Содержание к диссертации
Введение
Инженерно-геологические особенности солянокупольных бассейнов в связи с проблемой захоронения отходов
Инженерно-геологические условия
Современные движения соляных структур и их влияние на инженерно-геологические условия
Закономерности пространственной изменчивости инженерно-геологических условий как основа районирования Западного Прикаспия
Инженерно-геологическое обоснование строительства и эксплуатации полигонов твердых бытовых отходов в западном прикаспии
Процессы в геологической и окружающей среде в сфере влияния полигонов твердых бытовых отходов
Современные требования к полигонам твердых бытовых отходов как природно-техногенным системам и к инженерно-геологическому обоснованию их размещения
Глава 6. Анализ опыта эксплуатации полигонов твердых бытовых отходов Волгоградского региона
Принципы размещения современных полигонов хранения твердых бытовых отходов в Западном Прикаспии
Инженерно-геологическое обоснование строительства полигонов подземного захоронения стоков в западном прикаспии
Процессы в геологической и окружающей среде в сфере влияния накопителей жидких отходов
Оценка влияния накопителей жидких отходов в Западном Прикаспии на геологическую и окружающую среду
Глава 10. Анализ альтернативных вариантов обезвреживания жидких отходов и опыта подземного захоронения стоков в солянокупольных областях
Глава 11. Принципы размещения полигонов подземного захоронения стоков в Западном Прикаспии
Заключение
Список использованных материалов
- Современные движения соляных структур и их влияние на инженерно-геологические условия
- Закономерности пространственной изменчивости инженерно-геологических условий как основа районирования Западного Прикаспия
- Инженерно-геологическое обоснование строительства полигонов подземного захоронения стоков в западном прикаспии
- Анализ альтернативных вариантов обезвреживания жидких отходов и опыта подземного захоронения стоков в солянокупольных областях
Введение к работе
Актуальность проблемы. В последние годы на границах Волгоградской городской агломерации (ВГА) в Прикаспийской низменности в связи с высокой техногенной нагрузкой на геологическую и окружающую среду сложилась экстремальная ситуация.
В зоне накопителей жидких отходов (НЖО) площадью 60 км2 у г.Волжского загрязнены грунтовые воды на площади 252 км и река Ахтуба. У южных окраин Волгограда крупнейшая в России зона загрязнения составляет 720 км2 при общей площади НЖО 160 км2. Уровни содержания Токсичных компонентов: фенола, ртути и др. характеризуют экологическую ситуацию как чрезвычайную. Эти вещества мигрируют с подземными водами в открытые водоемы, вызывая деградацию водных экосистем. Наблюдается загрязнение и деградация почв и массивов горных пород в зоне накопителей, развитие негативных инженерно-геологических процессов. Загрязнение приземного слоя атмосферы вредными веществами в летний период оценивается на высоту около 100 и и на расстояние более 35 км от прудов-испарителей. Состояние здоровья населения в этих районах значительно хуже по сравнению с однотипными территориями.
Причиной всего этого является либо размещение накопителей в крайне неудачных инженерно-геологических условиях (ИГУ), либо превышение проектных уровней стоков в прудах, либо сочетание этих факторов.
Эта актуальнейшая проблема может быть решена либо применением безотходных технологий (что в настоящее время нереально), либо ликвидацией прудов-испарителей и использованием альтернативных вариантов обезвреживания отходов, включая подземное захоронение (ПЗ).
С другой стороны, полигоны подземного захоронения сами являются объектами геологического и экологического риска, в особенности при их размещении в солянокупольных областях. Это связано с современными движениями соляных структур, способными, с одной стороны нарушить герметичность коллекторов и с другой - привести к авариям скважин, что, в конечном счете, может вызвать загрязнение водоносных горизонтов и геологической среды в целом.
Вместе с тем, в условиях Прикаспийской впадины с плоским рельефом и неглубоким залеганием грунтовых вод, подземное захоронение альтернативы не имеет, поскольку поверхностные отстойники требуют громадных площадей
220 км2 у Волгоградской агломерации и создают огромные зоны загрязнения
до 1000 км2. Поэтому полигоны подземного захоронения в Прикаспии используются и строятся на месторождениях углеводородов и промышленных объектах. Актуальность обеспечения их безопасности наряду с расширением представлений о влиянии соляной тектоники на различные природно-технические системы (ПТС) требуют разработки научных подходов к выбору участков захоронения в областях галокинеза.
Другая проблема связана с захоронением твердых бытовых отходов
и поверхно-
(ТБО) и эмиссией фильтрата в почвы,
Э5ЙЙ
СПстсНХРГ AM
стные воды. В Волгоградской области ежегодно в местах захоронения размещается более 2,7 млн. тонн отходов. Размещение городских бытовых отходов происходит на свалках, хотя и санкционированных, но не оборудованных под полигон. Как правило, это свалки в оврагах или бывших карьерах. Такие способы обращения с отходами соверїпенно не обеспечивают безопасность среды обитания человека и требуют постоянного увеличения площади отведенных для этой цели земель.
Число несанкционированных свалок на территории области и выявленных в 2003 году - 674, что превышает количество санкционированных мест в 1,6 раза. Общая их площадь достигает 217,2 га. Но даже санкционированные свалки ТБО в городах Волгограде и Волжском не обеспечены проектной документацией, данными инженерно-геологических изысканий на них, отсутствуют наблюдательные скважины.
Не меньшую опасность для природной среды представляют старые бездействующие свалки, на которых прекращен сброс отходов; в течение очень длительного времени они продолжают оставаться источником загрязнения литосферы и гидросферы.
До недавнего времени в Прикаспии, как и в России в целом, несмотря на имеющиеся нормативные документы в области проектирования и строительства полигонов ТБО, к проблеме их строительства подходили достаточно упрощенно, понимая, как правило, под полигонами складирования отходов места под свалки мусора, что привело к плачевным результатам для окружающей среды. Однако в настоящий момент требования к строительству и эксплуатации полигонов резко возросли.
Сегодня полигон складирования и захоронения отходов - это сложный инженерный комплекс сооружений I уровня ответственности, и его важнейшим элементом является практически непроницаемый геологический барьер, обладающий способностью к длительной надежной работе с целью полного исключения эмиссии фильтрата в подстилающие слои, подземные и поверхностные воды (А.Д.Потапов, 2002). Такие барьеры существуют в регионе далеко не везде и связаны, как правило, с отрицательными соляными структурами.
Вполне очевидно, что возросшие требования к проектированию и строительству полигонов депонирования ТБО требуют соответствующего инженерно-геологического обоснования их размещения на основе типизации территорий, что чрезвычайно актуально в сложных условиях Прикаспийского соляно-купольного бассейна.
Основными целями работы было выявление закономерностей деградации геологической и окружающей среды в зонах накопителей отходов в Прикаспии и разработка инженерно-геологического обоснования строительства современных полигонов захоронения.
В соответствии с этими целями решались следующие основные задачи.
-
Анализ особенностей инженерно-геологических условий Прикаспийской и других солянокуполышх впадин в связи с захоронением отходов.
-
Развитие и углубление представлений о влиянии движений соляных структур на геологическое строение надсолевого комплекса, рельеф, гидрогео-
логические условия, состав и свойства пород, і еологические процессы.
3. Анализ пространственных закономерностей инженерно-геологических
условий как основы типизации территории по условиям строительства полиго
нов захоронения.
4. Анализ современного состояния проблемы захоронения твердых и
жидких отходов и инженерно-геологического обоснования строительства поли
гонов захоронения.
-
Анализ влияния накопителей жидких и твердых отходов на загрязнение подземных и поверхностных вод, почв, горных пород и атмосферы и их комплексного воздействия на биоту.
-
Разработка принципиальных подходов к размещению современных полигонов хранения ТБО в Западном Прикаспии на основе инженерно-геологической типизации соляных структур.
-
Сравнительный анализ инженерно-геологических условий и опыта эксплуатации полигонов подземного захоронения жидких отходов в солянокупольных областях России и мира и оценка перспективных территорий в Западном Прикаспии.
Научная новизна:
на базе собственных разработок и анализа обширных фондовых материалов доказан комплексный характер влияния НЖО на загрязнение литосферы, гидросферы, атмосферы и биосферы в условиях Прикаспия и их суммарное влияние на неудовлетворительное состояние здоровья населения;
доказана приоритетная роль инженерно-геологических условий в формировании чрезвычайной экологической ситуации в зоне НЖО;
Показано, что в специфических условиях Прикаспийской низменности с чрезвычайно плоским рельефом, обуславливающим площади НЖО в сотни квадратных километров, суммарная площадь загрязнения у крупных городов может достигать 1000 км2;
разработаны принципиальные подходы к размещению современных полигонов ТБО в солянокупольных областях на основе инженерно-геологической типизации соляных структур;
на основе сравнительного анализа инженерно-геологических условий ряда полигонов подземного захоронения (ППЗ) в России и за рубежом разработаны принципиальные подходы к их размещению в Прикаспии.
Методы исследований. При выполнении работы использовались методы сравнительного анализа и обобщения, инженерно-геологических аналогий, картографирования, районирования, гидрогеологии и неотектоники.
Практическая значимость и реализация результатов исследований:
- обоснованы необходимость ликвидации НЖО в Заволжье и Сарпин-
ской низменности и перспективы подземного захоронения в этих районах. Они
используются в ОАО «Волжский Оргсинтез», могут использоваться админист
ративными органами и проектными организациями в целях снижения риска для
здоровья населения. Для территории Западного Прикаспия, включающего Вол
гоградскую, Астраханскую области, Республику Калмыкия, разработаны карта
перспективных территорий для размещения современных политонов хранения
ТБО в межкупольных депрессиях с потенциально большой мощное і ью хвалын-ских глин, карта типизации Западного Прикаспия по условиям строительства полигонов ТБО, схема распространения перспективных мульд для подземного захоронения жидких отходов.
Теоретические положения и методические разработки используются в учебном процессе при чтении лекционных курсов «Инженерная геология», «Геоэкология», «Проектирование и эксплуатация полигонов твердых отходов» и «Проектирование и эксплуатация накопителей жидких отходов» для студентов и аспирантов различных специальностей ВолгГАСУ, включены в учебное пособие «Деятельность по обращению с опасными отходами» [23,24].
Фактический материал. Работа выполнена на основе исследований автора, проведенных во время обучения в аспирантуре и докторантуре на кафедре инженерной геологии и геоэкологии (ИГиГ) ВолгГАСУ и работы в Волгоградском отделении Российской экологической академии. Кроме того, был использован большой объём опубликованной литературы и фондовых материалов: буровых, геофизических, инженерно-геологических, гидрогеологических, гидрохимических, медицинских и других исследований институтов «Гидропроект», «Ростовводоканалпроект», НИИ Гигиены труда и профпатологии, Санитарно-гигиенического института (С-Петербург), ГНЦ НИИОПиК, ВНИИВодГЕО, ИФЗ РАН, Волгоградского областного и городского комитетов по охране природы, Волгоградского отделения Российской экологической академии, Волгоградского областного отдела по здравоохранению. Изучены данные по геодезическим полигонам, колонки десятков буровых скважин, нескольких тысяч результатов лабораторного изучения грунтов, подземных и поверхностных вод и воздуха, тысяч данных по заболеваемости населения.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту.
-
Выявление комплексного характера загрязнения всех компонентов окружающей среды (литосферы, гидросферы, атмосферы и биосферы) в зоне накопителей жидких и твердых отходов.
-
Установление главных причин загрязнения окружающей среды - размещение НЖО и полигонов хранения ТБО в неприемлемых инженерно-геологических условиях, нарушения проектного уровня стоков в НЖО или сочетания этих факторов.
-
Разработка принципиальных подходов к размещению полигонов подземного захоронения стоков в солянокупольных областях в межкупольных мульдах или подсолевых массивах.
-
Разработка принципиальных подходов к размещению современных полигонов хранения ТБО в солянокупольных областях в межкупольных мульдах на основе инженерно-геологической типизации территорий.
-
Инженерно-геологическая карта перспективных территорий для размещения полигонов хранения ТБО в межкупольных депрессиях с потенциально большой мощностью хвалынских глин.
-
Карта типизации Западного Прикаспия по условиям строительства полигонов хранения ТБО.
-
Схематическая карта распространения перспективных межкупольных
мульд для подземного захоронения жидких отходов.
Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты работы докладывались и были представлены на отечественных и международных симпозиумах, совещаниях и конференциях: ВолгГАСУ (2000-2003 гг.); «Освоение и использование природных ресурсов Волгоградской области - путь устой чивого развития региона» (Волгоград, 2000 г.); «Здоровье города - здоровье человека» (Ростов, 2001 г.); «Проблемы подземного захоронения жидких и твердых отходов в глубокие горизонты земной коры» (Саратов, 2001 г.); «Качество воздуха и окружающей среды» (Волгоград, 2002-2004 гг.); «Сергеевские чтения» (Москва, 2003 г.); «Научно-технические проблемы в строительстве» (Новосибирск, 2003 г.); «Севергеотех-2003» (Ухта, 2003 г.); «Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций» (Волгоград, 2003-2004 гг.); «Международные и отечественные технологии освоения природных минеральных ресурсов и глобальной энергии» (Астрахань, 2003-2004 гг.); «Городские агломерации на оползневых территориях» (Волгоград, 2003); «Экология антро-погена и современность» (РАН, Волгоград-Астрахань-Волгоград, 2004); экологических чтениях Волгоградского отделения Российской экологической академии и краеведческих чтениях (Волгоград, 2001-2004 гг.).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 31 работе, включая 4 монографии, учебные пособия.
Структура и объем работы. Диссертация объемом 300 страниц состоит из введения, 11 глав, объединенных в 3 части в соответствии с решаемыми задачами, заключения, 50 таблиц, 82 рисунка. Список использованной литературы включает более 300 наименований. Диссертация сопровождается 44 приложениями.
Автор глубоко благодарен научному руководителю - В.Н.Синякову за его постоянную поддержку, внимание и сотрудничество на всех этапах работы. Автор искренне признателен всем сотрудникам кафедры инженерной геологии и геоэкологии, в особенности профессору А.В.Бочкареву, а также профессору Л.А.Анисимову, которые ознакомились с рукописью и сделали необходимые замечания. Особую благодарность автор выражает профессору С.В.Кузнецовой за исключительное внимание к работе, ценные советы и неизменную доброжелательность.
С 1999 по 2002 тт. исследования автора поддерживались фантами Минобразования РФ.
Современные движения соляных структур и их влияние на инженерно-геологические условия
Прикаспийская впадина характеризуется огромной глубиной залегания фундамента, погружение которого коррелирует с относительным воздыманием поверхности Мохоровичича, что резко отличает ее от платформ в целом. Глубина поверхности Мохоровичича уменьшается от 38-40 км на периферии до 25-27 км в центральной части. Кора впадины отличается отсутствием или сильным утонением гранитного слоя, а также утонением и появлением окон в базальтовом слое. Глубина залегания фундамента и, соответственно, мощность осадочного чехла Прикаспийской впадины достигает 25 км, что также является уникальным явлением. Типичной чертой структуры фундамента является его ступенчатое погружение по разломам от периферии к центру, наличие систем бортовых разломов и резко выраженная блоковая структура основания, разделенного региональными разломами. Характерно, что значительная часть разломов имеет новейшую активность, что находит свое отражение в современном рельефе. Состав и строение земной коры Прикаспийской впадины существенно отличается от типично платформенного и приближается к океаническому типу. Образование коры субокеанического типа на месте континентальной и накопление аномально мощного осадочного чехла объясняется глубинными процессами, обусловившими растяжение и постоянное погружение впадины, продолжающееся до современного этапа. Характерно, что все перечисленные геолого-структурные особенности типичны также и для Примексиканской, Североморской и Габонской впадин.
В пределах Западного Прикаспия поверхность фундамента Прикаспийской впадины располагается на глубине 6-8 км. Подсолевая поверхность от Заволжского уступа погружается к востоку со средним градиентом перепада 80 м/км. Это погружение сопровождается субпараллельными борту разломами с амплитудами до 1 км и флексурами. Другая система разломов фундамента имеет северо-западное простирание и амплитуду порядка 1,5-2 км. Таким образом, рассматриваемая территория имеет блоковый характер строения фундамента.
В геологическом разрезе осадочного чехла Прикаспийской впадины выделяются подсолевой, солевой и надсолевой комплексы. К подсолевому комплексу относятся осадки рифейского, нижнепалеозойского и эйфельско-триасового возраста, представленные карбонатно-терригенными и терриген-ными формациями общей мощностью от 3 до 9 км.
Солевой комплекс представлен отложениями кунгурского яруса нижней перми. Его первичное залегание нарушено соляной тектоникой. В штоках соляных куполов мощность соли измеряется километрами, а в межкупольных мульдах сокращается до полного отсутствия. Средняя начальная мощность соли в центре впадины оценивается в 2-6 км. Своды штоков перекрыты гипс-ангидритовой толщей мощностью до 250 м.
Надсолевой комплекс общей мощностью около 10 км образовался в результате интенсивного унаследованного прогибания впадины. В его основании залегают отложения красноцветной молассоидной формации верхней перми. Вверх по разрезу залегают терригенные и терригенно-карбонатные отложения триаса и терригенные отложения нижней юры.
Отложения юрско-палеогенового структурного этажа в периферических частях впадины выведены на поверхность новейшими тектоническими движениями; в центре впадины их мощность составляет более 2000 м. Се-роцветная морская песчано-глинистая формация средней юры представлена песчаниками, глинами, алевролитами мощностью 300-500 м. Сероцветная морская терригенно-карбонатная формация верхней юры (до 390 м) сложена глинами, песками, песчаниками, алевритами, известняками и мергелями. Серо-цветная полифациальная песчано-глинистая формация нижнего мела мощностью до 500 м включает аргиллитоподобные глины, пески, песчаники. Морская мергельно-меловая формация верхнего мела мощностью до 500 м представлена мергелями, мелом, известняками, иногда глинами и песками. Сероцветная тер-ригенно-кремистая формация палеогена сложена песками, песчаниками, песча-но-алевритовыми породами, глинами, аргиллитами и опоками. Юрско-палео-геновый этаж венчается терригенной формацией олигоцена-миоцена, выделяемой под названием майкопской серии. Это темно-серые тонкослоистые глины с прослойками и присыпками светлого алеврита. Мощность майкопских глин в районе Волгограда составляет 80 м.
Отложения верхнеплиоцен-четвертичного структурного этажа охарактеризованы на основе трудов Л.Б. Аристарховой, В.А. Брылева, Ю.М. Васильева, А.В. Вострякова, Г.И. Горецкого, А.Г. Доскач, В.И. Коробкина, А.Д. Наумова, Н.И. Николаева, А.А. Свиточа, В.Н. Синякова, П.В. Федорова, В.Л. Яхимович, а также X. Бернарда, М. Ксеншкевича, Р. Лебланка, Е.Де Мульдера, К. Стаалдуинена и других исследователей. Период, предшествовавший накоплению этих отложений, характеризовался региональным перерывом в осадконакоплении, поэтому морские миоценовые и нижнеплиоценовые отложения здесь отсутствуют. Известны лишь аллювиальные отложения древних долин Волги, Урала и их притоков, существовавших в нижнесреднемиоценовое время - кушумская свита.
В верхнеплиоцен-антропогеновую стадию ситуация резко изменилась. В пределах ее обширной западной территории обособилась область новейших прогибаний, где неоднократно происходили крупнейшие трансгрессии Каспия: акчагыльская, апшеронская, бакинская, хазарская, хвалынская, новокаспийская. Важнейшим результатом трансгрессий является накопление мощной толщи морских, в основном глинистых отложений, которые заполняют плоскую наложенную впадину.
Концентрически нарастающая мощность осадков свидетельствует об определяющей роли тектонического фактора при их накоплении. В литературе эта молодая синеклиза известна под несколькими наименованиями: Западно-Казахстанская, Букеевская, Прикаспийская, Атрауская.
На западе и востоке к области опусканий примыкают области поднятий, соответствующие денудационным равнинам Приволжской возвышенности, Ер-геней, Подуральского плато, а в раннеплейстоценовое время на севере в область поднятий была вовлечена Сыртовая равнина, замкнувшая обрамление денудационных равнин вокруг молодой синеклизы.
Морские акчагылъские отложения мощностью от 100 до 500 м представлены серыми слоистыми алевритовыми глинами с прослоями алевритов и песков. Их континентальными аналогами на Сыртовой равнине являются озерно-аллювиальные глины с прослоями песков и алевритов, а также глины и пески домашкинской свиты. На Приволжской возвышенности и Ергенях наиболее древними из верхнеплиоценовых континентальных отложений являются пески ергенинской свиты мощностью от 3 до 70м.
Морские апшеронские отложения (эоплейстоценоеые), являющиеся древнейшими четвертичными отложениями Прикаспийской впадины, представлены на периферии переслаиванием серых и зеленовато-серых тонкослоистых глин с кварцевыми зеленовато-серыми и желто-бурыми песками и алевритами. В центре впадины разрез сложен глинами, а пески и алевриты участвуют в строении толщи лишь в виде тонких редких прослоев. Мощность отложений изменяется от 10 до 650 м, иногда достигая 2000 м.
Континентальными аналогами апшеронских отложений на периферии Прикаспийской впадины являются подсыртовые пески мощностью до 25-30 м, а также горизонты красно-бурых и коричнево-бурых глин и суглинков сыртовой толщи в пределах Сыртовой равнины, Общего Сырта и Предуральского плато мощностью 30-40 м; мощность одновозрастных пород на Волго-Донском водоразделе колеблется от 3-5 до 30-40 м.
В нижнечетвертичное время погружение впадины продолжалось, что привело к бакинской трансгрессии Каспия и выражено в отложениях нижне-и верхнебакинских слоев. Они наиболее полно изучены в долине р. Волги (рис. 2), представлены темно-серыми, реже зеленовато-серыми тонкослоистыми глинами с присыпками алевритов и тонкими прослойками (иногда линзами до 30 см) мелких песков. Их общая мощность достигает 105м.
Южнее Каменного Яра в верхней части нижнебакинской толщи появляется пачка озерно-аллювиальных глин и суглинков мощностью 15-25 м, содержащих растительные остатки и пресноводную фауну. Нижнебакинский возраст имеет также венедская аллювиальная свита мощностью до 45 м.
Верхнебакинские слои представлены глубоководными морскими зеленовато-серыми глинами с прослоями песка, а также прибрежными песками общей мощностью 25-30 м. К периоду регрессии верхнебакинского моря относится формирование нижнекривичской аллювиальной свиты Пра-Волги мощностью 20-25 м. В северной части Прикаспийской низменности, где в период бакинской и последующей нижнехазарской трансгрессий Каспия господствовали континентальные условия, происходит образование нерасчлененных нижне-среднечетвертичных озерно-аллювиальных отложений (рис. 3).
Закономерности пространственной изменчивости инженерно-геологических условий как основа районирования Западного Прикаспия
Изучением соляной тектоники Прикаспийской впадины - различных форм ее проявления, зональности распространения этих форм, их развития и генезиса занимались и занимаются многие исследователи - В.Я. Авров, П.Я. Авров, В.П. Авров, Г.Е.-А. Айзенштадт, М.С. Арабаджи, А.А. Борисов, Н.И. Буялов, П.А. Безруков, Ю.В. Ваныпин, Ю.М. Васильев, А.Н. Гейслер, М.В. Горфункуль, Т.Н. Джумагалиев, B.C. Журавлев, М.П. Казаков, Л.В. Каламка-ров, И.И. Кожевников, Н.А. Калинин, B.C. Конищев, Ю.А. Кононов, В.И. Ки-тык, Ю.А. Косыгин, Г.Н. Кричевский, Н.Я. Кунин, Н.В. Неволин, И.П. Пермяков, П.А. Рождественский, А.А. Свиточ, Б.А. Соколов, Н.Н. Тихонович, Э.Э. Фотиади, В.Е. Хаин, М.М. Чарыгин, А.П. Шафранов, Н.А. Швамбергер, О.А. Шванк, СВ. Шумилин, Я.С. Эвентов, М.Б. Эздрин, А.Л. Яншин.
В соответствии с классификацией Н.Я. Кунина (1977), Прикаспийская и другие названные впадины относятся к классу крупных окраинноматериковых солянокупольных бассейнов с сотнями соляных куполов, при этом соляные структуры различных бассейнов являются однотипными. Они представлены положительными формами (купола, антиклинали) и сопряженными с ними отрицательными структурами - межкупольными депрессиями, компенсационными мульдами, мульдами оседания и грабенами (рис. 6).
Межкмпольные депрессии Ммльды Грввви сквозная нескаозная компенсационная оседания Основные типы соляных структур (по В.Н. Синякову, 1984): 1 - надсолевые отложения; 2 - солевые отложения; 3 - подсолевые отложения; 4 - разломы. Формирование соляных структур объясняется такими свойствами каменной соли, как пластичность, возрастающая при увеличении давления и температуры и обеспечивающая возможность ее перемещения из зон более высоких напряжений в зоны с более низкими; низкая плотность соли и ее залегание под более плотными породами надсолевого комплекса, в результате чего надсоле-вые породы стремятся занять нижнее положение, а легкая соль - всплыть наверх. Кроме того, соль обладает очень высокой растворимостью, что является причиной формирования мульд оседания и надсводовых грабенов и плоских вершин соляных куполов.
В Прикаспийской впадине выделяют соляные структуры нескольких типов, различающихся между собой соотношением структурных планов соли и подсолевых пород, взаимоотношением соляного массива с перекрывающими его отложениями, а также размерами и формой. - Соляные антиклинали - "сквозные" складки вытянутой формы, проявляющиеся во всех трех комплексах пород - подсолевом, соленосном и надсоле-вом. Они характерны для прибортовых зон и развиты на западе (например, Светлоярско-Приозерная) и востоке Прикаспийской впадины. Отличительная особенность этих структур - одновременность формирования складки в подсолевых и вышележащих отложениях. - Соляные структуры типа платформенных складок распространены вдоль окраины солеродного бассейна. Соль не образует больших скоплений.
Дислоцированность надсолевого комплекса обусловлена локальными поднятиями подсолевого ложа. Структуры этого типа широко представлены к северу и западу от бортового уступа Прикаспийской впадины. В генетическом ряду эти структуры стоят между бессолевыми платформенными поднятиями и рудиментарными куполами. - Соляные купола - наиболее распространенный тип соляных структур Прикаспийской впадины; они подразделяются на два подтипа: рудиментарные и нормально развитые. К рудиментарным относятся глубокие соляные купола, не прорванные солью, а лишь приподнимающие надсолевые слои. Мощность над солевых горизонтов в их сводах заметно сокращена. Развиты они в основном в юго-восточной прибортовой части впадины.
К категории нормально развитых куполов относятся скрыто-прорванные, прорванные, размытые и открытые купола, различающиеся по соотношению соленосных массивов и надсолевых слоев и по глубине эрозионного среза. Скрыто-прорванные купола перекрыты отложениями мезозоя и палеогена.
Прорванные купола характеризуются редуцированным разрезом нижней части мезокайнозоя. Их соляные массивы частично подвергались размыву. В своде купола на отложениях соли залегают терригенные отложения мелового или палеогенового возраста. Размытые купола отличаются от описанных выше глубиной преднеогенового среза, который уничтожил всю толщу надсолевых осадков. В результате этого в современном разрезе в своде купола на соли залегают отложения неогена.
Открытые купола объединяют соляные структуры, ядра которых выходят на поверхность.
В расположении соляных куполов Прикаспийской впадины отмечается определенная зональность размещения однотипных структур. Соляные антиклинали типа платформенных складок приурочены к окраине солеродного бассейна, к области, где мощность материнского пласта соли не превышает первых сотен метров.
По мере продвижения к центру впадины появляются соляные купола, вначале рудиментарные, а затем нормально развитые. Рудиментарные купола изолированы со всех сторон; в центральной части впадины они отсутствуют. Скрыто-прорванные соляные купола тяготеют к бортовым зонам впадины; здесь они опоясывают ее со всех сторон. Прорванные соляные купола развиты преимущественно в центральной части впадины. Размытые соляные купола тяготеют к западной, наиболее погруженной части впадины. Открытые купола встречаются редко. Они сгруппированы в виде линейных зон, одна из которых простирается в субмеридиональном направлении вдоль р.Урал, а вторая - в северо-западном направлении от г. Гурьева до оз. Эльтон.
Наиболее крупные по площади соляные структуры тяготеют к центру Прикаспийской впадины, в зоне наибольших глубин залегания подсолевого ложа и максимальной мощности материнского пласта соли. Здесь образуется сложное переплетение соляных гряд, перемежающихся с куполами-гигантами (рис. 7). На территории Прикаспийской впадины известно 1758 соляных куполов. С увеличением глубины погружения купола сливаются в соляные гряды, образующие вместе с межкупольными депрессиями сложную ячеисто-сотовую структуру. Штоки куполов имеют высоту до 10 км и достигают огромных размеров в плане. Например, площадь купола Баскунчак равна 100 км, Индер - 250 км, Челкар - 650 км, Санкебай - 2200 км. Соляные антиклинали представляют складки вытянутой формы, часто осложненные в верхней части соляными куполами. Они характерны для прибортовых зон бассейна.
Межкупольные депрессии оформились как отрицательные структуры одного ранга с соляными куполами в результате оттока соли к этим куполам (рис. 8). В отличие от них компенсационные мульды, мульды оседания и грабены возникли непосредственно внутри массивов соляных куполов и антиклиналей и являются вторичными структурами.
Межкупольные депрессии распространены в пределах солянокупольных бассейнов также, как и сопряженные с ними соляные купола и, как правило, обладают заметно большей площадью. Наибольший интерес для строительства, в том числе хранилищ отходов, представляют "сквозные" межкупольные депрессии с полностью отжатой солью, где отсутствуют предпосылки для развития неблагоприятных геологических процессов, связанных с растворением и перемещением соли.
Инженерно-геологическое обоснование строительства полигонов подземного захоронения стоков в западном прикаспии
Серьезную региональную проблему представляет антропогенная активизация эоловых процессов. Чаще всего очаги антропогенной дефляции и аккумуляции приурочены к населенным пунктам, вокруг которых уничтожен травяной покров в результате беспорядочного движения автотранспорта, выпаса скота, ведения земляных работ и других воздействий. Они встречаются во многих местах Калмыкии, Казахстана и Астраханской области.
Самый распространенный процесс, наблюдающийся на территории большинства городов - подтопление. Способствующими накоплению влаги факторами являются анизотропия водопроницаемости лессовых пород и вы-ветрелость верхней части разреза глин. В этих условиях в результате ликвидации оврагов как естественных дрен, ухудшения условий поверхностного и подземного стока, утечек воды из коммуникаций, поливов растений, конденсации влаги под зданиями и сооружениями в результате нарушения естественного тепловлагопереноса и другие причины привели к быстрому подъему уровня грунтовых вод, образованию верховодки и подтоплению заглубленных частей зданий. В ряде городов (Волжский, Камышин, Дубовка, Николаевск и др.) этот процесс развивается одновременно с подъёмом грунтовых вод, вызванным подпором воды в водохранилище Волжской ГЭС (Синяков и др., 1981).
В наиболее чистом виде, свободном от влияния подпора воды в водохранилище, процесс подтопления наблюдается на территории Волгоградской агломерации. Большой очаг подтопления сформировался в южной части г. Волгограда, в пределах Красноармейского соляного купола. В целом в Волгограде зафиксировано более 420 участков подтопления как отдельных зданий и сооружений, так и крупных территорий заводов и жилых кварталов, которые подтоплены практически полностью, и фундаменты находятся ниже УГВ. Повышение уровня грунтовых вод происходит со скоростью от 0,15 до 1,3 м/год и более; до освоения территории грунтовые воды на преобладающей территории находились на глубине 20-30 м. Динамика развития процесса характеризуется также следующими цифрами: в первые послевоенные годы число подтопленных участков измерялось единицами, следующее десятилетие - десятками, в последующие годы оно стало нарастать (табл. 6). Анализ распространения подтопленных участков в различных районах города показывает, что подтопление происходит практически во всех районах, сложенных глинистыми и лессовыми породами, и отсутствует только в районе распространения аллювиальных песчаных отложений с высокой дренированностью.
Зависимость развития подтопления от величины водопотребления на объектах различных типов техногенного воздействия сказывается на скорости подъема уровня грунтовых вод и величине пораженности территории процессом подтопления, вместе с тем сам процесс наблюдается при любых видах воздействия, и практически неизбежен в зоне перспективной застройки (Синяков и др., 1984). Важно отметить, что на территории Волгограда подъем УГВ и образование верховодки и новых антропогенных водоносных горизонтов происходит практически везде: в насыпных и намывных отложениях, в лессовых породах, хвалынских глинах, ергенинских песках, майкопских глинах, палеогеновых отложениях, ранее полностью безводных (Синяков и др., 1992). Особенно неблагоприятно обводнение глин.
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, мягкопла-стичной 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 любых типов фундаментов, в том числе свайных. Испытания статическими нагрузками показали, что сваи длиной 8 м в нижнехвалынских глинах тугопластичной консистенции выдерживали нагрузку в 400-500 кН, но при переходе их в мягко- или текучепла-стичную 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.
Глины содержат значительное количество гипса; выщелачивание его при замачивании глин приводит к образованию агрессивных вод с содержанием сульфат-иона до 10000 мг/л. Поскольку при строительстве многих сооружений 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.
Среди дочетвертичных глинистых пород наиболее широко распространены глины майкопской серии олигоцена-миоцена, которые залегают почти у поверхности земли или перекрыты толщей лессовых и неогеновых пород. Майкопские глины также относятся к набухающе-усадочным. В естественных условиях они находятся выше уровня грунтовых вод и имеют твердую и полутвердую консистенцию. На застроенной территории в результате обводнения они набухают, при этом модуль деформации глин снижается примерно в 1,5 раза. Минерализация вод, формирующихся в верхней трещиноватой зоне майкопских глин, изменяется от 0,3 до 41 г/л. Для них характерны кислая среда с рН 6 и повышенное содержание свободной углекислоты. Воды майкопских глин обладают сульфатной, общекислотной и углекислой агрессивностью. Ме-четкинские глины волгоградской свиты эоцена также относятся к набухающе-усадочным.
Лессовые породы в пределах города не обводнены до глубины 15-20 м и весьма чувствительны к дополнительному замачиванию, которое приводит к резкому снижению прочности и сжимаемости и просадочным 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 просадочных 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 (Синяков, Кузнецова, 1980).
Очень сильно снижается при обводнении несущая способность свай. По результатам полевых испытаний свай 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. Воды обладают сульфатной агрессивностью.
Песчаные породы представлены аллювиальными, озерно-аллювиаль-ными и морскими отложениями от современного до палеогенового возраста. При обводнении песчаных пород физико-механические свойства их практически не меняются.
Таким образом, наиболее сильно реагируют на замачивание и обводнение нижнехвалынские глины и лессовые породы валдайского и ательского горизонтов. Майкопские глины занимают в этом отношении промежуточное положение.
Анализ альтернативных вариантов обезвреживания жидких отходов и опыта подземного захоронения стоков в солянокупольных областях
Работы по изучению инженерно-геологических условий западной части Прикаспийской впадины проводились с начала XX века: в 1914-1920 гг. под руководством Ф.П. Саваренского, Б.А. Можаровского и Г.П. Каменского, в 1932 г. В.М. Астрахановым и А.И. Покровским. Исследования гидрогеологических и инженерно-геологических условий, в том числе инженерно-геологическое районирование, зоны Волгоградского водохранилища и прилегающих территорий выполнены в 1953 г. (Урбан Б.Э., Тешлер М.И. и др.).
Крупнейшие работы были выполнены «Гидропроектом» в 50-е годы в связи с проектированием Сталинградского канала, позднее - «Гипроводстро-ем» (Н.П.Синяков, Т.С.Кавеев и др.) при проектировании Волго-Уральского канала, а также Волгоградской ГЭС.
Инженерно-геологические исследования, проведенные в 1952 г. под руководством В.П Мурылева, В.И. Артемьева, P.M. Сульдиной и др., установили связь между новейшими тектоническими движениями, с одной стороны, и формированием подземных вод - с другой. В 1963-64 гг. Ростовской тематической партией (П.Г. Германов В. В. Демьянов и др.) составлена обзорная инженерно-геологическая карта масштаба 1:500 000, являющаяся первой попыткой региональной оценки инженерно-геологических условий. В 1964-76 гг. Волгоградской комплексной экспедицией ВДТГУ были составлены схематические инженерно-геологические карты масштаба 1:200000. К первой половине 80-х годов прошлого столетия существовало несколько схем инженерно-геологического районирования 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 требовавших существенного развития.
Одна из первых схем составлена Н.И. Николаевым и И.В. Поповым, которые выделили ее в пределах 6 регионов: регион Токмовского поднятия, представленный областью Приволжских нижних гор, регион Воронежской антею-газы, регион восточной части Прикаспийской флексуры, представленный областью Сырта и Сыртового Заволжья, регион Прикаспийской синеклизы, разделенный на область северо-западной части Прикаспийской низменности, область речных разливов и Камыш-Самарских озер, область грядо-барханных развеваемых песков Волго-Уральского междуречья, область долины Волги и Ахтубы, область долины р. Урал, область древней долины Урала, область гря-дово-волнистой песчано-суглинистой низменности правобережья Волги, регион Северо-Кавказской части Русской платформы, представленный областью Ергенинской возвышенности.
Инженерно-геологические районирование территории Астраханской, Волгоградской, Саратовской областей и Калмыцкой АССР содержится в монографии «Гидрогеология СССР. Поволжье и Прикамье» (1970), где в пределах рассматриваемой территории выделены 4 региона: регион восточного склона Воронежской антеклизы и Приволжской моноклинали, регион Прикаспийской синеклизы, регион Предкавказской плиты и регион восточной части Волжско-Камской антеклизы, разделенные на области. Регион восточной части Волж-ско-Камской антеклизы представлен областью Низкого Заволжья, регион восточного склона Воронежской антеклизы и Приволжской моноклинали разделяется на область южной части Приволжской, Ергенинской возвышенностей; регион Прикаспийской синеклизы представлен областью Прикаспийской низменности. Эта схема представляет определенную ценность. В пределах отдельных областей выделяются районы распространения комплексов пород, приводятся сведения об их физико-механических свойствах. В то же время авторами допущены неточности в выделении регионов: так, область Ергенинской возвышенности отнесена к Воронежской антеклизе, имеются другие неточности.
Наибольшую ценность представляет раздел монографии «Инженерная геология СССР», том.1. «Русская платформа», в котором содержится достаточно подробная инженерно-геологическая характеристика Прикаспийской синеклизы, выделенной в качестве региона второго порядка: освещаются особенности рельефа, геологического строения, состава и физико-механических свойств пород, гидрогеологических условий, современных геологических и инженерно-геологических процессов и явлений. Однако и в этой работе имеются недочеты. Границы Прикаспийской синеклизы, показанные на схеме, не соответствуют современным представлениям: в состав региона не включены территории юга Приволжской возвышенности и Ергеней, и, напротив, включена юго-западная часть Прикаспийской низменности и северная часть Низкого Заволжья и Общего Сырта, относящиеся не к синеклизе, а соответственно к герци-нидам кряжа Карпинского и Волго-Уральской антеклизе. Инженерно-геологические районы выделены, минуя уровень областей, и в действительности являются областями, ибо ограничены по геоморфологическим признакам (Урало-Эмбенское плато, Низкое Заволжье и Общий Сырт, Прикаспийская впадина). Показанные на схеме границы Прикаспийской впадины в действительности являются границами Прикаспийской низменности.
При переиздании монографии «Инженерная геология СССР» в 1991 году ситуация не улучшилась: юго-западная часть Прикаспийской солянокупольной впадины была отнесена к Окско-Донскому региону, а основная часть впадины была разделена на Прикаспийский и Балаково-Гурьевский регионы, причем в последний вошла территория Волго-Уральской антеклизы, находящаяся за границей впадины.
В.Н. Синяковым и СВ. Кузнецовой в 1981 г. была разработана карта инженерно-геологического районирования масштаба 1:500000 территории Прикаспийской впадины, доведенная до уровня инженерно-геологических районов, которая с небольшими изменениями является современной и в настоящее время и может быть основой для дальнейшего развития.
Основой для составления карты явились карты четвертичных отложений, геоморфологическая, новейшей тектоники территории Нижнего Поволжья масштаба 1:500000, геологическая и геоморфологические карты Прикаспийской впадины и прилегающих районов того же масштаба. При районировании использованы литературные и фондовые материалы треста НижневолжТИСИЗ, институтов «Гипроводстрой», «Волгипроводхоз», Волгоградской комплексной геологической экспедиции, СГУ и др. организаций.
Рассматриваемая схема районирования основана на принципах, предложенных И.В. Поповым (1961), с учетом современных представлений. При этом инженерно-геологические области второго порядка выделялись вначале как индивидуальные (региональные) единицы, а типы областей выявлялись в процессе их группировки. Правомочность подобного способа типологического районирования показана И.С. Комаровым и В.Т. Трофимовым. Инженерно-геологические районы выделялись как типологические единицы.
Территория Прикаспийской впадины в этой схеме представляет инженерно-геологический регион второго порядка, как часть региона Восточно-Европейской платформы. В соответствии с системой таксономических единиц, предложенной В.Т. Трофимовым, она относится к провинции распространения пород с жесткими и без жестких связей в пределах континентальной части Русской платформы, подпровинции преимущественного распространения пород без жестких связей, зоне распространения талых пород, подзоне слабо- и умеренно-увлажненных пород.
Первым этапом районирования явилось выделение инженерно-геологических областей первого порядка, при котором учитывались история геологического развития территории в новейший этап, характер неотектонических движений, особенности рельефа и геологическое строение поверхностной толщи. В геологической истории Прикаспия важнейшую роль играет олигоцен-четвертичный этап развития. С этой фазой перестройки тектонического режима, совпадающей с глубокими структурными преобразованиями в альпийской геосинклинальной области, связано начало геоморфологической дифференциации территории, исходной поверхностью которой являлась эоценовая морская аккумулятивная равнина. В результате опускания и прогибания одних областей и поднятия других амплитуда деформации палеогеновой поверхности выравнивания измеряется сотнями метров (так, на Приволжской возвышенности современная абсолютная величина поверхности равна 280-340 м, на возвышенности Общий Сырт - 170-220 м, в Прикаспийской низменности - минус 400-600 и более метров. Восходящие тектонические движения в олигоцене -миоцене привели к образованию денудационных равнин на севере и востоке территории, в плиоценовое и четвертичное время на окраинах региона из-под уровня моря вышли новые участки суши, и Прикаспийская низменность, освободившаяся от моря в конце плейстоцена, оказалась в полукольце денудационных равнин.
