کارشناسی مفهوم علمی ۸ آبان ۱۳۹۷ زمان خواندن: ۱۴ دقیقه

با انواع ساخت های زمین شناسی آشنا شوید

در این پست می‌خوانید:

در این نوشتار به انواع ساخت های زمین شناسی ، گسل و ناپایداری تونل ها، پدیده کارستی شدن و در انتها به شيستوزيته خواهیم پرداخت. با ما همراه باشید.

بر اثر عملكرد متقابل مواد تشكيل دهنده پوسته زمين با فرآيند تغيير شكل دهنده بيروني و دروني، اشكال و ساخت های زمین شناسی متنوعي به وجود مي آيند. يكي از هدف هاي اصلي زمين شناسي، شناسايي، تعبير و تفسير اين ساخت ها در صحرا و به نقشه در آوردن آن ها است. ساختمان زمين شناسي در هر سه گروه اصلي سنگ ها، يعني آذرين، دگرگوني و رسوبي ايجاد مي شود.

ساخت های زمین شناسی متنوع موجود در سنگ ها را مي توان به دو گروه عمده ساخت هاي اوليه كه همزمان با تشكيل سنگ ايجاد شده اند و ساخت هاي ثانويه كه نتيجه تغييرات بعدي به روي سنگ هستند، تقسيم بندي كرد. ساخت هاي اوليه ممكن است در هر سنگي به وجود آيند. لايه بندي و انواع ساخت هاي موجود در سطح و داخل لايه ها از ساخت هاي اوليه سنگ هاي رسوبي هستند. اشكالي مانند باتوليت، دايك و جريان گدازه نيز جزء ساخت هاي اوليه سنگ هاي آذرين به حساب مي آيند. ساخت های زمین شناسی ثانويه اغلب بر اثر نيروهايي كه پس از تشكيل سنگ عمل نموده اند ايجاد مي شوند. مجموعه فرآيندهايي كه باعث تغيير شكل فيزيكي ثانوي سنگ ها و ايجاد ساخت هاي مختلف در آن ها مي شوند، تكتونيك نام دارد. عمده ساخت های زمین شناسی ثانويه را مي توان چين خوردگي، گسل، درزه، و … نام برد.

ساخت هاي سنگ آذرين

توده سنگ هاي آذرين كه از سخت و جامد شدن مواد مذاب در داخل يا سطح زمين ايجاد مي شوند، اشكال بسيار متنوعي دارند. زماني كه مواد مذاب در داخل پوسته زمين جا گرفته و همان جا منجمد مي شود، اشكال مختلفي را به وجود مي آورد كه ساخت هاي سنگ آذرين از انواع ساخت های زمین شناسی مي نامند. اين ساخت ها از نظر شرايط تشكيل و همچنين موقعيت و طرز قرار گرفتن در سنگ درون گير انواع مختلفي دارند.

جدول 1 – ساخت هاي سنگ آذرين از انواع ساخت های زمین شناسی

لايه بندي

يكي از بارزترين مشخصات سنگ هاي رسوبي لايه بندي و يا تشكيل آن ها از لايه هاي متعدد است. لايه بندي ممكن است در نتيجه تغيير در درشتي و يا نوع مواد به وجود آمده و يا در نتيجه انقطاع در امر رسوب گذاري حاصل شده باشد. تغييرات در نوع رسوبات ممكن است در نتيجه عوامل زير حاصل شود :

تغييرات ناشي از جريان هاي آب
تغييرات فصلي
تغييرات اقليمي
نوسان هاي سطح آب دريا
تغييرات بارز در نوع و تعداد موجودات

ضخامت لايه هاي رسوبي ممكن است از يك ميليمتر در يك شيل تا چندين متر و يا بيشتر در رسوبات آهكي و يا آواري تغيير كند. در صورتي كه هيچ نوع لايه بندي مشخص در محيط وجود نداشته باشد به آن توده اي گفته مي شود.

معمولاً لايه ها در زمان تشكيل به صورت افقی و تقريباً موازي با سطح محل رسوب گذاري تشكيل مي شوند. اما در خيلي از نقاط سطح رسوب گذاري مسطح نبوده و زمين آن داراي پستي و بلندي و يا شيب هايي است كه به ندرت حتي تا 30 درجه هم ممكن است برسد. شيب هاي زياد اوليه را عموماً مي توان در حوزه هاي كوچك و محدود مشاهده نمود.

چین خوردگی

يكي از معمول ترين پديده هاي ساختاري سنگ ها، چين خوردگي است كه اگر چه در سنگ هاي لايه اي به خوبي مشخص است، اما در حالت كلي، چين خوردگي در تمام انواع سنگ ها اتفاق مي افتد. در صورتي كه طبقات بيشتر از حالت ارتجاعي خود تحت فشار قرار گيرند خمش و يا موج هايي در آن ها ايجاد مي شود كه به آن چين خوردگي می گويند. علت چين خوردگي ممكن است تابع عوامل مختلفي مانند تزريق مواد از زير، فشار ناشي از وزن مواد فوقاني و نيروهاي تكتونيكي جهت دار باشد. ابعاد چينه اي حاصله در سنگ ها در مقياس وسيعي متفاوت است و طول موج چين از چند سانتي متر تا چندين كيلومتر تغيير مي كند. شكل 1 نمونه اي از رخنمون يك چين خوردگي در طبيعت را نشان مي دهد.

شكل 1 – رخنمون يك چين در طبيعت (مسير جاده تهران – چالوس)

بروز چين خوردگي در سنگ ها، سبب ايجاد تغييرات ژئومکانيكي در آن ها مي شود كه از جمله آن ها مي توان به ايجاد درز و ترك در سنگ هاي مقاوم و نيز توسعه تنش هاي برشي در منطقه فشاري چين اشاره كرد. در مورد سنگ هاي چين خورده، اغلب پديده تمركز تنش نيز اتفاق مي افتد و در مواردي كه ميزان اين تنش ها زياد باشد، ممكن است به هنگام حفر تونل، پديده انفجار سنگ را در پي داشته باشد. وجود چين خوردگي در سنگ سبب كاهش مقاومت آن مي شود و در اثر احداث تونل ممكن است درز و شكاف هاي بيشتري را در سنگ سبب شود. شكل 2 مثال هايي از تاثير چين خوردگي را در حفر تونل نشان مي دهد.

شكل 2 – وجود شرايط ناپايدار در سقف و ديواره تونل به علت درز و شكاف هاي ناشي از چين خوردگي

گسل

گسل ها دسته اي از شكستگي ها هستند كه سنگ هاي واقع در دو سوي آنها نسبت به هم حركت كرده اند. مقدار اين جابجايي ممكن است از چند ميلي متر تا صدها متر باشد. اندازه طول گسل ها نيز بسيار متغير و از چند سانتي متر تا هزاران كيلومتر مي باشد. شكل 3 انواع گسل را نشان مي دهد.

پبسنهاد مطالعه: شناخت انواع گسل با شکل و مشخصات آنها

شكل 3 – انواع گسل از ساخت های زمین شناسی

وجود گسل سبب ايجاد صفحات شكستگي در سنگ مي شود كه پس از حفر تونل، احتمال لغزش قطعات سنگ را به دنبال دارد. در مورد مسائلي كه ممكن است به هنگام حفر تونل در سنگ هاي گسل خورده پيش آيد، به موارد زير مي توان اشاره كرد:

الف – در چندين مورد، حركات مكرر ادواري زمين ديده شده است. اگر در منطقه فعاليت هاي تكتونيكي و آذرين هنوز فعال باشند، اين امر اهميت بيشتري دارد.

ب – در بسياري موارد، گسل ها معبري براي حركت آب هاي زيرزميني هستند و در عين حال، در بعضي موارد ممكن است با جابجا كردن سنگ ها و قرار دادن سنگ هاي نفوذناپذير در برابر سنگ هاي نفوذپذير، مانند يك سد طبيعي مانع حركت آب زيرزميني شوند. حركت آب زيرزميني از ميان بعضي از سنگ ها مانند سنگ آهك ممكن است سبب فرسايش دروني و ايجاد حفره در سنگ شود و در سنگ هاي ديگر، دگرساني سنگ را به دنبال داشته باشد.

ج – لغزش سنگ ها در دو سمت صفحه گسل، سبب دگرگوني سنگ هاي طرفين مي شود.

د – ضخامت منطقه خرد شده گسل ممكن است به ده ها متر برسد. بديهي است اين منطقه حاوي سنگ هاي خرد شده و به شدت ضعيف است و اگر چه در ابتداي تشكيل گسل در بين قطعات سنگ خرد شده فضاي خالي وجود دارد ولي به مرور اين فضاي خالي با قطعات ريزتر و رسوبات پر مي شود و برش گسل را تشكيل مي دهد. منشاء اين خرده سنگ ها ممكن است سنگ هاي بالا يا پايين صفحه گسل باشد.

ه – سنگ های خرد شده ناشي از حركت و لغزش ديواره هاي گسل، كه در امتداد صفحه گسل متمركز هستند، معمولاً به نام گوج ناميده مي شوند. در بعضي موارد اين گوج ها حاوي مواد رسي هستند كه در اثر جذب آب، توده خميري شكلي را تشكيل مي دهند كه ممكن است به مرور زمان به سمت تونل حركت كنند و سبب ريزش هاي خطرناكي در داخل تونل شوند.

در مواردي كه تونل با منطقه ضخيمي از گوج گسل برخورد كند و سطح ايستابي بالاتر از تراز تونل باشد، خطر رانش اين توده ها به داخل تونل وجود دارد. بدين ترتيب آگاهي از وضعيت و ضخامت گوج گسل از جمله نكات مهمي است كه بايد در طراحي تونل مورد توجه قرار گيرد.

و – سطوح گسل، نشانگر صفحات با اصطكاك ضعيف اند. بنابراين در امتداد اين صفحات، احتمال لغزش سنگ ها به داخل تونل وجود دارد.

ز – گسل و شكستگي هاي همراه آن معبر مناسبي براي نفوذ آب زيرزميني به اعماق و به داخل سنگ هاي طرفين گسل هستند. اين امر سبب دگرساني و هوازدگي سنگ ها و در نتيجه كاهش مقاومت آن ها تا عمق قابل توجهي نسبت به سطح زمين مي شود.

ح – وضعيت نسبي امتداد گسل و تونل نيز از جمله مسائل مهمي است كه در طراحي تونل بايد مدنظر قرار گيرد زيرا طولي از تونل كه در معرض گسل و تبعات آن قرار مي گيرد، تابع اين وضعيت نسبي است. شكل 4 مثال هايي از نقش گسل در ناپايداري تونل ها را نشان مي دهد.

شكل 4 – مثال هايي از نقش گسل در ناپايداري تونل ها

درزه

درزه ها نوعي از شكستگي ها هستند كه در امتداد آن ها هيچ گونه جابجايي صورت نگرفته است. درزه ها معمولاً به صورت دسته هاي موازي هم، در سنگ ها ديده مي شوند و از انواع ساخت های زمین شناسی به حساب می آیند. معمولاً در بين دسته درزه ها، دو دسته از آن ها از نظر فراواني مهم تر هستند كه اين دو دسته درزه تقريباً بر هم عمود هستند. بعضي از محققين اعتقاد دارند كه در سنگ هاي آذرين درشت دانه، خصوصاً گرانيت، معمولاً سه دسته درزه مشخص ديده مي شود كه در اثر آن ها، سنگ به قطعه هاي منشوري شكل تقسيم مي شود. در مورد سنگ هاي رسوبي نيز در اكثر موارد سه دسته درزه وجود دارد كه يكي از آنها به موازات لايه بندي است، حال آنكه دو دسته ديگر تقريباً به حالت عمود بر سطح لايه بندي قرار دارند. شكل 5 نمونه هايي از گسل و درزه در طبيعت را نشان مي دهد.

شكل 5 – برش عرضي از گسل در مجاورت تونل كندوان – درزه اي با پرشدگی

فاصله درزه ها در سنگ آهك و ماسه سنگ بعضاً چند متر و در مورد شيل ها، اين فاصله كمتر است. در مورد سنگ هاي دگرگوني نيز معمولاً دو يا چند دسته درزه ديده مي شود كه يكي از آن ها به موازات سطح تورق سنگ است. معمولاً با افزايش عمق سنگ فاصله درزه ها افزايش و عرض آن ها كاهش مي يابد. از آنجا كه درزه ها نيز مانند گسل ها و چين خوردگي ها، حاصل تاثير عوامل تكتونيكي موثر بر سنگ هستند، لذا هميشه بين اين ساختارها، رابطه اي وجود دارد. بدين ترتيب در حوالي محور چين خوردگي ها و سطح گسل ها، درزه هاي فراواني را بايد انتظار داشت. البته در بعضي موارد دسته درزه هايي بدون ارتباط با ساير ساختارهاي تكتونيكي ديده مي شود كه منشاء آن ها را بايد جدا از منشاء ساختارهاي تكتونيكي ياد شده، جستجو كرد.

بايد توجه داشت كه وضعيت درزه ها در سطح سنگ ها با آنچه كه به هنگام حفر تونل ديده مي شود، متفاوت است. زيرا بسياري از عوامل هوازدگي در گسترش درزه هاي سطحي سنگ دخيل هستند و از آنجا كه عمق نفوذ عوامل هوازدگي محدود است، لذا در حالت كلي در محور تونل، بجز در حوالي دهانه تونل اثر نمي كنند. شكل 6 مثال هايي از تاثير درزه در پايداري تونل را نشان مي دهند.

شكل 6 – مثال هايي از تاثير درزه در پایداری تونل

به طور كلي مي توان گفت كه وجود درزه، سبب ضعيف شدن توده سنگ مي شود و بنابراين زمان پايداري سنگ را تغيير مي دهد. درزه ها، مدل شكستگي سنگ ها را هم تغيير مي دهند و در خطرات ريزش سنگ به هنگام حفر تونل نيز تاثير مي گذارند. بدين ترتيب به هنگام طراحي سيستم حفاري و نگهداري تونل، حتماً بايد وضعيت سيستم درزه هاي سنگ را مدنظر قرار داد.

زمين آماس پذير

آماس كف تونل يكي از پديده هاي عادي تونل سازي در زمين هاي آماس پذير، به ويژه در سنگ هاي رسوبي ضعيف است که از انواع ساخت های زمین شناسی به حساب می آید. منظور از زمين آماس پذير، خاك ها و مواد سنگي سست و شكل پذيري است كه در اثر آب و در نتيجه تاثير نيروي وزن به سمت تونل رانده مي شوند و وضعيت تنش در اطراف تونل را به هم مي زنند. در شكل 7 مثال هايي از مسائل مربوط به زمين هاي تورم پذير در ارتباط با حفر تونل نشان داده شده است.

شكل 7 – تاثير زمين آماس پذير ( از ساخت های زمین شناسی ) بر روي پايداري تونل

از كاني هاي رسي به عنوان عوامل آماس نام مي برند. آب در سطح خارجي كاني هاي رسي جذب مي شود و در سطح داخلي كاني هاي رسي لايه هاي متورم شونده قرار گرفته اند. فشار تورم بستگي به فاصله بين ذره اي داشته و همچنين تابعي از فاصله ميان توده هاي ما بين لايه هاي متورم شونده مي باشد. عمده كاني هاي رسي شامل كائولينيت، مونت موريلونيت و ايليت مي باشند. سنگ هايي از قبيل گوج گسل، لاي سنگ، سنگ رس و سنگ هاي دگرسان شده آذر آواري و نيز سنگ هاي ميكادار معمولاً خاصيت آماس پذيري دارند.

زمين هاي مچاله شونده

در ابتدا به دليل اينكه در هر دو سنگ آماس پذير و مچاله شونده تغيير شكل هاي بزرگي ايجاد مي شد، تفاوت زيادي بين اين دو نوع سنگ قائل نشده و اين دو نوع سنگ در يك گروه قرار مي گرفتند. اولين تعريف علمي براي سنگ های مچاله شونده توسط ترزاقي ارائه شد. طبق تعريف وي سنگ هايي كه بدون افزايش حجم محسوس به آرامي به درون تونل پيشروي كنند مچاله شونده مي باشند. طبق تعريف انجمن بين المللي مكانيك سنگ، آن دسته از سنگ ها كه برش وابسته به زمان سنگ، سبب حركت پيرامون تونل به سمت داخل شود مچاله شونده هستند.

زمين هاي رانشي

در مواردي كه احتمال جريان آزاد مواد خاكي به داخل تونل وجود داشته باشد، به منظور مقابله با آن بايد تمهيدات ويژه اي را براي حفاری و پوشش نگهداري تونل در نظر گرفت. اگرچه در مناطق گرم و خشك، به ويژه وقتي كه تونل در مواد سست و نامتراكمي حفر مي شود كه در نزديكي سطح زمين قرار دارند، احتمال فروكش مواد به صورت خشك وجود دارد، اما در حالت كلي مواد رانشي حاوي مقدار قابل توجهي آب و به حالت اشباع هستند. شكل 8 مثالي از فروكش مواد به داخل تونل را نشان مي دهد. به طوري كه ديده مي شود، تونل در رسوبات يك رودخانه قديمي مركب از مواد نامتراكم مثل شن و ماسه حفر شده است. معمولاً فروكش اين مواد وقتي اتفاق مي افتد كه به حالت اشباع باشند. فروكش مواد ممكن است پس از حفر تونل نيز اتفاق افتد. در چنين مواردي در اثر تداوم ريزش ها، حفرات بزرگي ايجاد مي شود كه امكان دارد آب به داخل آن راه يابد و سفره آب زيرزميني تشكيل شود. مراحل مختلف چنين اتفاقي در شكل 9 نشان داده شده است. شكل هاي 10 و 11 نمونه هاي عيني از فروكش زمين به داخل تونل را نشان مي دهد.

شكل 8 – فروكش مواد نامتراكم به داخل تونل به هنگام برخورد تونل با رسوبات رودخانه اي قديمي

شكل 9 – فروكش هاي متوالي مواد سست

شكل 10 – نمايي از فروكش مواد به داخل تونل

شكل 11 – دو نما از فروكش مواد به داخل تونل

كارستي شدن

پديده كارستي شدن در نتيجه انحلال سنگ در آب زيرزميني به وجود مي آيد و از انواع ساخت های زمین شناسی به حساب می آید (نام كارست از منطقه اي در كشور يوگسلاوي سابق گرفته شده كه در آنجا بخش هاي نزديك به سطح زمين عمدتاً از سنگ آهك حفره دار و غاردار درست شده است). اين پديده در سنگ هاي آهكي از اهميت بسيار زيادي برخوردار است هر چند كه در بعضي از ساير سنگ ها از جمله دولوميت، ژيپس و حتي مارن هم مي توان چنين پديده اي را كم و بيش مشاهده نمود. ايجاد حفرات كارستي كه گاه به ابعاد چند ده متري و در مواردي چند صد كيلومتري (همانند غار شاپور و يا غار علي صدر) مي رسد، در آهك ها به كرات مشاهده شده و گزارش گرديده است. لذا در صورتي كه حفرات كارستي حاوي آب باشند ممكن است مقادير بسيار زيادي آب زيرزميني را به سمت تونل هدايت نمايند. در صورت برخورد به چنين حفراتي در حين حفاري تونل، خطرات زيادي متوجه افراد، تجهيزات و روند حفاري مي گردد. توپوگرافي نواحي كارستي داراي بريدگي ها، شيارها و حفره هايي است كه در اثر ريزش سقف غارها و حفرات زيرزميني ايجاد شده است. ويژگي هاي ديگر اين مناطق عبارتند از: محو ناگهاني يك رودخانه، وجود چشمه هاي پرآب كه در واقع محل خروج مجدد رودهاي زيرزميني است، وجود دهانه هايي در سطح زمين كه با بالا آمدن سطح آب زيرزميني به صورت چشمه و با پايين رفتن آب به صورت دهانه مكنده عمل مي كنند.

شيستوزيته

از دیگر انواع ساخت های زمین شناسی می توان به پدیده شیستوزیته اشاره کرد. به طور معمول سنگ هاي حاوي رس در طي فرآيندهاي تكتونيكي دچار پديده شيستوزيته (تورق) مي گردند. اين پديده موجب خردشدگي توده سنگ مي گردد، به گونه اي كه سنگ به راحتي در امتداد صفحات اين ورقات جدا مي شود. بديهي است كه تورق موجب كاهش مقاومت و افزايش ضريب نفوذپذيري توده سنگ مي شود. شكل 12 نمونه هايي از شيستوزيته را نشان مي دهد.