Инженерно-геологические проблемы мегаполисов юга россии и их влияние на строительство
На правах рукописи
Махова Светлана Ивановна
ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ МЕГАПОЛИСОВ ЮГА РОССИИ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА СТРОИТЕЛЬСТВО
Специальность: 25.00.08 – инженерная геология,
мерзлотоведение и грунтоведение
Автореферат
диссертации на соискание учетной степени
доктора геолого-минералогических наук
Волгоград 2011 г.
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования
«Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет».
| Научный консультант: | доктор геолого-минералогических наук, профессор Синяков Владимир Николаевич |
| Официальные оппоненты: | доктор геолого-минералогических наук, профессор Сианисян Эдуард Саркисович, Южный федеральный университет, г. Ростов-на-Дону доктор геолого-минералогических наук, профессор Богуш Илья Александрович, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт), г. Новочеркасск доктор геолого-минералогических наук, профессор Гольчикова Надежда Николаевна, Астраханский государственный технический университет, г. Астрахань |
| Ведущая организация: | ООО «ЛУКОЙЛ-ВолгоградНИПИморнефть», г. Волгоград |
Защита состоится «24» июня 2011 года в 10 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.026.02 в ГОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, д.1, ауд. Б-203.
Факс: (8442) 969-991
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет».
Автореферат разослан « » 2011 года.
Ученый секретарь
диссертационного совета Анисимов Л.А.
Актуальность проблемы. Сравнительный анализ инженерно-геологических проблем территорий мегаполисов юга России характеризует ситуацию как экстремальную.
Наиболее изученной и представительной территорией является Волгоградский мегаполис, где загрязнены грунтовые, поверхностные воды и атмосфера на площади 972 квадратных километра. В г. Волжском, построенном полвека назад, грунтовые воды до начала строительства располагались на глубине 27 м, а в настоящее время – на глубине 3,4-5 м. Скорость подъема уровня грунтовых вод (УГВ) колеблется от 0,15 до 1,3 м в год.
Мегаполис включает территорию двух городов – Волгограда и Волжского с населением соответственно 1 млн. и 0,5 млн. человек и представляет крупнейший центр Нижнего Поволжья. Протяженность – 102 км при ширине 3-10 км. Гидрогеологические условия мегаполиса характеризуются наличием 19 водоносных горизонтов. Первые работы, оценивающие значимость инженерно-геологических процессов на территории мегаполиса, относятся к 60-м годам. Изучение их было продолжено автором и другими исследователями, однако лишь сейчас в связи с систематизацией материала по региону в целом можно судить о масштабе этой проблемы.
В мегаполисе зафиксировано более 470 участков подтопления зданий и сооружений, вызванных подъемом УГВ. Территории заводов и жилых кварталов подтоплены практически полностью, и фундаменты находятся ниже УГВ. В районах распространения набухающих глин отмечаются участки интенсивного набухания, в результате чего происходят поднятия поверхности земли, деформации фундаментов, разрыв коллекторов, разрушение асфальтовых покрытий, выпор полов, появление трещин в зданиях. В городе в результате набухания деформировано 145 зданий и сооружений.
Изменения в подземной гидросфере являются важнейшей причиной образования 95 из 117 зафиксированных в городе оползней. Стоимость берегоукрепительных работ составляет от 3 до 7 млн. руб. на 1 км берега, а протяженность береговой полосы мегаполиса составляет более 100 км. Затраты, предусмотренные схемой инженерной защиты Волгограда от подтопления, превышают 770 млн. руб. в ценах того времени. Таковы издержки недостаточно грамотного освоения территории.
В Ростовском мегаполисе подтопленными являются 60 км2 (43% площади). За последние 30 лет рост нагрузки на геологическую среду привел к ее критическим трансформациям. Если УГВ на незастроенных территориях находились на глубинах 18-30 метров, то в результате урбанизации УГВ поднялся на 15-20 м. до отметок 1-2 метра от поверхности; скорость подъема УГВ достигала 1 м в год.
Подтопление провоцирует деградацию прочностных свойств грунтов, что обусловливает развитие опасных процессов, таких как оползни, просадки, набухание, провалы и др. Они наблюдаются во всех техногенно-подтопленных городах ЮФО.
На территориях, сложенных лессовыми породами, происходят повышение их влажности и просадки грунтов. 24% от изученных 1996-и аварийных домов и 76% их аварийных деформаций приходятся на утечки из коммуникаций. Аварийные деформации более 400 зданий от просадок в г. Ростове-на-Дону произошли из-за изменения влажности лессов с 0,4 до 0,8. Модуль деформации грунтов уменьшился в 5-7 раз; в замоченных суглинках несущая способность свай (НСС) снизилась на 20-40%. Процессы в г. Ростове-на-Дону, развивающиеся из-за прогрессирующего подтопления, следует считать экологическим бедствием.
Интенсивный подъем УГВ и подтопление отмечаются в Саратовском мегаполисе. Главной причиной подтопления является ликвидация естественной дренажной сети – балок и оврагов. В центре города УГВ за 15-летний период поднялся на 4,5-5 м. Подъем УГВ и подтопление отмечаются на территории ТЭЦ, где до начала строительства УГВ находился на глубине 12-14. В скважине 416 в центре г. Саратова глубина УГВ в 1930 г. была равна 16 м, в 1950 – 14 м, в 1970 – 10 м, 1980 – 7 м. В период 1990-2010 г. уровень воды стабилизировался на глубине 4 м.
Подтоплению подвержено более 50% застроенной территории Саратова, в том числе 22 км2 жилой застройки.
Из опасных геологических процессов в пределах г. Саратова и его окрестностей наиболее широко развиты эрозионные и суффозионно-карстовые процессы, а также заболачивание, подтопление и оползневые явления. На территории города существует более 30 активных оползневых зон; каждый год происходит 1-2 оползневые подвижки.
Проблемы подтопления и сопутствующих процессов не ограничиваются рассмотренными мегаполисами и характерны для других городских территорий. В качестве примера рассмотрен г. Новочеркасск, который входит в число 2000 крупных городов мира с населением более 100 тыс. человек. В этом городе 50% занимаемой площади подвергается интенсивному подтоплению грунтовыми водами с высокой минерализацией, агрессивностью и загрязненностью техногенными продуктами. В целом территория Новочеркасска по состоянию почв и подземных вод относится к зоне чрезвычайной экологической ситуации.
Еще один пример посвящен Астраханской городской агломерации (500 тыс. жителей), где подтоплена территория общей площадью 210 км2, из них 30 км2 занимают водоемы. Анализ распределения этих участков в зависимости от ИГУ показал, что в районах, сложенных глинистыми и лессовыми породами, подтопление развивается при любом типе застройки в селитебной зоне и на предприятиях любой отрасли промышленности в промышленной зоне. На 30% территории УГВ залегает на глубине 0,5 м, на 35% – 1 м, а на остальной площади глубина залегания УГВ превышает 1,5 м. В районах развития песчаных отложений подтопление отсутствует из-за хорошей дренированности территории.
Цель работы состоит в выявлении закономерностей инженерно-геологических условий (ИГУ) Волгоградского и других мегаполисов юга России, их влиянии на приповерхностную часть литосферы, природно-технические системы и среду обитания человека для прогноза и предупреждения негативных последствий.
Для достижения цели решались следующие задачи:
- анализ современного состояния изученности ИГУ территории;
- изучение инженерно-геологических особенностей Прикаспийской впадины;
- анализ влияния соляной тектоники на инженерно-геологические условия региона;
- изучение особенностей геологических, тектонических, геоморфологических, гидрогеологических (ГГУ), геодинамических условий, состава и физико-механических свойств (ФМС) грунтов;
- анализ пространственных закономерностей ИГУ, детализация и уточнение карты и схемы ИГР территории;
- изучение геофизических и геохимических аномалий, обусловленных соляными структурами;
- сравнительная характеристика ИГУ Прикаспийской синеклизы и Приволжской моноклинали в условиях Волгоградского мегаполиса;
- инженерно-геологическое обоснование проектирования и строительства оснований и фундаментов на территории мегаполиса;
- исследование закономерностей несущей способности оснований и фундаментов.
Научная новизна:
- выполнено теоретическое обоснование включения в схему ИГР Волгоградского мегаполиса нового ИГ района, называемого районом распространения песчаных грунтов прирусловых отмелей и осередков;
- в результате расширения границ мегаполиса за счет ранее неосвоенных территорий обнаружены и изучены скифские глины, которые по физико-механическим свойствам соответствуют аналогам на территории к западу от мегаполиса;
- на базе собственных разработок и анализа обширных фондовых материалов доказан комплексный характер влияния подтопления на загрязнение литосферы, гидросферы, атмосферы и биосферы в условиях ПКВ;
- детализирована и уточнена схема структур Паромненско-Красноармейской соляной антиклинали и распространения тектонических разломов, что подтверждается картами Г.А. Бражникова и А.Л. Лосева. Выявлен однотипный характер скоростей вертикальных движений структур;
- обосновано и подтверждено инструментальными наблюдениями формирование над соляными куполами зон растяжения с повышенной трещиноватостью, флюидопроницаемостью, усиленным газо- и водообменом;
- выявлено формирование над соляными куполами геофизических и геохимических аномалий как потенциальных геопатогенных зон.
Методы исследований. При выполнении работы использовались методы сравнительного анализа и обобщения, математической статистики, механики грунтов, оснований и фундаментов, картографирования, районирования, инженерной геологии и неотектоники.
Обоснованность и достоверность результатов исследований обоснована корректным использованием общепринятых математических и статистических методов, многолетними исследованиями автора в области инженерной геологии, оснований и фундаментов, картографирования, большим объемом лабораторных и опытно-полевых исследований и положительным опытом практической реализации результатов.
Практическая значимость и реализация результатов исследований. Прогноз негативных изменений в массивах горных пород, рельефе, ГГУ, опасных геологических процессах может использоваться и используется в проектных, строительных и изыскательских организациях Нижнего Поволжья при разработке защитных мероприятий. Результаты исследований автора, включая испытания уникальных глубоких забивных и буронабивных свай статическими и динамическими нагрузками, использовались при строительстве ряда многоэтажных зданий. Теоретические положения и методические разработки используются в учебном процессе в ВолгГАСУ при чтении лекционных курсов «Инженерная геология» и «Геоэкология».
Фактический материал. Работа выполнена на основе исследований автора, проведенных во время работы соискателем и обучения в аспирантуре и докторантуре на кафедре инженерной геологии и геоэкологии ВолгГАСУ. Был также использован большой объем опубликованной литературы и фондовых материалов: буровых, геологических, инженерно-геологических, ГГУ и других исследований различных изыскательских организаций: НижневолжТИСИЗ, ЗАО «Радиан», ООО «Стройинвест», Гипроводстрой и других.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту.
1. Детальная характеристика геологического строения, тектоники, геоморфологических, геодинамических условий, ГГУ, состава и свойств грунтов мегаполиса применительно к различным типам фундаментов.
2. Пространственные закономерности ИГУ, детализация и уточнение на основе новых данных схемы ИГР территории.
3. Оценка, сравнительный анализ и прогноз изменений ИГУ ряда мегаполисов и городов юга России.
4. Зависимости прочностных и деформационных свойств важнейших типов грунтов от их состава и физических свойств, значения несущей способности различных типов свай в основных типах ИГР.
Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты работы докладывались и были представлены на отечественных и международных совещаниях и конференциях: «Экология, охрана среды, строительство» (Волгоград, 2001); «Петрографические, историко-геологические и пространственные вопросы в инженерной геологии» (Москва, 2002 г.); «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды», (Волгоград, 2002 г.); «Единый Каспий: Межгосударственное сотрудничество и проблемы экономического и социального развития региона», (Астрахань, 2002 г.); «Архитектура, строительство, экология», (Барселона, 2002 г.); «Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций» (Волгоград, 2003 г.); «Социально-экономические и технологические проблемы развития строительного комплекса и жилищно-коммунального хозяйства региона» (Михайловка, 2006 г.); «Мониторинг геологических, литотехнических и эколого-геологических систем» (Москва, 2007 г.); «Региональные проблемы экологической безопасности природных и антропогенных объектов» (Липецк, 2007 г); «Инновационные ресурсы для развития строительства доступного и комфортного жилья в Волгоградской области» (Волгоград, 2008 г.); «Ученые Волгограда – развитию города» (Волгоград, 2009); «Водохозяйственные проблемы и рациональное природопользование» (Оренбург, 2008); «Актуальные вопросы инженерной геологии и экологической геологии» (Москва, 2010 г.).
Публикации. Основные результаты опубликованы в 35 работах, из которых 1 монография и 9 по списку, рекомендованному ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация объемом 300 страниц состоит из введения, 9 глав, заключения, 55 таблиц, 54 рисунка. Список использованной литературы включает 300 наименований.
Автор глубоко признателен научному консультанту проф. В.Н. Синякову за его поддержку, внимание и сотрудничество на всех этапах работы. Автор искренне признателен сотрудникам кафедры инженерной геологии и геоэкологии за внимание к работе, доброжелательность и поддержку.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Глава 1. Современное состояние изученности инженерно-геологических условий Волгоградского мегаполиса и их изменений под влиянием техногенеза.
Хотя изучение геологии района началось в XVIII веке, первыми основательными инженерно-геологическими (ИГ) исследованиями явились изыскания Гидропроекта для канала Волго-Дон и Волгоградской ГЭС в 40х-50х гг. В результате был выявлен крупнейший тектонический разлом между Воронежской антеклизой и Прикаспийской синеклизой (Г.И. Горецкий, Н.П. Синяков, Г.А. Бражников) вдоль долины Волги, разделяющий регион на западную (Правобережную) и восточную (Левобережную) части.
В 1980г. В.Н. Синяковым и С.В. Кузнецовой была впервые составлена карта инженерно-геологического районирования Нижнего Поволжья в масштабе 1:500000.
Геологическое строение и тектоника региона представлены в ряде монографий: Ю.А. Косыгина (1960), П.Я. Аврова и Л.Г.Космачевой (1960), Р.Г. Гарецкого, А.Л. Яншина (1960), Р.Б. Сейфуль-Мулюкова, Ю.М Васильева (1967), B.C. Журавлева (1972), Н.В. Неволина, Н.Е. Кунина, АЛ. Андреева (1977), B.C. Конищева (1982), Л.А. Анисимова (1983), А.Л. Яншина, А.Е. Шлезингера (1987), О.Г. Бражникова (1997), А.В. Бочкарева (2006).
Строение осадочного чехла отражено в работах Л.Б. Аристарховой, Ю.М. Васильева, Ю.В. Ваньшина, А.В. Вострякова, Г.И. Горецкого, Н.И. Николаева, А.А. Свиточа, В.Н. Синякова, П.Ф. Федорова, В.Л. Яхимович.
Геоморфологические условия региона исследовали: Л.Б. Аристархова, В.А. Брылев, В.А. Востряков, Г.И. Горецкий, А.Г. Доскач, М.М. Жуков, П.А. Каплин, O.K. Леонтьев, Е.Г. Маев, С.И. Махова, О.А. Мещеряков, А.И. Москвитин, В.А. Николаев, Г.И. Рычагов, А.А. Свиточ, П.В. Федоров, А.В. Цыганков.
Гидрогеологические условия региона изучены и опубликованы в работах Л.А. Анисимова, В.А. Бочкаревой, М.К. Корольковой; Н.А. Маринова, М.П. Распопова, О.И. Серебрякова, А.В. Сотникова, Ж.С. Согдыкова, Р.И. Ткаченко.
Свойства пород региона изучены в обобщающих работах В.Н. Синякова (1984, 2005), а также С.К. Арбузовой, С.Н. Егорова, Н.П. Затенацкой, Ю.И. Панова, И.С. Реутовой, И.А. Сафохиной, В.И. Стешенко, Н.В. Коломийцева.
Характеристика геологических и инженерно-геологических (ИГ) процессов опубликована в работах В.Н. Синякова, а также А.В. Вострякова, А.И. Дзенс-Литовского, В.В. Дмитриева, В.Н. Зайонца, Р.С. Зиангирова, Г.В. Короткевича, С.В. Кузнецовой, Г.И. Леонтьева, Ю.А. Мещерякова, А.А. Никонова, Ю.П. Николаева, В.А. Прохорова, В.М. Седайкина, С.А. Сладкопевцева, И.О. Тихвинского, А.В. Цыганкова, М.А. Шубина, В.Н. Экзарьяна и других исследователей.
Инженерно-геологические и геоэкологические последствия освоения Прикаспийского и смежных регионов обсуждались в работах кафедры инженерной геологии и геоэкологии (1987-2011 гг.) на основании сравнительного анализа многочисленных материалов. Этой проблемой занимались Л.А. Анисимов, А.В. Бочкарев, Н.И. Воронин, А.Я. Гаев, Н.И. Гольчикова, О.И. Серебряков и другие исследователи в разных регионах.
Глава 2. Инженерно-геологические особенности территории Волгоградского мегаполиса
2.1. Солянокупольпая тектоника Волгоградского мегаполиса.
Волгоградский мегаполис расположен в пределах Прикаспийского со-лянокупольного бассейна – крупнейшего в мире региона развития соляных куполов. На территории, занимающей около 500 тыс. км2, насчитывается более 1758 соляных структур, в других регионах число их измеряется сотнями, и с появлением новых данных быстро увеличивается. В 60-х годах число куполов в ПКВ оценивалось от 1100 до 1200. Многообразие форм и условий залегания соли и надсолевых отложений позволяет на примере этого региона наиболее полно изучить особенности солянокупольной тектоники и ее влияния на условия строительства. Представления о тектонике региона в значительной мере определились в результате выполнения обширной программы региональных геолого-геофизических исследований, а также проведения поисково-разведочных работ (С. Эвентов, Х. Соколин).
В геотектоническом отношении Северный Прикаспий является наиболее прогнутой частью юго-востока Русской платформы, именуемой Прикаспийской впадиной (ПКВ). Она занимает юго-восточный угол Восточно-Европейской платформы в зоне полупустынь и сухих степей и характеризуется аридным и континентальным климатом с резким превышением испаряемости (800 – 1000 мм) над осадками (100 – 350 мм).
По структурным особенностям впадина разделена на две различные тектонические области – прибортовую зону и внутренние солянокупольные районы (Г.А. Бражников). Западная граница Прикаспийской впадины определяется по гравитационному уступу, который трассируется от Волгограда в северном направлении вдоль русла Волги. Выше г. Дубовки он постепенно отклоняется к востоку, переходит на левобережье и на широте г. Камышина располагается восточнее Волги на 30-32 км.
Хотя интерес к сравнительному геологическому изучению солянокупольных впадин возник относительно давно в связи с их высокой нефтегазоносностью, инженерно-геологические условия и особенности этих регионов как особого типа платформенных структур ранее не рассматривались. Помимо ПКВ, к ним относятся Примексиканская впадина (ПМВ) в США, североморская (СМ) в Европе и Габонская в Африке.
В первой части главы на основе обобщения большого фактического материала выполнен сравнительный анализ структурно-тектонических особенностей и связанных с ними особенностей строения осадочного чехла этих регионов. Наибольшее внимание уделено инженерно-геологическим особенностям толщи четвертичных отложений и палеогеографическим условиям их образования. Основой анализа помимо личных материалов автора явились труды Л. Б. Аристарховой, Ю. М. Васильева, А. Д. Наумова, Н. И. Николаева, А. А. Свиточа, В. Н. Синякова, П. В. Федорова, В. Л. Яхимович и других исследователей.
Анализ позволил выявить однотипность и яркое своеобразие геолого-тектонических условий солянокупольных впадин, резко отличающее их от типичных внутриплатформенных структур, например, Московской синеклизы. Для них характерны субокеанический тип земной коры, т. е. вздымание поверхности Мохоровичича, выклинивание гранитного и уменьшение базальтового слоя. Фундамент впадин погружен на аномальную глубину, достигая 25 км в ПКВ. Основным типом тектонических движений на протяжении геологической истории всех впадин было погружение, что привело к формированию необычайно мощного осадочного чехла, разделенного на три комплекса: подсолевой, солевой и надсолевой.
Унаследованное прогибание продолжалось и в новейший этап развития каждой из впадин; это обусловило неоднократные трансгрессии морей и накопление на огромных территориях мощных толщ дисперсных плиоцен-четвертичных отложений, что также нетипично для внутриплатформенных структур. Показано, что строение этих толщ достаточно сложно вследствие неоднократных миграций береговых линий и долин рек. Поэтому в пределах каждого горизонта наблюдается пестрое сочетание осадков морского и континентального происхождения, которые взаимно замещают друг друга в плане и разрезе.
2.2. Влияние соляной тектоники на инженерно-геологические условия региона
Характерной и очень важной особенностью областей галокинеза является соляная тектоника. Первоначальная мощность солевого комплекса составляла в ПКВ 3 – 4 км; в наше время поверхность соли резко расчленена, и мощность комплекса колеблется на отдельных структурах от 0 до 10 км. Соляные структуры представлены положительными формами (купола, антиклинали) и сопряженными с ними отрицательными формами – межкупольными депрессиями, компенсационными мульдами, мульдами оседания и грабенами. В работе показано, что соляная тектоника оказывает влияние на все компоненты ИГУ рассматриваемых территорий.
Влияние галокинеза на геологическое строение выражается в появлении на участках открытых соляных куполов скальных пород палеозоя – кайнозоя, а также галоидов соляного комплекса, в целом нетипичных для впадин, перекрытых чехлом четвертичных пород. Напротив, во многих межкупольных депрессиях соль полностью отсутствует. На соляных куполах наблюдается дислокация покровных пород, уменьшение их мощности и изменение состава в сторону более грубого, а в отрицательных структурах мощность покровных отложений резко возрастает. Ярким примером является мульда купола Новобогатинск Прикаспийской впадины, где подошва четвертичных отложений выявлена на глубине 500 м; в работе приведен ряд сходных данных по другим территориям.
Существенное значение для ИГУ Прикаспия имеет связь соляных структур с условиями залегания хвалынских шоколадных глин, являющихся основанием многих сооружений. По условиям залегания, особенностям состояния и физико-механических свойств глины разделяются на две разновидности, для которых предлагались такие названия, как глины нетрещиноватые и трещиноватые, большой и малой мощности, глубокого и мелкого залегания (Приклонский и др., 1956; Егоров, 1968; и др.). Но ни один из этих признаков не учитывает всего комплекса различий. Поэтому в современной литературе хвалынские глины подразделяют на разновидности участков отрицательных и положительных солянокупольных структур.
Глины первой разновидности мощностью до 20 м накапливались в межкупольных депрессиях, выраженных в рельефе пониженными участками с неглубоким залеганием УГВ, в связи с чем глины обводнены, имеют высокую влажность, пористость и консистенцию и низкую прочность и высокую сжимаемость. Глины, как правило, ненабухающие.
Глины второй разновидности располагаются на повышенных участках в виде маломощного (до 5 – 7 м) слоя. Они залегают выше УГВ, сильно выветрелы, имеют низкую влажность и пористость, высокую прочность и слабую деформируемость, сильно набухают.
В ВолгГАСУ автором исследована связь условий залегания этих разновидностей хвалынских глин с соляными структурами разных знаков на примере двух ИГ разрезов протяженностью 50 км, один из которых ориентирован вдоль правого берега Волги, второй расположен в Волго-Уральском междуречье. Было выявлено отчетливое сходство профилей, отражающих соляную тектонику, с условиями залегания глин. Депрессии, в которых располагаются глины первой разновидности, соответствуют межкупольным депрессиям, а глины второй разновидности залегают над соляными куполами.
В рельефе влияние соляной тектоники заключается в том, что положительные соляные структуры отражаются повышенными участками поверхности, излучинами рек, деформацией террасовых уровней, усилением густоты овражного расчленения. Отрицательные соляные структуры выражены в виде меандрирующих участков речных долин, лиманов, солегрязевых западин – соров и других пониженных участков.
Весьма специфическими формами рельефа Прикаспия являются бугры Бэра – удлиненные невысокие гряды, сложенные эоловыми песчано-глинистыми и лессовыми породами, и ареалы их распространения соответствуют участкам солянокупольных поднятий, что доказано Л.Б. Аристарховой. Аналогичные формы рельефа, получившие название алевритово-глинистых дюн имеются в Примексиканской впадине (X. Бернард, 1968). В работах ВолгГАСУ установлено, что границы района их распространения близки контурам солянокупольного района Рио-Гранде.
Гидрогеологические условия краевых впадин также находятся под влиянием галокинеза. Соляные купола играют роль очагов разгрузки, по которым происходит миграция подземных вод. Минерализация вод вблизи куполов увеличивается, достигая степени рассолов, что отмечается на многих участках ПКВ, в ФРГ, ГДР и США. Глубина залегания УГВ в Прикаспии также зависит от типа соляных структур. На возвышенных участках, соответствующих куполам, УГВ располагается на глубине 15—20 м, а в пределах бессточных впадин, отражающих мульды, она равна 2 – 4 м.
Состав и физико-механические свойства пород также испытывают влияние соляной тектоники, изученное в ВолгГАСУ по данным более 1200 полевых и лабораторных определений на примере двух разновидностей хвалынских глин, расположенных на куполах и мульдах. Состав и физико-механические свойства глин двух разновидностей имеют различия, отражающие неодинаковую историю их формирования.
В развитии современных геологических процессов соляной тектонике принадлежит особая роль. Принципиально важное и еще недооцененное значение имеют современные движения рельефа, происходящие на куполах со скоростью от 1 до 14,8 мм/год.
С соляными куполами связаны разрывные дислокации рельефа, которые могут оказывать влияние на инженерные сооружения. По данным Е. Вербика, на побережье Мексиканского залива между городами Викторией и Бомонтом (Техас) обнаружены сотни разломов, сконцентрированные в районах интенсивного соляного диапиризма. Более 10% разломов активны, что отражается в деформациях и разрушениях автомобильных и железных дорог, смещениях и разрывах пород плейстоцена и голоцена. Разрывные дислокации на соляных структурах имеются также в ФРГ и Прикаспии.
Среди экзогенных процессов особенно значение имеет соляной карст, наиболее интенсивный из всех его разновидностей. Карст и его активизация под влиянием техногенеза представляет одну из самых серьезных ИГ проблем в Германии, особенно в городах. Приведенные в работе данные показывают, что эта проблема характерна для многих областей галокинеза, в том числе и в связи с созданием куполов в качестве подземных хранилищ.
Несмотря на ограниченное развитие соляного карста на территории ПКВ, можно предвидеть неизбежность его распространения в связи с активным ростом освоения уникальной нефтегазоносной провинции.
В работе показано влияние соляных структур на развитие других экзогенных процессов. Положительным соляным структурам в ПКВ сопутствуют денудационные процессы: речная и овражная эрозия, плоскостной смыв, дефляция, а отрицательные структуры являются участками речной, озерной, болотной и эоловой аккумуляции. Просадочность лессовых пород и набухание глин на куполах значительно выше, чем в депрессиях, что отражает различия в рельефе и увлажненности пород. Установлено опосредованное влияние соляных структур различного знака на развитие оползней.
2.3. Строение земной коры, фундамента и осадочного чехла. Волгоградский мегаполис расположен в юго-восточной части Русской платформы. В пределах описываемой территории ее фундамент сложен архейско-протерозойскими метаморфическими сериями и древними интрузиями, а платформенный чехол – осадочными среднедевонскими и более молодыми породами. Толща осадочных пород над фундаментом имеет мощность от 2 до 10-18 км, увеличиваясь к Прикаспию.
Нижняя часть пермской системы представлена доломитами, известняками и ангидритами, кунгурский ярус – толщей соли, залегание которой в ПКВ искажено галокинезом. В соляных куполах мощность соли измеряется километрами, а в мульдах сокращается до нуля. Верхний отдел системы сложен известняками, доломитами и глинисто-мергельной толщей.
Триасовая система сложена песчаниками, алевролитами, глинами, мергелями и известняками. Юрская система представлена глинами, алевритами, алевролитами, песчаниками, известняками и мергелями.
Огложекия меловой системы широко распространены. Характерен турон-коньякский ярус. В основании залегает песчанистый мел, фосфориты, выше – писчий мел, мергели, опоки, алевриты, песчаники.
Палеогеновая система включает три отдела. Древнейшими являются отложения сызранской свиты, сложенные опоками. Выше залегают песчаники, еще выше – слюдистые пески с глыбами песчаника. Камышинская свита представлена глиной, на которой залегают пески и песчаники. Пролейская свита сложена песками с прослоями опок и песчаников. Сызранская.свита представлена песками с прослоями опок и песчаников, мечеткинская – песками и песчаниками. Киевская свита представлена мергелями и глинами. Майкопская сложена слоистыми глинами.
Неогеновая система подразделяется на два отдела: миоцен и плиоцен.
Гуровская свита залегает в долинах древних палеорек, сложена крупными песками с галькой, перекрытыми коричневыми глинами. Ергенинская свита сформировалась в начале плиоцена в речных и дельтовых условиях и сложена песками мощностью до 30-40 м. Скифская свита развита к западу от Волгограда, где Волго-Донской водораздел покрыт красно-бурыми глинами и суглинками; это отложения древних долин донской системы, заполняющие палеорусла шириной 10-20 м, врезанные на глубину до 20 м.
В верхнеплиоцен-антропогеновую стадию в ПКВ обособилась область прогибаний, в которой происходили крупнейшие трансгрессии Каспия – акчагыльская, апшеронская, бакинская, хазарская, хвалынская, новокаспийская; их важнейшим результатом было накопление мощной толщи морских, в ос-новном глинистых осадков.
Глава 3. Геоморфологические условия
Прикаспийская впадина в целом в орографическом плане разделяется на Прикаспийскую низменность и обрамляющие ее с запада, севера и востока возвышенности: Сыртовую равнину, Общий сырт, Подуральское (Урало-Эмбенское) плато, часть Ергенинской и Приволжской возвышенностей. Прикаспийской аккумулятивной низменности соответствует в неотектоническом плане новейшая синеклиза, а возвышенности являются участками поднятий и представлены денудационными равнинами от олигоценового до раннеплейстоценового возраста.
Прикаспийская низменность представляет плоскую равнину, чрезвычайно полого наклоненную к морю: абсолютная высота низменности составляет на окраинах 48-50 м, у моря – 28 м.
Основными генетическими типами морфоструктуры являются аккумулятивные равнины морского, эолового и аллювиального происхождения. Рельеф низменности имеет ярко выраженную концентрическую зональность: северную часть низменности занимает морская аккумулятивная равнина, освободившаяся из-под уровня моря в середине верхнего плейстоцена и сложенная преимущественно глинистыми породами; далее к югу располагается песчаная поверхность морской верхнехвалынской равнины конца верхнего плейстоцена и сформировавшейся на ней эоловой равнины голоценового возраста, а на самом побережье моря располагается неширокая полоса приморской равнины голоценового возраста. Аккумулятивная равнина долины Волги пересекает всю низменность.
Морская аккумулятивная равнина нижнехвалынского возраста располагается между предсыртовым уступом на севере и нулевой горизонталью на юге. Поверхность равнины сложена преимущественно морскими суглинками и глинами, реже песками.
Чрезвычайно малая амплитуда неровностей рельефа, наряду с засушливостью климата, относительной молодостью рельефа и отсутствием рек с постоянным стоком обусловливают его малую расчлененность.
К отрицательным формам рельефа относятся многочисленные бессточные впадины, образование которых связано с соляной тектоникой, а также нетектоническими причинами.
Помимо названных в главе 2, впадинами тектонического происхождения являются лиманы в межкупольных депрессиях (Большом Лимане и др.), а также многочисленные озерные и соровые котловины, приуроченные к соляным структурам и линиям тектонических нарушений, что было установлено по космическим снимкам. К впадинам нетектонического происхождения относятся падины. Большие падины (диаметром 0,5-5 км) образовались в неровностях морского дна, небольшие (глубиной от 0,5 диаметром 0,1-0,3 км) имеют суффозионно-просадочное происхождение, как и степные блюдца диаметром от 1 до 20-30 м.
Морская аккумулятивная равнина верхнехвалынского возраста соответствует территории распространения верхнехвалынской трансгрессии, за исключением центральной части, где на песчаном верхнехвалынском субстрате образовалась эоловая равнина голоценового возраста.
Поверхность равнины сложена верхнехвалынскими морскими и аллювиально-морскими песчаными и супесчаными отложениями, в значительной степени перевеянными, что обусловило образование массивов бугристых, бугристо-котловинных и бугристо-барханных песков, слабо закрепленных растительностью. Имеются плоскодонные депрессии глубиной 1-2 м, протяженностью 0.2-1.5 км, занятые мелкими озерами.
Эоловая аккумулятивная равнина голоценового возраста, образовавшаяся в результате перевевания верхнехвалынских песчаных осадков, имеет абсолютные отметки от 0 на севере до -20 на юге и характеризуется чередованием бугристых и бугристо-барханных песков с массивами барханных гряд, ориентированных с юго-востока на северо-запад. Отрицательные формы рельефа представлены дефляционными котловинами, часто занятыми солончаками, сорами и соляными озерами. Глубина дефляционных котловин достигает 8 м, диаметр 2000 м.
Морская аккумулятивная равнина голоценового возраста протягивается узкой полосой вдоль побережья Каспийского моря и сложена маломощным чехлом песчаных и супесчаных отложений. Абсолютные отметки поверхности от – 25 до – 27 м. На отдельных участках встречаются реликты бэровских бугров, ложбины стока, образованные сгонно-нагонными процессами, а также начальные формы эоловой переработки.
Аллювиальные и аллювиально-морские аккумулятивные равнины представлены дельтой и долиной Волги.
В долине Волги выделяется пойма и 5 надпойменных террас различного возраста. Наиболее древняя (бакинская) терраса, имеющая нижнечетвертичный возраст, в настоящее время сильно деформирована и встречается лишь на отдельных участках в северной части долины, где перекрывается лессовыми породами верхнего горизонта сыртовой толщи. Четвертая (хазарская) терраса имеет абсолютные отметки до 70-75 м и ширину до 18 км, аллювий представлен песками, глинами и суглинками. Третья терраса, отвечающая начальной стадии нижнехвалынской трансгрессии, прослеживается вдоль левого склона долины в Сыртовом Заволжье и имеет абсолютные отметки поверхности от 30-35 до 50-55 м при ширине от 2-3 до 15-22 км, сложена лиманно-аллювиальными суглинками, супесями и песками. Вторая терраса в явном виде прослеживается на севере Заволжья, а в пределах Прикаспийской низменности сливается с морской равниной нижнехвалынского возраста. Рельефообразующими породами являются преимущественно хвалынские глины, а также пески, суглинки и супеси. Первая (верхнехвалынская) терраса прослеживается в долине Волги ниже Волгограда, а также выше устья р. Еруслана. Абсолютные отметки поверхности колеблются от 25 до 0 м, высота над урезом воды от 2 до 5 м. Состав аллювия преимущественно песчаный. Пойменная терраса имеет наибольшую ширину (до 30-40 км) ниже Волгограда (где от Волги отделяется рукав Ахтуба) и сильно расчленена рукавами на многочисленные острова, сложенные в основном песчаным и супесчаным материалом. Ближе к центральной части преобладают суглинистые разности.
На возвышенностях, расположенных по периферии впадины, основными генетическими типами морфоструктуры являются денудационные равнины палеогенового, плиоценового и раннеплейстоценового возраста.
Денудационные равнины палеогенового возраста распространены на юго-западном склоне возвышенности Общий Сырт и характеризуются абсолютными отметками поверхности от 360 м на водоразделах до 100-80 м – в долинах. Рельеф равнины увалистый. Начиная со второй половины олигоцена, она испытывала устойчивые поднятия, в результате которых на дневную поверхность были выведены отложения юры, мела и палеогена, в четвертичное время перекрытые чехлом лессовых пород. Аналогичное строение и возраст имеет денудационная равнина Приволжской возвышенности в районе г. Камышина. Равнина характеризуется развитой овражно-балочной сетью и небольшими, но глубоко врезанными речками.
Денудационные равнины плиоценового возраста представлены двумя областями на западе и востоке территории. Одна из них, включающая часть Приволжской и Ергенинской возвышенностей, имеет волнистую поверхность с отметками 120-220 и является обращенной морфоструктурой, поднятой в конце плиоцена.
Поверхностная толща представлена лессовыми породами мощностью в основном 10-20 м (до 50 м), подстилаемыми отложениями палеогена и неогена.
Интересно отметить связь морфологии земной поверхности с геологической структурой как основы выработки представлений о механизмах образования форм рельефа, в частности соотношения между высотами земной поверхности и глубинами залегания поверхности Мохоровичича. По опубликованным В.В. Бронгулеевым данным, поворот Волги у Волгограда с северо-востока на юго-запад и далее круто на юго-восток повторяет очертания зоны погружений поверхности Мохоровичича. В рельефе этот поворот соответствует переходу от Приволжской возвышенности к возвышенности Ергеней, причем существует пограничная зона между этими возвышенностями, отчетливо выраженная в рельефе в форме седловины. Впервые этот интересный феномен опубликован в диссертационной работе.
Глава 4. Гидрогеологические условия
Яркое своеобразие истории геологического развития Прикаспийской впадины, как и других краевых впадин, предопределило важнейшие гидрогеологические особенности этого региона, представляющие интерес с инженерно-геологических позиций.
Постоянное прогибание преобладающей части территории с формированием низменного рельефа обусловило глубокое залегание грунтовых вод в Прикаспийской низменности, и только на обрамляющих ее возвышенностях подземные воды находятся относительно глубоко. Солевой комплекс, играющий такую заметную роль в геологическом строении Прикаспия, имеет существенное значение и для формирования его гидрогеологических условий, выполняя роль регионального водоупора, разделяющего два гидрогеологических этажа: подсолевой и надсолевой.
Соляные структуры, как было показано выше, оказывают влияние на формирование химического состава подземных вод и глубину их залегания. Вместе с тем, формирование гидрогеологических особенностей Прикаспия происходило под активным влиянием зонально-климатических факторов.
Наибольшее влияние на инженерно-геологические условия оказывают четвертичный, плиоценовый, палеогеновый и верхнемеловой водоносный комплексы. Водоносный комплекс четвертичных отложений подразделяется на водоносные горизонты морских, эоловых и аллювиальных отложений, а также нерасчлененных плиоцен-четвертичных отложений сыртовой толщи.
Водоносный горизонт морских отложений приурочен к слоям и линзам песков и является наиболее распространенным горизонтом комплекса. Грунтовые воды залегают на глубине от 0,5-1 м на пониженных участках до 15-20 м на возвышениях и вблизи долин Волги и Урала – крупных естественных дрен, в основном же глубина залегания зеркала грунтовых вод составляет 5-10 м от поверхности земли.
Минерализация грунтовых вод значительна (до 300 г/л), что объясняется высокой первичной засоленностью морских четвертичных отложений, широким распространением соляных куполов, соленых озер и солончаков, а также резкой аридностью климата с значительным превышением испаряемости над осадками, обусловливающими концентрацию солей. Пресные грунтовые воды наблюдаются на участках понижений рельефа, скапливающих атмосферные осадки, а также вдоль долины Волги.
Воды сульфатно-хлоридно-натриевого состава с минерализацией 10-75 г/л тяготеют к долинам рек, вблизи соров распространены хлоридные натриевые рассолы с минерализацией 100-250 г/л, а на участках неглубокого залегания соляных куполов – рассолы наиболее высокой минерализации (до 300 г/л) хлоридно-натриевого состава.
Водоносный горизонт эоловых отложений приурочен к аккумулятивной эоловой равнине в южной части мегаполиса. Глубина залегания грунтовых вод колеблется от 1-3 м в пониженных участках до 5-15 м под буграми и барханами. Пресные воды гидрокарбонатного или сульфатно-гидрокарбонатно-кальциевого состава встречаются в основном в виде плавающих линз над солеными водами. Минерализация воды составляет от 2 до 10 г/л, достигая под сорами и солончаками и на межгрядовых равнинах до 50 г/л при преимущественно хлоридно-натриевом составе вод.
Водоносный горизонт аллювиальных отложений связан с долиной Волги. Глубина залегания грунтовых вод изменяется от 0,5-5 м в пойме до 20-30 м на высоких террасах. В долине Волги грунтовые воды являются повсеместно пресными, в мелких реках минерализация увеличивается к низовьям до 5-7 г/л и, кроме того, изменяется на поймах в течение года от 0,5-1 в период снеготаяния до 5-20 г/л летом.
Водоносный горизонт нерасчлененных плиоцен-четвертичных отложений распространен в пределах денудационных равнин раннеплейстоценового возраста и приурочен к суглинкам и подсыртовым пескам. Водоупором являются апшеронские глины. Глубина залегания грунтовых вод зависит от рельефа и изменяется от 7 до 46 м, в среднем 25-30 м. Минерализация грунтовых вод изменяется в песках от 0,4 до 3 г/л, в суглинках – до 5-6 г/л и более. Пресные воды имеют гидрокарбонатно-кальциевый состав, соленые – хлоридно-натриевый.
Водоносный комплекс плиоценовых отложений представлен песчаными отложениями акчагыла и апшерона. Подземные воды в основном напорные, с величиной напора от 8 до 100 м, а в Прикаспийской низменности до 150-200 м и более. Основные области питания находятся на возвышенностях, обрамляющих Прикаспийскую низменность; областями стока и разгрузки является Прикаспийская низменность, что хорошо видно по снижению уровней подземных вод комплекса в этом направлении.
Минерализация воды закономерно увеличивается от периферии впадины к югу – от 0,5 до 5 г/л в области питания, с преимущественно гидрокарбонатно- и сульфатно-хлоридно-кальциево-натриевым составом, до 80 г/л и хлоридно-натриевым составом в центре низменности. Высокая минерализация воды с образованием рассолов хлоркальциевого типа фиксируется также на участках ряда соляных куполов.
Водоносный комплекс палеогеновых отложений обнажается в краевых частях Прикаспийской впадины, где представлен песками, песчаниками и опоками мощностью до 100-150 м. Здесь подземные воды располагаются на глубине от 20-30 м и до 50-70 м и обладают некоторым напором, минерализация вод варьируется от 0,8 до 3-5 г/л, состав гидрокарбонатный или сульфатно-гидрокарбонатно-натриевый. По направлению к центру впадины мощность комплекса возрастает, минерализация увеличивается до 31-90 г/л, химический состав меняется на хлоридно-натриевый.
Водоносный комплекс верхнемеловых отложений представлен маастрихтским горизонтом, приуроченным к мергельно-меловым отложениям, залегающим на глубине от нескольких метров в прибортовой зоне до 900 м в центре впадины. В области питания распространены безнапорные пресные гидрокарбонатные кальциевые воды. По мере погружения они приобретают напор и высокую минерализацию – до 50-100 г/л при хлоридно-натриевом химическом составе.
Глава 5. Состав и физико-механические свойства пород;
В главе приводится детальная характеристика состава, состояния и свойств пород Прикаспийской впадины, основанная на обобщении результатов более 10 тыс. полевых и лабораторных исследований, с использованием данных работ С.К. Арбузовой, С.Н. Егорова, Н.П. Затенацкой, М.В. Кленовой, Н. А. Панкратовой, Ю.И. Панова, К.М. Пановой, Н.С. Реутовой, И.А. Сафохиной, В.Н. Синякова, В.И. Стешенко.
Были составлены таблицы статистических характеристик гранулометрического и минералогического состава, показателей физических и механических свойств важнейших генетических типов отложений: морских глин и суглинков хвалынского, хазарского, бакинского и апшеронского горизонтов, аллювиально-морских глин хазарского и современного горизонтов, современных аллювиальных глин (для пойменной и старичной фаций), озерно-аллювиальных глин современного – верхнечетвертичного, средне-четвертичного, нижнечетвертичного, нерасчлененного нижне-средне-четвертичного и апшеронского горизонтов и выполнен анализ изменения состава, состояния и свойств пород в зависимости от возраста и генезиса.
Аналогичные статистические таблицы, дополнительно учитывающие просадочность, были составлены для основных типов лессовых пород Прикаспийской впадины.
Для четвертичных песчаных пород обобщены данные по гранулометрическому составу морских песков современного, верхнехвалынского, нижнехвалынского, хазарского, бакинского горизонтов, эоловых современных песков, аллювиально-морских (дельтовых) и аллювиальных песков пойменной и русловой фаций на различных участках долин двух крупнейших рек – Волги и Урала, что позволило оценить их однородность и сортированность. Кроме того, для важнейших генетических типов песков были обобщены данные по плотности сложения.
При характеристике инженерно-геологических особенностей до-плиоценовых отложений, имеющих ограниченное распространение, приведены данные, свидетельствующие об их высокой степени литификации.
Для анализа сходства и различий состава и физико-механических свойств пород Прикаспия и других однотипных регионов обобщены данные на основе опубликованных работ Е. Акпокодже, Т. Андерсона, М. Балиха, В. Брайанта, М. Вильямса, Р. Грима, Е. Де Мульдера, Ж. Милло, Э. Мыслинской, X. Мэтлока, С. Мэтьюсона, А. Скемтона, Е. Степковской, И. Стивенса, М. Томлинсона, П. Трабанта, К. Хаммершмидта, С. Хелвика и других исследователей.
Анализ показал, что состав и свойства пород солянокупольных областей обладают существенным сходством, отражающим особенности осадконакопления, характерные для регионов данного типа и отличающие их от внутриплатформенных регионов. В то же время имеются и отличия, обусловленные палеоклиматическими и современными климатическими факторами.
Прогибание впадин и вызванные им трансгрессии обусловили повсеместное накопление высокодисперсных морских глин, минералогический состав которых отражает палеоклиматические особенности. В Прикаспийской и других солянокупольных впадинах глины морского, а также континентального происхождения характеризуются гидрослюдисто-монтмориллонитовым составом, что отражает сходство условий образования в приледниковой обстановке, а для побережья Африки характерно преобладание каолинита, что связано с его обилием в латеритных почвах тропиков.
Степень литификации одновозрастных глин в различных впадинах близка, причем это характерно для различных генетических типов пород: голоценовые морские, аллювиально-морские и аллювиальные глины являются слаболитифицированными, верхнеплейстоценовые морские и аллювиальные глины имеют слабую и среднюю степень литификации, увеличивающуюся с возрастом. Более древние глины морского, аллювиального и озерно-аллювиального происхождения в диапазоне от среднего плейстоцена до верхнего плиоцена являются среднелитифицированными с незначительным увеличением степени литификации с возрастом. Доверхнеплиоценовые глины имеют среднюю и сильную степень литификации. Наряду с этим нормальный характер увеличения степени литификации пород с глубиной в условиях аридного климата Прикаспия нарушается: в верхней части разреза образуется «корка» пересушенных и уплотненных в процессе усадки пород, что установлено на примере хвалынских глин. Подобное нарушение изменчивости типично и для других регионов аридного пояса и наблюдается, например, в дельте Шатт-эль-Араба Персидского солянокупольного бассейна (по данным В.Н. Синякова). Высокое содержание в глинах монтмориллонита и гидрослюды обусловило значительную набухаемость и усадку, что особенно характерно для морских глин.
Важной особенностью глинистых пород Прикаспия (и, вероятно, всех изучаемых впадин) является яркая индивидуальность показателей их свойств, обусловившая неприменимость для них таблиц нормативных характеристик грунтов и переходных коэффициентов между показателями зондирования и модулем деформации в действующих нормативных документах. Это вызвало необходимость разработки аналогичных региональных таблиц и коэффициентов для 30 наиболее распространенных типов пород на основе исследования связей между показателями физико-механических свойств пород методами многофакторного корреляционно-регрессионного анализа. Проверка устойчивости в пространстве установленных связей показала, что выведенные зависимости статистически неразличимы на различных участках региона. Поэтому краевые впадины представляются оптимальным объектом для разработки так называемых региональных норм вследствие распространения на огромных территориях однородных пород с устойчивыми свойствами.
Выявлено сходство состава и отдельных показателей свойств лессовых пород в различных краевых впадинах, однако лессовые породы Североморской впадины имеют более высокую влажность по сравнению с Прикаспием, что обусловлено климатическими различиями. Исследование связей между показателями физико-механических свойств двух типов лессовых пород Прикаспийской впадины показало, что относительная просадочность зависит от пористости и влажности пород, сопротивление сдвигу – от коэффициента пористости и пластичности, сопротивление зондированию – т влажности, пластичности и пористости. На основе полученных зависимостей составлены таблицы нормативных характеристик грунтов.
Плейстоценовые и раннеголоценовые пески морского, аллювиально-морского и аллювиального происхождения в областях галокинеза имеют плотное сложение, высокие несущие свойства и низкую сжимаемость, и только позднеголоценовые пески повсеместно являются рыхлыми и среднеплотными. Песчаные морские, аллювиально-морские и аллювиальные породы Прикаспия от нижнечетвертичного до голоценового возраста отличаются высокой однородностью, что, по-видимому, типично для краевых впадин.
В главе приведены представительные данные испытаний грунтов статическими нагрузками на штампы.
Глава 6. Современные геологические процессы
В главе выполнена сравнительная характеристика обширного комплекса современных геологических процессов, развивающихся на территории Прикаспия и изученных регионов. Она основана на обобщении большого фактического материала, а также данных из работ А.В. Вострякова, А.И. Дзенс-Литовского, В.Н. Зайонца, Р.С. Зиангирова, Г.В. Короткевича, С.В. Кузнецовой, Г.И. Леонтьева, С.И. Маховой, Ю.А. Мещерякова, А.А. Никонова, В.А. Прохорова, В.М. Седайкина, С.А. Сладкопевцева, В.Н. Синякова, И.О. Тихвинского, А.В. Цыганкова, А.Ф. Чепрасова, М.А. Шубина, В.Н. Экзарьяна и других исследователей по Прикаспийской впадине и Е. Вербика, Дж. Громко, Р. Долезаля, Дж. Дэвиса, Г. Иллиса, Д. Йоргенсена, А. Калембера, Д. Клейнендорста, В. Коула, Дж. Кремса, 3. Куреши, К. Ланкауфа, С. Лизермана, С. Мэтьюсона, Э. Мартонна, Р. Нейборна, М. Роджерпиллера, Р. Салливана, М. Сандерсона, М. Томлинсона, Р. Фонта, К. Хаммершмидта, Е. Шульца и других авторов по изученным регионам.
Выполненный анализ выявил характерные закономерности сходства комплекса геологических процессов на территории изученных регионов, обусловленные их структурно-геологическими особенностями, и в то же время ряд отличий, обусловленных зонально-климатическими факторами.
В таблице 1 приведена краткая сравнительная характеристика геологических и инженерно-геологических процессов на территории трех мегаполисов и двух городов юга России.
1. Эндогенные процессы. В региональном плане современных тектонических движений рассматриваемых областей преобладает погружение, унаследованное от более ранних периодов геологического развития, хотя имеются некоторые отличия частного порядка для отдельных регионов.
В пределах локальных соляных структур происходят тектонические движения со скоростью до 12,5 мм/год, направление которых, как правило, согласуется со знаком структуры. Современные тектонические движения на соляных куполах могут сопровождаться разрывными дислокациями, которые в ряде случаев привели к деформациям сооружений.
Таблица 1
Геологические и инженерно-геологические процессы на территории мегаполисов и городов юга России
| Процессы | Мегаполисы и города | ||||
| Волгоград | Саратов | Ростов | Астрахань | Новочеркасск | |
| Эндогенные | |||||
| Преобладающее региональное погружение | + | - | - | + | - |
| Тектонические движения на соляных структурах | + | - | - | + | - |
| Экзогенные | |||||
| Соляной карст | + | - | - | + | - |
| Преобладание речной, дельтовой, морской и озерной аккумуляции над эрозией | + | + | + | + | + |
| Просадка | + | + | + | + | + |
| Набухание и усадка | + | + | + | + | + |
| Оползни | + | + | + | + | + |
| Эоловые процессы | локальные | - | - | региональные | - |
| Выветривание | + | + | + | + | + |
| Заболачивание | локальное | локальное | локальное | региональное | локальное |
| Засоление | локальное | локальное | локальное | региональное | локальное |
| Природно-антропогенные | |||||
| Активизация соляного карста | локальная | - | - | - | - |
| Активизация эоловых процессов | локальная | - | - | локальная | - |
| Антропогенные | |||||
| Процессы, вызванные повышением уровня подземных вод | весьма интенсивные | весьма интенсивные | весьма интенсивные | весьма интенсивные | весьма интенсивные |
| Процессы, вызванные понижением уровня подземных вод | локальные | локальные | локальные | локальные | локальные |
2. Экзогенные процессы, в отличие от эндогенных, в пределах рассматриваемых областей обладают как чертами сходства, обусловленными однотипностью структурно-геологических факторов, так и чертами различия, вызванными неодинаковыми зонально-климатическими условиями. Общим и типичным для всех рассматриваемых регионов вследствие их унаследованного прогибания и плоскоравнинного рельефа с малой энергией является преобладание процессов аккумуляции над денудацией и развитая мощная речная, дельтовая, морская, озерная аккумуляция. Оползни встречаются довольно редко и связаны только с долинами рек, преобладают оползни-потоки.
Весьма характерно для всех регионов развитие соляного карста, представляющего серьезную проблему для строительства.
Еще одна характерная особенность каждой из рассматриваемых областей – широкое распространение морских глин, предопределившее развитие процессов набухания и усадки. Наконец, типичной чертой сходства является периодическое возникновение в каждой из областей сгонов и нагонов, опасность которых усугубляется однотипными плоскими пологими берегами.
При анализе отличий выделяется обособленность Прикаспийской впадины, расположенной в зоне с аридным климатом, от остальных впадин гумидной зоны. Прежде всего, только на территории Прикаспия в региональном плане развиты эоловые процессы, ареал распространения которых в других регионах ограничен узкой полосой вдоль побережья (хотя в верхнечетвертичное время эоловые пески покрывали всю территорию Нидерландов). Различается также тип выветривания: в Прикаспийской впадине преобладает физическое выветривание, в других регионах – химическое, развитое в Габоне в условиях тропического климата до стадии латеритизации.
На территории впадин гумидной зоны широко развито заболачивание в связи с обилием осадков, близким залеганием грунтовых вод и преимущественным погружением земной поверхности. На территории Прикаспийской впадины заболачивание развито значительно слабее, а в пониженных участках с близким залеганием грунтовых вод под влиянием аридного климата идет активное засоление грунтов с образованием солончаков – соров. По этой
же причине во многих озерах Прикаспийской впадины развивается хемогенная аккумуляция.
3. Антропогенные процессы (32 вида, по классификации Ф.В. Котлова) также обладают чертами сходства и различия. Обращает на себя внимание резкая активизация соляного карста под влиянием деятельности человека, которая представляет серьезную проблему и может сыграть отрицательную роль в продолжающемся освоении территории Прикаспийской впадины.
Весьма характерной чертой для каждой из рассматриваемых областей является развитие процессов набухания и усадки высокодисперсных глин, причиняющих огромный ущерб (в США он превышает убытки, приносимые землетрясениями, ураганами и наводнениями), повсеместны антропогенные оползни. Вместе с тем имеются отличия, обусловленные зонально-климатическими факторами. Так, на песчаных равнинах юга Прикаспийской впадины под влиянием деятельности человека резко и в широком масштабе активизируются эоловые процессы, а на территории впадин гумидной зоны роль антропогенной дефляции и аккумуляции ничтожна.
Вместе с тем на преобладающей части территории Прикаспийской впадины, сложенной глинистыми и лессовыми породами, наиболее значительные изменения геологической среды связаны с нарушением природного водного баланса и влажностного режима пород зоны аэрации: на застроенных территориях происходит повышение уровня грунтовых вод, образование верховодки и новых водоносных горизонтов, увеличение влажности пород, возникает подтопление, заболачивание, вторичное засоление пород. Изменение влажности вызывает просадку лессовых пород, уменьшение их проч-кости и размокание, коррозию. Важно отметить, что выполненное в ВолгГАСУ обобщение данных 2553 исследований коррозионной активности 27 видов важнейших генетических типов пород Прикаспия показало, что все породы, за исключением современных аллювиальных песков и суглинков, обладают средней и повышенной активностью, что связано с их засоленностью, обусловленной аридным климатом.
Хотя отдельные из перечисленных процессов и отмечаются на территории впадин гумидной зоны, их роль невелика.
В то же время на территории Североморской и особенно При-мексиканской впадин широко развиты процессы, связанные с интенсивной эксплуатацией подземных вод, практически отсутствующие в Прикаспии или имеющие локальный характер: образование депрессий подземных вод, оседание земной поверхности и формирование гидрогеохимических аномалий в связи со смешением пресных вод с минерализованными. Эти различия отражают неодинаковую степень освоенности регионов, а также, косвенно, – зонально-климатические особенности, предопределившие преобладание на территории впадин гумидной зоны пресных вод, а в Прикаспии – минерализованных, непригодных для водоснабжения.
В главе охарактеризованы мульды оседания, возникающие в связи с отбором нефти, газа и конденсата на территории Примексиканской впадины и в других нефтегазоносных регионах, показана вероятность их образования в процессе эксплуатации крупных месторождений Прикаспия; приведена характеристика ряда других процессов и явлений.
Глава 7. Пространственные закономерности инженерно-геологических условий
Существует несколько схем ИГР территории Прикаспийской впадины или отдельных ее фрагментов (Н.И. Николаев и И.В. Попов, 1965; И. В. Попов, 1970; И.М. Цыпина и В.П. Лазарева, 1971; Ю.И. Панов, К.М.Панова, Д.Н. Афремов, Ц.С. Гринберг, 1978), разработанных до уровня регионов второго порядка или областей и требующих дальнейшего развития.
Предлагаемая схема районирования, основанная на принципах, предложенных И. В. Поповым (1961), с учетом современных представлений (И.С. Комаров, 1967; Г.А. Голодковская и И.В. Попов, 1978; Е. М. Сергеев, 1976; В.Т. Трофимов, 1979, 1982) доведена до уровня инженерно-геологических районов, выделенных на специально составленной карте (В.Н. Синяков, С.В. Кузнецова, 1984).
Прикаспийская впадина в этой схеме рассматривается в качестве инженерно-геологического региона второго порядка (часть Восточно-Европейской платформы), единого с позиций инженерно-геологической зональности.
При выделении типов областей 1-го порядка (табл. 2) учитывались тип рельефа, отражающий историю геологического развития территории в новейший этап, и геологическое строение поверхностной толщи. При выделении областей второго порядка дополнительно учитывался возраст рельефа, что позволило обособить территории, однообразные по неотектоническим, палеогеографическим факторам и, как следствие, по особенностям рельефа и геологического строения.
Таблица 2
Систематика типов инженерно-геологических областей
| Области первого порядка | Области второго порядка |
| Область аккумулятивных равнин, сложенных морскими четвертичными отложениями | Область аккумулятивных равнин раннехвалынского возраста |
| Область аккумулятивных равнин поздне-хвалынского возраста | |
| Область аккумулятивных равнин голоценового возраста | |
| Область аккумулятивных равнин, сложенных эоловыми современными отложениями | Область эоловых равнин голоценового возраста |
| Область крупных речных долин, сложенных аллювиальными четвертичными отложениями | Долины и дельты Волги и Урала |
| Область денудационных равнин, сложенных дочетвертичными отложениями, преимущественно перекрытыми лессовыми породами | Область денудационных равнин палеогенового возраста |
| Область денудационных равнин плиоценового возраста | |
| Область денудационных равнин раннеплейстоценового возраста |
В ИГ областях, представленных аккумулятивными морскими, аллювиальными, аллювиально-морскими и эоловыми равнинами, ИГР выделялись в пределах границ распространения отложений одного стратиграфо-генетического комплекса. При небольшой мощности отложений верхнего горизонта учитывались также подстилающие отложения (например 2 тип районов – районы преимущественного распространения нижнехвалынских морских глин, а также суглинков, супесей и песков, залегающих на лессовых породах ательского горизонта). В областях денудационных равнин, где с поверхности почти повсеместно распространен чехол лессовых пород переменной мощности, такой принцип неприменим, и границы районов соответствуют границам развития отложений определенных дочетвертичных формаций. Например, 5 тип районов – районы распространения глин майкопской серии терригенной формации олигоцена, преимущественно перекрытых лессовыми породами.
Инженерно-геологическая характеристика районов представлена в специальной таблице, где для каждого из 8 типов районов подробно охарактеризованы геологическое строение, особенности рельефа, гидрогеологические условия, современные геологические процессы природного характера и вызванные деятельностью человека.
В главе 2 обоснована необходимость выделения соляных структур на инженерно-геологических картах. Хотя современное состояние изученности соляных структур Прикаспийской впадины не позволило учесть их в рассмотренной выше схеме ИГР, в будущем эти структуры целесообразно отражать на инженерно-геологических картах, что позволит в определенной степени прогнозировать особенности геологического строения, состав и состояние пород, современные геологические процессы, в том числе наиболее опасные из них: современные тектонические движения и соляной карст.
Выполненный анализ существующих классификаций соляных структур, а также оценка влияния различных типов структур на инженерно-геологические условия показали, что при инженерно-геологическом картировании следует различать положительные и отрицательные структуры в ранге типов и соляные купола, антиклинали, межкупольные депрессии сквозные и несквозные и внутрикупольные депрессии в ранге видов. Наиболее благоприятны для строительства сквозные межкупольные депрессии, в которых соль полностью отжата и отсутствуют условия для проявления современных тектонических движений и соляного карста.
В работе показана необходимость использования структурных карт отдельных участков региона при проектно-изыскательских работах. Подобная карта, учитывающая соляные структуры (Г.А. Бражников и др.) для территории мегаполиса, может явиться основой для рационального ее освоения.
Глава 8. Условия формирования геофизических и геохимических аномалий на территории Волгоградского мегаполиса
8.1. Сравнительный анализ условий эманирования изотопов радона в Волгоградском мегаполисе и прилегающих территориях
Прежде всего, чрезвычайно важно отметить, что проблема эманирования или выделения радиоактивных изотопов радона из твердых веществ, содержащих изотопы радия, является одной из составляющей проблемы геопатогенеза. К настоящему времени существование геопатогенных зон (ГПЗ) является неоспоримым фактом. Под ГПЗ, как правило, понимаются участки земли, в которых длительное пребывание человека отрицательно сказывается на его здоровье. Они формируются вблизи крупных трещин в горных массивах, в оврагах, над месторождениями полезных ископаемых, и пустотами в толщах горных пород. Геопатогенез может быть вызван изменением геофизических, геохимических, геомагнитных и других полей, а также уровня естественного радиационного фона, обусловленного радоном.
Следует отметить, что радиогеохимическая и радиометрическая изученность территории РФ крайне неравномерна, а качество материалов, используемых для составления карт-схем, неоднородно и, зачастую, недостаточно. Очевидно, по этим причинам территория Волгоградского мегаполиса даже не попадает в контур потенциально опасного региона по радону, хотя она находится в непосредственной близости (около 200 км) от территории Калмыкии с урановыми месторождениями в майкопских отложениях олигоцен-миоценового возраста. В геологическом строении территории мегаполиса принимают участие породы аналогичного возраста с желваками фосфоритов и рыбным детритом с повышенным (до 20-50 г/т и более) содержанием урана, имеют место зоны тектонических нарушений, город находится в нефтегазоносной провинции. В этой связи имелись все предпосылки выявления на его территории участков и площадей, неблагоприятных или потенциально радоноопасных.
Исследованиями кафедры ИГиГ ВолгГАСУ установлено, что повышенные уровни содержания радона в почвенном воздухе не ограничиваются контурами майкопских глин, обладающих максимальной радиоактивностью (в частности, к ним приурочены урановые месторождения «Ульдючина» и «Кегульта» в Калмыкии), а связаны также с зонами тектонических нарушений. В северной части города они приурочены к системе разломов, перпендикулярных планетарному Волжскому разлому (долина рр. Царицы, Ельшанки и др.) и параллельных ему. В южной части города радоновые аномалии связаны с солянокупольными структурами (Красноармейской, Бекетовской) и сопутствующими им разломами.
С целью оценки радоноопасности территории г. Волгограда и ее районирования, партией № 117 ГП «Кольцовгеология» в течение 1999 года проведен комплекс радиометрических, дозиметрических, гаммаспектрометрических и эманационных измерений в объеме 637 координатных точек по сети от 0,5 х 0,5 км до 1 х 1 км.
Проведенные работы позволили сделать заключение о необходимости дальнейших исследований территории Волгограда с целью выявления радоноопасных участков. Это позволило бы выполнить районирование территории города по степени радоноопасности, что, в свою очередь, могло стать главным обоснованием проведения работ по оценке радиационной обстановки при отводе земельных участков под строительство, а также проведения измерений объемной активности радона в детских и оздоровительных учреждениях.
Попытка выявить определенные закономерности объемной активности (ОА) по Rn в местах развития или зонах влияния тектонических нарушений к существенным результатам не привела. Возможно, это связано с неточным их положением по данным 50-х - 60-х годов прошлого столетия.
По данным ВолгГАСУ, связь тектонических нарушений (солянокупольных структур, разломов) с повышенной радоноопасностью потенциально существует.
Обобщая итог результатов изучения ОА Rn по всем районам города, нужно отметить, что на изученной части города (~ 290 кв. км) наиболее "радоноопасная" харьковская (майкопская) свита занимает около 28 %, киевская - 6 %, а наименее опасные - царицынская - 42 % и ергенинская -24 %. Таким образом, в совокупности две свиты (харьковская и киевская) составляют около 34 % или 98 кв. км и занимают практически 1/3 площади города. Учитывая потенциальную радоноопасность этих свит при наличии жилой или планируемой в их пределах застройки, они должны сопровождаться обязательным изучением Rn в почве, его плотности потока в атмосферу, а также изучением ОА в жилых и производственных помещениях.
8.2. Характер аномалий на Красноармейско-Паромненской соляной антиклинали
На территории мегаполиса представляет особый интерес крупнейшая Паромненско-Красноармейская соляная антиклиналь протяженностью более 100 км, пересекающая весь мегаполис от его юго-западной до северо-восточной границы (А.Л. Лосев, В.А. Ермаков). Она осложнена рядом разломов, сформировавшими грабен. Тектонические движения в ее зоне продолжаются и требуют продолжения мониторинга. Не менее нуждается в изучении Бекетовская антиклиналь в связи с ее близостью к городской застройке, и к бортовому уступу между Приволжской моноклиналью и Прикаспийской впадиной.
По данным газогеохимических исследований ПКВ вдоль крутых стенок куполов и антиклиналей зарегистрированы газобактериальные аномалии в почвах и грунтовых водах (В.Н. Михалькова и др., 1976). На площади развития соляных куполов установлены автогаммаспектрометрические аномалии, а также аномалии метана и тяжелых углеводородных газов на глубине 300-400 м.
На Паромненской площади в районе грабена проводилась сейсмическая и геохимическая съемка. Результатами водной съемки на участке в полосе 1,5-2,0 км, соответствующей своду купола, было выявлено аномальное повышение минерализации вод; позже, была зафиксирована газовая аномалия. Эти аномалии приурочены к зоне грабена, осложняющего свод антиклинали, а грабен четко фиксируется и результатами нивелирования в виде активно опускающегося участка. Проявления типичны для всей полосы грабена и характеризуют высокую степень тектонической активности и слабую герметичность разреза.
Участки разуплотнения разреза и связанных с ними аномалийных эффектов предположительно рассматриваются автором как потенциальные геопатогенные зоны, а территории пространственно связанные с площадью развития активно растущих куполов рассматриваются также как участки проявления геопатогенеза.
В геологическом строении Паромненской структуры принимают участие отложения от пермской до четвертичной систем. Эта структура по изогипсе минус 1000 м имеет протяженность порядка 15 км. В поперечнике её размеры составляют 1 – 1,5 км. Минимальная отметка глубины залегания соли минус 835 м, к северо-востоку поверхность соли погружается до отметки минус 900 – 959 м. В пределах описываемой территории широко развиты современные геологические и техногенные процессы. Они были изучены на кафедре ИГиГ ВолгГАСУ при участии автора на примере полигона захоронения «Волжский Оргсинтез» на Паромненской соляной структуре и других полигонах в различных регионах. Накопленный опыт подтвердил представления о неблагоприятных условиях над куполами.
Геодезические исследования выполнялись Институтом физики Земли (ИФЗ) с августа 1998г. по ноябрь 2003 г.; было выполнено 11 циклов геодезических исследований. В дальнейшем (до 2006 г.) исследования были продолжены. Было выявлено, что скорости вертикальных перемещений изменяются в широких пределах для различных участков трассы. В целом на участке Паромненской структуры отмечаются неравномерные вертикальные движения поверхности земли со скоростью от 1 до 14,8 мм/год.
Изучение горизонтальных движений земной поверхности полигона закачки за период 1998 - 1999 гг. было выполнено в ВолгГАСУ по определению значений 18 длин линий, охватывающих вершинную часть купола, Восточно-Паромненскую мульду и склон между ними (В.Н. Синяков, С.В. Кузнецова и др., 2001). В работе представлены схемы деформационной сети и величин горизонтальных деформаций в различные эпохи измерений. В целом, анализ данных показывает, что причина данного явления – унаследованное развитие роста купола и оседания мульды.
Данные о современных движениях соляных структур получены по результатам геодезических наблюдений (1987-1990 гг.) на полигоне из 103 реперов Светлоярского купола на юге Волгограда. Полигон был создан для изучения деформаций поверхности земли на Светлоярском рассолопромысле, состоящем из 15 скважин выщелачивания. Нивелирование, проводимое один раз в год, выявило нестационарность движений – в 1987 г. купол испытывал подъем со скоростью до 6-12 мм/год, в 1990 г. со скоростью 6-14 мм/год, а скорость опускания в 1988-1989 гг. – 1,7-3,4 мм/год, в 1989 г. – 0,9-5,4 мм/год. В целом за период наблюдений скорость роста составила 2-4 мм/год, т.е. на порядок меньше, чем в отдельные периоды подъема.
Установлено, что современные движения не являются однородными над вершиной купола, а зависят от внутренней складчатости - поднятий и погружений второго порядка внутри купола. Наибольшие значения роста соответствуют участкам поднятий, наименьшие - погружениям. Аналогичная подчиненность характера движений внутренней складчатости отмечалась выше для купола Баскунчак. Сходное строение и характер роста имеют и другие купола (Индер, Челкар, Эльтон, Озинки) в Прикаспии, Речишкин в Припятском бассейне и Хейде-Хейнюгердт в ФРГ (Конищев, 1984; Bentz, 1949).
Исследования галокинеза проводились и на Красноармейской соляной структуре с целью поисков и разведки хорошо изолированных геолого-гидрогеологических структур. Они проводились на площади Сарпинско-Тингутинской мульды в пределах Светлоярского прогиба (Светлоярский и Красноармейский участки) и в пределах Райгородского прогиба (Райгородский участок).
Светлоярский участок расположен в центре мульды, ограниченной с запада и востока антиклиналями. Каждое из них представляет брахиантиклинальную складку, сложенную в ядре комплексом сульфатно-галогенных пород перми. В результате соляной тектоники весь надсолевой комплекс отложений очень сложно дислоцирован.
Светлоярский прогиб осложнен сбросом, амплитуда смещения которого составляет 500-600 м; западный блок опущен, восточный – приподнят. По геологическому разрезу выявлен сброс, кулисообразно примыкающий к первому. Мощность отложений увеличивается от Красноармейского купола в сторону прогиба.
Красноармейский участок расположен в зоне сочленения Сарпинско-Тингутинской мульды с Красноармейским прогибом от крупного Красноармейского купола. Границей между ними служит Красноармейский сброс, прослеживаемый на значительном расстоянии; он связан соляными штоками и имеет сложное строение. В результате соляного тектогенеза надсолевые отложения неоднократно претерпевали смещения переменного знака. Область интенсивных движений на изучаемом участке сброса не превышает в ширину 600-650 м.
райгородский участок расположен на западном крыле Райгородского прогиба – крупной депрессии, разделяющей Приозерно-Светлоярскую и Ушаковскую соляные антиклинали. К северу протяженность прогиба достигает 50 км, южная граница является открытой. Ширина прогиба составляет 20-22 км, сужаясь к северу до 3-4 км. Структура осложнена серией разломов. Надсолевые отложения прогиба повторяют рельеф кунгурской сульфатно-галогенной толщи, погружаясь от бортов к центру. От бортов к центру структуры происходит и увеличение мощностей отложений.
8.3. Условия формирования геофизических и геохимических аномалий над соляными куполами
Аномалии гравитационного поля. Кунгурская каменная соль, обладающая дефицитом плотности по отношению к вмещающим породам и огромной мощностью в куполах, обусловливает значительный аномалиеобразующий эффект.
В гравитационном поле глубокие минимумы силы тяжести, отвечающие куполам, занимают примерно 1/4 площади и имеют округлую или удлиненную форму. Они впервые были установлены в США (1932г.) и широко используются в разведочной геофизике.
Соляная толща вызывает локальные проявления аномально высоких пластовых давлений (АВПД). Примером этому является Астраханский ГКМ. Наличие АВПД объясняется гравитационным фактором, обусловившим перемещения соли и разуплотнение межсолевых прослоев и их изоляцию. Образование АВПД связывается с сокращением объема пространства за счет роста кристаллов соли.
В западной части ПКВ (Волгоградское Поволжье) идет разгрузка глубинных газов; очаги разгрузки газов выражаются в виде линейных или кольцеобразных зон. Над месторождениями разгрузка газов возрастает на несколько порядков. В зонах активной разгрузки газов существенно изменяется состав приземной атмосферы. Многолетние наблюденияй на геодинамических полигонах западной части ПКВ и на Тенгизском месторождении подтверждают геоэкологическую напряженность активной разгрузки глубинных газов (Анисимов,1993).
Аномалии магнитотеллурических полей. Главным фактором, формирующим аномальное поле теллурических токов, является поверхность соли, которая служит опорным электрическим горизонтом высокого сопротивления. Удельное значение электрического сопротивления (УЭС) кунгурской соли превышает 100 Ом м, в то время как надсолевые слои характеризуются значениями 0,27-3,87 Ом м, реже достигают значений 5-40 Ом м. Напряженность поля в межкупольных разрезах обычно менее 10 ед.(усл.). Над соляными массивами фиксируются значения напряженности поля более 120 ед., достигающие обычно 200-400, а в редких случаях (купол Отрадный) –1000 ед.
Аномалии магнитного поля. Сходство магнитного и гравитационного полей ПКВ известно давно, существуют схемы районирования с выделением аномалий I -IV порядков (Кунин Н.Я., 1977). Магнитная восприимчивость как способность пород намагничиваться, для кунгурской соли ниже, чем в надсолевом комплексе (табл. 3), хотя в целом большинство пород осадочного чехла ПКВ имеет слабую магнитную восприимчивость и не создает аномалий.
Таблица 3
Магнитная восприимчивость пород Прикаспийской впадины
| Возраст | Общее число образцов | Доля образцов (%) для 10-6 ед. СГСМ | ||||
| 10 | 10-100 | 100-200 | 200-500 | 500 | ||
| Центральная часть впадины | ||||||
| Кайнозой | 403 | 85 | 10 | 3 | 2 | - |
| Мезозой | 482 | 92 | 7 | 1 | - | - |
| Пермо-триас | 275 | 90 | 9 | 1 | - | - |
| Кунгур | 49 | 96 | 4 | - | - | - |
| Актюбинское Приуралье и Западное Приугоджарье | ||||||
| Мезозой | 70 | 86 | 14 | - | - | - |
| Пермо-триас | 182 | 43 | 33 | 16 | 16 | 2 |
| Кунгур | 198 | 90 | 9 | 1 | 1 | - |
| Нижняя пермь | 141 | 96 | 3 | 1 | 1 | - |
| Южно-Эмбенский район | ||||||
| Кайнозой | 96 | 94 | 6 | - | - | - |
| Мезозой | 717 | 89 | 11 | - | - | - |
| Пермо-триас | 54 | 96 | 4 | - | - | - |
| Кунгур | 107 | 99 | 1 | - | - | - |
Аномалии волновых полей. В пределах ПКВ применяются различные методы сейсморазведки: методы отраженных волн (MOB), корреляционный метод преломленных волн (КМПВ); их волновые поля четко различаются для соляных куполов и мульд.
Волновое поле MOB отображает строение разреза и отличается спецификой в ПКВ. Число отраженных волн в мульдах варьирует от 5 до 15 и обычно составляет 8-12. С приближением к соляному куполу волновое поле осложняется. В сводовых частях куполов волны прослеживаются хуже или не регистрируются.
В поле преломленных волн ПКВ выделяются аномальные волны, обусловленные куполами: дифрагированные и отраженные от куполов волны с низкой интенсивностью, большим диапазоном кажущихся скоростей, специфической формой годографа. Аномальные волны с большими скоростями существуют также в зонах крупных разломов.
Существуют и другие геофизические аномалии с резкими различиями напряженно-деформированного состояния разреза над куполами. Обзор исследований аномалий опубликован В.Ф.Котловым (1997).
Геохимические аномалии. над соляными куполами установлены в левобережье Волгоградской области и на территории АГКМ. По данным анализа разреза и результатов газовой съемки на территории АГКМ установлена связь между распределением метана на глубине 0-100 м и расположением куполов Ахтубинский и др. (Акимова А.А.). Площадная газонасыщенность разреза метаном определена на основе данных 208 геохимических скважин глубиной 100 м, равномерно распределенных на площади 1500 м2. Газонасыщенность пород колеблется в пределах от 0,1 до 20,3 %. Сравнительный анализ площадного распределения газонасыщенности с поверхностью кровли соли указывает на взаимосвязь между ними. Аномально высокая концентрация метана (АВКМ) совпадает с крутыми, как правило, западными и северо-западными стенками куполов. В мульдах распределение концентрации метана не зависит от местоположения точки опробования. АГКМ рассматривается как показатель повышенной флюидопроницаемости разреза на данной площади. Последнее подтверждается данными геофизических исследований, по которым участки с повышенной трещиноватостью надсолевого комплекса совпадают.
Геохимические аномалии над соляными куполами с ураганным содержанием гелия в подземных водах закартированы также А.В. Постновым над Ахтубинским куполом.
По данным геохимических исследований в ПКВ и на территории АГКМ выявлены закономерности изменений в составе атмосферы и выявленных зон проницаемости разреза. Установлено, что локализация диоксида азота техногенного происхождения в приземной атмосфере, превышающая ПДК, связана с выявленными геодинамически активными зонами. Проявление газогеохимических аномалий над участками повышенной трещиноватости и флюидопроницаемости на площадях с развитой солянокупольной тектоникой ПКВ, предопределяет формирование так называемых зон притяжения техногенных потоков газов и приводит к локализации загрязнителей, выбрасываемых в атмосферный воздух.
В левобережье Волгоградской области (Лугово-Пролейская, Демидовская и другие структуры) при анализе данных газометрических исследований с данными дешифрирования аэрофотоснимков также наблюдается взаимосвязь.
Зоны трещиноватости и аномалий концентраций метана приурочены к зонам развития максимальных тектонических напряжений и четко отражают проявление соляной тектоники. Максимальная густота трещин наблюдается в пределах присводовых частях структур, где напряжения наиболее значительны. К этим зонам приурочены геохимические аномалии: например, содержание метана в поверхностных образцах в 3 раза больше, чем вне этой зоны, а тяжелых углеводородов в 4,5 раза. Непосредственно над разрывными нарушениями содержание метана выше в 15 раз, а тяжелых углеводородов - в 20 раз (В.Г. Прохоров).
Выявление зон повышенной проницаемости среды представляет актуальную научную и практическую задачу. Горные породы в этих зонах имеют пониженную прочность, повышенную трещиноватость, что может отражаться в нарушениях герметичности водоупоров; они относительно неблагоприятны в инженерно-геологическом отношении.
Эти зоны отличаются фильтрационной анизотропностью, повышенным динамизмом подземного стока, связью режима ПВ с режимом инфильтрации поверхностных вод, пониженной минерализацией подземных вод в зоне активного водообмена. Эксплуатационные скважины в пределах газовых месторождений являются источниками повышенного экологического риска и требуют особого внимания в процессе эксплуатации. К подобным зонам, по мнению большинства исследователей, относятся так называемые «геопатогенные зоны», или зоны биологического дискомфорта, негативно влияющие на здоровье человека (М.В. Комарова, 1988).
Зоны повышенной проницаемости изучены и закартированы крайне слабо. В Волгоградской области подобные зоны выявлены и изучаются с помощью режимных наблюдений на ряде полигонов (Суворовском, Демидовском) и Лободинско-Катричевском профиле.
8.4. Пространственные закономерности линеаментов в Волгоградском Прикаспии
В Волгоградском Прикаспии отсутствие резко выраженной связи рельефа со структурными и ИГ условиями на локальных площадях не позволяет отметить многие важные морфологические особенности территории.
Для выявления структурных форм и их связи с геохимическими аномалиями требуется более тщательный анализ рельефа, поэтому был применен морфоструктурный анализ разрывных дислокаций, отражающихся в ландшафтах в виде прямолинейных элементов. Опыт использования этого метода есть как у нас в стране, так и за рубежом.
Прямолинейные элементы ландшафта в работах различных авторов имеют разные названия; большинство исследователей называет их линеаментами. Исследуя закономерности распределения их по площади, а также общий геометрический рисунок, можно решать многие вопросы структурного анализа. Например, в пределах отдельных локальных участков, приуроченных к соляным куполам, разломам и т. д., порядок скоростей современных движений сохраняется таким же (1 – 1,5 мм/год), как и для наиболее активного Жирновско-Линевского блока (до 4,5 мм/год). Ранее установленная тесная связь геохимических аномалий с зонами активных новейших поднятий в Правобережье, дала основание утверждать, что подобный порядок скоростей восходящих подвижек обеспечивает образование трещин – путей миграции углеводородов. Поэтому выявление наиболее активных инженерно-геологических зон по линеаментам представляет большой интерес.
Специфические условия рельефа Левобережья определяют особенности их выделения и интерпретации. Для этой цели В.А. Прохоровым проводилось дешифрирование аэрофотоматериалов крупного масштаба.
В качестве поисковых критериев использовались прямолинейные границы почв, линейно вытянутые участки лиманов, другие прямые границы фототона. Дешифрирование проводилось на участке Лугово-Пролейской площади, который частично расположен в зоне Приволжской моноклинали и Прикаспийской синеклизы. В результате обработки была составлена карта густоты линеаментов, построены розы-диаграммы, проанализированы их плановые распределения.
Методика составления карт детально описана в работе И.Г. Гольбрайха. Применялся метод «скользящего окна» с помощью круговой палетки. Радиус палетки — 2 км, как 1/3 – 1/4 часть от размера локальных структур. Шаг палетки – 1 км, для получение непрерывной информации по всей площади. Дополнительно были составлены карты избранных простираний характерных линеаментов 300—320° и 30—60°.
Установлено, что повышенная густота трещиноватости приурочена к зонам максимальных тектонических напряжений и наиболее сложных ИГУ. Полученные аномалии густоты линеаментов сравнивались со структурной картой по кровле соли. Общее повышение густоты линеаментов приурочено к соляным структурам.
Характерно, что мульда, четко проявляющаяся на структурных картах, вверх по разрезу становится все менее выраженной и на поверхности представлена куполовидным повышением, высотой до 3 м, с концентрическим рисунком линеаментов. Увеличение густоты линеаментов происходит и в пределах моноклинали по мере приближения к бортовому уступу, но и периклинальная часть Лугово-Пролейской брахиантиклинали с амплитудой 0,01 км по подошве турона выделяется повышенной густотой линеаментов.
Изучение ориентировки линеаментов позволяет получить определенную информацию о тектонической и инженерно-геологической структуре региона.
Линеаменты, как трансформация тектонической трещиноватости на поверхность, отражают не разломы, а распределение трещиноватости в пределах тектонической и инженерно-геологической структуры района, а, следовательно, и саму структуру. Таким образом, подтвердилось мнение, что в условиях длительного компенсированного прогибания молодые разрывы преобладают над разрывами древних пoгребенных этажей.
Распределение линеаментов по площади, связь их с трещинно-разрывной сеткой коренных пород и с морфологией структуры определяет инженерно-геологические особенности строения вертикального разреза.
Е.М. Смехов указывает, что обнаруженные на поверхности аномалии густоты трещиноватости можно трансформировать на глубину и предсказывать вероятные зоны трещинных коллекторов. Исследования показали, что густота линеаментов на поверхности наиболее четко отражает неравномерное распределение трещиноватости верхнего структурного этажа, в данном случае надсолевого комплекса. Это может служить надежным критерием при поиске ослабленных инженерно-геологических зон в земной коре.
Данные по структурному развитию новейшей тектонической активности, ведущих к раскрытию или закрытию трещин, позволяют прогнозировать участки повышенной проницаемости, что во многом может облегчить интерпретацию инженерно-геологических исследований.
В пределах исследуемого участка для Приволжской моноклинали геохимические аномалии вытянуты по простиранию структуры; в Прикаспийской синеклизе они имеют более причудливые очертания, повторяющие контуры структур, и располагаются на крупных крыльях, периклиналях, в межкупольных впадинах и других местах развития наибольших тектонических напряжений.
Адекватно отражая соляные структуры, аномалии густоты линеаментов могут служить средством для отбраковки геохимических аномалий, приуроченным к соляным куполам, которые являются малоперспективными. И наоборот, повышенная густота линеаментов, развитая над другими структурными формами и отражающая активные поднятия, указывает на повышенную проницаемость разреза в данном месте и благоприятные условия для миграции флюидов к поверхности. На наличие таких условий указывает крупная газобактериальная аномалия, отмечается и повышенная газонасыщенность пород на глубине.
Радиометрические аномалии также отличаются повышенной густотой линеаментов или в их пределах; рисунок линеаментов концентрический, отражающий куполовидные поднятия на дневной поверхности.
При использовании результатов дешифрирования аэрофотоматериалов и выделенных на них линеаментов, отражающих неоднородность трещиноватости пород, при интерпретации геохимических исследований необходимо учитывать данные геофизических и инженерно-геологических исследований, которые, в частности, могут дополнить данные о трещиноватости и проницаемости пород на глубине, что позволит более точно выделять перспективные аномалии (В.А. Прохоров).
Глава 9. Инженерно-геологическое обоснование проектирования и строительства оснований и фундаментов на территории мегаполиса.
В соответствии с действующими нормативными документами (СНиП), основания и фундаменты зданий и сооружений служат для восприятия нагрузок от строительных конструкций, технологического оборудования и нагрузок на полы.
Выбор основания (несущего слоя) производится в зависимости от инженерно-геологических условий площадки строительства, конструктивных особенностей проектируемого здания и сооружения; грунты основания должны обеспечивать надежную работу конструкций зданий и сооружений при минимальных объемах строительных работ по устройству фундаментов.
В качестве основания могут приниматься разнообразные грунты; не рекомендуется использование в качестве основания илов, торфов, рыхлых песчаных и текучепластичных глинистых грунтов.
При свайных фундаментах грунты основания должны максимально использовать прочность материалов свай при минимальном их сечении, длине и заглублении подошвы ростверка.
9.1. Сравнительная характеристика инженерно-геологических условий Прикаспийской синеклизы и Приволжской моноклинали в границах Волгоградского мегаполиса
В целях выявления пространственных закономерностей инженерно-геологических условий на территории мегаполиса был выполнен сравнительный анализ этих условий для инженерно-геологических районов города, относящихся к Прикаспийской синеклизе и Приволжской моноклинали.
К ним относятся тектоническая позиция и господствующий тип тектонических движений, преобладающие типы четвертичных отложений, геоморфологические условия, состав и физико-механические свойства грунтов (в том числе специфических), геологические и инженерно-геологические процессы. Итоги анализа приведены в таблице 4.
В целом по большинству признаков инженерно-геологические районы Прикаспия и Воронежской антеклизы резко отличаются. Некоторым исключением является сходство инженерно-геологических процессов в подземной гидросфере, однако и здесь скорости подъема УГВ на хвалынских глинах в Прикаспии существенно выше, чем в лессовых породах Приволжской возвышенности.
Таблица 4
Сравнительная характеристика инженерно-геологических районов Прикаспийской синеклизы и Приволжской моноклинали
| Номера районов | |
| ИГР I, ИГР II, ИГР III, ИГР VII | ИГР IV, ИГР V, ИГР VI, частично ИГР VIII |
| Тектоническая позиция | |
| Прикаспийская синеклиза (впадина) | Приволжская моноклиналь Воронежской антеклизы |
| Господствующий тип тектонических движений | |
| Погружение | Поднятие |
| Преобладающие типы четвертичных отложений | |
| Морские, аллювиально-морские, аллювиальные, озерные, эоловые, лессовые | Лессовые, элювиальные |
| Геоморфологические условия | |
| Прикаспийская низменность – плоская аккумулятивная равнина, сложенная морскими и континентальными четвертичными отложениями | Приволжская возвышенность - денудационная равнина, сложенная дочетвертичными отложениями, преимущественно перекрытыми лессовыми породами |
| Гидрогеологические условия | |
| Неглубокое залегание УГВ (до 1-5 м) в морских, аллювиальных, озерных отложениях | УГВ на неосвоенных территориях располагался в дочетвертичных отложениях. Освоение территории привело к резкому подъему УГВ |
| Состав и физико-механические свойства грунтов | |
| Преобладают рыхлые четвертичные глинистые, лессовые и песчаные породы морского, аллювиального и озерного происхождения. Голоценовые глины слабо литифицированы, верхнеплейстоценовые от слабой до средней литификации, средне- и нижнеплейстоценовые среднелитифицированы | Преобладают скальные и полускальные породы мечеткинской и царицынской свит терригенной и кремнистой формации палеогена. Песчаные грунты ергенинской свиты неогена обладают высокой плотностью и малой сжимаемостью |
| Специфические грунты | |
| Повсеместно распространенные хвалынские глины относятся к сильнонабухающим, особенно на участках соляных куполов. В межкупольных депрессиях хвалынские глины относятся к слабым грунтам, как и аллювиальные старичные грунты. Верхнехвалынско-современные и верхнечетвертичные ательские лессовые породы являются просадочными. | Покровные лессовые породы являются просадочными. Олигоценовые глины майкопской серии палеогена и оливково-зеленые глины эоцена относятся к сильнонабухающим. Слабые грунты связаны с долинами притоков Волги: Мечеткой, Царицей, Ельшанкой и др. |
| Геологические и инженерно-геологические процессы | |
| Современные тектонические движения на соляных структурах со скоростью до 18 мм/год, часто сопровождаемые разломами. Характерно преобладание аккумуляции над денудацией. Оползни и оврагообразование, связанные преимущественно с долиной р. Волги, входят в группу наиболее опасных процессов. На освоенных территориях типичны процессы изменения гидрогеологических условий: резкий подъем уровня грунтовых вод, подтопление, заболачивание, засоление, просадочные явления в лессах, набухание глин, уменьшение прочности пород и их размокание, оползни, коррозия и пр. На освоенных территориях развиваются эоловые процессы и опустынивание | Современные тектонические процессы, связанные с соляной тектоникой, отсутствуют. Характерно преобладание денудации над аккумуляцией. Оползни и оврагообразование, связанные как с долиной р. Волги, так и с многочисленными оврагами, также входят в группу наиболее опасных процессов. Переработка правого берега Волгоградского водохранилища происходит со скоростью от 0,4 до 1,8 м/год в палеогеновых отложениях. На освоенных территориях происходит изменение ГГУ, которое вызывает повышение уровня грунтовых вод, образование верховодки, увеличение влажности пород и их размокание, коррозию, оползни и т.д. При подъеме уровня грунтовых вод возникает подтопление, заболачивание и вторичное засоление. |
Некоторым особняком выглядят районы VIII типа – преимущественного распространения искусственных насыпных и намывных пород мощностью до 28 м, подстилаемых аллювиальными современными отложениями притоков р. Волги, которые распространены как в Прикаспии, так и на Приволжской антиклинали мегаполиса, с некоторым преобладанием в северной части. Они возникли в результате ликвидации мелких речек, оврагов и балок.
9.2. Исследование закономерностей несущей способности
оснований и фундаментов
Количество высотных зданий в Волгограде и их высота непрерывно возрастает (более 100 м). Как правило, многоэтажные здания возводят на свайных или плитных фундаментах.
Вместе с тем инженерно-геологические условия территории Волгоградского мегаполиса достаточно сложные, что связано с распространением так называемых специфических грунтов (раздел 7.2).
Первым от поверхности горизонтом являются техногенные грунты, по преимуществу насыпные и намывные. Вследствие высокой неоднородности в качестве естественного основания для плитных фундаментов они не используются, хотя сроки их самоуплотнения давно исчерпаны. При свайном варианте фундаментов эти грунты полностью прорезаются сваями и опираются на слабосжимаемые грунты.
К просадочным грунтам относятся в первую очередь покровные лессовые породы LQIII, широко распространенные на водораздельных пространствах и склонах Приволжской возвышенности. Кроме того, просадочными являются погребенные лессовые породы ательского горизонта LQIIIat. Оба типа грунтов проявляют просадочность при замачивании.
Набухающие грунты представлены древними глинами майкопской свиты палеогена P3mk; при замачивании они увеличиваются в объеме, а давление набухания составляет 0,15-0,3 МПа. Другим распространенным типом набухающих при замачивании пород являются глины хвалынского горизонта QIIIhv; их давление набухания достигает 0,5 МПа.
К слабым грунтам относятся озерно-аллювиальные глины и суглинки бекетовского горизонта, образовавшиеся около 10 тысяч лет назад и вследствие этого обладающие высокой пористостью, влажностью, сжимаемостью и крайне низкой прочностью.
Вполне понятно, что все перечисленные выше специфические грунты не могут использоваться в качестве оснований плитных фундаментов без искусственного укрепления грунтов.
Ниже рассматриваются результаты 245 натурных испытаний свай (см. таблицу 5) статическими нагрузками в различных инженерно-геологических условиях*.
Таблица 5
Результаты полевых исследований несущей способности свай в различных инженерно-геологических условиях мегаполиса
| Несущий слой грунта | Глубина погружения, м | Частные значения несущей способности свай, тс | Количество опытов | Примечания |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| Сваи – стойки сечением 0,3х0,3 м | ||||
| Песчано-алевритовые породы мечеткинской свиты палеогена Р2m | 3,0 | 80 | 2 | |
| 4,0 | 96 | 2 | ||
| 4,6-4,8 | 75 | 4 | ||
| 5,1-5,6 | 90 | 4 | ||
| 5,5 | 85 | 3 | ||
| 6,5 | 80 | 1 | ||
| 7,5 | 65-70 | 2 | *лидер 6,0 м | |
| 7-9 | 85 | 12 | ||
| 11-13 | 100 | 3 | ||
| 12 | 90 | 3 | ||
| 15 | 90 | 2 | ||
| Эталонные сваи | ||||
| Песчано-алевритовые породы мечеткинской свиты палеогена Р2m | 4,4 | 81 | 1 | |
| 5,3-5,5 | 75-78 | 4 | ||
| 5,9-6,0 | 79-86 | 4 | ||
| 7,3 | 86 | 2 | ||
| 8,0 | 87 | 2 | ||
| 8,5 | 88-97 | 3 | ||
| 9,5 | 92 | 2 | ||
| Сваи-стойки сечением 0,3х0,3 м | ||||
| Песчано-алевритовые породы царицынской свиты палеогена Р2tz | 11.3 | 100 | 1 | |
| 11.5 | 95 | 1 | ||
| 13.0 | 100 | 1 | ||
| Глины киевской свиты палеогена Р2kw | 4,0 | 90 | 2 | |
| 5,6 | 90 | 1 | ||
| Пески ергенинской свиты неогена N2e | 4,5 | 75 | 2 | *лидер 2,8 м |
| 3,0-4,0 | 85-90 | 2 | ||
| Пески хазарской свиты QIIhz | 1,6-5,1 | 80 | 2 | |
| 13,0 | 125 | 2 | ||
| Висячие сваи сечением 0,3х0,3 м | ||||
| Верхнечетвертичные глины хвалынского горизонта mQIIIhv | 5,0 | 70-85 | 2 | |
| 7,0 | 36-60 | 9 | ||
| 6,5-7,5 | 35-50 | 2 | ||
| 7,5 | 39-60 | 4 | ||
| 8,0 | 55-61 | 2 | ||
| 8,3-9,3 | 112 | 2 | ||
| 11,0-13,5 | 90-106 | 4 | ||
| Озерно-аллювиальные глины, суглинки бекетовского горизонта l-aQIII-IVbk, подстилаемые хвалынскими глинами mQIIIhv | 16-21 | 40-45 | 2 | |
| 13,5 | 45 | 2 | ||
| Озерно-аллювиальные глины, суглинки бекетовского горизонта l-aQIII-IVbk, подстилаемые песками хазарского горизонта | 21,6-23 | 67 | 2 | |
| Лессовые породы LQIII | 12 | 44 | 2 | *уровень грунтовых вод (УГВ) на глубине 6,5 м |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 15 | 37,5 | 2 | *УГВ на глубине 10,5 м, лидер на глубине 10 м | |
| 2,8-7,5 | 75-105 | 2 | ||
| 2,8-7,5 | 32-50* | 2 | *опыты с замачиванием | |
| 4,5-6,5 | 60 | 2 | ||
| 4,5-6,5 | 30-40* | 2 | *опыты с замачиванием | |
| Глины майкопской свиты палеогена Р3mk | 7,0 | 95 | 1 | |
| 10,8-12,0 | 90-100 | 3 | ||
| Лессовые породы LQIII, подстилаемые глинами майкопской свиты Р3mk | 8,5 | 80 | 2 | |
| Лессовые породы ательского горизонта с прослоями песков LQIII,at | 7-9 | 87-105 | 4 | |
| 10,5 | 51-55* | 3 | *опыты с замачиванием | |
| 7,5-8,0 | 52-80* | 3 | *опыты с замачиванием | |
| Пески ательского горизонта QIII,at | 4-7 | 60-80 | 100 | |
| Буронабивные сваи диаметром 0,6-0,8 м | ||||
| Алевролиты царицынской свиты палеогена Р2tz | 21-22 | 350 | 1 | *свая 304 диаметр 0,6 м, осадка 8,32 мм |
| 500 | 1 | свая 244 диаметр 0,8 м, осадка 8,55 мм | ||
| 500 | 1 | свая 417 диаметр 0,8 м, осадка 11,70 мм | ||
| 22 | 500 | 1 | свая 238 диаметр 0,8 м, осадка 12,97 мм | |
| 22 | 500 | 1 | свая 484 диаметр 0,8 м, осадка 8,42 мм | |
| Буронабивные сваи диаметром 1 м | ||||
| Песчано-алевритовые породы царицынской свиты палеогена Р2tz | 29,5 | 976,9 | 1 | свая 1/109, диаметр 1 м, осадка 13 мм |
| 30,0 | 935,4 | 1 | свая 1/78, диаметр 1 м, осадка 14,5 мм | |
| Песчано-алевритовые породы мечеткинской свиты палеогена P2m | 18,2 | 678,0 | 1 | свая 1, осадка 4,2 мм |
| 18,2 | 615,0 | 1 | свая 7, осадка 5,5 мм | |
| 18,2 | 705,0 | 1 | свая 53, осадка 6,5 мм | |
| 16,2 | 575,0 | 1 | свая 78, осадка 2,9 мм | |
| 18,2 | 692,0 | 1 | свая 161, осадка 5,9 мм | |
| 18,0 | 660,0 | 1 | свая 179, осадка 2,5 мм | |
| Буронабивные сваи диаметром 1 м с уширением до 1,5 м | ||||
| Песчано-алевритовые породы царицынской свиты палеогена Р2tz | 29,5 | 1340,1 | 1 | свая 1/7 осадка 12 мм |
| 29,5 | 1364,0 | 1 | свая 1/8, осадка 11 мм | |
| 29,5 | 1164,3 | 1 | свая 1/61, осадка 14,5 мм | |
| 29,5 | 1261,8 | 1 | свая 2/1, осадка 13 мм отчет 3170 | |
| 245 | ||||
*Анализ и обобщение данных выполнены автором совместно с к.г.-м.н. А.П. Долгановым по данным изыскательских организаций НВТИСИЗ, Радиан и др.
Подводя итоги данным о несущей способности свай различных типов и размеров, мы вправе прийти к следующим выводам.
Сваи-стойки сечением 0,3 0,3 м. Важнейшим в мегаполисе опорным слоем для свай являются песчано-алевритовые породы мечеткинской свиты палеогена P2m. Толща этих пород имеет своеобразный вещественный состав и относится к типу пород с жесткими связями. По существу они представляют разновидности, промежуточные между песками и песчаниками, образуя гамму пород разнообразной прочности. Причем, песчаники играют среди них подчиненную роль и залегают в виде караваев или маломощных пластов, обычно называемых плитами.
Основные породообразующие значения в этих породах принадлежат кварцу, глаукониту, опалу и цеолиту. Кварц доминирует и составляет до 90-95% материала. Глауконит встречается обычно в количестве до 15-25%.
Опал определяет прочность породы. Последняя же зависит не только от его количества, варьирующего от нескольких процентов до 20-30% и даже 50%, но и от его типоморфной разновидности. Наибольшая прочность вызывается стекловидным опалом, нередко переходящим в халцедон или кварцит. Последние служат цементом очень крепких «сливных» или «кварцитовидных» песчаников с временным сопротивлением сжатию свыше 100 МПа. Эти породы образовались более 60 миллионов лет назад, и с тех пор их прочность только увеличивалась.
Глубина забивки свай в эти грунты чрезвычайно редко превышает 3 м, при продолжении забивки сваи разрушаются. Несущая способность свай, опирающихся на песчано-алевритовые породы, не зависит от длины свай и обводненности грунтов; это типичные сваи-стойки. Аналогичная несущая способность (95-100 т) характерна и для песчано-алевритовых пород другой свиты палеогена – царицынской. Сваи в глинах киевской свиты палеогена обеспечивают несущую способность 90 т при длине свай 4,0-5,6 м.
Пески ергенинской свиты неогена обеспечивают несущую способность свай длиной 3,0-4,5 м в диапазоне 75-90 т. Сваи длиной 5 м в хазарских песках имеют несущую способность 80 т, длиной 13 м – 125 т.
Висячие сваи сечением 0,3 0,3 м. Результаты испытаний свай этого типа, зависящие от несущей способности как под острием, так и по боковой поверхности, имеют наименьшую несущую способность, что вполне соответствуют физико-механическим свойствам грунтов, окружающих сваи. К ним относятся:
- верхнечетвертичные глины хвалынского горизонта mQIIIhv, которые выше уровня грунтовых вод при длине сваи 5 м обеспечивают несущую способность 70-85 т, снижающуюся при обводнении до 35 т;
- озерно-аллювиальные глины и суглинки бекетовского горизонта l-aQIII-IVbk подстилаемые хвалынскими глинами mQIIIhv; при длине свай 16-21 м несущая способность равна 40-45 т;
- озерно-аллювиальные глины и суглинки aQIII-IVbk при длине свай 21,6-23 м — 67 т;
- лессовые породы LQIII, которые при длине свай 4,5-6,5 м обеспечивают несущую способность 30-40 т (опыты с замачиванием);
- глины майкопской свиты палеогена Р3mk, которые при длине свай 7 м выдерживают нагрузки до 95 т;
- лессовые породы LQIII, подстилаемые глинами майкопской свиты Р3mk, которые при длине свай 8,5 м имеют несущую способность 80 т;
- лессовые породы ательского горизонта с прослоями песков LQIII,at, которые при длине свай 7,5-8,0 м выдерживают нагрузку в диапазоне 52-80 т;
- пески ательского горизонта QIII,at, которые при длине свай 4-7 м обеспечивают нагрузку 60-80 т.
Буронабивные сваи диаметром от 0,6 до 1,5 м и глубиной погружения от 16 до 30 м испытывались на различных объектах, но в сходных инженерно-геологических условиях – опорными слоями во всех опытах были скальные и полускальные породы мечеткинской и царицынской свит палеогена.
Полученные данные о несущей способности свай различного диаметра указывают на вполне очевидную связь между ними. Минимальные значения несущей способности были получены у свай диаметром 0,6-0,8 м (от 350 до 500 т); максимальные – у свай с уширением до 1,5 м (от 1164 до 1364 т); промежуточные – у свай диаметром 1 м – 615 до 976,9 т, при этом несущая способность тем больше, чем больше длина сваи.
Таким образом, среди изученных грунтов в качестве опорных слоев для свай-стоек предпочтительны глины киевской свиты палеогена, пески ергенинской свиты неогена, пески хазарской свиты и в особенности песчано-алевритовые породы мечеткинской и царицынской свит палеогена. Эти же пять типов грунтов рекомендуются в качестве надежных опорных слоев для фундаментов мелкого заложения.
Заключение
1. В результате исследований выявлены пространственные закономерности ИГУ территории мегаполиса и установлены принципиальные различия для ИГ районов города, относящихся к Прикаспийской синеклизе и Приволжской моноклинали.
К ним относятся тектоническая позиция и господствующий тип тектонических движений, преобладающие типы четвертичных отложений, геоморфологические условия, состав и физико-механические свойства грунтов, геологические и ИГ процессы. Итоги анализа приведены в таблице 4.
2. Впервые для территории мегаполиса разработана детальная характеристика геологического строения, тектонических, геоморфологических, гидрогеологических, геодинамических условий, состава и физико-механических свойств грунтов применительно к различным типам фундаментов, включая техногенные насыпные и намывные грунты;
3. Выявлены пространственные закономерности ИГУ, детализирована и уточнена на основе новых данных разработанная ранее (1981 г.) схема инженерно-геологического районирования территории.
4. Выполнена оценка и прогноз изменений инженерно-геологических условий территории мегаполиса под влиянием техногенеза.
5. Выполнено детальное исследование 13 литологических горизонтов 90-100 метровой толщи скальных и полускальных пород палеогена и определение нормативных характеристик сжимаемости каждого горизонта по данным 112 испытаний грунтов статическими нагрузками на штампы; по этим данным установлена тесная связь между сжимаемостью и пористостью (=0,85).
6. По данным 245 испытаний грунтов статическими нагрузками на сваи диаметром от 0,3 до 1,5 м выявлены закономерности несущей способности различных типов свай в 11 важнейших типах ИГУ.
7. Выявлено формирование над соляными куполами геофизических и геохимических аномалий как потенциальных геопатогенных зон.
Основные положения диссертации
опубликованы в следующих работах:
В ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, включенных в перечень ВАК РФ:
1. Инженерно-геоэкологическое картографирование территории Волгоградской агломерации / С. И. Махова [и др.] // Изв. вуз. Стр-во. 2002. N 9. С. 123-129.
2. Синяков В. Н., Махова С. И., Долганов А. П. Современные представления о физико-механических свойствах песчано-алевритовых пород мечеткинской свиты палеогена // Вестн. ВолгГАСУ. Сер.: Стр-во и архитектура. 2008. Вып. 12 (31). С. 29 – 32.
3. Долганов А. П., Махова С. И., Синяков В. Н. Песчано-алевритовые породы терригенно-кремнистой формации палеогена как важнейший фактор устойчивости сооружений территории г. Волгограда // Вестн. ВолгГАСУ. Сер.: Стр-во и архитектура. 2009. Вып. 13 (32). С. 11-14.
4. Инженерно-геологические особенности набухающих грунтов территории Волгоградского мегаполиса / С. И. Махова [и др.] // Вестн. ВолгГАСУ. Сер.: Стр-во и архитектура. 2009. Вып. 16 (35). С. 49-52.
5. Инженерно-геологические особенности намывных грунтов территории Волгоградского мегаполиса / С. И. Махова [и др.] // Вестн. ВолгГАСУ. Сер.: Стр-во и архитектура. 2009. Вып. 15 (34). С. 24-28.
6. Инженерно-геологическая характеристика насыпных грунтов территории Волгоградского мегаполиса / С. И. Махова [и др.] // Вестн. ВолгГАСУ. Сер.: Стр-во и архитектура. 2009. Вып. 15 (34). С. 29-33.
7. Сравнительный анализ сложных инженерно-геологических условий территории Волгоградского мегаполиса в связи с современным многоэтажным строительством / С. И. Махова [и др.] // Вестн. ВолгГАСУ. Сер.: Стр-во и архитектура. 2009. Вып.16 (35). С. 46-48.
8. Петрографо-минералогическая характеристика грунтов мечеткинской свиты палеогена / С. И. Махова [и др.] // Вестн. ВолгГАСУ. Сер.: Стр-во и архитектура. 2009. Вып. 14 (33). С. 17-20.
9. Махова С. И. Сравнительный анализ техногенного подтопления территорий мегаполисов юга России и их влияния на современные геологические процессы // Экология урбанизированных территорий. 2010. № 4. С. 51-56.
Монография:
10. Инженерная геология и геоэкология Волгограда / С. И. Махова [и др.]. Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2007. 126 с.
В других научных изданиях:
11. Махова С. И., Синяков В. Н., Кузнецова С. В. Инженерно-геологические картографические модели урбанизированных территорий на примере Волгоградской агломерации // Рациональное природопользование. Здоровье населения. Пермь : [Изд-во ПГУ], 2001. Т. IV. С. 37-39.
12. Махова С. И. Геоэкологические условия территории поселка Средняя Ахтуба // Экология, охрана среды, строительство: материалы VI регионал. конф. молодых исследователей Волгогр. обл., Волгоград : [Изд-во ВолгГАСА], 2001. С. 34-35.
13. Махова С. И., Синяков В. Н., Кузнецова С. В. Современные геологические процессы на территории Волгоградской городской агломерации // Рациональное природопользование. Здоровье населения. Пермь : [Изд-во ПГУ], 2001. Т. IV. С. 39-41.
14. Махова С. И., Синяков В. Н., Кузнецова С. В. Типизация форм техногенной нагрузки на территории Волгоградской агломерации // Поволжский экологический вестник. Волгоград : Изд-во ВолГУ, 2001. Вып. 8. С. 45-47.
15. Карта распространения структурно-неустойчивых грунтов Волгоградской агломерации / С. И. Махова [и др.] // Поволжский экологический вестник. Волгоград : Изд-во ВолГУ, 2001. Вып. 8. С. 42-45.
16. Махова С. И. Геоэкологическое районирование нефтегазоносных территорий Волгоградского Заволжья // Вестн. ВолгГАСУ. Сер.: Естеств. науки. 2002. Вып. 2 (6). С. 82-87.
17. Синяков В. Н., Кузнецова С. В., Махова С. И. Пространственные особенности формирования инженерно-геологических условий Прикаспийской впадины // Петрогенетические, историко-геологические и пространственные вопросы в инженерной геологии : материалы Междунар. науч. конф., г. Москва, 28-29 мая 2002 г. М. : Изд-во МГУ, 2002. С. 98-99.
18. Влияние накопителей жидких отходов на атмосферу и здоровье человека / С. И. Махова [и др.] // Качество внутреннего воздуха и окружающей среды : материалы науч. конф., г. Волгоград, 25-29 сент. 2002 г. Волгоград : [Изд-во ВолгГАСА], 2002. С. 54-60.
19. Махова С. И., Эрдниев О. В. Закономерности развития опасных природных и техногенных процессов на северо-западе Прикаспия (на примере Волгоградской области) // Единый Каспий: Межгосударственное сотрудничество и проблемы экономического и социального развития региона : сб. тр. Междунар. науч.-практ. конф., г. Астрахань, 10-11 июня 2002 г. Астрахань : Изд-во АГПУ, 2002. С. 134-136.
20. Геохимическое загрязнение верхних горизонтов литосферы: природная защищенность и геоэкологическое картографирование / С. И. Махова [и др.] // Вестн. ВолгГАСУ. Сер.: Естеств. науки. 2002. Вып. 2 (6). С. 70-76.
21. Махова С. И., Созанов Ю. К. Природная защищенность почв и грунтовых вод Прикаспийской низменности от техногенного загрязнения // Архитектура, строительство, экология : материалы Междунар. науч.-практ. конф., г. Барселона, 18-25 июня 2002 г. Волгоград : Изд-во ВолгГАСА, 2002. С. 59-61.
22. Махова С. И. Проблемы радиационной безопасности на нефтегазоносных территориях Прикаспия // Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций : материалы Междунар. науч.-техн. конф., г. Волгоград, 27-29 марта 2003 г. Волгоград : Изд-во ВолгГАСА, 2003. Ч. IV. С. 127-128.
23. Махова С. И., Новикова С. В. Инженерно-геологические особенности Волгоградской области // Поволжский экологический вестник. Волгоград : ВолГУ, 2005. Вып. 11. С. 179-185.
24. Махова С. И., Картушина Ю. Н. Изменение геологической среды в результате техногенного воздействия в Прикаспийском регионе // Гидрогеология и карстоведение. Пермь : [Изд-во ПГУ], 2006. Вып.16. С. 162-169.
25. Махова С. И., Картушина Ю. Н. Анализ причин и прогноз развития опасных техногенных процессов в Волгоградской области // Гидрогеология и карстоведение. Пермь : [Изд-во ПГУ], 2006. Вып.16. С. 162-169.
26. Бражников О. Г., Кузнецова С. В., Махова С. И. Современные геологические процессы на территории Волгоградской агломерации // Социально-экономические и технологические проблемы развития строительного комплекса и жилищно-коммунального хозяйства региона : материалы Всерос. науч.-технич. конф., г. Михайловка, 24-25 нояб. 2006 г. Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2006. С. 114-119.
27. Синяков В. Н., Махова С. И., Картушина Ю. Н. Мониторинг подземного захоронения жидких отходов в солянокупольных областях // Мониторинг геологических, литотехнических и эколого-геологических систем : материалы Междунар. науч. конф., г. Москва, 24-25 мая 2007 г. М. : Изд-во МГУ, 2007. С. 113-114.
28. Пространственные закономерности инженерно-геологических условий территории Волгоградской городской агломерации / С. И. Махова [и др.] // Южно-Российский вестник геологии, географии и глобальной энергии. 2007. №1 (25) С. 77-79.
29. Современная геодинамика различных типов инженерно-геологических районов Волгоградской городской агломерации / С. И. Махова [и др.] // Южно-Российский вестник геологии, географии и глобальной энергии. 2007. № 2 (26) С. 42-46.
30. Инженерно-геологические особенности Волгоградского палеогена / С. И. Махова [и др.] // Региональные проблемы экологической безопасности природных и антропогенных объектов : материалы регионал. науч.-практ. конф., г. Липецк, 12-13 дек. 2007 г. Воронеж : [Изд-во ВГПУ], 2008. С. 73-75.
31. Особенности тектоники Волгоградской агломерации и прилегающих территорий / С. И. Махова [и др.] // Региональные проблемы экологической безопасности природных и антропогенных объектов : материалы регионал. науч.-практ. конф., г. Липецк, 12-13 дек. 2007 г. Воронеж : [Изд-во ВГПУ], 2008. С. 69-73.
32. Оптимизация устройства фундаментов многоэтажных зданий в сложных инженерно-геологических условиях Волгоградского мегаполиса. / С. И. Махова [и др.] // Инновационные организационно-технологические ресурсы для развития строительства доступного и комфортного жилья в Волгоградской области : материалы Междунар. науч.-практ. конф., г. Волгоград, 1-3 дек. 2008 г. Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2008. С. 300-305.
33. Синяков В. Н., Долганов А. П., Махова С. И. Пространственные закономерности физико-механических свойств песчано-алевритовых пород волгоградского палеогена // Инновационные организационно-технологические ресурсы для развития строительства доступного и комфортного жилья в Волгоградской области : материалы Междунар. науч.-практ. конф., г. Волгоград, 1-3 дек. 2008 г. Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2008. С. 305-308.
34. Махова С. И. Влияние подъема уровня подземных вод на структурно-неустойчивые грунты Волгоградской городской агломерации // Водохозяйственные проблемы и рациональное природопользование : Всерос. науч.-практ. конф., г. Оренбург, 13-15 марта 2008 г. Пермь : [Изд-во ПГУ], 2008. Ч. I. С. 203-205.
35. Литологическая характеристика песчано-алевритовых пород Волгоградского палеогена / С. И. Махова [и др.] // Актуальные вопросы инженерной геологии и экологической геологии : тр. Междунар. науч. конф., г. Москва, 25-26 мая 2010 г. М. : Изд-во МГУ, 2010. С. 224-225.
Махова Светлана Ивановна
ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ МЕГАПОЛИСОВ ЮГА РОССИИ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА СТРОИТЕЛЬСТВО
Автореферат
диссертации на соискание учетной степени
доктора геолого-минералогических наук
Подписано в печать 23.03.11 г. Формат 60x84/16
Бумага офсетная. Гарнитура Times New Roman. Печать трафаретная.
Усл. печ. л. 2,0. Тираж 100. Заказ №
____________________________________________________________________
Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет
Сектор оперативной полиграфии ЦИТ
400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1
