Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, анализ ранее проведенных работ 11
Выводы 16
2. Природные условия долинных областей криолитозоны ЯНАО 18
2.1. Физико-географический очерк 18
2.2. Геологическое строение 23
2.3. Ландшафтно-геоморфологические условия 33
2.4. Гидрогеологические условия 41
2.5. Состав и физико-механические свойства грунтов террасового комплекса 54
2.6. Экзогенные геологические процессы и явления 61
Выводы 79
3. Геокриологические условия долинных областей криолитозоны ЯНАО 81
3.1. История формирования толщ многолетнемерзлых пород 81
3.2. Строение и закономерности распространения многолетнемерзлых пород 88
3.3. Температурный режим многолетнемерзлых пород 103
3.4. Свойства мерзлых грунтов 109
Выводы 112
4. Деятельный слой как фактор инженерно геологических условий 114
4.1. Методы изучения и оценки деятельного слоя 114
4.2. Факторы развития деятельного слоя в условиях долинных областей криолитозоны 122
4.3. Деятельный слой долинных областей криолитозоны 135
4.3.1. Мощности деятельного слоя по глубине сезонного оттаивания и промерзания 135
4.3.2. Температурный режим деятельного слоя 149
Выводы 156
5. Трансформация инженерно-геологических условий долинных областей криолитозоны под воздействием техногенеза 158
5.1. Инженерно-геологическое районирование долинных областей криолитозоны 159
5.1.1. Типизация инженерно-геологических условий Салехардской площади 159
5.1.2. Типизация инженерно-геологических условий Надымской площади 160
5.2. Техногенные условия долинных областей криолитозоны 181
5.2.1. Техногенные условия Салехардской площади 182
5.2.2. Техногенные условия Надымской площади 189
5.3. Техногенная трансформация инженерно-геологических условий долинных областей криолитозоны 192
5.4. Рекомендации по минимизации негативных последствий проявления ЭГП и процессов сезонного промерзания и оттаивания горных пород на урбанизированных территориях долинных областей криолитозоны 206
Выводы 209
Заключение 211
Список литературы 214
- Геологическое строение
- Строение и закономерности распространения многолетнемерзлых пород
- Мощности деятельного слоя по глубине сезонного оттаивания и промерзания
- Техногенная трансформация инженерно-геологических условий долинных областей криолитозоны
Введение к работе
Актуальность темы. После кризиса 90-х годов в области геологического изучения недр наблюдается некоторое оживление. Не считая поисков и разведки нефтегазовых месторождений, современные геологические исследования носят в основном малоглубинный характер. Это связано в первую очередь с экономической рентабельностью последующей добычи минерального сырья. Геофизические методы исследований характеризуются высокой производительностью и относительно низкой стоимостью, что позволяет прогнозировать повышение спроса на них, при условии нормального развития экономики. В этом случае малоглубинные геофизические работы будут востребованы как в горно-геологической отрасли, так и в сфере инженерных изысканий.
Одними из главных особенностей малых глубин являются разнообразие и быстрая изменчивость свойств геологической среды. К геофизическим исследованиям здесь предъявляются высокие требования по разрешающей способности и детальности наблюдений. Для того чтобы наиболее полно и качественно выполнить поставленные геологические задачи, необходимо повышать информативность геофизических исследований за счет разнообразия состава и увеличения объема работ. Данная ситуация вынуждает обратить внимание на быстроту получения достоверных данных при использовании различных методов и методик исследований, а также на экономичность технического оборудования. В связи с этим достаточно актуальным направлением является повышение эффективности малоглубинных геофизических исследований за счет разработки недорогой универсальной аппаратуры, применения новых технологий обработки данных и использования оптимального комплекса геофизических методов.
Цель диссертационной работы: разработка полевой аппаратуры, методики наблюдений и комплексирования геофизических методов, а также нахождение новых приемов обработки и интерпретации полученных данных для повышения геологической информативности малоглубинных геофизических исследований.
Основные задачи.
Разработка, изготовление и испытание макета широкополосного многофункционального приемника электрических, магнитных и сейсмоакустических сигналов.
Изготовление и калибровка датчиков магнитного поля для методов АМТЗ (аудиомагнитотеллурического зондирования) и радиокип СДВР (радиокомпарации и пеленгации сверхдлинноволновых радиостанций).
Разработка новой методики наблюдения и интерпретации сейсморазведочных данных с одновременным использованием продольных и поперечных волн.
Опробование новой аппаратуры, методических приемов и способов обработки данных на контрольных интерпретационных профилях.
Анализ возможностей отдельных геофизических методов и выбор рационального комплекса исследований при изучении верхней части геологического разреза (ВЧР).
Защищаемые положения.
-
Разработанная, изготовленная и опробованная на практике широкополосная приемно-регистрирующая аппаратура, отличающаяся портативностью и малой себестоимостью, позволяет оперативно выполнять задачи электрометрии и сейсмометрии.
-
Предложенная технология совместной обработки данных методов преломленных волн и многоканального анализа поверхностных волн позволяет изучить упругие характеристики геологической среды (скорости продольных и поперечных волн, коэффициент Пуассона) в естественном залегании для решения инженерно-геологических задач.
-
На основе реализации возможностей новых технологий обоснован рациональный комплекс геофизических методов для изучения верхней части геологического разреза, позволяющий повысить достоверность и информативность исследований.
Научная новизна.
Разработана, изготовлена и испытана в производственных условиях новая геофизическая аппаратура широкого применения с датчиками электромагнитных сигналов.
Впервые предложены и осуществлены аудиомагнитотеллурические измерения в движении.
Впервые предложен новый электрометрический параметр для выявления поляризационных свойств разреза – электрический параметр гармоник (Пг).
Для малых глубин разработан способ повышения горизонтального разрешения многоканального анализа поверхностных волн (MASW) на базе алгоритма оконного суммирования спектров скоростей релеевских волн.
В ходе выполнения исследований на ряде объектов показана эффективность обнаружения подземных пустот по поведению коэффициента Пуассона.
На ряде альпинотипных массивов показана перспективность изучения хромового оруденения с помощью индукционной электроразведки и комбинированной малоглубинной сейсморазведки.
Практическая значимость.
Созданный макет широкополосной аппаратуры «ОМАР-2м» успешно испытан на контрольном полигоне Института геофизики УрО РАН и применялся автором в производственных условиях при:
изучении интервалов, перспективных на золотоносное оруденение в горных выработках шахты «Северная» Березовского рудника [2];
опытных геофизических работах по выявлению коренных источников Полдневского месторождения демантоидов [3];
инженерно-геофизическом обследовании плотин г. Екатеринбурга [6, 7];
геолого-геофизических поисковых работах на хромиты в пределах ультраосновных массивов – Наранского (Монголия) и Рай-Из (Урал);
изучении геоэлектрического разреза вблизи трасс магистральных газопроводов Тюменской, Свердловской и Челябинской областей.
Разработанная аппаратура «ОМАР-2м» позволяет выполнять исследования методами АМТЗ, радиокип СДВР, переменного естественного электрического поля (ПЕЭП), спектрального анализа поверхностных волн (SASW), а также может применяться как сейсмоэлектрическая или сейсмоакустическая станция. В комплекте с электроразведочным генератором сигналов аппаратура может выступать в качестве универсального приемника электромагнитных методов разведки [10].
Технология совместной обработки данных сейсморазведки методом преломленных волн (МПВ) и многоканального анализа поверхностных волн (MASW) была успешно применена автором на практике при:
изучении территории под строительство обогатительной фабрики шахты «Северная» ОАО «Ургалуголь» в Верхне-Буреинском районе Хабаровского края [1];
поиске старых горных выработок Березовского золоторудного месторождения (Свердловская обл.) [4];
опытно-методических работах в пределах хромитоносных участков Ключевского и Первомайского офиолитовых массивов Среднего Урала;
инженерно-геологических работах на участках планируемого строительства ряда объектов Свердловской и Челябинской областей.
Разработанная технология обработки сейсмических данных позволяет определять коэффициент Пуассона в естественном залегании и идентифицировать подземные пустоты различного происхождения.
Предложенный рациональный комплекс геофизических методов по изучению верхней части геологического разреза может с большой эффективностью применяться при:
изучении россыпных месторождений благородных металлов и драгоценных камней;
поиске и разведке коренных рудных месторождений, залегающих на небольших глубинах (от 2 до 30 метров);
инженерно-геологических изысканиях.
Личный вклад автора.
Работа подготовлена по результатам исследований, проведенных непосредственно автором в период с 1995 по 2011 год. Полевые работы на месторождениях золота выполнялись в содружестве с В.П. Бакаевым (ИГф УрО РАН), обследование плотин и инженерно-геологические изыскания - совместно с А.Н. Назаровым (ПИИ «ГЕО»). Вопросы обработки сигналов решались вместе с А.В. Давыдовым (УГГУ). Личный вклад автора:
постановка задач исследований;
разработка, изготовление и испытания на практике новой многофункциональной аппаратуры;
разработка технологии совместного выполнения и обработка результатов сейсморазведки МПВ и MASW;
предложен способ локализации подземного пустотного пространства;
непосредственное участие в проведении полевых работ;
обработка и интерпретация полученных материалов.
Апробация работы и публикации. Основные результаты исследований отражены в 12 технических отчетах, написанных автором и находящихся в фондах горно-геологических и проектно-изыскательских организаций.
Результаты работы докладывались и обсуждались на Международном научно-промышленном симпозиуме «Уральская горная школа – регионам» (УГГУ, 21-28 апреля 2009); Пятых научных чтениях памяти Ю.П. Булашевича (ИГФ УрО РАН, 6-10 июля 2009); Шестых научных чтениях памяти Ю.П. Булашевича (ИГФ УрО РАН, 12-14 сентября, 2011).
По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, из которых 3 работы напечатаны в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных Высшей аттестационной комиссией (ВАК), подана заявка на изобретение.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 82 наименований. Диссертация изложена на 160 страницах машинописного текста, содержит 62 рисунка, 5 фотографий и 8 таблиц.
Благодарности. Автор благодарит своего научного руководителя д.г-м.н., профессора И.Г. Сковородникова за ценные замечания; своих полевых коллег В.П. Бакаева и А.Н. Назарова за совместную работу. А также выражает признательность к.г-м.н. Н.В. Вахрушевой, д.т.н. А.И. Человечкову, д.т.н. Л.Н. Сенину, к.т.н. А.Н. Ратушняку и к.т.н. А.Д. Коноплину за неформальные консультации и дискуссии по разным вопросам.
Я всегда буду благодарен своему отцу д.г-м.н. профессору А.В. Давыдову за понимание.
Геологическое строение
В оценке состояния геологической среды долинных областей криолитозоны существенная роль принадлежит литологической основе, как компоненту, во многом определяющему инженерно-геологическую обстановку территории. Характеристика геологического разреза приведена по Салехардской и Надымской площади.
В основании геологического разреза залегают, со стратиграфическим несогласием на мезозойском субстрате, отложения неогеновой системы плиоценового возраста, представленные породами новопортовской (gmN2/?/?), мыскаменской (а,ad,amN2m) толщ и тиутейяхской свиты (gmN2tf) (рис. 2.2-2.5). Это ледниково-морские (gpaN2np, gmN2tf), аллювиальные и аллювиально-морские (a,ad,amN2m&) отложения глинистого, супесчано-суглинистого, песчаного состава с гравийно-галечниковым материалом. Мощность отложений до 90 м Породы неогеновой системы перекрываются четвертичными: эоплейстоценовыми отложениями ямальского комплекса, неоплейстоценовыми и голоценовыми отложениями глинистого, супесчано-суглинистого, песчаного состава с гравийно-галечниковым материалом. Мощность отложений до 160-180 м [122, 123].
Для инженерно-геологической оценки территории долинных областей криолитозоны наибольший интерес представляют породы, находящиеся в зоне взаимодействия зданий и сооружений с грунтовым основанием и неустойчивые к внешним нагрузкам, которые претерпевают значительные изменения при освоении долинных областей криолитозоны.
К таким относятся делювиально-солифлюкционные, озерно-болотные, озерно-аллювиальные, аллювиально-морские, ледово-морские, озерно-морские отложения четвертичной системы.
Четвертичная система представлена отложениями эоплейстоцена, неоплейстоцена и голоцена. Отложения эоплейстоцена это аллювиально-морские, ледово-морские, озерно-морские осадки сорюнтойской (am Esor\ салемальской (gm, Im, am Esl) и няганьской (gm, а, am Eng) свит ямальского комплекса, по литологическому составу - алевриты, алевроглины с частыми прослоями мелкозернистых и тонкозернистых слюдистых песков, либо диамиктоноподобные суглинки реже супеси, содержащие гравий, гальку и валуны. Мощность пород достигает до 90-100 м.
Неоплейстоцен представлен озерно-морскими, ледово-морскими, аллювиально-морскими отложениями ямальского комплекса марресальской (lm, gm, amiwr) и харасавэйской (gm, am II hr) свит на Салехардской площади и хановэйской (gm, am II Aw) свиты на Надымской площади, а также рельефообразующими свитами IV, III, II надпойменных террас. По литологическому составу это сложно переслаивающиеся рыхлые осадки.
Аллювиально-эстуарные отложения четвертой надпойменной террасы (am4III) широко распространены в пределах долин крупных рек (Оби, Надыма и Полуя). Терраса с резким размывом залегает на харасавэйской свите, о чем свидетельствует постоянно фиксируемый гравийно-галечниковый базальный горизонт с заполнителем из разнозернистого песка. Отложения представлены валунно-галечным материалом в грубопесчаном или супесчаном заполнителе либо средне-мелкозернистыми кварцевыми песками.
Аллювиально-эстуарные отложения третьей надпойменной террасы (ат31Щ также широко распространены в пределах долин крупных рек. Поверхность террасы осложнена рядом регрессивных ступеней, разделенных уступами высотой до 3-4 м. По отношению к более высокому ярусу терраса характеризуется прислоненно-вложенным, местами вложенно-наложенным залеганием и цокольным строением разреза. Отложения имеют преимущественно песчаный состав с подчиненным участием прослоев связных пород - супесей и суглинков.
Озерно-аллювиальные (лиманные) отложения ВТОРОЙ надпойменной террасы (la2 111) широко развиты в пределах долинных областей, слагая междуречные равнины крупных и мелких рек. На некоторых участках ширина террасы достигает десяти и более километров. Высота поверхности террасы над уровнем моря контролируется диапазоном абсолютных отметок 14-32 м, распределенных по серии регрессивных ступеней.
Терраса прислонена к третьей надпойменной, имеет цокольное (эрозионно-аккумулятивное) строение разреза в пределах верхней ступени и аккумулятивное - у двух нижних площадок. Осадочный ритм вскрыт большим количеством скважин в береговых обрывах правого берега р. Оби, долинах Надыма, Полуя, Правой Хетты и Васьегана. Вторая надпойменная терраса сложена преимушественно песками с подчиненным участием прослоев алевритов, супесей и суглинков, иногда слойков аллохтонного торфа.
Аллювиальные отложения первой надпойменной террасы (а lII-Н) имеют широкое распространение в пределах исследуемой территории. Они приурочены как к долинам крупных рек, таких как Обь, Надым и Полуй, так и более мелких рек. Ширина первой надпойменной террасы pp. Надыма и Оби в некоторых местах превышает 15-17 км.
Она имеет аккумулятивное строение, вложена во вторую надпойменную террасу. Разрез представлен всеми основными субфациями, характерными для равнинных рек: русловой, старичной и пойменной. Русловая субфация резко преобладает в составе толши террасы, сложена хорошо промытыми мелко- и среднезернистыми песками с разнообразной косой слоистостью с базальным слоем разнозернистого гравийно-галечного песка.
В составе старичных накоплений, вложенных в русловые, наряду с песками присутствуют довольно крупные (до 4-6 м мощностью) линзовидные прослои иловатых параллельно- и волнистослоистых суглинков и супесей, насыщенных органическими, в том числе древесными остатками, с линзами аллохтонного торфа.
Пойменные накопления присутствуют неповсеместно и имеют незначительную мощность (до 2-3 м). В их составе преобладают суглинки, реже супеси, содержащие прослойки пылеватых песков и намывного гумуса. Мощность отложений террасы не превышает 15-16 м.
Аллювиальные отложения высокой поймы мощностью от 1 до 5-6 м широко развиты лишь в долинах рек Надыма и Оби, а также в меньшей степени в долинах рек Полуя и Правой Хетты. В долинах малых рек и ручьев полоса их развития так же, как и у более молодой генерации, фактически ограничена шириной водотоков (до 5-10 м) и на этом основании не картируется.
Аллювиальные отложения низкой поймы мощностью до 2-3 м развиты в пределах практически всех рек как крупных, так и мелких. По характеру разреза, схеме его строения и вещественному составу фактически не имеют принципиальных отличий от вышеописанной генерации.
Делювиально-солифлюкционные отложения (ds 111-Ю формируют маломощные шлейфы на склонах речных долин и уступах речных террас. Чаще всего они представлены серыми, желтовато- или буровато-серыми плохо сортированными песками, в разной степени глинистыми. На относительно широких и выположенных склонах заметную роль в составе толши выполняют разнозернистые желто-бурые алевросупеси. В разрезе изредка отмечаются гравий и галька, “обрывки” глинистых пород материнского субстрата. Местами наблюдается грубая, параллельная склону слоистость (полосчатость). Мошность делювиально-солифлюкционных образований составляет обычно 1-3 м, увеличиваясь к подножьям склонов до 4-5 м. Не исключено, что в составе толши принимают участие пролювиальные осадки. Солифлюкционные процессы на склонах происходят и в настоящее время. Озерно-болотные отложения (Ibffl голоцена приурочены к понижениям в современном рельефе, в том числе к термокарстовым западинам с блюдцеобразными мелкими озерами и заболоченными берегами. Озерные образования, слагающие нижнюю, наиболее представительную по мощности (до 6-7 м), часть разреза комплекса сложены иловатыми, мелкозернистыми сортированными песками, тонкозернистыми алевросупесями и суглинками с участием местами илов сапропелевого типа и линз погребенного илистого торфа. Болотные отложения (органогенные, “палюстрий”) представлены почти исключительно торфом, иногда с прослоями темно-коричневой (до черной) илистой гиттии в основании разреза залежи.
Строение и закономерности распространения многолетнемерзлых пород
Одним из основных критериев, характеризующих ММП и имеющих важное значение при их инженерно-геологической оценке, является криогенное строение, которое обусловлено типом промерзания пород, их литологическим составом, а также степенью увлажненности до начала промерзания.
По литологическому составу в пределах изучаемой территории выделяются песчаные, глинистые, органические и органо-минеральные грунты и горизонты переслаивающихся слоев песчаных, глинистых грунтов. В процессе промерзания в грунтах формируются подземные льды, различающиеся по способу их образования - это текстурообразующие, формирующиеся в результате кристаллизации подземных вод (лед-цемент, сегрегационный лед и частично жильный), и повторно-жильные, являющиеся продуктами кристаллизации поверхностных вод в пустотах мерзлых пород.
Сочетание литологического состава и степени увлажненности пород к началу промерзания в пределах долинных областей криолитозоны привело к формированию восьми характерных типов изменчивости криогенного строения в вертикальном разрезе ММП. Всего в пределах Салехардской и Надымской площадей установлено 6 типов криогенного строения [25].
I тип. Песчаная водонасыщенная толща, характеризуется массивной криогенной текстурой. Этот тип свойствен практически для всех песчаных разрезов различных геоморфологических уровней.
II тип. Песчаная водонасыщенная толща, при промерзании которой возник напор грунтовых вод, характеризуется шлировой криогенной текстурой. Ледяные шлиры достигают толщины 5-8 см и расположены горизонтально или наклонно. Лед обычно загрязнен частицами грунта. Шлировая криогенная текстура в песчаной толще встречается редко и характерна преимущественно для органических грунтов.
III тип. Мощная литологически однородная глинистая толща имеет по вертикали так называемое нормальное криогенное строение, основные закономерности которого охарактеризованы А.И. Поповым [82]. При нормальном криогенном сложении горизонтальные ледяные прослойки и им перпендикулярные вертикальные прожилки льда с глубиной постепенно разрежаются. Верхняя часть разрезов мощностью 4-6 м отличается максимальным содержанием льда. Многочисленные тонкие шлиры льда образуют горизонтально-слоистые и сетчатые криогенные текстуры. Нижняя часть разреза толщ этого типа малольдистая. Криогенная текстура горизонтально-слоистая, реже слоисто-сетчатая тонко- и толстошлировая.
Характерно, что вертикальные и косые ледяные шлиры более тонкие, чем горизонтальные. Нормальное криогенное сложение характерно для морских и ледово-морских отложений.
IV тип. Пески подстилаются мощной толщей глинистых грунтов.
Глинистые породы имеют нормальное криогенное строение с присущими ему закономерностями изменения криогенной текстуры и льдистости по разрезу.
Пески обладают массивной криогенной текстурой. На контакте песка и глинистых грунтов встречаются крупные прослои (0,2-0,3 м) льда. Этот тип криогенного сложения приурочен к участкам надпойменных террас и озерно аллювиальных равнин.
V тип. Разрез представлен чередующимися прослоями песка и глинистых пород. Криогенное строение подчиняется следующим закономерностям.
Мерзлая толща имеет толстошлировую, часто слоисто-сетчатую криогенную текстуру. Ледяные шлиры встречаются как в глинистых, так и в песчаных слоях. Такая криогенная текстура вскрыта в верхних частях разрезов многих бугров пучения и бугристых торфяников на площади распространения нерасчлененных средне-верхнечетвертичных прибрежно-морских и озерно-аллювиальных отложений. Однако на большей части этого стратиграфо-генетического комплекса такая же литологически неоднородная толща пород к моменту промерзания содержит безнапорные воды. В этом случае формирование криогенной текстуры и режим изменения льдистости по глубине в основном зависят от мощности песчаных слоев.
При толщине песчаных слоев большей, чем высота капиллярного поднятия в них, каждый глинистый слой имеет нормальное криогенное сложение, а пески характеризуются массивной криогенной текстурой. Такой вид криогенной текстуры описан М.Н. Гольдштейном, песчаные слои названы им “прерывателями” влаги, мигрирующей из нижележащих горизонтов [27].
При толщине песчаных слоев меньшей, чем высота капиллярного поднятия песков, вся слоистая толща пород характеризуется в целом нормальным криогенным строением, а ледяные шлиры встречаются не только в глинистых породах, но и в песчаных слоях.
VI тип. Толща глинистых грунтов соприкасается по яертикальному (или близкому к вертикали) контакту или быстро замещается по простиранию преимущественно песчаными породами, водонасыщенными к моменту промерзания. В таких условиях происходит интенсивное миграционное и инъекционное льдовыделение и пучение. Криогенная текстура глинистых отложений таких разрезов преимущественно сетчатая; в верхней части до глубины 6,0-10,0 м - микро- и тонкошлировая; в средней - тонко- и толстошлировая; в нижней части разреза (с глубины больше 12,0-15,0 м) -массивная или встречаются единичные прожилки льда.
Органические грунты не имеют определенной криогенной текстуры. Своеобразие льдовыделения в них определяется длиной торфяных частиц-волокон, их эластичностью и, как правило, беспорядочной ориентировкой. Это препятствует образованию прямолинейных горизонтальных и вертикальных ледяных шлиров. В органических грунтах встречаются как массивная, так и своеобразные виды шлировых криогенных текстур. Массивная криогенная текстура, как правило, сочетается с редкими бесформенными гнездами и зернами льда. Из шлировых криогенных текстур наиболее характерны волнистая, плойчатая, порфировидная. Лед всегда содержит частицы торфа. Подстилающие торф сильнооторфованные суглинки содержат ледяные шлиры толщиной до 1,0-1,5 см, образующие частую слоистую или слоисто-сетчатую криогенную текстуру. Супеси, обычно чередующиеся с прослоями песка, характеризуются линзовидно-слоистой криогенной текстурой.
При анализе разрезов изучаемой территории автором установлено, что наиболее часто встречаются I, IV и V типы криогенного строения, реже II, III и VI типы.
Согласно схематической карты мерзлотных зон (рис. 3.2), изучаемая территория находится на сочленении северной и центральной мерзлотных зон и принадлежит к подзонам эпигенетически промерзших отложений и мерзлых минеральных грунтов. Сингенетически здесь могут промерзать осадки пойменной фации и торфяники.
Салехардская площадь в геокриологическом плане относится к зоне сплошного развития многолетнемерзлых пород с редкими островами талых зон, а Надымская плошадь относится к зоне прерывистого развития многолетнемерзлых пород.
Эпигенетически промерзшими породами являются аллювиальные, озерно-аллювиальные, аллювиально-эстуарные отложения I, II, III и IV надпойменных террас, их промерзание происходило сверху вниз после седиментации.
Сингенетически промерзшими являются пойменные отложения рек Оби и Надыма и крупных их притоков, их промерзание происходило одновременно с их седиментогенезом в среднем и верхнем голоцене. Мошность ММП сингенетического типа не превышает мощности отложений самих пойменных отложений и достигает 30,0 м. Кровля ММП опущена до глубины 6,0-15,0 м.
Мощности деятельного слоя по глубине сезонного оттаивания и промерзания
Мощность слоя СП и СО в пределах изучаемой территории чрезвычайно изменчива и отражает условия теплообмена на поверхности и условия теплопередачи в самих горных породах. Она является результатом деятельности комплекса географо-климатических, геологических и техногенных факторов, к которым относятся; климатические особенности территории (температура воздуха, количество осадков и их распределение по площади в летний и зимний периоды), литологический состав пород, их влажность, наличие водного и растительного покровов, а также влияние жилых и административных зданий, автомобильных дорог и т.д.
Изучение слоя СО и СП выполнено на Салехардской и Надымской площадях, которые расположены в пределах разных геокриологических условий. Район г Салехарда приурочен к зоне сплошного развития ММП, район г. Надыма - островного развития ММП. Несмотря на это, формирование деятельного слоя обусловлено общими закономерностями, характерными в целом для долинных областей криолитозоны ЯНАО.
Сезонное оттаивание. Анализ данных (табл. 4.5-4.6) показал, что ход сезонного оттаивания начинается в начале - середине мая со сходом снежного покрова и заканчивается в конце сентября - начале октября, когда среднесуточная температура воздуха становится отрицательной.
Наиболее интенсивно процесс сезонного оттаивания для любых литологических разновидностей происходит в июне и июле. На этот период приходится от 21 до 100 % от всего объема оттаивания, причем наиболее интенсивно оттаивают породы в естественных условиях.
На трансформированных территориях, сложенных техногенными грунтами, интенсивность СО достигает 90 % только на конец летнего периода. Ближе к концу августа - началу сентября интенсивность сезонного оттаивания является минимальной, и сводится почти к нулю.
Рассмотрим влияние различных факторов на формирование глубин слоя СО. Одним из важных факторов, определяющих глубину слоя СО, является литологический состав пород. Однако необходимо отметить, что в строении слоя СО изучаемой площади часто отмечается переслаивание литологически разнородных пород. Для таких разрезов глубина слоя СО будет меньше, чем для однородных.
Максимальные глубины сезонного оттаивания характерны для песчаных пород, минимальные глубины для органоминеральных. Данная зависимость обусловлена различными теплофизическими характеристиками пород. Средняя глубина СО для песков средней крупности составляет 3,0 м, для песков мелких - 2,6 м, для супесей - 1,98 м, для суглинков - 1,52 м, для торфов - 0,6 м (табл. 4.7, рис. 4.3).
Следующим фактором, определяющим глубину слоя СО, является природная влажность пород. Чем больше величина влажности пород, тем меньше величина СО, что объясняется увеличением доли фазовых переходов воды, содержание которой достигает иногда 50 %.
По данным кафедры мерзлотоведения МГУ [43] установлено, что увеличение влажности песчаных грунтов от 5 до 30 % приводит к уменьшению глубины слоя СО на 1,5-1,7 раза, а увеличение влажности супесчано-суглинистых грунтов от 20 до 30 % в 1,3-1,4 раза. Причем для суглинков эта зависимость носит функциональный характер (табл. 4.8).
При достижении суглинками влажности, равной 30 % и с дальнейшим ее увеличением, уменьшение глубины слоя СО носит незначительный характер. Это явление связано с достижением величины полной влагоемкости, что приводит при дальнейшем увеличении влажности к нарушению контактов между минеральными частицами, в результате чего меняется функциональная зависимость между влажностью суглинистых грунтов и величиной их СО [43].
По результатам выполненных исследований, с учетом природной влажности пород, определенных в лабораторных условиях, расчетная глубина слоя СО, полученная по номограммам [27] приведена в табл. 4.8. Влияние торфяного (мохового) покрова заключается в изменении условий теплообмена на поверхности за счет более низких его теплофизических характеристик, которые в несколько раз ниже по отношению к минеральным грунтам. Зависимость изменения глубины слоя СО от мощности торфяного (мохового) покрова установлена на территории Надымской площади для мелких песков с наличием торфяного (мохового) покрова. Наличие с поверхности торфа мощностью 25 см, приводит к уменьшению глубины слоя СО почти в 2 раза (с 2,28 м до 1,21м) (рис. 4.4).
Одним из факторов, определяющих глубину слоя СО, являются геоморфологические особенности территории, которые характеризуются определенным положением террас в рельефе (высотные отметки), условиями дренируемости, характером растительного, мохового, снежного покровов. Для характеристики влияния геоморфологических условий на пространственную изменчивость мощности слоя СО была построена схематическая карта глубин слоя СО г. Надымской площади (рис. 4.5). Замеры глубины слоя СО выполнялись в ходе температурной съемки с помощью специального зонда.
Следует сразу заметить, что глубины являются максимальными и характеризуют мощность сезонноталого слоя на конец процесса оттаивания (середина-конец сентября). На карте выделены шесть районов с разными глубинами слоя СО: 1м; 1,0-1,5 м; 1,5-2,0 м; 2,0-2,5 м; 2,5-3,0 м и 3 м.
Район распространения грунтов с глубиной слоя СО 1 м приурочен к заболоченным территориям первой надпойменной террасы и высокой поймы, реже второй и третьей надпойменных террас (рис. 4.5).
В литологическом отношении район приурочен к торфам разной степени разложения, имеющим повсеместное распространение в пределах заболоченных участков и болот.
Район распространения грунтов с глубиной слоя СО 1,0-1,5 м приурочен в основном к густозалесенной территории высокой поймы, склоновым болотам третьей и второй надпойменных террас, а также слабо заболоченным понижениям рельефа с кустарниково-древесной растительностью. Основная часть территории высокой поймы изрезана многочисленными мелкими протоками старичного типа, которые основной своей массой превратились в заболоченные участки, а кое-где - пересохли. Литологически грунты данного участка представлены мелкими и пылеватыми песками, местами перекрытыми с поверхности маломощным слоем торфа, реже супесями.
Район распространения грунтов с глубиной слоя СО 1,5-2,0 м получил широкое распространение в пределах исследуемой территории. Он приурочен к открытым или слабо залесенным участкам первой надпойменной террасы и высокой поймы, в разной степени залесенным равнинным и склоновым участкам второй, третьей и четвертой надпойменных террас. Литологически грунты представлены песками разной зернистости, редко супесями и суглинками. Абсолютные отметки рельефа в данном районе, как правило, не превышают 35 0 м.
Район распространения грунтов с глубиной слоя СО 2,0-2,5 м также имеет широкое распространение и в основном приурочен к разной степени залесенным водораздельным участкам первой, второй и третьей надпойменных террас, реже к открытым участкам низкой поймы р. Надым. В гипсометрическом отношении это самый высокий из всех выделенных районов. В целом, за исключением участков низкой поймы, абсолютные отметки в пределах выделенного района составляют более 45 м. В литологическом отношении грунты данного района представлены песками от тонкозернистых до среднезернистых, с преобладанием в общей массе мелкозернистых и тонкозернистых песков.
Район распространения грунтов с глубиной слоя СО 2,5-3,0 м приурочен к открытым участкам исследуемой территории с нарушенными антропогенной деятельностью естественными условиями. К таким участкам относятся территории г. Надым, пос. Старый Надым, аэропорта и речного порта в районе переправы, а также автомобильных дорог, карьеров, свалок и других техногенных объектов различного назначения. Литологически породы представлены среднезернистыми и мелкозернистыми песками, которыми в свое время проводилась отсыпка большей части города и автомобильных дорог. Кроме того данная глубина слоя СО характерна для отдельных участков прирусловой части низкой поймы р. Надым.
Район распространения грунтов с глубиной слоя СО 3 м развит незначительно и приурочен только к островам, реже побережью р. Надым. Фактически данный район находится в таликовой области р. Надым Литологически породы представлены хорошо промытыми песками мелкими и средней крупности, содержание глинистой фракции в которых минимально.
Таким образом, при анализе размещения выделенных районов по площади установлено, что глубина слоя сезонного оттаивания зависит, прежде всего, от литологического состава и влажности пород, определяемых геоморфологическим уровнем, плотности растительного покрова, наличия крупных водотоков, оказывающих влияние на отложение аллювиальных осадков в пределах русла и прирусловой части, преимущественно меньшей степени дисперсности, и антропогенного фактора, влияющего на изменение естественных условий территории.
Техногенная трансформация инженерно-геологических условий долинных областей криолитозоны
Хозяйственное освоение территории долинных областей криолитозоны привело к существенным изменениям инженерно-геологических условий в пределах возникших ландшафтно-техногенных комплексов и объектов, охватывающих не только участки приложения техногенной нагрузки, но зачастую и прилегающие к ним площади.
Трансформация инженерно-геологических условий в пределах ландшафтно-техногенных комплексов связана с одновременно протекающими процессами механического, физического, физико-химического, термодинамического, биотического характера. В результате происходят изменения рельефа, свойств и состояния грунта, температурного режима грунтов, состава поверхностных и подземных вод, интенсивности и характера экзогенных геологических процессов, растительного покрова. Сложность изучения трансформации инженерно-геологических условий состоит в том, что механические, физические, термодинамические, физико-химические и биотические воздействия в реальной обстановке накладываются, суммируются, подавляются и видоизменяются [4, 6, 7, 8].
Техногенная нарушенность ИГУ неоднозначна по своим проявлениям, глубинам их распространения и интенсивности развития. Эти особенности обусловлены отраслевой спецификой приложенных техногенных нагрузок.
Для целей оценки техногенного воздействия на ИГУ долинных областей криолитозоны выполнена систематизация источников и видов техногенного воздействия (рис. 5.10).
Следует отметить, что оценка трансформации ИГУ является крайне сложным и неоднозначным вопросом, требующим комплексного качественного и количественного подхода.
Оценка трансформации ИГУ областей техногенного воздействия (подобласти В) территории долинных областей криолитозоны выполнена на основе анализа качественных и количественных изменений компонентов ИГУ, а также зоны их влияния (см. табл. 5.7, 5.8). К числу таких компонентов, в первую очередь, отнесены активизация экзогенных геологических процессов и явлений и изменение глубин деятельного слоя.
Для территории долинных областей криолитозоны, не подверженной техногенному воздействию (подобласти А и Б), характерны следующие природные процессы и явления:
заболачивание;
термокарст, который образуется в связи с оттаиванием льдонасыщенных грунтов, приводящий к проседанию поверхности земли, возникновению отрицательных форм рельефа и их заболачиванием;
криогенное пучение грунтов;
процессы эрозии и термоэрозии, в разной степени развитые на ряде участков и вызывающие возникновение процессов оседания, обрушения, осыпания, оползания и др.
Эти процессы по характеру воздействия на инженерные сооружения относятся к числу опасных, поэтому их активизация при техногенном воздействии неизбежно приводит к нарушению нормального функционирования зданий и сооружений, объектов транспорта и коммуникационных сетей [41, 94].
Также рассмотрено изменение глубин деятельного слоя, в подобластях техногенного воздействия (табл. 5.9), так как деятельный слой является наиболее динамичным в системе «здание, сооружение - грунтовое основание».
Анализ изменения ИГУ под действием техногенных объектов выполнен на основании маршрутного обследования в пределах их размещения (рис. 5.5) и качественной и количественной оценки компонентов ИГУ. По результатам исследований установлена трансформация ИГУ в подобластях техногенного воздействия долинных областей криолитозоны.
На участках техногенного воздействия происходит увеличение глубин деятельного слоя, интенсивность которого, по сравнению с естественными условиями, составляет, в зависимости от литологического состава пород, для сезонного оттаивания - 12-100 %, для сезонного промерзания - 43-75 %. Это обусловлено, прежде всего, изменением условий теплообмена на земной поверхности, а именно полным или частичным удалением растительного покрова, перераспределением снежного покрова, которые оказывают отепляющее влияние в случае процесса промерзания, и теплоизолирующее в случае процесса оттаивания. Важную роль в увеличении интенсивности процессов сезонного оттаивания играет тепловое воздействие зданий и сооружений с фундаментом «по полу».
На территории г. Надым тепловое влияние данных зданий привело к формированию на некоторых участках чаш оттаивания до глубины 8-Ю м и увеличению средних температур на подошве слоя годовых колебаний до 2-3 С. Также увеличение глубин сезонного оттаивания происходит за счет отсыпки территории насыпными (намывными) грунтами, которые имеют относительно хорошие теплофизические свойства. Свой вклад в интенсификацию процессов промерзания и оттаивания вносят утечки из коммуникационных сетей, которые оказывают отепляющее воздействие в случае оттаивания, и уменьшают температуру фазовых переходов воды за счет привноса в грунты дополнительной минерализации.
Особого внимания заслуживает температурный режим слоя сезонного оттаивания. По результатам температурной съемки, выполненной на территории Надымской площади, установлено, что на участках, испытывающих техногенное воздействие, отмечено повышение температуры деятельного слоя на 5-Ю градусов, что является следствием увеличения глубины СО.
На участках техногенного воздействия происходит усиление интенсивности ЭГП относительно естественных условий, что значительно сокращает «полезную площадь» урбанизированных территорий. Среди таких процессов отмечены: заболачивание, термокарстовые процессы, в меньшей мере процессы солифлюкции и эрозии. По результатам наблюдений установлено, что на участках техногенного воздействия отмечается увеличение заболоченности территории на 30-100%, термокарстовых процессов на 20-55 %. Причем основная доля заболачивания и термокарстовых процессов приходится на объекты транспортного комплекса (автодороги) и иные линейные сооружения (трубопроводы и др.) (табл. 5.10, 5.11). Основной причиной активизации процессов служит нарушение естественного режима поверхностного стока и нарушение растительного покрова (рис. 5.11-5.13).
Относительно слабой активизацией в пределах участков техногенного воздействия характеризуются эрозионные процессы и солифлюкция. Их доля в общей массе активизированных процессов незначительна и составляет 1-3 % и 3-6 %, соответственно.
На участках техногенного воздействия отмечено уменьшение интенсивности процессов пучения. Пораженность процессами пучения (в том числе сезонного характера) участков, подверженных техногенному воздействию составляет 70-90 %, в то время как в естественных условиях эта величина составляет 90-100%. Это обусловлено, прежде всего, литологическим составом насыпных грунтов, представленных, как правило мелкими намывными песками с незначительным содержанием пылеватой фракции.
Таким образом, оценка влияния техногенного воздействия на изменение ИГУ территории позволила установить, что оно проявляется в активизации экзогенных геологических процессов и увеличении глубин деятельного слоя. В областях техногенного воздействия формируется комплекс техноприродных процессов, интенсивность проявления которых, в отличие от естественных условий, составляет от 1-6 до 50-100 % пораженности территории. В результате трансформации естественных условий на поверхности (удаление и перераспределение естественных покровов) и дополнительной тепловой нагрузки формируется особый температурный режим деятельного слоя, способствующий увеличению его глубин. Эти обстоятельства формируют «новые» - трансформированные инженерно-геологические условия территории, которые являются менее благоприятными для целей дальнейшего развития городской и промышленной инфраструктуры, и требуют принятия мер по минимизации негативных последствий увеличения интенсивности ЭГП и глубин деятельного слоя.
