ, серія гірничо-геологична, 2002. – Вип..45. – С.88-93
2. Атлас „Геологія і корисні копалини України”, под ред.. Л.С. Галицького. – К.: НАНУ, 2001. – 168 с.
3. О новом методе структурно-геодинамических исследований / Панов Б.С., Рябоштан Ю.С., Алехин В.И. и др. // Советская геология. – 1984. - №1. - С.66-75.
4. Панов Б.С., Тахтамиров Е.П. Новое в геолого-геофизических исследованиях // Известия высших учебных заведений, геология и разведка. - 1993 г. - №3. – С.57-67.
5. http://masters.donntu.ru/2002/ggeo/khromov/lib/lib.htm
6. http://masters.donntu.ru/publ2002/ggeo/khromov.pdf
7. Алехин В.И., Санина О.Н., Сахарова Н.А., Ковалева О.А. Зоны эколого-геологического риска тектонической природы и безопасность жизнедеятельности//Наукові праці ДонНТУ, серія прничо-геолопчна, 2007.