Chuyển động kiến tạo của vỏ quả đất gây ra do các năng lượng bên trong của quả đất làm biến đổi đất đá, kiến trúc và cấu tạo vỏ quả đất thông qua các chuyển dịch không đồng đều của vỏ quả đất. Chuyển động kiến tạo có ảnh hưởng rất lớn đến môi trường địa chất trước hết là ở mặt động lực, sau là sự biến đổi cấu tạo địa chất nói chung và cấu tạo đất đá nói riêng.
Vỏ quả đất luôn chuyển động và chuyển động không đồng đều cho các vùng khác nhau và ở thời gian khác nhau. Vó quả đất vừa tham gian chuyển động thẳng đứng vừa tham gia chuyển động ngang. Sự chuyển động không đồng đều là nguyên nhân cơ bản phá hoại đất đá và công trình.
Hiện nay có hai thuyết chú yếu giải thích nguyên nhân và động lực của chuyển động kiến tạo:
Thuyết lục địa thăng trầm coi vỏ quả đất chuyển dịch thẳng đứng là chính. Năng lực chuyển dịch phát sinh do các quá trình macma và dẫn đến tạo dòng đối lưu vật chất
1 2 0
trong vỏ quả đất. Hậu quả là mặt đất chuyển động nâng hạ sẽ biến lục địa thành biển và ngược lại.
T huyết lục địa trôi ngang coi chuyển dịch phát sinh do tốc độ quay của quả đất quanh trục bắc nam của nó. Lực chuyển động kiến tạo vô cùng lớn, nhưng tốc độ chuyển động nhỏ. Sự va chạm do chuyển động không đồng đều ở chỗ tiếp giáp giữa các mảng vỏ lục địa có thể là nguyên nhân gây ra động đất.
1.1. Các dạng cấu tạo địa chất
Chuyển động kiến tạo làm biến dạng và phá huỷ các kiến trúc và cấu tạo ban đầu ở vỏ quả đất, hình thành các hình thái kiến trúc và cấu tạo mới gọi là các cấu tạo do kiến tạo. Dựa vào hình dáng và tính chất của các dạng cấu tạo có thê’ chia ra cấu tạo nếp uốn, cấu tạo đứt gãy...
Cấu tạo nếp uốn hình thành khi các tầng đá bị uốn cong, nghiêng đảo... nhưng vẫn không mất tính liên tục của tầng đá. Khi các lớp đá trầm tích và phun trào bị uốn nếp, các chỗ lồi lên gọi là nếp lồi (bối tà), các chỗ võng xuống - nếp lõm (hướng tà), (hình 3-1).
Kích thước các nếp uốn có thể từ vài mét đến vài km, vài chục km.
H ì n h 3 -1 : Sơ dồ Cấu tạo nếp uốn
a ) S ơ đ ồ khối một nếp uốn gồm có nếp lổm (a ), nếp lồ i (b ) với cá c mặt trụ c 1 và 2 (a, b) và cá c tầng đủ theo thứ tự già trẻ I, I I , I I I , N , V ; b) Sơ đồ cá c yếu t ố của nếp uốn;
A A ' - đỉnh nếp lốm ; B B ' - đỉnh nếp lồ i; a - góc đ ỉn h ; h - chiểu c a o ; a - chiều rộ n g ; ỉ ,2,3,4 - các điểm uốn
Các yếu tố của. nếp uốn gồm có:
Mặt trục: mặt đi qua đỉnh vòm chia nếp uốn ra làm hai phần đều nhau. Mặt trục có
thể phảng, cong, đứng hoặc nghiêng.
Cánh: phần tầng đá bị nghiêng đi ở hai bên mặt trục.
Đường trục: giao tuyến giữa mặt trục và mặt tầng đá.
ở nếp oằn thường xuất hiện khe nứt và bề dày tầng đá thay đổi. Khi một nếp uốn gồm nhiều nếp uốn nhỏ hơn hợp lại gọi là nếp uốn phức.
Cấu tạo khe nứt và đứt gãy làm cho tầng đá mất tính liên tục và hoàn chỉnh. Ớ mức độ biến vị thấp, trong đá xuất hiện khe nứt. Khi cường độ lực tác dụng lớn hơn thì xảy ra sự dịch chuyển các phần của tầng đá với nhau, tạo ra đứt gãy.
Khe nứt kiến tạo có đặc điểm chung là thường sâu, cắt qua nhiều tầng đá và phân bố theo quy luật nhất định, song song với nhau hoặc cắt nhau theo những góc xác định, tuỳ thuộc phương và cường độ của lực kiến tạo.
Có các loại khe nứt kiến tạo sau:
Khe nứt căng thường xuất hiện ở vòm nếp uốn và vuông góc với mặt lớp, do đá bị
kéo. Có hai hệ thống khe nứt; dọc (song song với trục nếp uốn) và ngang (vuông góc với trục nếp uốn). Khe nứt thường mở rộng với bề mặt không trơn nhẵn.
Khe nứt cắt do lực cắt tạo nên, phân cắt mặt tầng đá thành các hình thoi. Phương
khe nứt cắt thường tạo với trục nếp uốn một góc xấp xỉ 45°. Mặt khe nứt trên nhẵn và khép kín.
Khe nứt tách gặp trong tầng đá bị uốn nếp mạnh. Bao gồm khe nứt tách phá song
song với mặt lớp, mặt khe nứt mở rộng và khe nứt tách chạy song song với mặt trục, mặt khe nứt khép kín. Các khe nứt này tách đá thành các khối mặt thoi.
Khi các tầng đá dịch chuyển tương đối với nhau theo mặt khe nứt sẽ hình thành đứt gãy (hình 3-2). Mặt đứt gãy (mặt trượt) được xác định bằng góc nghiêng so với mặt phẳng nằm ngang. Trong quá trình dịch chuyển, đá ở phạm vi lân cận mặt đứt gãy bị nghiền nát vụn, hình thành đới phá huỷ kiến tạo. Cự ly chuyển dịch s của tầng đá theo mặt đứt gãy có thể đạt vài nghìn mét. Có thể chia ra cự ly dịch chuyển ngang N và cự ly dịch chuyển đứng H.
Phần đá ở hai bên mặt trượt gọi là cánh, gồm có cánh trên - nằm trên mặt trượt và cánh dưới - nằm dưới mặt trượt. Theo đặc tính dịch chuyển các cánh, chia ra: đứt gãy thuận, đứt gãy nghịch, đứt gãy ngang, dứt gãy nghịch chờm (hình 3-3).
1 2 2
H ì n h 3 -2 : Đ út gãy a ) C á c yếu t ố cửa đí(t g ã y; b) Ánh chụp một dítt gãy ỏ C a rrig o ( M ỹ )
H ì n h 3 -3 : C á c lo ại dứt gãy a ) Đ ítt gãy th u ậ n ; b) Đ í(t gãy n g h ịch ; c ) Đứt gãy nghịch cliờ m ; d) Đ írt gãy ngang
Theo hướng ứng suất tác dụng, các kiểu đứt gãy được hình thành và có các đặc trưng sau (hình 3-4).
Đứt gãy thuận có mặt đứt g c ã y nghiêng cánh trên tụt xuống và cánh dưới trồi lên.
Đới cà nát rộng nhưng mức độ cà nát thấp, khe nứt mờ rộng.
ửng suất cầt
^ Cắt (chuyển dịch ngang)
H ì n h 3 -4 : Quan hệ giữa hướng ứng suất và kiểu đítt gãy
Đứt gãy nghịch có cánh trên trồi lên,
cánh dưới tụt xuống. Mặt đứt gãy khép chặt.
Khi đứt gãy phát triển mạnh sẽ hình thành đứt gãy nghịch chờm.
Đứt gãy ngang có hai cánh dịch chuyển
tương đối theo phương ngang. Trong thực tế, các đứt gãy có thể phát triển thành hệ đứt gãy để hình thành địa luỹ, tạo nên các dãy núi cao như Antai, Thiên Sơn, Pamia... hoặc địa hào, tạo nên các hố hẹp và sâu như hồ Baican, bể Hồng Hải... (hình 3-5).
H ì n h 3 -5 : Đ ịa lu ỹ (b ) và đ ịa hào (a )
Các khe nứt kiến tạo cùng với các khe nứt có các nguồn gốc khác khi có mặt trong đá đã ảnh hưởng rất lớn đến tính chất xây dựng của đá. Bảng 3-1 nêu đặc trưng của các loại khe nứt có nguồn gốc khác nhau.
124
B ả n g 3 - 1 . Đặc trưng các loại khe nứt có nguồn gốc khác nhau (theo L.I. Nayxtat)
L o ạ i k h e n ứ t Đ ặ c t r ư n g v ề h ìn h th á i Ả n h h ư ở n g c ủ a k h e n ú t t ớ i t ín h
c h ấ t x â y d ự n g c ủ a đ á
Nguyênsinh
T ro n g đá m a c m a
P hâ n b ố s o n g so ng hoặc v u ô n g g ó c vớ i bề m ặ t n g u ộ i lạnh, chia đá th à n h kh ối nứt hình g ố i đệm , hình hộp, hình lă n g trụ.
T ro n g đá trầ m tích
K he nứt n g h iê n g và co ng, thư ờ n g cắ t v u ô n g g ó c h o ặ c so ng song vớ i m ặ t lớp và c h ia đ á th à n h cá c kh ối n hiều m ặ t c ó d ạ n g lăng trụ, khối th á p ...
T ro n g đá c á c b o n a t, khe nứt x u ấ t hiện tro n g q u á trìn h đ o lo m it hoá và kh ử đ o lo m it. V á c h k h e nứt bằng p h ẳ n g , có c h ỗ th à n h b ậ c do c ắ t qua tinh thể.
L ớ p
Liên q u a n v ớ i q u á trình thành tạ o trầ m tích và h o á đ á. X u ấ t hiện ở ranh giới c á c lớp c ó th à n h p h ấ n th ạ ch h ọ c k h á c n h a u h o ặ c b ê n tro n g lớp do c á c đá p h ả n ứng k h á c n ha u với tá c d ụ n g n u n g n ó n g , làm lạnh, o xy hoá, th u ỷ h o á và á p lực. T h à n h tạo các kh ối nứt d ạ n g tấ m d à y tro n g đá cá t kế t và cu ộ i kết, d ạ n g tấ m m ỏ n g tro n g đá b ột kết.
C h ú ý tớ i th à n h p h ầ n th ạ c h h ọ c và điề u k iệ n th ế n ằ m c ủ a đá.
K he n ú t p h á t triể n m ạ n h tro n g đá c á c b o n a t và là m c h o đá th ấ m nư ớ c lớn. T rư ờ n g h ợ p h ư ớ n g đá đ ổ về phía b ờ d ố c là n g u y h iể m vì d ễ g â y ra h iệ n tư ợ n g đ á trư ợ t
Kiến tạo
L iê n q u a n đ ới p h á h u ỷ k iế n
tạ o
Liên q u a n v ớ i sự nén hiếm hơn là do sự k é o c ủ a v ỏ quả đất. P hân c h ia ra c á c loại kh e nứt củ a đứt g ã y th u ậ n , đứt g ã y n g h ịc h , đứt g ã y ngang. V á c h k h e nứt p h ă n g . K he nứt cẳ t qua cả c á c tin h th ể lớ n tro n g đá m a cm a , cá c h ạt c u ộ i c ủ a đá cu ội kết. P hân bô tới đ ộ s â u rấ t lớn.
R ất k h ô n g th u ậ n lợi kh i x â y dựng:
T h ư ờ n g là k h e nứt hở, k é o dài, độ sâu lớn n ê n g â y ra tính th ấ m m ạ n h ; tro n g đ á c á c b o n a t s ẽ tạ o th u ậ n lợi ch o h iệ n tư ợ n g k a rs t p h á t triể n .
ở c á c đ ớ i p h á h u ỷ k iế n tạ o , đá bị vụn m ạ n h n ê n d ễ bị p h o n g h oá và m ấ t ổn đ ịn h.
K h ô n g liê n q u a n đ ớ i
p h á h u ỷ k iế n tạ o
C á c k h e nứt hẹp, p hâ n b ố th e o hệ th ố n g n h ấ t đ ịn h . T h ớ ch ẻ là hệ th ố n g c á c k h e nứt s o n g so n g d à y đặc, cá ch n h a u k h ô n g q u á 3 cm , kh ôn g trù n g với cấu tạ o n g u y ê n sinh, đ ố i với đá trầ m tích k h ô n g trù n g cấu tạ o lớp.
C á c k h e nứt d ạ n g n à y k h ô n g làm tă n g n h iề u k h ả n ă n g th ấ m nư ớ c củ a đá. L à m c h o đ á d ễ bị p h o n g h o á và g iả m n h iề u k h ả n ă n g ổn đ ịn h củ a đá.
G iả m tả i ở s ư ờ n th u n g lũ n g
T h à n h tạ o ở b ờ bị c ắ t xén, khe nứt có bề rộ n g lớ n , co n g h o ặ c thà n h bậc.
X u ố n g sâ u k h e nứt bị th u hẹp.
G â y n g u y h iể m lớn khi x â y dựng cồ n g trìn h th u ỷ c ồ n g vì làm c h o đ ấ t đá th ấ m n ư ớ c lớn, v ù n g b ờ bi su p lở.
P h o n g hoá P hâ n b ố c h ủ yế u ở đ ới trên m ặ t và
g iả m th e o đ ộ sâu. M ạ n g khe nứt dày đ ặc. K h e nứt k h ô n g có hình d ạn g n h ấ t đ ịn h, c o n g và thư ờ n g p h á t triể n trên cá c kh e nứt có n g u ồ n g ố c khác.
C ầ n q u a n tâ m c h iề u sâ u p h â n b ố c á c k h e nứt p h o n g h o á đ ể x á c địn h đới đo vẽ và c h iề u sâu cầ n x im ă n g hoá.
o
1.2. Anh hưởng của cấu tạo địa chất kiến tạo đến công trình
Nhìn chung, các dạng cấu tạo địa chất kiến tạo đều làm cho đất đá giảm cường độ, giảm tính đồng nhất, tăng tính thấm... đòi hỏi các biện pháp xử lý phức tạp và tốn kém khi xây dựng.
Khi tầng đá nằm nghiêng và nhất là khi bị uốn nếp, nền công trình phải đặt trên nhiều tầng đá khác nhau, có khả năng công trình bị lún không đồng đều.
Kết cấu, phương án thi công đường kênh, đường giao thông, đường hầm... sẽ phức tạp hơn khi tầng đá nằm ngang, phải thay đổi theo sự biến đổi tính chất xây dựng của các loại đá (hình 3-6).
Các khe nứt kiến tạo, khe nứt mặt tầng (được mở rộng do các tầng đá trượt lên nhau trong quá trình uốn nếp) và nhất là các đới phá huỷ kiến tạo, có thể làm cho nền đập, mái kênh, mái đường... bị mất ổn định, trượt lở, thấm mất nước.
H ìn h 3 -6 : Ảnh hưởng của biến v ị kiến tạo đến
x â y dựng . a) N ền đồng n h ất; b) N ền không dồng n hất;
c) K ế t cấu, phương án thi công đường hầm
rlìay đ ổ i theo tuyến
Khi các tầng đá nghiêng về hạ lưu thì đập dễ xảy ra trượt, thấm mất nước... hơn là tầng đá khi dốc về thượng lưu (hình 3-7).
Đối với hồ chứa khả năng giữ nước khi nằm trong cấu tạo nếp lõm, còn dễ mất nước về một bên ở cấu tạo đơn nghiêng hoặc về hai bên ở cấu tạo nếp lồi (hình 3-8).
H ìn h 3 -7 : Trư ờng hợp 2 d ễ trượt, mất nước hơn
trường hợp 1
Mặt đường và nền đường ổn định hơn khi tầng đá cắm vào sườn dốc (hình 3-9).
H ì n h 3 -8 : Lũ n g sông trong cấu tạo nếp uốn a) N ếp lõm ; b) Nếp lồ i; c) Đơn nghiêng
126
H ì n h 3 - 9 : T u yến dường ổn định trong trường hợp 1;
không ổn định trong cá c trường hợp 2, 3 , 4
Với đường hầm, tuỳ theo tuyến công trình song song hay vuông góc với đường phương các tầng đá mà khả năng ổn định của đường hầm cũng sẽ khác nhau.
Khi tuyến đường hầm chạy sona song với đường phương các tầng đá thì có các trường hợp sau (hình 3-10):
Khi các tầng đá nằm ngang, đường hầm chỉ nằm trong một tầng đá hay một số tầng nào đó. Cần chú ý khả năng ổn định của vòm đường hầm đặc biệt khi có mặt tầng đá nứt nẻ phân vụn mạnh, tầng đá mềm yếu.
Khi các tầng đá nằm nghiêng, nếu góc dốc tương đối nhỏ sẽ tạo các hình nêm tụt xuống, gây áp lực cục bộ lên vỏ đường hầm và nguy hiểm trong lúc xây dựng; khi góc dốc lớn, cần chú ý các tầng kẹp mềm yếu, các tầng có tính thấm nước cao vì chúng dễ gây trượt dọc tuyến chọn.
Khi các tầng đá uốn nếp sẽ xảy ra ba trường hợp nếu đường hầm chạy dọc trục nếp lồi, do đính bị nứt nẻ mạnh nên dễ gây sụt vòm nhưng có thuận lợi là áp lực đất, áp lực nước nhỏ dễ thoát nước khi thi công. Khi đường hầm chạy dọc trục nếp lõm thì do áp lực đất đá và áp lực nước đều lớn nên rất nguy hiểm cho thi công và khi công trình làm việc. Còn khi đường hầm bố trí ở các cánh nếp uốn thì điều kiện làm việc tương tự khi tầne đá nằm nghiêng.
H ì n h 3 -1 0 : Đ ường lĩầm song song vói đường phương tầng đá.
a ) Nằm ngang; b) Nằm nghiêng; c) Dựng dứ ng;
cl) Đ ính nếp lồ i; e) Đ ính nếp lõ m ; f ) Cánh nếp uốn
a) b) Khi tuyến đường hầm vuông góc với
đường phương của các tầng đá thì việc thiết kế và thi công tương đối phức tạp, do tuyến cắt qua nhiều loại đất đá khác nhau, các đặc trưng xây dựng sẽ biến đổi nhiều dọc theo tuyến. Khi các tầng đá nằm nghiêng có góc dốc nhỏ thì dễ hình thành các nêm đá trượt xuống, gây khó khăn cho thiết kế và thi công (hình 3-11). Khi tầng đá dốc đứng, mức độ ổn định tốt hơn nhiều so với trường hợp bô' trí song song đường phương, các tầng kẹp mềm yếu trong trường hợp này không đáng ngại. Điều kiện xấu nhất khi tầng đá vò nhàu, uốn nếp mạnh.
H ì n h 3 -1 1 : Đ ường hầm vuông góc với
dường phương tầng đá a )T ầ n g đá nằm nghiêng;
b) T ầ n g đá dốc đứng.
Trường họp có đứt gãy sẽ làm cho nền công trình không đồng nhất sinh ra thấm mất nước, mất ổn định của công trình. Các đứt gãy lớn kéo dài thì việc xử lý rất khó khăn, tốn kém. Các đứt gãy chạy dọc lũng sông thường rất nguy hiểm và khó tránh khi xây dựng đập. Đối với các đứt gãy xiên chéo lũng sông thì thế xê dịch vị trí đập để tuyến đập không cắt qua đứt gãy. Đường hầm cắt qua đứt gãy sẽ ít bất lợi trong thoát nước thi công, xử lỷ áp lực đá hơn khi chạy dọc theo đất gãy.
Để đánh giá mức độ ảnh hưởng của các biến vị cấu tạo đến công trình cần phải nghiên cứu các vấn đề sau:
Thế nằm của tầng đá, đứt gãy, các khe nứt kiến tạo, và quan hệ của chúng với công trình.
Mật độ, kích thước và các đặc tính của khe nứt. Đá có khe nứt mở rộng, bì phân cắt thành các khối nhỏ sẽ có cường đô thấp, tính thấm lớn. Lưu ý loại vật liệu lấp nhét khe nứt: thạch anh, canxit làm cho đá có cường dộ cao hơn khi chứa sét. Vật liệu sét làm giảm tính thấm nước của đá hơn là vật liệu cát.
Đối với các đứt gãy cần nghiên cứu loại đất gãy, quy mô, đặc điểm đới cà nát (mức độ vỡ vụn, gắn kết).
. Các chuyển động thãng trầm đang diễn ra với tốc độ rất nhỏ hiện nay có thể làm thay đổi chế độ thuỷ văn, cường độ xâm thực và tích tụ, ảnh hưởng đến điều kiện làm việc của các công trình ven biển.