Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние изученности и оценки опасности карста 9
2. Природные и техногенные факторы развития карста 19
2.1. Зонально-климатические факторы 19
2.2. Геологическое строение 24
2.3. Тектоника, неотектоника и рельеф 37
2.4. Гидрогеологические условия 41
2.5. Техногенные факторы 48
3. Закономерности формирования и оценка карстовой опасности 51
3.1. Особенности строения и возраст карстовых деформаций 51
3.2. История и закономерности формирования карста 70
3.3. Перекрестное трехрядное районирование территории по основным факторам формирования карстовой опасности 79
3.4. Вероятностно-детерминированная оценка карстовой опасности на территории Республики Татарстан 92
4. Оценка карстового риска 104
4.1. Современные подходы к оценке природных рисков 104
4.2. Теория и методика оценки карстового риска 113
4.3. Примеры оценки карстового риска 120
Заключение 128
Литература 132
Приложение.
- Геологическое строение
- Гидрогеологические условия
- История и закономерности формирования карста
- Теория и методика оценки карстового риска
Введение к работе
Актуальность темы. Карст является одним из наиболее опасных природных процессов на Земле из-за внезапности проявления в виде провалов и оседаний земной поверхности, иногда достигающих 50 - 100 метров и более в диаметре и в глубину. В России карстовым деформациям подвержено около 13 % территории, в том числе в пределах более 300 городов и тысяч более мелких поселений, в которых проживают 19 % населения страны (Рагозин, 1999). Суммарный экономический ущерб от карстового и тесно связанного с ним суффозионного процесса составляет в России, по экспертным оценкам, от 1 до 1,5 млрд долл. в год (Рагозин, Елкин, 2004).
Немалая часть этих потерь приходится на Республику Татарстан (РТ), где карстоопасной является 96 % территории. Здесь за период с 1845 по 2003 г. было зафиксировано более 80 катастрофических карстовых провалов, приведших к деформациям и разрушению многих объектов хозяйства и гибели одного человека у пос. Акташ в 1939 г.
В настоящее время интенсивность образования карстовых провалов на территории республики увеличилась до 1 - 2 случаев в год в результате роста статических и динамических нагрузок зданий и сооружений на геологическую среду, а также изменения режима подземных вод на урбанизированных территориях, побережьях водохранилищ и в районах нефтегазодобычи. Однако многие карстовые деформации не фиксируются по причине их образования в малонаселенной местности либо ввиду отсутствия службы карстового мониторинга. Поэтому степень карстовой опасности отдельных крупных по площади территорий Татарстана и России в целом остается практически неизвестной, что чревато серьезными чрезвычайными ситуациями из-за непринятия соответствующих мер по предотвращению возможных ущербов.
Цель диссертации состоит в разработке научно обоснованного подхода к уменьшению социальных и экономических потерь от карстовых провалов в пределах крупных по площади территорий путем заблаговременного выявления факторов их образования, прогнозирования, оценки карстового риска и предупреждения в соответствии с уровнем этого риска.
Основные задачи работы:
1. Установление региональных закономерностей пространственной и временной изменчивости карстового процесса на территории Республики Татарстан;
2. Усовершенствование схемы перекрестного трехрядного районирования территорий по основным природным и техногенным факторам формирования карстовой опасности и риска, отражающим эти закономерности;
3. Выбор и обоснование критериев опасности карстовых провалов;
4. Разработка методики прогнозной вероятностно-детерминированной оценки карстовой опасности и карстового риска на региональном уровне в масштабе 1:200000-1:500000.
На защиту выносятся: 1. Региональные закономерности образования карстовых провалов на территории РТ и сопредельных регионов, а именно: а) обусловленность их характера и интенсивности конкретными сочетаниями регионально-геологических, зонально-климатических и техногенных факторов и, в первую очередь, особенностями строения и залегания массивов карстующихся и перекрывающих пород, гидродинамической зональностью подземных вод и техногенной нагрузкой на территорию; б) уменьшение интенсивности провалообразования и карстовой опасности в слабонарушенных природных условиях в направлении от наиболее затронутых карстовыми деформациями площадей к менее затронутым (за исключением участков, пораженность которых близка к предельно возможной в данных условиях); в) увеличение интенсивности провалообразования в сильнонарушенных природных условиях (урбанизированные территории, районы нефтегазодобычи и т.п.) по сравнению со слабонарушенными; г) обратная зависимость интенсивности рассматриваемой опасности от мощности отложений, перекрывающих карстующиеся породы, при прочих равных условиях;
2. Схема перекрестного трехрядного районирования территорий в масштабе 1:200000 - 1:500000 по доминирующим регионально-геологическим, зонально-климатическим и техногенным факторам формирования карстовой опасности и карстового риска, установленным по результатам анализа указанных выше закономерностей развития карстового процесса;
3. Основные положения теории и методики региональной количественной оценки карстовой опасности и карстового риска, которые включают: а) идентификацию проявлений рассматриваемого процесса и определяющих его факторов с использованием ГИС-технологий, методов определения абсолютного возраста карстовых деформаций и перекрестного трехрядного районирования территорий; б) основанный на этой информации вероятностно-детерминированный прогноз площадной интенсивности провалообразования (м2/км2тод), которая является интегральным показателем как карстовой опасности, так и карстового физического риска потерь территории; в) оценку уязвимости территорий, зданий, сооружений и населения в их пределах для карстовых деформаций определенных размеров; г) оценку карстового экономического (руб./год, руб./км2тод), социального (чел./год) и индивидуального (чел./чел.тод) рисков потерь, позволяющую принимать научно обоснованные управленческие решения по уменьшению и предупреждению ущербов от карстовых деформаций.
Научная новизна работы заключается, во-первых, в установлении пространственных закономерностей распределения карстовых провалов, выраженных в современном рельефе территории РТ, и, во-вторых, - в разработке основ теории и методики регионального вероятностно-детерминированного прогнозирования и количественной оценки карстовой опасности, карстового экономического и карстового социального рисков.
Исходные данные и личный вклад в решение проблемы.
Исходными данными для написания диссертации послужили результаты полевых и лабораторных исследований, выполненных автором в Лаборатории анализа геологического риска ИГЭ РАН в процессе подготовки отдельных проектов по разработке научно-методических основ оценки и управления природными рисками разного генезиса в составе Федеральной целевой научно-технической программы (ФЦНТП) "Безопасность населения и народнохозяйственных объектов с учетом риска возникновения природных и техногенных катастроф" (2000 - 2002 гг.), Федеральной целевой программы (ФЦП) "Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в Российской Федерации до 2005 г." (2000 - 2003 гг.), ФЦНТП "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на
2002 - 2006 гг.", а также персональных грантов Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) для молодых ученых (№ 01-05- 06212 и 02-05-06124), полученных в составе основного гранта (№ 00-05- 65239), руководителем которого был д.г.-м.н. А. Л. Рагозин.
В качестве непосредственной основы для прогнозной оценки карстовой опасности и карстового риска использовались фактические данные о, примерно, 4 тыс. карстовых деформациях диаметром более 10 м, выявленных путем дешифрирования космофотоснимков, 40 определений их абсолютного возраста с использованием радиоуглеродного и споро-пыльцевого анализа и 80 исторических сведений о крупных провалах, образовавшихся на территории РТ с середины XIX века.
Практическое значение и реализация результатов работы. Методика количественной оценки карстовой опасности и карстового риска на региональном уровне стала одним из основных результатов исследований 2003 г. по проекту "Предупреждение опасных процессов и снижение их воздействий на объекты и среду жизнедеятельности" ФЦНТП "Исследования ...", развивающему и конкретизирующему применительно к карстоопасным территориям основные положения Федерального закона России "О техническом регулировании" от 27 декабря 2002 г., № 184. Согласно этому закону, безопасность любой продукции, в том числе зданий, сооружений и примыкающих к ним территорий, должна будет в обязательном порядке оцениваться через пять лет через риск ее нарушения и возможных потерь, обусловленных как техногенными, так и природными факторами.
Данная методика и составленные на ее основе региональные карты п карстовой опасности и карстового риска являются необходимой основой для обоснования генеральных схем использования земель и инженерной защиты от карстовых деформаций, создания региональной сети карстового мониторинга, размещения крупных строительных объектов, разработки других программных и предпроектных документов, направленных на обеспечение природно-техногенной безопасности на территории РТ и в других карстоопасных регионах России.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на всероссийских научных конференциях "Перспективы развития естественных наук в высшей школе" (Пермь, 2001), "Современные вопросы геологии" (Москва, 2002), "Геология, геохимия, геофизика на рубеже XX и XXI веков" (Москва, 2002), "Актуальные проблемы экологии и природопользования" (Москва, 2002), "Оценка и управление природными рисками" (Москва, 2003), "Инженерные изыскания в XXI веке" (Москва, 2003), на годичной сессии Научного Совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии "Сергеевские чтения" (Москва, 2002), на Международном симпозиуме "Карстоведение - XXI век: теоретическое и практическое значение" (Пермь, 2004) и на 32-м Международном геологическом конгрессе (Флоренция, 2004).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 16 работах [36 - 40, 72,73, 109 - 111, ИЗ, 188 - 190] общим объемом около 5,4 печатных листов, в том числе в двух коллективных монографиях [76,112].
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 1 страницах текста, включающих введение, 4 главы, заключение и приложение с краткой характеристикой карстовых провалов, зарегистрированных на территории РТ с 1845 по 2003 г. В ней также содержится 18 таблиц, 32 рисунка и список литературы из 221 наименования.
Диссертация подготовлена в Лаборатории анализа геологического риска под руководством д.г.-м.н. А Л Рагозина, которому автор глубоко благодарен за постоянные советы и помощь в работе. Автор признателен за обсуждение отдельных принципиальных положений работы д.г.-м.н. В. Н. Андрейчуку, к.г.-м.н. А. В. Аникееву, к.г.-м.н. В. Н. Буровой, д.г.-м.н. В. Н. Катаеву, д.т.н. Е. В. Колосову, д.г.-м.н. В. М. Кутепову, д.г.-м.н. В. И. Макарову, к.г.-м.н. В. М Макееву, к.г.-м.н. М М Певзнер, к.т.н. В. А Пырченко, И. А Саваренскому, Л. Д. Сулержицкому и к.т.н. В. В. Толмачеву.
Автор также весьма признателен всему коллективу Института геоэкологии РАН и его директору академику РАН В. И. Осипову, создавшему оптимальные творческие и материальные условия для подготовки диссертации.
Геологическое строение
Развитие карста на рассматриваемой территории происходит в образованиях пермского (Р) и мелового (К) возраста, залегающих повсеместно на глубине от 0 - 5 до 100 и более метров от поверхности. Среди них по комплексу признаков (возраст, особенности литологического состава и т.д.) обособляются четыре стратиграфо-литологических комплекса пород: сульфатно-карбонатный (Pi + P2kz), два карбонатно-терригенных (P2t; К2) и сульфатно-карбонатно-терригенный (P2kz + P2t). Стратиграфо-литологический комплекс закарстованных сульфатно-карбонатных пород перми (Pj + Ргкг) слагает около 43 % приповерхностной части территории РТ, главным образом на востоке в пределах Южно-Татарского свода, к которому приурочена Бугульминская возвышенность (рис. 2). Нижнепермские отложения представлены четырьмя ярусами: ассельским (Pja), сакмарским (Pis), артинским (Piar) и кунгурским (Рік). Отложения ассельского и сакмарского ярусов развиты на территории повсеместно, а двух оставшихся - только в пределах отдельных площадей. На дневную поверхность отложения нижнего отдела перми (сакмарский ярус) выходят только в верховьях р. Шешма (юг - юго-восток территории). Для нижнепермских отложений характерно переслаивание известняков и доломитов (реже мергелей и глин) с гипсами и ангидритами, составляющих до 20 - 40 % в разрезе (Кавеев, 1963; Марамчин и др., 1997). Мощность нижнепермских образований постепенно увеличивается с 60 м на западе до 300 м на востоке РТ (рис. 2, 3). В нижних частях разреза вышезалегающих отложений уфимского яруса (Р2и) преобладают кавернозные известняки и доломиты (60 - 80 %) переслаивающиеся глинами, алевролитами и песчаниками, иногда сульфатными породами (до 5-10 %). Средняя и верхняя части разреза сложены преимущественно терригенными породами (песчаниками, глинами и алевролитами) с подчиненной ролью карбонатных разностей. К западу, вблизи г. Чистополя, они постепенно выклинивается. Эти отложения отсутствуют также в осевых частях палеодолин Камы, Вятки и их притоков - рек Ик, Зай, Шешма и др. Суммарная мощность отложений уфимского яруса достигает на востоке более 100 м. Отложения казанского яруса (Ргкг) развиты практически на всей территории РТ и трансгрессивно залегают на образованиях ассельского, сакмарского и уфимского возраста (Геология Татарстана, 2003). Они обычно образуют склоны долин и водоразделов (см. рис. 3). По литолого-фациальным особенностям и палеофаунистической характеристике казанский ярус подразделяется на два подъяруса - нижний и верхний. Нижнеказанские отложения (P2kzi) представлены, в основном, песчаниками, алевролитами, глинами, мергелями, известняками, доломитами и гипсами. Так в Казанско-Тетюшском правобережье реки Волги, на западе РТ, карбонатные породы (известняки, доломиты, мергели) составляют 50 -100 % мощности разреза подьяруса, гипсы и ангидриты до 20 %, а доля терригенных разностей не превышает 10 - 20 %. В восточном направлении, рассматриваемые морские и лагунно-морские карбонатные и сульфатно-карбонатные отложения, последовательно сменяются в разрезе прибрежно-морскими терригенно-карбонатными и континентальными терригенными разностями (рис. 4). Здесь доминирующая роль принадлежит терригенным породам, достигающим от 60 до 90 % общей мощности разреза. Верхнеказанские отложения (P2kz2) залегают на нижнеказанских (Ргкгі) согласно. Их литолого-фациальный состав также закономерно изменяется с запада на восток (рис. 5). В западной части территории развиты морские, преимущественно сульфатно-карбонатные разности, сменяющиеся в восточном направлении морскими терригенно-карбонатными и карбонатно-терригенными, переходящими в континентальные красноцветные (белебеевские) терригенные породы подъяруса. В пределах правобережья р. Волги, в Казанском Заволжье, разрез верхнего подъяруса на 55 - 100 % представлен карбонатными породами (доломиты, известняки, мергели) переслаивающиеся гипсами и ангидритами, тогда как содержание глин, алевролитов и песчаников не превышает 20 %. На крайнем востоке, в Актанышском Прикамье, доля терригенных пород (глин, алевролитов и песчаников) в разрезе равна 60 - 90 %, а количество карбонатных пород снижается до 20 - 30 %. Суммарная мощность пород казанского яруса постепенно увеличивается от 10 - 20 м на западе до 200 м на востоке РТ (Марамчин и др., 1997). Стратиграфо-литологический комплекс закарстованных карбонатно-терригенных пород татарского яруса (P2t) широко распространен, примерно, на 45 % общей площади РТ, преимущественно в пределах Северо-Татарского и Токмовского сводов, а также Казанского-Кировского прогиба (см. рис. 2). Отложения татарского яруса, в основном, слагают водораздельные пространства. Они залегают преимущественно согласно на казанских отложениях и перекрываются, как правило, четвертичными отложениями, а на юго-западе территории - отложениями юры и мела.
В составе характеризуемого комплекса преобладают континентальные красноцветные образования. В нижней части разреза представлены аргиллиты, глины и песчаники, содержащие прослои доломитов и известняков. В восточной части РТ доломиты и известняки практически отсутствуют, а в северной и северо-западной части их содержание увеличивается до 20 %. Характерной особенностью нижней части разреза является загипсованность пород. Сульфатные породы встречаются в основном в виде незначительных линз, реже прослоев до 2
Верхняя часть разреза комплекса образована переслаиванием песчаников и аргиллитов. Местами встречаются прослои известняков и мергелей. Общая мощность пород данного комплекса в наиболее полных разрезах, на западе РТ, достигает 250 м, на востоке вследствие последующего размыва их мощность существенно сокращается (см. рис. 3). Стратиграфо-литологический комплекс закарстованных сульфатно-карбонатно-терригенных пород верхней перми (P2kz + P2t) слагает, примерно, 11,5 % приповерхностной части территории РТ, в основном в пределах Западного Закамья, где в этом комплексе сформировалась мощная система переуглубленных долин Палео-Камы и ее притоков. Данный комплекс характеризуется наличием сильно эродированной поверхности коренных пород, перекрытых толщей неоген-четвертичных отложений, и образует в понимании В. М. Кутепова и В. Н. Кожевниковой (1989) "планово-неоднородный разрез геологической среды" (рис. 6). В составе комплекса наблюдается пестрая картина соотношений между песчаниками, алевролитами, глинами, мергелями, известняками, доломитами и гипсами. В разрезе содержание карбонатных пород не превышает 40 -80 %, сульфатов - 20 %, а терригенных разностей - 40 %. Суммарная мощность пород рассматриваемого комплекса равна 300 м. Стратиграфо-литологический комплекс закарстованных карбонатно-терригенных пород верхнего мела (К ) распространен на незначительной территории в юго-западной части республики. Он слагает около 0,5 % территории РТ, в виде небольших участков, на водоразделах рек Бездна, Большая Якла и Малая Цильна. Отложения комплекса залегают с размывом на нижнемеловых глинах (рис. 7). Верхнемеловые отложения в основании разреза сложены белыми мелоподобными мергелями, светло-серыми опоками, не превышающими 60 % общей мощности. Вверх по разрезу отмечается частое переслаивание глинисто-мергельных разностей и известковистых опок. Суммарная мощность пород данного комплекса достигает 50 м у
Гидрогеологические условия
Основные водоносные горизонты, определяющие развитие карстового процесса на территории РТ, приурочены к нижне- и верхнепермским, а также к перекрывающим их дисперсным породам, залегающим на тастубском региональном водоупоре (пласты ангидрита, гипса и доломита сакмарского яруса (Р! s)), в пределах зоны активного водообмена.
На большей части территории РТ подземные воды в нижнепермских отложениях рассматриваются как единый водоносный комплекс трещинно-карстово-пластового типа, в известняках и доломитах, повсеместно залегающий на глубинах до 100 - 300 м (Подземные воды..., 1987). Наиболее распространены водоносные горизонты в кровле нижнепермских отложений. В основном это сакмарский водоносный горизонт, а на крайнем востоке РТ -кунгурский и артинский.
Максимальные абсолютные отметки пьезометрических уровней рассматриваемого комплекса характерны для водоносных горизонтов в кровле нижней перми. На водоразделах статические уровни воды в скважинах достигают абсолютных отметок 170 - 200 м и более. К долинам пьезометрические уровни верхних водоносных горизонтов быстро снижаются вследствие усиленной разгрузки подземных вод. Минимальные отметки напорной поверхности нижнепермского водоносного комплекса (+ 50 - + 70 м) отмечены в долинах Волги, Камы и их крупных притоков.
Воды солоноватые, преимущественно слабо- и среднесолоноватые (5 -13 г/л), сульфатного типа. Меньше распространены сульфатно-натриевые воды. Встречаются также пресные воды сульфатно-гидрокарбонатные с минерализацией до 1 г/л.
В долинах крупных рек, а также на участках значительного погружения нижнепермских пород встречаются солоноватые, соленые и рассольные воды хлоридно-натриевого состава.
Водоносный комплекс уфимского яруса приурочен к породам Соликамского и шешминского возраста. Водовмещающие породы Соликамского горизонта представлены трещиноватыми и кавернозными известняками и доломитами, реже мергелями, с мощностью прослоев до 10 м. Они вскрыты на глубинах от 20 до 240 м от поверхности. Воды напорные с величиной напора до 200 м. Пьезометрический уровень вод располагается выше местного базиса дренирования. В поймах рек наблюдаются самоизливы воды из скважин.
В составе шешминского горизонта наиболее водообильными являются песчаники мощностью от 2 - 10 до 20 - 30 м. На поверхность эти воды выходят в долинах Камы, Шешмы, Зая, Меши, Ика, Дымки и некоторых других. На участках погружения песчаников, воды приобретаю напор до 160 м (Сарайлинский прогиб).
В целом водоносный комплекс уфимского яруса в большинстве районов содержит напорные воды. Пьезометрические уровни на водоразделах достигают абсолютных отметок 120 - 150 м. От наиболее приподнятых участков Южного купола Татарского свода к северу, в сторону Камы, к востоку (долина реки Ик) и к западу, в сторону Мелекесской впадины, пьезометрическая поверхность снижается до абсолютных отметок 80- 100 м и ниже.
В химическом отношении воды уфимского комплекса довольно разнообразны. Основная роль принадлежит гидрокарбонатным кальциевым, гидрокарбонатно-сульфатным, а также сульфатно-кальциевым с минерализацией до 3 - 5 г/л.В пределах казанского яруса выделяется два водоносных комплекса, сформированных в отложениях нижнеказанского и верхнеказанского подъяруса.
Водоносный комплекс нижнеказанского подъяруса приурочен к проницаемым известнякам и песчаникам мощностью от 3 до 15 м, в среднем. В подошве подъяруса распространены водоупорные "лингуловые" глины, что благоприятствует накоплению подземных вод за счет местного питания.
Лингуловые глины, имеющие мощность до 20 м, служат основным водоупором для вод казанского яруса на большей части территории республики (Подземные воды..., 1987; Шуликов и др., 1993).
Воды напорные, преобладающие величины напора над кровлей составляют 20 - 40 м при глубине залегания водоносного комплекса от 25 -30 до 100 м и более. С общим погружением водовмещающих пород в юго-западном направлении величина напора увеличивается до 100 м.
На юго-востоке РТ нижнеказанский водоносный комплекс выходит на поверхность, разгружаясь в оврагах и речных долинах Шешмы, Кичуя, Зая и др. Воды преимущественно напорные. Здесь выделяется три местных водоносных горизонта с мощностью отдельных водовмещающих слоев песчаников до 20 м.
По химическому составу воды гидрокарбонатные кальцевые и кальциево-магнивые с минерализацией, не превышающей 0,6 г/л.
Водоносный комплекс верхнеказанского подъяруса имеет значительное площадное распространение на территории РТ. Он прерывается лишь в пределах доплиоценовых и современных долин крупных рек и является наиболее выдержанной водоносной толщей. Комплекс залегает как первым, так и вторым от поверхности, перекрываясь породами татарского, плиоценового или четвертичного возраста.
В пределах этого комплекса водоносны загипсованные карбонатные пласты мощностью от 1 - 3 до 12 - 20 м на западе РТ. В восточной части, в связи с фациальным замещением карбонатной составляющей в разрезе, основную роль коллекторов играют пачки песчаников. С погружением водоносной толщи на крыльях структур проявляется напор на кровлей, изменяющийся от первых метров до 200 м (Западное Закамье).
На большей части территории водоносные породы комплекса залегают выше местных базисов дренирования на положительных абсолютных отметках. Связанные с ними воды образуют обычно нисходящие родники различного дебита. Чаще же воды верхнеказанского водоносного комплекса гидрокарбонатные кальциевые (магниево-кальциевые) с минерализацией до 0,5 - 0,7 г/л.
Водоносный комплекс татарского яруса фрагментарно распространен и вскрыт в известняках, мергелях и песчаниках. Мощность водоносных горизонтов изменяется от 1 - 1,5 до 10 - 15 м, составляя в среднем 3 - 5 м. В западных районах РТ водоносные горизонты менее мощны, но более водообильны. Мощность постепенно увеличивается на восток и северо-восток, тогда как водообильность снижается, поскольку состав водовмещающих пород становится более глинистым (Подземные воды..., 1987; Шуликов и др., 1993).
В связи с тем, что в большинстве районах республики отложения татарского яруса залегают непосредственно под почвой, с ним обычно связаны грунтовые воды. Но при погружении под более поздние образования воды становятся напорными. И, в особенности, ниже вреза речных долин, с величиной напора над кровлей водовмещающих пород до 50 м (долина М. Черемшана).
В химическом отношении воды татарского яруса довольно однообразны. Обычно они гидрокарбонатные кальциевые, реже магниево-кальциевые или натриевые. В зоне активного водообмена минерализация вод составляет 0,2 - 0,6 г/л.
Водоносный комплекс мезозойских отложений развит на ограниченной площади на крайнем юго-западе Татарии. Он включает ряд преимущественно напорных водоносных горизонтов в юрских и меловых отложениях с напором над кровлей от 1 - 5 до 70 - 100 м.В юрских отложениях водовмещающие породы представлены мергелями, песками, песчаниками и горючими сланцами. По характеру насыщения и распространения это порово-трещинно-пластовые воды. На водоразделах глубина залегания горизонта достигает 20 - 50 м. По химическому составу воды относятся к гидрокарбонатным и сульфатно-гидрокарбонатным натриевым, с минерализацией до 1,6 г/л.
История и закономерности формирования карста
Целенаправленные исследования различных аспектов проблемы карстообразования на территории РТ и всего Среднего Поволжья проводятся более 100 лет. Они связаны с именами А. В. Нечаева (1893), П. И. Кротова (1894), Н. В. Ноинского (1926), Б. В. Васильева (1949-1966), С. Г. Каштанова (1943 - 1963), М С. Кавеева (1954 - 1967), Е. Д. Кожеватова (1980 - 1985), A. Г. Мусина (1966 - 1997), В. И. Мозжерина и А. Н. Шарифуллина (1988), Н. Н. Нелидова (1961 - 1969), Б. В. Селивановского (1950 - 1961а,б), B. Н. Сементовского (1939 - 1947), А. В. Ступишина (1947 - 1972а,б), Н. П. Торсуева (1976 - 1986) и многих других. Эти исследования позволили установить, что территория РТ является одним из наиболее своеобразных и динамичных регионов развития карбонатного и сульфатно-карбонатного карста, обусловленного длительной историей формирования инженерно-геологических и гидрологических условий этой территории и, в особенности, - древней и современной речной сети. Подземные и наземные карстовые формы стали образовываться здесь преимущественно с конца неогена, сразу после первых эрозионных врезов в денудационную поверхность позднемиоценового возраста. Основные деформации земной поверхности проявлялись и проявляются по настоящее время в виде провалов, оседаний, воронок, блюдец, котловин, карстовых рвов и озер, значительно варьирующих по размерам от 1 - 5 до 200 - 300 м в диаметре. Подземные карстопроявления представлены различными по протяженности и объему пустотами и полостями, из которых наиболее известны Сюкеевские и Юрьевские пещеры, расположенные на правом берегу р. Волги, общей протяженностью около 1 км.
Современное развитие карста обусловлено древней закарстованностью пермских пород, возникшей в более ранние континентальные эпохи региональных перерывов осадконакопления в фаменское, турнейское, визейское и башкирское время (Ступишин, 1960; Кавеев, 1959,1963).
Изменение интенсивности карстообразования во многом связано с поднятиями и опусканиями земной поверхности, приводящих к изменению геоморфологических, гидрографических, и других характеристик рассматриваемой территории, влияющих на развитие карстового процесса.
Слабо дифференцированные тектонические движения,происходившие в конце миоцена и в среднем плиоцене, способствовали поднятию древних выровненных поверхностей Среднего Поволжья и образованию глубоких врезов речной сети.
В пределах эрозионной сети - естественных дрен - стал развиваться долинный карст, в т.ч. подрусловой в глубоких горизонтах карбонатных и сульфатно-карбонатных отложений перми. Карстом оказались затронуты толщи пород, главным образом, в пределах плиоценовых долин палеорек. Закарстованные породы в пределах палео-Волги были вскрыты бурением на глубинах до 45 м от ее дна. В аналогичной плиоценовой долине палео-Камы днище закарстовано (карстовая мука, брекчии) на глубину до 50 м (Ступишин, 1967а).
Поверхности возвышенностей большой площади являлись областями питания, в пределах которых также активизировалась циркуляция и выщелачивание пород, особенно на участках прилегающих непосредственно к глубоким долинам.
Некоторое затухание карстового процесса призошло в кинельское время (ранний и средний плиоцен), когда в речных долинах произошло накопление аллювиально-озерных отложений (галечники, алевриты и алевролиты) общей мощностью от 50 до 100 м.
Следующее затухание интенсивности карстообразования отмечалось в позднем плиоцене и было связано с акчагыльской трансгрессией Каспия, обусловленной как тектоническими, так и климатическими причинами. Это сказалось на повышении базиса эрозии и накоплении аллювиальных и озерно-морских по составу супесчано-глинистых толщ (до 150 м), перекрывших пермские отложения.
Общее поднятие территории в конце позднего плиоцена привело к формированию новой гидрографической сети. Это поднятие продолжалось в течение всей первой половины раннего неоплейстоцена, вследствие чего возник самый глубокий в это время венедский врез рек Волги, Камы и их притоков, переуглубленный относительно их современных долин. Для этого периода отмечается увеличение интенсивности карстовых процессов и их наложение на доакчагыльский карст.
Следующим этапом наиболее интенсивного развития карста является период максимального днепровского оледенения и последующего межледниковья, когда произошло значительное понижение базиса эрозии до (-35) м (Ступишин, 1967а). Талыми водами были размыты глинистые отложения акчагыльского и кинельского возрастов в речных долинах. Вместо глинистых и суглинистых отложений здесь образовались значительные толщи водопроницаемых песков.
Водопроницаемые аллювиальные отложения явились мощным аккумулятором слабоминерализованных подземных вод, которые составили одну гидродинамическую зону с карстовыми водами в подстилающих трещиноватых сульфатно-карбонатных породах пермского возраста. Таким образом, изменение литологического состава толщи пород, перекрывающих отложения пермского возраста, а также изменение гидрогеологических условий привело к интенсификации карстового процесса в речных долинах.
Развитие карста в пределах речных долин существенно определялось колебанием базиса эрозии. По современным отметкам стратиграфо-литологических комплексов четвертичных отложений можно реконструировать во времени процесс изменения базисов эрозии и соответствующих им верхних уровней аккумуляции, а также
Теория и методика оценки карстового риска
Под карстовым риском предлагается понимать вероятностный показатель опасности образования карстовых и карстово-суффозионных провалов и оседаний земной поверхности, установленный для определенного объекта в виде возможных потерь в различных сферах за заданное время (Рагозин, Елкин, 20036; 2004).
В зависимости от сфер фиксации потерь различаются карстовый физический, экономический, социальный и экологический риски. При этом количественной мерой первого риска физических потерь территории является (также как и у карстовой опасности) площадная интенсивность карстовых деформаций.
Карстовый экономический риск - это вероятностный показатель опасности образования карстовых провалов и оседаний земной поверхности, установленный для определенного объекта в стоимостном выражении его возможных потерь (ущерба) за заданное время. Указанные потери объекта, приведенные к единице времени (обычно к одному году) получили название полного экономического риска, а дополнительно нормированные по площади - удельного экономического риска (Рагозин, 1993; 1999). Последний показатель является более информативным для региональной оценки, картографирования и сравнения между собой любых по генезису природных рисков, в том числе и карстового.
Оценку карстового полного и удельного экономического риска, согласно разработанной методике, следует проводить на основе предварительно установленных величин площадной интенсивности карстовых деформаций или карстового риска удельных физических потерь территории по следующим формулам, конкретизирующим применительно к рассматриваемому случаю более общие выражения, приведенные в разделе где Rjfj(C) и Rfs(C) - соответственно карстовый риск физических полных (м /год) и удельных (м /км -год) потерь территории в пределах у-го реципиента риска, определяемые по формулам (1) и (2); Sj - площадь этого реципиента (км ); Rej(C) и ReSj(C) - соответственно карстовый экономический риск потерь у -го реципиента: полный (у.е./год) и удельный (у.е./км2тод); Ve(C) - экономическая уязвимость у-го реципиента риска для карстовых деформаций (средние значения, у.е.); de - плотность национального богатства в пределах этого реципиента (у.е./км ).
Как следует из этих формул, полные и удельные значения карстового экономического риска могут быть определены при региональных исследованиях с использованием данных о плотности национального богатства, установленной для конечных таксонов регионального районирования. Последние в рассматриваемом случае отвечают ПТС-3 (см. табл. 10). При более детальных оценках в масштабе 1:25000 и крупнее рассматриваемый риск на урбанизированных территориях рекомендуется определять через плотность и стоимость застройки зданиями и сооружениями определенных типов, обособленных с учетом их конструктивных особенностей и преобладающей уязвимости для карстовых деформаций.
Плотность национального богатства в пределах отдельных реципиентов карстового риска на территории Татарстана рассчитывалась по стоимости основных фондов, полученных из различных ведомственных источников и статистических сборников.
Величина экономической уязвимости для карстовых провалов различных размеров определялась дифференцировано для отдельных городов, населенных пунктов, сельскохозяйственных угодий, автомобильных дорог с покрытием и без покрытия и т. д. с учетом данных об уязвимости отдельных типовых зданий и сооружений, приведенных в различных источниках, а также в Рекомендациях по оценке геологического риска на территории г. Москвы (2002). При этом предварительно укрупненно устанавливался основной тип и средний возраст существующей застройки. Так, например, было установлено, что в исследованных сельских районах Татарстана преобладают бескаркасные одноэтажные неармированные деревянные, реже - кирпичные дома на ленточном фундаменте, построенные от 10 - 15 до 30 - 40 лет назад. Такие реципиенты риска обычно разрушаются даже от карстовых провалов диаметром 1 - 1,5 м. Поэтому их карстовая уязвимость была принята в интервале 0,6 - 1 (0,8 - средние значения, табл. 16).
Экономическая уязвимость всех видов сельскохозяйственных угодий, железных и автомобильных дорог, в рассматриваемом и в других случаях равна 1, так как практически любой карстовый провал выводит эти реципиенты риска из строя. Так были определены необходимые исходные данные для оценки карстового экономического риска по формулам (5 и 6), сведенные в таблицу 16. Результаты этой оценки приводятся в разделе 4.3.
Карстовый социальный риск представляет собой вероятностный показатель опасности образования карстовых провалов и оседаний земной поверхности, установленный для определенной группы населения, находящейся в зоне возможного поражения, в виде среднемноголетних потерь этой группы с различным исходом (гибель, ранение, потеря здоровья, моральная травма и т.д.), приведенных, как и в случае с оценкой экономического риска, к одному году (Рагозин, Елкин, 20036; 2004). Таким образом социальный риск отражает в нормированном по времени виде возможные общие потери населения от карстовых деформаций в пределах отдельных участков оцениваемой территории, отвечающих в рассматриваемом случае ПТС-четвертого порядка (см. табл. 10).
Такой риск напрямую зависит от численности группы населения, постоянно или временно находящейся в зоне возможного поражения,
