Приведенный ниже текст представляет собой переработанную и дополненную версию доклада, подготовленного в рамках научно-практической конференции "Проблемы комплексных инженерных изысканий для всех видов строительства (Екатеринбург, УралТИСИЗ, 16 – 17 июля 2009 г).

С ростом темпов строительства на территории г. Екатеринбурга увеличивается количество аварийных ситуаций при возведении и эксплуатации зданий и сооружений, инженерных коммуникаций и объектов подземного строительства. Причины возникновения аварий разнообразны, однако исследования последних лет показывают, что существенным негативным фактором является наличие современных активных тектонических нарушений.

В термин «активный разлом» разные авторы вкладывают различный смысл. Некоторые специалисты под этим термином понимают крупные разрывные структуры, с которыми связаны процессы вулканизма или опасные сейсмические явления. При решении прикладных задач на ограниченных территориях становиться очевидным, что активность очень часто свойственна локальным тектоническим нарушениям, протяженность которых составляет несколько километров или первые сотни метров. Такие разломы встречаются повсеместно как в областях древней складчатости, так и на платформах [1-8]. Активизация локальных тектонических структур обусловлена их подвижностью, т.е. процессами деформации в зоне разлома в условиях современного напряженного состояния породных массивов. Таким образом, под современной активизацией следует понимать деформации, которые происходили в зоне разлома в течение ближайшего геологического, исторического и реального времени и продолжаются сейчас.

Изучение закономерностей образования и развития активных тектонических разломов входит в задачи научных направлений «тектонофизика», «геомеханика», «гидрогеомеханика». В соответствии с основными научными представлениями, процесс деформации скального массива, образования массовых трещин и тектонических разломов с той или иной кинематикой смещения полностью зависит от пространственной ориентировки векторов главных нормальных напряжений, действующих в приповерхностной части земной коры в настоящее время [7]. Это позволяет широко применять методы геолого–структурного и геомеханического анализа при изучении современного напряженно–деформированного состояния породных массивов.

Скальные массивы на территории Урала имеют, преимущественно, палеозойский возраст. Разломы и трещины, возникшие в палеозое, образовались под воздействием полей напряжений, действовавшим в соответствующие геологические периоды. В процессе длительной геологической истории тектонические структуры переживали неоднократные периоды погружения на значительную глубину, периоды поднятий и частичной денудации, подвергались метаморфизму и метасоматозу в условиях изменения температуры и давления. Нередко древние трещины залечены кристаллическим материалом, не уступающим по прочности вмещающим породам. Следует полагать, что современные активные тектонические структуры связаны с современными тектоническими напряжениями, действующими в земной коре в настоящее время. При этом не исключается активизация некоторой части древних структур в современном поле напряжений.

Тектонические разломы, имеющие палеозойский возраст, на территории Екатеринбурга изучены достаточно хорошо и отображены на всех геологических картах. В процессе инженерно–геологических исследований положение древних разломов устанавливается на основании ряда признаков. В качестве основных признаков обычно используется наличие выраженной линейной коры выветривания, сложенной дисперсными грунтами; наличие тектонического шва, представленного раздробленным материалом, глинкой трения, зеркалами скольжения; наличие линейных геологических тел (интрузивных даек, зон окварцевания) и литологических границ, смещенных тектоническим разломом. Перечисленные признаки позволяют выделить и описать древний палеозойский разлом с характерным субмеридианальным простиранием. Однако, большинство древних тектонических структур не испытывает значительной активизации в современном поле напряжений, и, соответственно, не может рассматриваться как современные активные (подвижные) разломы. Древние разломы выделяются как геологические тела с особыми литологическими свойствами, и, соответственно, являются литологическими инженерно-геологическими элементами.

Активные разломы, как структуры, образованные и образующиеся под воздействием современного поля напряжений, как правило, не подвергались длительному процессу выветривания. Для современных активных тектонических структур совершенно не обязательно наличие выраженной линейной коры выветривания. Амплитуда смещения по современным активным разломам является минимальной, поэтому в зоне дробления геологический материал обычно проработан слабо, зеркала скольжения чаще всего отсутствуют. По этой же причине, по активным разломам обычно не наблюдается значительного смещения литологических границ. Очевидно также, что в теле современных разломов не может быть интрузивных даек палеозойского возраста.

Современный активный разлом – это, как правило, новообразованная структура, линейная зона относительно мало изменённых пород, ограниченная швами деформации. Под воздействием современных тектонических напряжений линейная зона в скальном массиве деформируется, дополнительно растрескивается, но при этом значительного смещения в самой зоне не происходит. Относительно существенное смещение обычно локализуется по швам, ограничивающим зону разлома. В условиях закономерных изменений ориентировки вектора главных максимальных напряжений, а также в связи с периодическими изменениями уровня напряжений, зона разлома испытывает разнонаправленные движения. Разлом как бы вибрирует, дрожит. При этом сохраняется тенденция смещения, которая подчиняется ориентировке преобладающих главных напряжений. Именно за счет такого возвратно-поступательного, но имеющего определённое направление, движения, активные тектонические разломы могут представлять существенную опасность для инженерных сооружений, расположенных над ними или пересекающих разлом в подземном пространстве.

Традиционные инженерно–геологические методы изучения геологической среды имеют, главным образом, литологическую направленность. Эти методы относительно слабо выявляют активные тектонические зоны. Возникает необходимость применять другие методы исследований, способные определять характерные особенности разломных зон. В качестве основных перспективных методов исследований тектонических нарушений следует назвать геофизические, гидрогеологические, геодезические и деформационные. Первые три метода требуют четкой постановки задач в направлении поиска активных разломов. Повышенная проницаемость современных тектонических нарушений, и связанные с ней геофизические и гидрогеологические аномалии являются важнейшим признаком современной активизации [7].

Применение геофизических, геодезических и гидрогеологических методов для поиска активных тектонических разломов требует специальной дополнительной переподготовки специалистов (геологов, геофизиков, геодезистов, строителей). До тех пор, пока изыскатели и строители не будут выполнять комплекс специальных исследований, результаты инженерных изысканий не будут позволять оценить уровень тектонической опасности на конкретных площадках.

На данный момент для оценки тектонической опасности по г. Екатеринбургу можно использовать, главным образом, деформационные методы исследований. Основой этих методов являются наблюдения за деформациями зданий, сооружений, подземных объектов и коммуникаций.

Степень проявления тектонической активности в деформациях отдельных объектов зависит от многих факторов. Одним из наиболее значимых факторов является взаимодействие сооружения с геологической средой. Если здание возведено на дисперсных пластичных грунтах, то основание, как правило, служит своеобразной деформационной подушкой, снижающей воздействие тектонических деформаций. Рыхлые грунты, перекрывающие разлом, частично гасят упругие колебания и хрупкие деформации за счет протекания в грунтах пластических деформаций. Если сооружение возведено на скальных породах, то подвижки основания жёстко передаются на сооружение, что приводит к возникновению заметных деформаций. В некоторых случаях развиваются аварийных ситуации.

Важным фактором является размер и конструкция здания. Если здание способно деформироваться без разрушения, например – за счёт деформационных швов, то тектонические процессы будут приводить к меньшим негативным последствиям. В тех случаях, когда здание имеет значительную протяжённость и жесткую конструкцию, то вероятность аварийных деформаций возрастает. Определенную роль играет и время воздействия. Деформации зданий и сооружений могут происходить на протяжении десятков лет. Это означает, что современное динамическое воздействие по разлому не всегда приводит к быстрому разрушению, но служит важной причиной снижения срока эксплуатации сооружений.

Увеличение подвижности в зоне тектонического шва может происходить в результате техногенного воздействия на геологическую среду в зоне разлома. Причиной может послужить как возведение основного объекта, так и строительные работы на соседних участках. Разлом, как правило, находится в состоянии предельного равновесия и поэтому чрезвычайно чувствителен к динамическим воздействиям техногенного характера, а также к техногенным изменениям рельефа.

Практика показывает, что наиболее уязвимыми для воздействия активных разломов являются линейные инженерные сооружения (дороги, эстакады, водопроводы, тепловые сети). Участки дорог, которые, несмотря на частые ремонты, очень быстро деформируются и разрушаются, нередко располагаются на шовных частях активных разломов. Тяжёлые аварии могут возникать на транспортных развязках и эстакадах. Следует отметить, что аварийные ситуации в зоне строительства эстакад нередко развиваются ещё на стадии строительства, что связано с интенсивным техногенным воздействием на геологическую среду.

Среди городских подземных коммуникаций больше всего страдает водопровод. Водопроводная сеть состоит из относительно хрупких стальных и чугунных труб, заглубленных в грунт на глубину примерно 3 м. Трубы достаточно жёстко взаимодействуют с геологической средой и являются наименее защищенными по сравнению с другими видами подземных коммуникаций. Аварийность на водопроводных сетях является важным деформационным признаком при выделении подвижных зон активных тектонических разломов.

Анализ данных по аварийности водопроводной сети г. Екатеринбург показал, что значительная часть аварий происходит в пределах одних и тех же достаточно компактных участков (рис. 1) [2] . Безусловно, характер повреждений на линиях городского водопровода различный. В течение эксплуатации происходят переломы труб, возникают трещины, свищи, свищевая коррозия, разрыв труб. В нашем случае, при анализе фактических данных, в первую очередь, учитывались переломы и трещины, которые явно указывают на высокий уровень силового динамического воздействия. Повреждения такого характера составляют порядка 30% от общего количества аварийных ситуаций. При нанесении на карту города мест аварий с указанным типом повреждений за период 2004 – 2007 г.г., было выявлено, что большинство аварийных участков образуют на карте линейные «цепочки» (линеаменты) (рис. 2). Наличие линеаментов заставляет предполагать, что значительная часть аварий возникает в результате деформаций в пределах линейных зон тектонических нарушений.

На территории Среднего Урала исследования напряжённого состояния породных массивах выполнялись много лет в связи с разработкой месторождений полезных ископаемых [4, 6, 7]. Имеющиеся данные позволяют провести сравнительный анализ и оценить тектоническую обстановку на территории г. Екатеринбурга. Пространственное положение линеаментов, образованных точками аварийности, соответствует ориентировке активных разломов, выделенных на месторождениях Урала.

В геологической среде города, в настоящее время, главное максимальное напряжение ориентировано по азимуту около 260°. Существенно менее интенсивно проявляется вспомогательное направление действия напряжений по азимуту 285°. В целом геологическая среда подвергается субширотному сжатию. Напряжённое состояние действует в коренных породах, начиная с глубины примерно 50 м. Уровень горизонтальных напряжений, по аналогии с изученными объектами, оценивается примерно в 10 МПа и более.

Основные активные структуры на территории города по ориентировке, и преобладающей кинематике, можно объединить в три группы. По направлению, параллельному ориентировке главного напряжения, развиваются сбросо-раздвиги. Преобладающий азимут этих структур составляет 255 - 265° (рис. 3). Эти структуры следует рассматривать как наиболее опасные для наземных сооружений в связи с существенной вертикальной компонентой тектонической деформации.

Активные сдвиги левой кинематики (против часовой стрелки) развиваются по направлению 305-325°. Деформации по этим разломам появляются преимущественно в старых зданиях и дорожном покрытии. В последние годы активизировались движения по разломам с ориентировкой 195-215°. Подвижки по этим нарушениям носят сложный взбросо-сдвиговой характер. Отмечены случаи, когда деформации по этим разломам проявляются ещё на стадии строительства. Следует также указать, что протяжённый разлом этой ориентировки проходит через центральную часть города и увязывается с рядом известных неблагополучных объектов.

В целом следует отметить, что в геологической среде г. Екатеринбурга наблюдаются активные тектонические движения. Тектоническая активность позволяет предполагать, что возникновение сейсмических событий на территории города в настоящее время имеет низкую вероятность. Одновременно следует указать, что для многих объектов существует реальная многофакторная тектоническая опасность.

Изучение степени опасности активных тектонических нарушений является важной задачей, которая в каждом отдельном случае должна быть решена еще на стадии инженерно-геологических изысканий. Следует отметить, что общепринятые на сегодняшний день методы ведения инженерно–геологических работ в большинстве случаев не позволяют выполнить диагностику наличия активных тектонических нарушений.

При разработке мероприятий по минимизации последствий тектонического воздействия на существующие и возводимые объекты, необходимо отчётливо представлять направленность и интенсивность тектонических движений. Наличие активных разломов в обязательном порядке должно учитываться при проектировании и строительстве.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Величкин В.И., Кочкин Б.Т. Активность тектонических движений в районе ПО «Маяк» (Челябинская обл.) в связи с перспективой захоронения радиоактивных отходов. // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. – 2008. - №1 – С. 3–13. 2. Гуляев А.Н., Дружинин В.С., Дёмина А.Ю., Гладышева Р.М., Осипов В.Ю., Косолопов А.А. Современные активные зоны нарушения сплошности верхней части земной коры на территории Екатеринбурга. // Инженерная геология. – Март 2008. – С. 13–16. 3. Кострюкова Н.К., Кострюков О.М. Локальные разломы земной коры – фактор природного риска. – М.: Изд. Академии горных наук, 2002. – 239 с. 4. Лукьянов А.Е. Гидрогеомеханический анализ ориентировки водоносных тектонических структур в скальных породах // Изв. Вузов. Горный журнал. – 2008. - №8 – С. 182–184. 5. Макаров А.Б. Практическая геомеханика. Пособие для горных инженеров. – М.: изд-во «Горная книга», 2006. – С. 41–61. 6. Тагильцев С.Н. Использование тектонофизического анализа для оценки гидрогеологической роли разломов. // Тектонофизические аспекты разломообразования в литосфере: Тез. докл. Всесоюз. сов. – Иркутск, 1990. – С. 169-170. 7. Тагильцев С.Н. Основы гидрогеомеханики скальных массивов. Учебное пособие. – Екатеринбург: Изд-во УГГГА, 2003. 8. Тимурзиев А.И. Новейшая сдвиговая тектоника осадочных бассейнов: тектонофизический и флюидодинамический аспекты (в связи с нефтегазоносностью). // Автореферат диссертации на соискание ученой степени д.г.-м.н. – М, 2009. 9. Шерман С.Н., Днепровский Ю.И. Поля напряжений земной коры и геолого–структурные методы их изучения. – Новосибирск: Наука, 1989. – С. 41.

 

На главную