Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние проблемы геоэкологического обеспечения стадии поисковых (геофизических) работ на нефть и газ 6
1.1. Геоэкологические последствия освоения Прикаспийской нефтегазоносной провинции и других регионов 10
1.2. Геоэкологические последствия на различных стадиях освоения месторождений углеводородов 33
1.3. Геоэкологическое обеспечение нефтегазоносных территорий в Прикаспии 37
ГЛАВА 2. Характеристика верхних горизонтов литосферы северо-западного прикаспия 43
ГЛАВА 3. Состояние здоровья населения 130
ГЛАВА 4. Конщпция и методика геоэкологических исследований и мониторинга на стадии поисков месторождений углеводородов 137
ГЛАВА 5. Пространственные закономерности верхних горизонтов литосферы в северо-западном прикаспии 144
ГЛАВА 6. Программа фонового геоэкологического мониторинга 180
заключение 206
литература
- Геоэкологические последствия освоения Прикаспийской нефтегазоносной провинции и других регионов
- Геоэкологические последствия на различных стадиях освоения месторождений углеводородов
- Геоэкологическое обеспечение нефтегазоносных территорий в Прикаспии
- Пространственные закономерности верхних горизонтов литосферы в северо-западном прикаспии
Введение к работе
В конце прошлого столетия в Прикаспийской впадине (ПКВ) были открыты уникальные месторождения углеводородов (УВ): Астраханское, Оренбургское, Тенгизское, Карачаганакское и др., которые вывели регион по запасам на одно из ведущих мест в мире. Они расположены равномерно по окраинам ПКВ, лишь в северо-западном и западном Прикаспии месторождений подобного класса пока не обнаружено, но это прогнозируется в ближайшее время в связи с благоприятными геологическими предпосылками и развитием научных и поисково-разведочных работ.
Между тем перечисленные месторождения-гиганты известны не только по уникальным запасам УВ, но и по сопоставимыми с ними геоэкологическими последствиями их освоения в условиях аномально высоких пластовых давлений (АВПД), наличия агрессивных компонентов (сероводород, углекислота), активной солянокупольной тектоники и множества тектонических разломов.
Под влиянием мощного воздействия нефтегазового комплекса на столь сложную природную среду происходит развитие опасных природных и тех-ноприродных процессов: современных тектонических движений, деформаций поверхности земли и сооружений (аварийные ситуации на скважинах и трубопроводных системах в зонах тектонических разломов), подтопления, заболачивания, набухания и просадки, дефляции и опустынивания, химического и радиоактивного загрязнения почв, пород, поверхностных и подземных вод и атмосферы, нарушения природных ландшафтов.
Поисково-разведочные работы и эксплуатация месторождений УВ выполняются в условиях аномалий геофизических и геохимических полей (так называемых геопатогенных зон), негативно воздействующих на состояние биоты и здоровье человека, что не учитывается при планировании работ.
Складывающаяся в Прикаспии крайне неудачная экологическая и геоэкологическая обстановка на объектах нефтегазового комплекса во многом связана с отсутствием методики геоэкологического обеспечения на различных стадиях освоения территорий, в том числе и на стадии поисковых работ на нефть и газ.
Цель работы. Разработка общей концепции и методики геоэкологического обеспечения поисковых работ на нефтегазоносных территориях в соля-нокупольных областях на примере северо-западного Прикаспия (СЗП).
В соответствии с указанной целью решались главные задачи:
анализ современного состояния проблемы геоэкологического обеспечения поисковых работ на нефть и газ;
сбор и анализ информации о геологических, тектонических, инженерно-геологических, почвенных и медико-демографических условиях СЗП;
разработка концепции геоэкологического обеспечения поисковых работ на нефть и газ;
изучение пространственной изменчивости тектонических, инженерно-геологических, почвенных условий и уязвимости геологической среды;
разработка программы фонового и экологического мониторинга.
Научная новизна:
разработана детальная характеристика геологического строения, тектонических, геоморфологических, гидрогеологических и почвенных условий, состава и физико-механических свойств грунтов, современных геологических процессов и показателей здоровья человека СЗП;
разработана научная концепция, содержание и методика геоэкологических исследований и мониторинга на стадии поисков месторождений УВ;
составлены карты уязвимости геологической среды к воздействиям нефтегазового комплекса и дискомфортного проживания человека.
Практическая ценность:
разработана программа фонового геоэкологического, экологического и геодинамического мониторинга, конфигурация наблюдательной сети;
разработана картографическая геоэкологическая модель территории как основа размещения разведочных скважин и выявлены наиболее уязвимые и наиболее значимые природные территориальные и аквальные объекты.
Защищаемые положения:
Несмотря на сравнительно малое воздействие поисковых (преимущественно геофизических) работ на окружающую среду, геоэкологические исследования на этой стадии имеют решающее значение для всех последующих стадий освоения месторождений УВ, вплоть до ликвидации.
Целью геоэкологических исследований на этой стадии является изучение фонового состояния геологической среды на региональном уровне, ее типизация и районирование, оценка активности и направленности природных и техногенных процессов и их прогноз, выявление наиболее уязвимых и наиболее значимых территориальных и аквальных объектов для планирования мест бурения разведочных и в последующем эксплуатационных скважин.
Наиболее значимая ущербообразующая геологическая опасность обусловлена современными знакопеременными вертикальными и горизонтальными движениями активных солянокупольных тектонических структур и связанных с ними разломов.
На стадии поиска должны выполняться следующие работы:
а) сбор, анализ и обобщение априорной информации: стратиграфия, со-
лянокупольная тектоника, литология, состав и физико-механические свойст
ва грунтов, гидрогеологические условия, рельеф, геологические процессы,
техногенные объекты и состояние здоровья населения;
б) составление комплекса среднемасштабных карт геоэкологического
содержания рассматриваемой территории;
в) фоновый мониторинг состояния окружающей среды.
Апробация работы. Основные положения выполненных исследований
докладывались и были представлены на отечественных и международных конференциях: «Рациональное природопользование. Здоровье населения» (Пермь, 2001); «Экология, охрана среды, строительство» (Волгоград, 2001); «Петрогенетические, историко-геологические и пространственные вопросы в
инженерной геологии» (Москва, 2002); «Качество воздуха и окружающей среды» (Волгоград, 2002); «Архитектура, строительство, экология» (Барселона, 2002); «Единый Каспий: Межгосударственное сотрудничество и проблемы экономического и социального развития региона» (Астрахань, 2002); на экологических чтениях в Волгоградском отделении Российской Экологической Академии (2001).
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 10 работах.
Структура и объем работы. Диссертация объемом 249 страниц состоит из введения, 6 глав и заключения. Текст работы сопровождается 36 таблицами, 34 рисунками, списком из 85 библиографических источников.
Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю д.г.-м.н., профессору В.Н. Синякову за направление исследований, поддержку и помощь при работе над диссертацией. Автор искренне признателен д.г.-м.н., проф. СВ. Кузнецовой за консультации и советы в работе над составлением карт, а также сотрудникам кафедры инженерной геологии и геоэкологии ВолгГАСА. Особую признательность автор выражает ведущему геологу ООО СП «Волгодеминойл» В.В. Дуке.
Геоэкологические последствия освоения Прикаспийской нефтегазоносной провинции и других регионов
Существующие и предполагаемые проблемы геоэкологического обеспечения НТК Прикаспия обсуждались в работах В.Н. Синякова (1987, 1993, 1995 и др.), СВ. Кузнецовой (2000), СВ. Новиковой (1999), Ю.И. Созанова, Г.Н. Самойленко и с различной степенью детальности также в работах Л.А. Анисимова, А.А. Акимовой, А.В. Бочкарева, А.Я. Гаева; Е.Е. Захаровой; СМ. Костырева; А.А. Карцева; СВ. Кузнецовой и др.; Т.Т. Махмутова; М.А. Му-хамеджанова; А.В. Постнова; В.Г. Попова; В.А. Прохорова; О.И. Серебрякова; В.Н. Синякова; О.М. Севастьянова; М.А. Шубина, а в других регионах в работах А.Л. Демидович; О.А. Диброва; Ю.Ф. Захарова; В.Н. Пуляева; Г.П. Якобсона, Л.А. Агаева, И.В. Гармонова, Ю.П. Гаттенбергера, А Говарда и И. Ремсона, Ю.С. Захарова (1976), Ф.В. Котлова (1978), Р. Легета (1976), Ю.Б. Осипова (1990), В. Ван дер Кнаапа, Н.И. Плотникова (1989).
Природные и техногенные геологические процессы. Активизация геологических процессов и образование техногенных процессов под влиянием НТК представляет серьезнейшую геоэкологическую проблему в ПКВ. Прежде всего это касается современных тектонических движений на соляных куполах, обусловленных пластическим перемещением (ползучестью) каменной соли. Рост соляных куполов в Прикаспии продолжается и новейшее время, что подтверждается исследованиями на территории Астраханского газового комплекса (Синяков и др., 1990), Паромненской соляной структуры, Светлоярского рассолопромысла (Синяков и др., 1997). Имеющиеся ре зультаты режимных наблюдений показывают, что скорость роста куполов достигает 14-18 мм/год в Прикаспии, 4-9 мм/год в Средней Азии и 12,5 мм/год в США, горизонтальных движений между куполами и мульдами до 50 мм/год. Оба типа движений могут оказывать влияние на герметичность скважин и трубопроводов, в особенности из-за периодической смены их знака, способствующей расшатыванию системы. С соляными куполами связаны разломы поверхности земли, которые могут деформировать инженерные сооружения. По опубликованным данным (Verbeek,1973), разломы над соляными структурами широко распространены в регионе Хьюстон - Галвестон на площади, подверженной значительному оседанию земной поверхности в результате отбора флюидов (воды, нефти и газа). При этом разломы не ограничиваются значительной (6000 км) мульдой оседания с центром в Хьюстоне, но достаточно типичны для всей прибрежной зоны Мексиканского залива, исследованной на площади 35000 км2 между Викторией и Бомонтом, Техас. Были зарегистрированы сотни разломов, пересекаюіцих отложения плейстоцена и голоцена и выходящих на поверхность прибрежной равнины. Много разломов расположено за пределами мульды оседания Хьюстон -Галвестон, из них более 10% активны, на что указывают такие признаки, как смещение, разрушение участков дорожного полотна, конструктивные аварии зданий, расположенных на разломах, и деформации линий железных дорог. В то же время в мульде Хьюстон - Галвестон плотность разломов более значительная, чем в любом другом районе исследованного побережья Техаса, что связано с большим отбором подземных вод и углеводородов. Характерно, что число разломов, зафиксированных аэрофотосъемкой, возросло по меньшей мере десятикратно в период между 1930 и 1970 годами.
Формы проявления разломов типичны для соляных куполов. Были обнаружены как радиальные формы (на куполах Хайайленд, Блю Ридж, Клэм Лейк и Клинтон), так и надсводовые грабены (купол Южный Хьюстон, Френдсвуд - Уэбстер) и грабены растяжения, соединяющие несколько известных и предполагаемых куполов (например, Микава, Френдсвуд - Уэбстер и Клиэр Лейк).
Это доказывает не только влияние соляных структур на надежность и долговечность техногенных объектов, но и влияние отбора флюидов на резкую активизацию и концентрацию разломов в зоне наиболее интенсивного отбора. Все это характерно для солянокупольных бассейнов в целом. На Карачаганакском месторождении авария буровой скважины, расположенной в зоне разлома, вызвала образование грифонов и провалов земной поверхности в радиусе нескольких километров; в один из них провалилась буровая вышка другой скважины. 400-дневный пожар на Тенгизском месторождении, по данным В.И. Яковецкого, также связан с разломом. По данным О.А. Ши-рягина (2002), на АГКМ к зонам разломов, активность которых подтверждена геодинамическими замерами их вертикальных и горизонтальных движений приурочены аварии скважин и трубопроводов. Активные разломы с амплитудой до 2 м известны и в Североморской впадине, например, на куполе Евер (Иллис, 1959).
Техноприродные процессы, связанные с изменением напряженного состояния.
Деформации земной поверхности, вызванные извлечением флюидов. Одним из важнейших последствий отбора флюидов (нефти, газа, воды) является оседание земной поверхности в результате падения давления в пластах. Типичные примеры оседаний в различных странах, по опубликованным данным, приведены в таблице 3. Максимальная величина оседания достигает 12 м (Техас), скорость оседания 75 см/год, горизонтальные оседания 1,7 м за 8 лет. Оседание происходит в результате снижения пластового давления при извлечении из горных пород жидких или газообразных полезных ископаемых. Наиболее подвержены уплотнению неконсолидированные осадочные породы - глины, суглинки, илы, гипсы, лессовые породы.
Некоторыми исследователями отмечается, что деформации земной поверхности на порядок выше при эксплуатации газовых залежей по сравнению с нефтяными. Отмечается также, что величина и темпы оседания коррелируют с объемом добычи и падения пластового давления, оседание сопровождается затоплением территории морскими, озерными, речными водами, образованием новых и активизацией древних разрывных нарушений (с амплитудой до 60 см), разрушением эксплутационных скважин, автомобильных и железных дорог, ЛЭП, магистральных газопроводов и других трубопроводов, зданий и сооружений. Величина ущерба от разрушений в районе Уилмингтона (США) превысила 100 млн. долларов.
В качестве восстановительных мер применяют земляные работы с целью подъема поверхности земли, устройство заградительных дамб для защиты от поверхностных вод, закачку воды в пласт. Например, в Уилмингтоне ежедневно закачивается 100000 м воды через 300 скважин, стоимость этих работ превышает 10 млн. долларов.
Геоэкологические последствия на различных стадиях освоения месторождений углеводородов
В числе наиболее серьезных исследований в этом направлении явились работы института "ОренбургНИПИнефть", посвященных специальному изучению радиационной обстановки нефтегазоносных территорий, хотя свидетельства о высоком уровне радиоактивности, например, покрышек месторождений высокосернистых газов на Астраханском своде, в Предуральском прогибе и в других регионах публиковались и ранее (Анисимов и др., 1983, с. 102).
Было установлено, что интенсивное проведение геолого-разведочных и эксплуатационных работ на нефть и газ в западной части Оренбургской области нередко приводит к появлению радиоактивных загрязнений. На поисково-разведочных площадях, газо- и нефтепромыслах в процессе технологического цикла происходит вынос радионуклидов из вмещающих пород с образованием на поверхности их повышенных концентраций, которые фиксируются аномалиями гамма-поля.
Была доказана четкая взаимосвязь размещения аномальной радиоактивности естественного происхождения с положением нефтегазоносных структур и месторождений. Установлено, что значительная часть аномалий находится в контуре нефтяных залежей и хотя аномальные по интенсивности интервалы ионизирующего излучения смещены в надпродуктивные и под-продуктивные пласты и толщи, однако на ряде месторождений отмечается их приуроченность непосредственно к продуктивным нефтяным пластам, либо к зоне водонефтяного контакта.
Показано, что глубинные скопления естественных радионуклидов в районах размещения нефтяных и газовых месторождений, вовлекаясь в техногенный поисково-разведочный и технологический эксплуатационный цикл, оказывают непосредственное влияние на радиационную обстановку. Вовлечение радиоактивных веществ в технологический цикл является следствием активизации природной водно-углеводородной системы на разрабатываемых или разведываемых месторождениях, а также усиления геохимической активности по отношениям к радионуклидам эмульсионно-водных смесей, содержащих углеводороды. Именно попутные пластовые или технологические воды являются основными носителями радионуклидов (Тараборин, 2001).
По этим данным, возникновение аномальной радиационной обстановки при освоении нефтегазоносных районов тесно связано с геохимическими особенностями системы нефть-газ-вода-вещество вмещающих пород. При этом на дневную поверхность выносятся газы, воды различного состава, частицы горных пород, их взвеси, суспензии, битумы, компоненты нефти. По данным В.А. Успенского (1985) в число вредных компонентов при разработке месторождений входят Ва, V, S, Cd, As, Ni, Hg, Pb, Sr, Zn, а также радионуклиды. Содержание урана и продуктов его распада на месторождениях, где он связан с органическим веществом, составляет от кларковых долей до десятков процентов. Органическое вещество, в том числе содержащее радионуклиды, обладает высокой степенью геохимической подвижности, легко переходит в водные растворы, мигрирует в щелочной, нейтральной и кислой средах, образует с другими элементами, включая уран, растворимые соединения. Поступление даже небольших количеств кислорода с водой, используемой при бурении, либо присутствие кислорода в породах и водах в любой форме способствует окислению органического вещества, образованию продуктов его окисления и различных металлоорганических соединений, в виде которых могут перемещаться и радионуклиды.
Углеводородные газы, мигрирующие вверх по разрезу (диффузия, стволы скважин, зоны трещиноватости), способствуют осаждению радионуклидов в верхних слоях осадочного чехла из вод любого происхождения с образованием легкоподвижных скоплений за счет создания восстановительной обстановки. Формирование такого цикла миграции химических элементов происходит в результате природного и техногенного развития флюидной системы углеводороды-подземные воды. Возникновение градиентов гидростатического давления по Л. А. Абуковой, А. А. Карцеву (1999) вызывает движение этой системы. Аномально высокие пластовые давления, возникающие на забоях нагнетательных скважин, приводят к поступлению нефтей, нефтяных вод и газов из глубоких горизонтов в вышележащие. Технологический цикл на разрабатываемых месторождениях в системе "закачка-откачка" вызывает оформление своего рода геохимического миграционного потока элементов, включающего радионуклиды. На возможность выноса радионуклидов в результате действия такого цикла может оказать влияние и состав бурового раствора.
Определенное значение имеют особенности водоносных горизонтов и систем поддержания пластовых давлений. Так по характеру обводнения скважин Байтуганского месторождения, вскрывших нефть турнейского яруса, наблюдалось участие в обводненности не только закачной, но и собственной пластовой воды (Малиновский и др., 1998). Прорыву пластовой воды к забоям добывающих скважин способствует создание области повышенного давления при поступлении закачиваемой воды в нижнюю водонасыщенную часть продуктивного пласта.
В законтурных водах разрабатываемых месторождений нефти выявлены повышенные содержания радионуклидов. Это согласуется с наличием аномальной радиоактивности в разрезах продуктивных водоносных комплексов. Естественные радионуклиды нефти, пластовой воды, горных пород, слагающих разрез осадочного чехла, являются источником природно-техногенного радиоактивного загрязнения, установленного на трубах, оборудовании (Зайкинское, Росташинское месторождения Южно-Бузулукского НГР). Концентрации радионуклидов (226Ra, 32Th), превышающие допустимые в 17-24 и 50 раз, были установлены в пробах нефти и воды (данные Головной лаборатории радиационного контроля Минтопэнерго РФ) некоторых нефтепромыслов Оренбургской области. Имеющиеся в литературе данные (Тахаутдинов, 1995; Дубинин и др., 1998) по проблеме загрязнения радионуклидами оборудования, окружающей среды также указывают на наличие повышенных количеств радионуклидов, в первую очередь 226Ra, в пластовых водах нефтяных месторождений. Тонкодисперсная эмульсия углеводородной фракции в пластовых водах обогащается 226Ra за счет его десорбции из вмещающих пород. Этот механизм поступления, включая также растворение, можно отнести и к другим радионуклидам.
По мнению Д.Г. Тараборина (2002), высокая растворяющая способность нефтяных вод водонапорных флюидных систем в процессе как их формирования, так и последующего развития, привела к обеднению радионуклидами собственно нефтяных пластов при сохранении и даже формировании новых аномальных скоплений в подстилающих и перекрывающих продуктивные пласты горизонтах разреза с последующим их вовлечением в технологический цикл. Циркуляция пластовых вод в ходе нефтепромыслового цикла вызывает техногенное загрязнение радионуклидами. Сброс нефтяных суспензий и пластовых вод, дренирующих толщи с аномальной радиоактивностью, приводит к повышению радиационного фона до 20-40 мкР/ч и 1000 мкР/ч и более.
Наиболее высокой степенью опасности характеризуется радиационное состояние на месторождениях, находящихся в эксплуатации, где активизация природной системы нефть-газ-вода в процессе технологического цикла способствует выходу естественных радионуклидов на поверхность, их перемещению, перераспределению, с последующей концентрацией. Нефтепромыслы на месторождениях, эксплуатирующихся достаточно длительное время, более подвержены деформации радиационной обстановки. Вероятность радиационного загрязнения на отработанных месторождениях также достаточно высока. На поверхности земли и оборудования промыслов при бурении скважин различного назначения, при извлечении возникают радиоактивные загрязнения разного уровня. При этом наиболее важными факторами, негативно влияющими на радиационную обстановку, являются содержание радионуклидов в нефти и пластовых водах, химический состав вод и степень обводненности. Различия в степени действия этих факторов будут сказываться на образовании труднорастворимых соединений с радионуклидами, загрязняющих оборудование и отходы нефтедобычи.
Геоэкологическое обеспечение нефтегазоносных территорий в Прикаспии
Стадия бурения поисково-разведочных скважин На основе карт уязвимости и данных фонового мониторинга разрабатываются рекомендации о размещении поисково-разведочных скважин с учетом зон повышенного экологического риска. В дальнейшем исполнителем разрабатывается программа работ по созданию режимной сеги на участках бурения поисково-разведочных скважин и проведения геоэкологического мониторинга.
Целью инженерно -геоэкологических исследований на этой стадии является оценка изменений геосреды в сфере воздействия каждой буровой скважины для принятия своевременных мер по их предотвращению. С этой целью в зоне вокруг каждой скважины организуется система локального мониторинга для контроля и оценки загрязнения почв, грунтов, поверхностных и подземных вод, атмосферы, развития опасных геологических процессов (эрозии, оползней, просадки и т.д.). В период строительства каждой скважины на ее площадке отбираются пробы почвы и грунта из шурфов для определения фоновых значений перечисленных выше компонентов. Кроме того, из поверхностных водотоков, водоемов и колодцев, расположенных вблизи скважин, отбираются пробы воды на химический анализ.
Для изучения динамики загрязнения верхнего горизонта подземных вод во времени и пространстве создается сеть режимных наблюдательных скважин вокруг каждой буровой скважины. Количество и глубина скважин определяется в зависимости от конкретных гидрогеологических условий. В процессе бурения поисково-разведочных скважин выполняются: - отбор проб почв и грунтов из шурфов для определения химического состава водной вытяжки, содержания нефтепродуктов и других веществ; - отбор проб воды из поверхностных водотоков, водоемов, колодцев на аналогичный анализ; - отбор проб атмосферного воздуха, биоты; - отбор проб воды из режимных наблюдательных скважин для аналогичных анализов, одновременно с замером уровня. Периодичность замеров -1 раз в месяц; - обобщение результатов анализов в виде графиков изменений различных параметров во времени и по разрезу, а также в виде специальных карт. Составляются карты гидроизогипс для определения направления и скорости загрязнения подземных вод, а также карты для оценки масштабов и степени загрязнения подземных вод на площади и разрезы - по глубине.
На основе всех этих данных составляются прогнозы загрязнения и разрабатываются мероприятия по защите геологической среды. Стадия бурения эксплуатационных скважин
На этой стадии составляется проект промысла, которому должны предшествовать геоэкологические исследования параллельно с инженерно-геологическими изысканиями. При проведении изысканий необходимо со ставление геоэкологической модели промысла в виде крупномасштабных карт (1: 25000), разрезов и других материалов.
Кроме того, при проведении бурения эксплуатационных скважин выполняются работы по мониторингу загрязнения почв, грунтов, подземных вод, как при бурении разведочных скважин. Для этого создается сеть режимных наблюдательных скважин в пределах промысла.
Проект этой сети должен разрабатываться с учетом размещения эксплуатационных скважин и других объектов промысла, как и места размещения шурфов для отбора проб грунта и воды.
В процессе бурения осуществляются работы по отбору проб и их анализу, сходные по составу с работами предыдущего этапа. Дополнительно проводятся периодические геохимические съемки территории промысла, выполняется анализ и обработка информации и разрабатывается прогноз изменения геосреды и рекомендации по защите геологической среды.
Параллельно с этим создается сеть из глубинных реперов полигона для геодезических наблюдений с целью мониторинга деформации поверхности земли в процессе разработки месторождения. Очень важно проведение нескольких циклов геодезических измерений, что связано с тем, что соляные структуры испытывают перемещения, которые влияют на деформации земной поверхности в виде оседаний и подъемов. Необходимо знание скорости подобных деформаций природного характера (региональный фон), чтобы в дальнейшем отличить их от деформаций поверхности земли, которые связаны с эксплуатацией месторождения. В это же время необходима установка сейсмостанции для слежения за искусственными землетрясениями в период эксплуатации месторождения.
Пространственные закономерности верхних горизонтов литосферы в северо-западном прикаспии
В связи с инженерно-хозяйственным освоением территории Волгограда происходит подъем УГВ и образование верховодки и новых антропогенных водоносных горизонтов в насыпных и намывных отложениях, в лессовых породах, хвалынских глинах, ергенинских песках, майкопских глинах, палеогеновых отложениях, ранее полностью безводных [108].
Морские нижнехвалынские глины относятся к усадочно-набухающим. Залегая выше УГВ, они характеризуются небольшими влажностью и пористостью, имеют твердую или тугопластичную консистенцию, высокие значения показателей прочностных и деформационных свойств. При повышении УГВ влажность их увеличивается, консистенция становится пластичной, мягкопластичной или даже текучепластичной, показатели прочностных и деформационных свойств резко снижаются: угол внутреннего трения - до 2 раз, сцепление - до 4 раз, модуль общей деформации - до 5 раз. Это приводит к деформациям зданий и сооружений, возведенных с использованием всех типов фундаментов, в том числе свайных. Испытания статическими нагрузками показали, что сваи длиной 8 м в нижнехвалынских глинах тугопластич-ной консистенции выдерживали нагрузку в 400-500 кН, но при переходе их в мягко- или текучепластичную консистенцию несущая способность свай снижалась до 300-350 кН, т.е. на 20-30%. При эксплуатации сооружений с горячими технологическими процессами (под горячими цехами некоторых производств, заводскими трубами, горячими водоводами) нередко происходит противоположное явление - не набухание, а усадка, что также вызывает деформации зданий и сооружений. Причиной усадки или набухания глин являются и сезонные изменения влажности, неравномерная транспирация влаги древесной и другими видами растительности, тепловлагоперенос и некоторые другие факторы, обычно не учитываемые при проектировании и эксплуатации зданий и сооружений.
Глины содержат значительное количество кристаллического и мучнистого гипса. Выщелачивание его при замачивании глин приводит к образованию агрессивных вод с содержанием сульфат-иона до 10000 мг/л. Поскольку при строительстве многих сооружений, особенно тонкостенных бетонных трубопроводов, возможность образования агрессивных грунтовых вод не была учтена, это вызвало многочисленные аварии коммуникаций. Высокая минерализация грунтовых вод активизирует также агрессивное воздействие на бетон и металл блуждающих токов.
Лессовые породы в пределах города не обводнены до глубины 15-20 м и весьма чувствительны к дополнительному замачиванию, которое приводит к резкому снижению показателей прочности и сжимаемости, а также к про-садочным деформациям. Например, средняя величина модуля деформации лессовых пород валдайского и ательского горизонтов при увлажнении снижается соответственно в 7 и 10 раз. Сопротивление сдвигу этих пород также зависит от влажности. Испытания на сдвиг при естественной влажности ательских суглинков и супесей дали следующие значения: при влажности 0,08 т=0,65, а при влажности 0,22 т=0,21; удельное сцепление снижается при этом с 0,6 до 0,2 МПа.
Замачивание лессов вызывает развитие просадочиых явлений. В настоящее время в пределах Волгограда и примыкающего к нему с севера Волжского зафиксированы деформации 63 зданий, из них 36 - на ательских лессах и 27 - на валдайских [100].
Существенно снижается при обводнении несущая способность свай. По результатам полевых испытаний свай статическими нагрузками с замачиванием было установлено, что в лессовых породах ательского и валдайского горизонтов несущая способность свай длиной 7-9 м, составляющая в грунтах природной влажности 600-700 кН., при замачивании продолжительностью около месяца снижается до 350-400 кН. Минерализация спорадически распространенных вод лессовых пород изменяется от 0,4 до 11,5 г/л. По составу это преимущественно сульфатные натриевые воды с содержанием сульфат-иона до 4000 мг/л. Воды обладают сульфатной агрессивностью.
Таким образом, наиболее сильно реагируют на замачивание и обводнение в результате инженерно-хозяйственного освоения морские нижнехва-лынские глины и лессовые породы валдайского и ательского горизонтов.
В районах распространения хвалынских, майкопских и мечеткинских глин на застроенных территориях отмечаются участки интенсивного проявления набухания, в результате чего происходят неравномерное поднятие поверхности земли, деформации фундаментов зданий и сооружений, разрыв коллекторов, разрушение асфальтовых покрытий, выпор полов, появление трещин различных размеров в зданиях (часто до аварийного состояния). В Волгограде в результате набухания деформировано на хвалынских глинах 117 здания, на майкопских глинах - 56 сооружений и 7 зданий (по состоянию на 1989 г.). В этих условиях даже использование свайных фундаментов не всегда исключает аварии. Об этом свидетельствует опыт строительства химкомбината в Волгограде, где в результате неполной прорезки сваями глин или недостаточного заглубления их в подстилающие породы произошел выпор свай под зданиями и промышленными установками, образовались трещины в несущих стенах, произошел неравномерный подъем фундаментов оборудования.
С набухающе-усадочными породами связан и обратный процесс - усадка глин при их антропогенном подсушивании. Например, в Волгограде на территории нефтеперерабатывающего завода эксплуатируется большое число сооружений с горячим технологическим режимом работы (печи, дымовые трубы), где происходит интенсивный (до температуры 50-130С) многолетний прогрев хвалынских шоколадных глин, залегающих в основании сооружений. На 35 участках этот прогрев привел к термоусадке глин за счет уменьшения их влажности в верхней части слоя, снижение которой составило 19-27% по сравнению с естественной влажностью. Это вызвало значительные деформации труб и печей с образованием трещин и смещением от вертикали до 1200 мм при крене до 0,03. Термоусадка характерна и для других набухающе-усадочных глин, например майкопских, что также привело к деформациям нескольких заводских дымовых труб.
Изменения, происходящие в подземной гидросфере под влиянием инженерно-хозяйственного освоения территории, являются важнейшей причиной образования новых и активизации старых оползней: ими вызваны 95 из 117 зафиксированных в Волгограде оползней.
Часть из них образовалась в результате увлажнения глин при подтоплении; по механизму это оползни-потоки и оползни сдвига; другие связаны с подрезкой склона, сложенного глинами небольшой мощности.
В г. Волжский, построенном более 30 лет назад, грунтовые воды до начала строительства располагались на глубине 27 м, а в настоящее время находятся на глубине 3,4-5 м. Скорость подъема уровня грунтовых вод составляет в среднем 0,3-0,5 м/год.
В большинстве городов отмечается загрязнение подземных вод. В качестве примера можно привести территорию Волгограда, где в южной части города сформировался крупнейший в России участок загрязнения подземных вод с наиболее неблагоприятным экологическим состоянием [137]. Крупные участки загрязнения имеются в северной части Волгограда и в Волжском (см. табл. 29).
Похожие диссертации на Геоэкологическое обеспечение поисковых работ на нефть и газ в северо-западном Прикаспии
