ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования “ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ” ________________________________________________ П.П. Ипатов РЕГИОНАЛЬНАЯ ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ Учебное пособие Допущено УМО по образованию в области прикладной геологии в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 130302 “Поиски и разведка подземных вод и инженерно-геологические изыскания” направления подготовки 130300 “Прикладная геология” Издательство Томского политехнического университета 2007 УДК 624.131 (075.80) ББК 26.3 И 76 Ипатов П.П. Региональная инженерная геология: учебное пособие. – Томск: Изд-во ТПУ, 2007. – 140 с. В учебном пособии рассмотрены основные теоретические положения региональной инженерной геологии, определения и понятия, структура дисциплины. Изложены основные факторы региональных и зональных геологических условий с точки зрения инженерной геологии. Рассмотрены основные принципы систематизации и обобщения геологических объектов, определяющих инженерно-геологические условия местности и основы ее районирования в инженерно-геологических целях. Уделено внимание проблеме рационального использования и охраны геологической среды. Предназначено для студентов специальности 130302 “Поиски и разведка подземных вод и инженерно-геологические изыскания”, а также может быть использовано магистрантами и инженерами-геологами в их научно-исследовательской и практической работе. УДК 624.131 (075.80) ББК 26.3 Рекомендовано к печати Редакционно-издательским советом Томского политехнического университета Рецензенты Кандидат геолого-минералогических наук, доцент Томского архитектурно-строительного университета А.А. Краевский Главный геолог экспедиции ОАО “Томгипротранс”, Заслуженный геолог Российской Федерации Б.А. Кикас ©Томский политехнический университет, 2007 ©Оформление. Издательство ТПУ, 2007 2 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................................... 4 1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ РЕГИОНАЛЬНОЙ ИНЖЕНЕРНОЙ ГЕОЛОГИИ ................... 6 1.1. Этапы развития региональной инженерной геологии .................................................... 6 1.2. Объект и предмет региональной инженерной геологии................................................. 8 1.3. Структура дисциплины .................................................................................................... 10 1.4. Взаимосвязь региональной инженерной геологии с другими науками ...................... 13 2. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ИЗУЧЕНИЕ ТЕРРИТОРИЙ .................................... 14 2.1. Инженерно-геологическая типизация территорий ....................................................... 17 2.2. Инженерно-геологическое районирование территорий ............................................... 18 3. ЗАКОНЫ И КЛАССИФИКАЦИИ......................................................................................... 22 3.1. Законы геологии ............................................................................................................... 22 3.2. Законы инженерной геологии ......................................................................................... 24 3.3. Законы региональной инженерной геологии................................................................. 25 3.4. Инженерно-геологическая классификация горных пород ........................................... 26 4. ФАКТОРЫ ИГУ И ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИХ ПРОЯВЛЕНИЯ ................................... 28 4.1. Региональные и зональные факторы ИГУ ..................................................................... 28 4.2. Влияние тектонических процессов на формирование инженерно-геологических свойств горных пород ............................................................................................................. 29 4.3. Геологические формации и их инженерно-геологическое значение .......................... 40 4.4. Основные геологические структуры и их инженерно-геологические особенности.. 50 4.5. Инженерно-геологическая характеристика осадочного чехла древних платформ.... 53 4.6. Роль неотектоники в формировании инженерно-геологических условий ................. 55 4.7. Инженерно-геологическая таксономия и стратификация геологических тел............ 62 4.8. Влияние климатической зональности на формирование инженерно-геологических условий ..................................................................................................................................... 65 4.9. Роль многолетней мерзлоты в формировании инженерно-геологических условий.. 75 5. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ЗАПАДНО-СИБИРСКОЙ ПЛИТЫ И ИХ УЧЕТ ПРИ ОСВОЕНИИ ТЕРРИТОРИИ ....................................................................... 88 5.1 Инженерно-геологическое районирование Западно-Сибирской плиты ...................... 98 6. ПРОБЛЕМЫ РАЦИОНАЛЬНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ И ОХРАНЫ ПРИРОДЫ ............................................................................................. 120 6.1 Пути дальнейшего развития региональной инженерной геологии ............................ 123 7. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ КАРТОГРАФИРОВАНИЕ ...................................... 132 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ......................................................................................................................... 136 8. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК……...……………………………………………...136 3 ВВЕДЕНИЕ Курс “Региональная инженерная геология” (РИГ) является заключительным в цикле инженерно-геологических дисциплин. Он предусматривает знание геологии, геоморфологии, структурной и исторической геологии, гидрогеологии, инженерной геологии и других дисциплин. К настоящему времени РИГ оформилась в самостоятельную научную дисциплину. Являясь разделом инженерной геологии, она изучает закономерности формирования и изменения инженерногеологи-ческих условий (ИГУ) в географическом пространстве в пределах территории России. Следовательно, основной целью РИГ является выявление и научное обоснование этих закономерностей с тем, чтобы правильно оценить ИГУ отдельных территорий и предусмотреть возможные изменения этих условий. При изучении и характеристике ИГУ любой территории должны быть выявлены все факторы, обуславливающие условия строительства и эксплуатации инженерных сооружений. К числу этих факторов, в первую очередь, относятся: рельеф, геологическое строение местности (состав пород, условия их залегания, возраст, генезис и т.д.), гидрогеологические условия, физико-механические свойства пород, современные инженерно-геологические процессы и явления, а также климат. Размещение на Земле перечисленных факторов подчиняется определенной закономерности. Эта закономерность обусловлена тектоническим развитием земной коры, ее современной тектонической жизнью – с одной стороны и географической зональностью – с другой. На обширной территории России размещены геологические структуры разного возраста, формы и состава. Они образуют равнинные пространства и всевозможные горные сооружения. Благодаря географической зональности, которая четко проявляется с севера на юг и с запада на восток, эти структуры приобрели современный облик и специфические инженерногеоло-гические черты. Для изучения и описания огромной и разнообразной территории, нужно разделить ее на части, однородные в инженерно-геологическом отношении, произвести ее районирование. Принципиальным положением, которым руководствуется РИГ, является признание историко-генетических связей между отдельными факторами, определяющими ИГУ. Учет этих связей возможен при использовании принципа районирования, разработанного и научно обоснованного И.В. Поповым. Территория при районировании последовательно разделяется на регионы, области, районы и участки. В соответствие с этим при инженерно-геологической характеристике горных по4 род проводится последовательное разделение изучаемой части земной коры на структурно-тектонические этажи, геологические формации, геолого-генетические комплексы, петрографические типы и инженерногеологические разновидности. Распространение и условия залегания пород, их физико-механические свойства, подземные воды, рельеф, климат и современные физико-геологические процессы и явления. Учет и оценка рельефа и климата особенно важны, так как, современные геологические процессы в значительной степени обусловлены ими. На территории России прослеживается климатическая зональность; в каждой климатической зоне ИГУ отличаются определенным своеобразием. Отмеченный выше подход к изучению региональных инженерногеологических условий позволяет решить следующие основные задачи: выявить закономерности в изменении ИГУ в зависимости от истории геологического развития земной коры и особенностей ее геологического строения; выявить геологические факторы, определяющие условия строительства и эксплуатации инженерных сооружений; установить размеры и характер распространения инженерно-геологических процессов и явлений; дать прогноз ИГУ и их возможных изменений в результате строительства; разработать основы и осуществить инженерногеологическую типизацию местности. Таким образом, дисциплина РИГ имеет специфические особенности: 1. РИГ завершает геологическое образование студентов инженерно-геологической специализации; выполняет функции междисциплинарного предмета, аналитически связывающего геологические дисциплины; синтезирует геологическую информацию для выявления инженерно-геологических закономерностей. 2. Изучение РИГ происходит на фоне роста и обновления инженерно-геологических знаний. Их освоение требует активной работы с научной и учебной литературой и умения читать и понимать картографический материал, что развивает не только память, но и объемное воображение. 3. Для современного этапа РИГ характерна экологическая направленность инженерно-геологических исследований и активное внедрение компьютерных технологий на разных стадиях проведения работ и для решения разнообразных задач. 4. Очень важное значение в РИГ имеет работа с фактическим материалом. Основная масса его образуется в результате изысканий, проводимых обычно на стадиях детальных исследований. Систематизация этих данных при переходе от детальных ста5 дий к региональным обобщениям и наоборот является частью практической научной деятельности инженера. 5. В инженерной геологии РИГ выполняет мировоззренческие функции, поскольку многие проблемы, которые ставятся и решаются ею, уходят корнями в науки о строении планет, движении материи, взаимодействии оболочек Земли, роли биосферы, техносферы и социосферы, региональных процессах и явлениях разного рода и масштаба. Студенты в процессе изучения теоретической части РИГ в аудиторных условиях выполняют некоторые специальные задания, работают с инженерно-геологическими и гидрогеологическими картами и участвуют в семинарских занятиях, проводимых по актуальным проблемам региональных исследований. 1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ РЕГИОНАЛЬНОЙ ИНЖЕНЕРНОЙ ГЕОЛОГИИ 1.1. Этапы развития региональной инженерной геологии История РИГ тесно связана с развитием инженерной геологии, поэтому те этапы, которые выделяются в истории РИГ, в какой-то мере условны, но имеют свою специфику и определенное обоснование. В истории РИГ можно выделить четыре основных этапа: I–(до 1946 г.); II–(1947–1961 гг.); III–(1961–1981 гг.); IV–(1982 г.–по настоящее время). На первом этапе происходило интенсивное инженерное освоение огромных территорий. Это касалось как нашей, так и многих других стран. Появлялась разнообразная инженерно-геологическая информация, касающаяся условий эксплуатации и строительства различных сооружений, в том числе гидротехнических, промышленных, гражданских, карьеров и многих других; происходило накопление и обобщение материалов, которые были собраны в результате инженерно-геологических изысканий. Развитие инженерной геологии и некоторые основы региональной геологии в этот период определили такие ученые, как К. Терцаги, О. Мейнцер, И.В. Попов, В.А. Приклонский, Н.А. Цытович, Н.Н. Маслов и др. Второй этап начался с обоснования необходимости создания нового направления в инженерной геологии–регионального. На основе данных строительства и эксплуатации инженерных сооружений развивалось картирование и описание ИГУ крупных территорий, выявлялись некоторые инженерно-геологические закономерности, а также обосновывались основные зависимости. Наиболее важную лепту в создание и развитие РИГ на этом этапе внесли И.В. Попов, Н.Н. Маслов, Н.В. Ко6 ломенский, Л.Д. Белый, С.А. Роза, И.С. Комаров. В этот период началось чтение курса «Инженерная геология СССР» и вышло учебное пособие И.В. Попова. Третий этап является самым плодотворным для РИГ. В это время вышло большое количество справочников, монографий, статей: появилась на свет восьмитомная монография «Инженерная геология СССР» под редакцией Е.М.Сергеева, были опубликованы весьма важные для становления региональной инженерной геологии работы В.Т. Трофимова по Западной Сибири (1977), Г.К. Бондарика «Общая теория инженерной (физической) геологии» (1981), «Методическое руководство по инженерно-геологической съемке масштаба 1:200000» (1978), начались инженерно-геологические исследования дна Мирового океана. Среди наиболее активных участников создания теоретических и методических основ РИГ следует отметить В.Д. Ломтадзе, В.И. Осипова, Г.С. Золотарева, Г.А. Голодковскую, В.Т. Трофимова, И.С. Комарова, Ф.В. Котлова, М.В. Чуринова, Г.Г. Скворцова и др. На четвертом этапе произошло много значительных событий: 1. Комплексирование РИГ с другими региональными геологическими дисциплинами: геотектоникой, региональной геологией, геофизикой, региональной гидрогеологией, геохимией, географией. Это естественно, поскольку на первых этапах развития науки происходит ее дифференциация, а на заключительных – комплексирование, объединение, интегрирование одних наук в другие. Такой период переживает РИГ в настоящее время. В РИГ широко используются информационные, структурные, геодинамические, ландшафтные и другие формы анализа. Их применяют, прежде всего, для выявления некоторых геологических закономерностей, пространственного распространения геологических тел, особенностей их форм и состава, направленности и интенсивности геологических процессов. Другой областью проявления интеграционных процессов в РИГ со смежными науками является изучение природной зональности. 2. Внедрение компьютерных технологий в РИГ. Это создало новые практически неисчерпаемые возможности передачи информации, ее сбора, хранения, обработки, интерпретации. Появились новые направления в РИГ: компьютерная картография и моделирование инженерногеологических процессов. 3. Экологизация РИГ. Этому способствовали работы В.Т. Трофимова, В.А. Мироненко, А.И. Шеко, А.А. Смыслова. 4. Глобализация РИГ. Вопрос необходимости изучения планетарных инженерно-геологических закономерностей был впервые поставлен в работе С.Д. Ершовой и Е.М. Сергеева, которые рассмотрели 7 инженерно-геологическое типологическое районирование Земли (1983). Дальнейшее развитие эти идеи получили в монографии В.Т. Трофимова и его коллег, которые привели инженерно-геологическое районирование нашей планеты и выделили инженерно-геологические структуры, соответствующие разному уровню рассмотрения – планетарному, региональному и локальному. 1.2. Объект и предмет региональной инженерной геологии Региональная инженерная геология относится к фундаментальным дисциплинам, определяющим содержание инженерной геологии. Кроме нее, в эту группу входят инженерная петрология (грунтоведение) и инженерная геодинамика. РИГ является самым «молодым» направлением, ей немногим более полувека. Понятие “региональная инженерная геология” впервые сформулировал И.В. Попов в 1961 г. Региональная инженерная геология является разделом инженерной геологии, который занимается изучением закономерностей инженерно-геологических условий строительства и эксплуатации инженерных сооружений в земной коре и на ее поверхности. Она изучает: 1) закономерности проявления на земле факторов инженерногеологических условий, обусловленные природной обстановкой, в первую очередь, геологическим строением и геологической жизнью местности; 2) комплексы факторов природных условий, определяющих геологические условия строительства и эксплуатации инженерных сооружений на данной территории; 3) инженерно-геологические процессы и явления на основе опыта строительства на данной территории”. Из определения РИГ, сделанного И.В.Поповым, можно выделить три уровня изучения геологических закономерностей: природная обстановка (геологическое строение и геологические процессы); изменение геологических условий в результате строительства и эксплуатации инженерных сооружений; физико-геологические процессы и явления, возникающие в результате техногенного воздействия. Среди других формулировок наиболее емким представляется определение РИГ, данное Г.К. Бондариком: «Региональная инженерная геология – это научное направление, которое занимается изучением структуры и свойств геологической среды и слагающих ее компонентов, закономерностями их формирования и пространственной изменчиво8 стью в связи с планируемой и осуществляемой деятельностью человека. В этом определении появилось новое понятие – «геологическая среда». Под геологической средой, по Е.М. Сергееву (1987), следует понимать верхнюю часть литосферы, которая рассматривается как многокомпонентная система, находящаяся под воздействием инженерной деятельности человека, что приводит к изменению природных геологических процессов и возникновению новых антропогенных (инженерногеологических) процессов, изменяющих инженерно-геологические условия территории. Верхней границей геологической среды является «дневная» поверхность литосферы нижняя граница определяется глубиной проникновения деятельности человека. Формулировка Г.К. Бондарика была несколько уточнена: РИГ – это фундаментальный раздел инженерной геологии; она изучает структурно-пространственную организацию и эволюцию геологической среды, состав, состояние и свойства слагающих ее компонентов, их взаимодействия и изменчивость в связи с планируемой и осуществляемой деятельностью человека; другими словами, РИГ занимается изучением инженерно-геологических условий крупных регионов для решения теоретических и практических задач, связанных с освоением этих территорий (В.А. Кирюхин, Л.П. Норова, 2004). Таким образом, объектом изучения РИГ является «геологическая среда». Можно рассматривать и другие варианты, например, считать объектом исследований РИГ литосферу, ее верхнюю часть, или геологическое пространство (по В.И.Вернадскому), или специализированное геологическое пространство (по М.С.Захарову). Термин «геологическая среда», во-первых, предполагает возможность ее использования для различных форм деятельности человека (обитания, эксплуатации, строительства и др.). С другой стороны, геологическая среда – составная часть природной среды (наравне с водной, воздушной, космической и т.д.), поэтому ее необходимо исследовать во взаимодействии с другими средами и оболочками планеты. Геологическую среду, ее компоненты, пространственную изменчивость можно рассматривать в разных масштабах – глобальном, региональном, локальном, т.е. границы ее изучения могут расширяться или сужаться в зависимости от целей исследования. Кроме того, геологическую среду можно изучать в разном временном диапазоне, начиная от точечного среза, т.е. исследования объекта в динамическом режиме. Можно выделить три состояния геологической среды: природное, природно-техногенное, техногенно-нарушенное. Оценка инженерногеологических условий природных (ненарушенных) территорий еще предстоит. Природно-техногенное состояние возникает, если на терри9 тории происходит инженерное строительство или осуществляется эксплуатация инженерных сооружений. Техногенное воздействие проявляется во времени и в пространстве. Техногенно нарушенные природные системы образуются, когда процесс техногенного воздействия завершен (например, рекультивированные территории, шахтные поля, где добыча полезного ископаемого закончена, земляные отвалы и т.д.). О предмете исследований РИГ ведутся споры. Наиболее важным является заключение Г.К. Бондарика, который предметом исследований РИГ считает структуру и свойства геологической среды, определяющие инженерно-геологические условия, и закономерности их пространственной изменчивости. В.А. Кирюхин и Л.П. Норова считают, что предметом РИГ являются знания об инженерно-геологических условиях крупных территорий, представляющих собой результат взаимодействия и взаимообусловленности компонентов геологической среды. Наиболее важные из них образуют систему порода–вода–газ–живые организмы–инженерные сооружения. Кроме того, взаимодействие указанных компонентов между собой определяет изменение инженерно-геологической обстановки, их характер и последствия. В инженерно-геологической системе могут функционировать не все пять выделенных компонентов, а – четыре, три и даже один (в тех случаях, когда действиями остальных компонентов можно пренебречь). 1.3. Структура дисциплины В РИГ следует выделить четыре части, которые характеризуют теоретическую, описательную, методическую и прикладную области ее знания (рис.1). 10 Рис.1. Схема подразделений региональной инженерной геологии – инженерно-геологические системы (ИГС) (по В.А. Кирюхину, Л.П. Норовой) Теоретическая часть может быть разбита на пять основных блоков, каждый из которых имеет четко выраженный смысл. 1. Понятийно-смысловой блок последовательно рассматривает основные понятия и термины; основные законы РИГ; инженерно-геологическую классификацию пород; инженерно-геологические стратоны и таксоны; инженерно-геологические закономерности и зональности; инженерно-геологическое районирование и картографирование. 2. Блок формирования геосистем и их подразделений изучает пространственное положение геосистем, образующих инженерно-геологические структуры разного порядка, их эволюцию под влиянием природных и техногенных процессов, условия залегания пород, их структурные особенности, состав, состояние и свойства горных пород в их естественном залегании и при взаимодействии с инженерными сооружениями. 11 3. Геодинамический блок анализирует движение горных масс на склонах, берегах, в тектонических нарушений, в сейсмически неустойчивых областях и других районах под действием разнообразных причин: тектонических, гравитационных, техногенных, гидрогеологических, криогенных, абразионных, эрозионных и т.п. 4. Геохимический блок изучает воздействие ландшафтноклиматических факторов на инженерно-геологические условия в верхних слоях литосферы, на процессы физико-химического выветривания горных пород в результате почвообразования, криогенеза, денудации, эрозии, карстования, переноса тепла, влаги и вещества. 5. Эколого-геологический блок связан с изучением экологогеологической обстановки. Это исследование геопатогенных зон, возникающих под влиянием природных и техногенных процессов, и установление и прогнозирование защитной функции геологической среды, ее ресурсных возможностей в этих условиях для нормального жизнеобеспечения и оптимального природопользования. Описательная часть РИГ находится в начале своего комплектования. Пока в ней можно выделить три основных блока: 1) описание регионов; 2) историческая РИГ; 3) прогностическая РИГ. Методическая часть РИГ делится на четыре основных блока: 1) компьютеризация инженерно-геологических исследований; 2) инженерно-геологическое районирование, картирование и картографирование; 3) моделирование инженерно-геологических процессов; 4) режимные наблюдения и мониторинг. Прикладная часть РИГ имеет несколько размытые контуры. Это связано с тем, что региональные исследования проводятся на первом этапе инженерных изысканий. С другой стороны, эти исследования не имеют четко выраженных специализированных назначений, а окончательные инженерные решения по строительству и эксплуатации сооружений принимаются на основании результатов детальных изысканий. Знание региональных инженерно-геологических закономерностей имеет решающее значение для выбора содержания и направленности любых инженерных изысканий последующих этапов. Региональные инженерно-геологические исследования должны учитывать требования нормативных документов. 12 1.4. Взаимосвязь региональной инженерной геологии с другими науками Как уже указывалось, РИГ наряду с инженерной петрологией и геодинамикой, относится к фундаментальным инженерно-геологическим дисциплинам (рис.2). Вместе с тем она находится в тесной связи со многими другими науками, например: специальная инженерная геология, инженерная геология месторождений полезных ископаемых, инженерные сооружения, механика горных пород, инженерная мелиорация пород, мерзлотоведение, гидрогеология и др. Рис.2. Связь региональной инженерной геологии с другими дисциплинами Региональная инженерная геология взаимодействует с четырьмя группами дисциплин: фундаментальными, социально-экономическими, сопровождающими (второго плана) и родственными (первого плана). Среди фундаментальных дисциплин главными, конечно являются математика, физика и химия, их роль и значение трудно переоценить. В группе социально-экономических дисциплин наиболее важны философия, социология и экономика. Философия как наука о всеобщих законах развития природы, общества и мышления занимает ключевую позицию в системе региональных дисциплин. Поскольку РИГ – мировоззренческая дисциплина, философские проблемы во многих случаях являются для нее основополагающими. С другой стороны, природа постоянно напоминает обществу о том, что ее возможности не беспредельны. Эволюция развития общества определялась тем, как оно строило свои взаи13 моотношения с природой. Экономические науки (конкретно экономика, рыночные отношения) все больше и больше контролируют условия проведения инженерно-геологических работ, их финансовую обеспеченность. Особое место в системе отношений «заказчик – исполнитель» приобретает юриспруденция, которая обеспечивает законные права как тех, кто ведет инженерно-геологические исследования, так и тех, кто этими материалами пользуется. Сопровождающие науки в значительной мере определяют уровень и степень познания изучаемого предмета. РИГ, с одной стороны, использует современные информационные технологии, с другой, комплексирует с другими естественными науками (экологией, медициной, биологией и др.). Вполне очевидно, что роль такого сопровождения является весьма важной, а в ряде случаев и решающей. К родственным дисциплинам могут быть отнесены геологические, горные и географические. Их перечень весьма широк, например: основные геологические дисциплины как структурная геология, литология, тектоника, геоморфология, гидрогеология, историческая геология, геодинамика, геохимия и др. Среди горных дисциплин, определяющих понимание горно-геологической обстановки, выделяются горная механика, строительство и эксплуатация горных выработок, рекультивация нарушенных территорий. Важная роль географических дисциплин также вполне очевидна. К этим дисциплинам относятся почвоведение, ландшафтоведение, климатология, гидрология, геоэкология, геоботаника, океанология. Таким образом, круг дисциплин, которые питают информацией РИГ, весьма широк. Следовательно, специалист, решающий вопросы региональной инженерной геологии, должен обладать широким кругозором, использовать знания не только по своей дисциплине, но и по многим смежным и не всегда смежным наукам 2. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ИЗУЧЕНИЕ ТЕРРИТОРИЙ Региональная инженерная геология изучает закономерности формирования и распространения инженерно-геологических условий, под которыми понимается совокупность геологических факторов, определяющих условия инженерно-хозяйственного освоения территории. К ним относятся: геологическое строение, рельеф, гидрогеологические условия, геологические и инженерно-геологические процессы. Инженерно-геологические процессы возникают в результате деятельности человека, и поэтому в настоящее время надо говорить о том, что инже14 нерно-геологические условия формируются не только под влиянием процессов, происходящих в природе, но и в результате инженерной и хозяйственной деятельности человека. Сейчас уже можно говорить о взаимосвязи между инженерно-геологическими условиями и деятельностью человека. От инженерно-геологических условий во многом зависит инженерная и хозяйственная деятельность человека, а она, в свою очередь, может привести к изменению инженерно-геологических условий. Такая постановка вопроса помогает лучше понять всю значимость вопросов, которыми занимается инженерная геология. Из нее также вытекает, что одной из главных задач инженерной геологии является прогноз изменения ИГУ территорий под влиянием деятельности человека. ИГУ оказываются одинаковыми на тех территориях, которые имеют одну и ту же или близкую историю геологического развития и находятся в одних и тех же природно-климатических зонах. Если сравниваемые территории имеют разную историю геологического развития или расположены в различных природно-климатических зонах, то их ИГУ не могут быть одинаковыми, они будут разными. Отсюда следует, что понять современные ИГУ можно только при изучении истории геологического развития интересующей нас территории, особенно в новейшее время. РИГ при изучении территорий должна опираться на историческую геологию в широком понимании этого предмета. В частности, при анализе истории геологического развития территории необходимо уделять большое внимание вопросам тектоники, палеогидрогеологии, изменениям, которые происходили в новейшее время вплоть до голоцена. В том случае, если на территорию имеются карты необходимого масштаба – геологическая, гидрогеологическая, геоморфологическая и др., а история геологического развития территории хорошо изучена, то стоящие перед РИГ задачи значительно облегчаются. В этом случае необходимо объединить имеющиеся сведения общегеологического характера с теми специальными сведениями, которые были получены для данной территории в двух других разделах инженерной геологии–в грунтоведении и инженерной геодинамике. В этом случае инженерногеологические особенности и свойства горных пород, и действующие на ней геологические процессы должны быть рассмотрены в зависимости от геологического строения, рельефа, гидрогеологических и ландшафтно-климатических условий. Причем все это рассмотрение должно быть проведено в историческом плане, когда одновременно учитываются тектоника и палеоклимат, процессы денудации и аккумуляции и т.д. Более сложные задачи возникают перед РИГ, когда инженерногеологическому изучению подлежат недостаточно изученные террито15 рии, для которых отсутствуют геологические и другие карты необходимого масштаба. В этом случае инженерам–геологам самим приходится проводить дополнительное геологическое изучение территории наряду с изучением своих специальных вопросов. В качестве примера можно указать на то, что когда возникла необходимость срочного составления мелкомасштабных инженерно-геологических карт, обобщающих информацию об ИГУ территории Западной Сибири в связи с проектированием и строительством населенных пунктов, дорог, трубопроводов, ЛЭП и других сооружений, без которых была бы невозможна нормальная эксплуатация открытых нефтяных и газовых месторождений, то оказалось, что на большую часть территории Западно-Сибирской плиты имелись разномасштабные, часто неувязанные между собой геологические материалы. В процессе мелкомасштабного и обзорного инженерно-геологического картирования составлялись соответствующие геологические, гидрогеологические и мерзлотные карты, уточнялась картина истории геологического развития Западно-Сибирской плиты в новейшее время. Глубина, до которой характеризуется поверхностная часть земной коры при инженерно-геологическом изучении, определяется глубиной проникновения в земную кору человека. В настоящее время увеличивается глубина заложения фундаментов, строительства тоннелей, карьеров при разработке полезных ископаемых, глубина шахт и других сооружений и, следовательно, увеличивается глубина региональных инженерно-геологических исследований. Можно было бы сказать, что глубина региональных инженерно-геологических исследований определяется тем, что мы понимаем под геологической средой. При этом, конечно, исходят из того, для решения каких практических задач эти исследования проводятся. Но во всех случаях обязательно надо учитывать перспективы дальнейшего использования территории. При инженерно-геологическом изучении территории помимо ранее перечисленных факторов, которые обычно называют региональными, изучают также зональные инженерно-геологические факторы. Под зональными инженерно-геологическими факторами понимают те закономерности развития геологических процессов и изменений состояния горных пород, залегающих в поверхностной части земной коры, которые связаны с климатом, и в первую очередь с тепло- и влагообменом поверхности изучаемой территории. Этим в основном обусловливается не только состояние пород в современной коре выветривания, но и глубина залегания и состав грунтовых вод, их фазовое состояние. Для учета зональных инженерно-геологических факторов необходимо знать историю развития территории в антропогене и ее современное состояние. 16 При инженерно-геологических исследованиях конкретных территорий является обязательным изучение как региональных факторов, являющихся ведущими, так как они определяют основные, главные инженерно-геологические особенности территории, которые создаются на протяжении всей истории ее геологического развития, так и зональных факторов. 2.1. Инженерно-геологическая типизация территорий Под инженерно-геологической типизацией территории понимается выделение на ней отдельных частей, которые соответствуют определенным заранее установленным типам регионов, характеризующимся наиболее общими и существенными признаками ИГУ. Такой подход при инженерно-геологическом изучении территорий иногда называется типологическим. Принципы типологического районирования территорий в инженерно-геологических целях до сих пор разработаны слабо. Проблема инженерно-геологической типизации территорий имеет большое практическое значение, так как от нее во многом зависит рациональное решение вопросов, и в частности рациональное построение детальных инженерно-геологических изысканий применительно к решению самых разнообразных задач. Для того чтобы решить проблему инженерно-геологической типизации суши и шельфа океана в планетарном обзорном масштабе выполнены С.Б.Ершовой (1979). На схеме инженерно-геологической типизации земного шара С.Б.Ершовой выделены крупные геолого-структурные элементы (щиты, плиты, орогены разного возраста и др.) в пределах материков, переходных структур соответствующих зон и подзон (подзона ледников, пород без сезонного оттаивания, подзона сильноувлажненных пород с сезонным промерзанием, подзона умеренно увлажненных пород без сезонного промерзания и др.). Инженерно-геологическая типизация поверхности земного шара построена на использовании двурядной перекрестной системы типологического районирования с построением двух независимых систем таксономических единиц: одной–по геолого-структурным (азональным), другой – по зонально-геологическим признакам. Ряд, построенный на геолого-структурной основе, последовательно углубляет и детализирует региональные геологические факторы. Это дает возможность выделить и охарактеризовать крупные естественные таксономические единицы, сформировавшиеся в процессе длительной истории геологического развития и обладающие определенной общностью ИГУ. Например, щиты древних платформ (Балтийский, Индостан17 ский) или эпигеосинклинальные орогены (Кавказский, КамчатскоКорякский), несмотря на значительную удаленность друг от друга, имеют определенные закономерности геологического строения и состава отложений, развития формаций, строения рельефа и т.д. Второй ряд таксономических единиц, построенный по зональногеологическим признакам, связанным в основном с закономерностями распределения на поверхности земного шара тепла и влаги, позволяет выделить и охарактеризовать крупные зональные территориальные единицы, обычно охватывающие целый ряд региональных единиц. Например, в подзоне сплошного распространения многолетнемерзлых пород с сезонным оттаиванием расположены как древние и молодые щиты и плиты (Канадский, Анабарский щиты, Западно- и Восточно-Сибирская плиты), так и эпиплатформенные (мезозоиды Аляски и Северо-Востока России) и эпигеосинклинальные (Камчатско-Корякский) орогены. Эти типы территорий характеризуются идентичными последствиями антропогенного воздействия. Для выделенных типов территорий должны предусматриваться единая методика инженерно-геологического изучения, единые инструкции по инженерно-геологическим изысканиям, строительные нормы и другие документы. 2.2. Инженерно-геологическое районирование территорий Инженерно-геологическое районирование проводится по определенным принципам, без которых было бы невозможно сравнить и оценить все разнообразие ИГУ различных территорий. Наиболее полно принципы инженерно-геологического районирования были разработаны И.В. Поповым (1961), который предложил выделять в качестве самостоятельных таксономических единиц инженерно-геологические регионы, области, районы и подрайоны разного порядка. Инженерно-геологические регионы выделяются по структурнотектоническому признаку. Инженерно-геологический регион первого порядка является наиболее крупной таксономической единицей. Примером инженерно-геологического региона первого порядка является Русская платформа, на которой выделяются регионы второго порядка, такие, как Балтийский щит, Московская синеклиза, Воронежская антеклиза, Причерноморская впадина, Предкарпатский прогиб и др. И.В.Попов предложил выделять инженерно-геологические области в пределах одного региона по геоморфологическим признакам. При таком подходе не надо забывать, что геоморфологические особенности территории являются результатом истории ее геологического развития 18 главным образом в новейшее время. Поэтому можно сказать, что инженерно-геологические регионы – это части регионов, имевшие различное развитие в новейшее время, что нашло отражение, в частности, в их геоморфологических особенностях. Инженерно-геологические области могут выделяться непосредственно при подразделении инженерно-геологических регионов первого порядка (когда они достаточно однородны в геоструктурном отношении) и в этом случае охватывает огромные территории. Примером в этом отношении является Западно-Сибирская плита. Если развитие территории в новейшее время было неодинаковым, то при более детальном ее рассмотрении могут выделяться инженерно-геологические области разного порядка: не только первого, но второго и даже третьего порядка. В инженерно-геологических областях выделяются инженерногеологические районы, на территории которых отмечается однообразие геологического строения, выражающееся в одинаковой последовательности залегания горных пород, их мощности и петрографическом составе. Такие сравнительно небольшие территории могут образоваться при условии, что они испытывали на всей своей площади строго одинаковые по знаку и интенсивности тектонические движения и находились в строго одинаковых палеоклиматических условиях на протяжении их истории развития, выходящей за пределы новейшего этапа геологического развития Земли. В пределах одного инженерно-геологического района могут быть выделены инженерно-геологические подрайоны, если в этом возникает необходимость, по различному состоянию пород, проявлению современных и древних геологических процессов и т.д. Например, в пределах одного инженерно-геологического района окажется оползневой склон на значительном протяжении береговой линии, то в этом случае может возникнуть необходимость выделения двух инженерногеологических подрайонов. При крупномасштабном инженерно-геологическом изучении территории внутри подрайонов выделяются инженерно-геологические участки, в пределах которых, в свою очередь, могут быть выделены инженерно-геологические элементы. Изложенные принципы выделения различных таксономических единиц при инженерно-геологическом районировании базируется на региональных инженерно-геологических факторах. При такой системе зональные инженерно-геологические факторы учитываются на разных уровнях. Для Западно-Сибирской плиты наличие зон различной степени тепло и влагообеспеченности может учитываться начиная от высше19 го уровня-при общей инженерно-геологической характеристике Западно-Сибирской плиты как региона первого порядка и кончая одним из низших уровней – при разделении инженерно-геологических районов на подрайоны по состоянию пород. Выделенные при инженерно-геологическом районировании таксономические единицы можно в определенной степени связать с характером горных пород, слагающих территорию. Это подчеркивает, что горные породы являются не только главным фактором при изучении геологических процессов, но и ИГУ. Часто возраст породы при ее инженерно-геологической оценке имеет меньшее значение, чем принадлежность к той или иной формации. Поэтому при оценке горных пород в РИГ к ним подходят с позиций учения о формациях. Это, конечно, не значит, что в РИГ следует игнорировать стратиграфическое подразделение пород. Просто геологическая формация как геологическая категория имеет большее значение при инженерно-геологической оценке территорий, чем стратиграфические элементы. Ставя на первое место формационный принцип оценки пород, под формацией понимается, согласно определению Н.С. Шацкого (1955), «естественно выделяемые комплексы, род, отдельные части которых (породы, слои) тесно, парагенетически связаны друг с другом как в возрастном (переслаивание, последовательность), так и в пространственном отношении (фациальные смены и др.)». Н.С. Шацкий указывал, что формации связаны с определенными тектоническими «структурами и изменяются с изменением тектонического режима и структурного развития земной коры». В то же время формирование формации не могут не оказывать влияние палеоклиматические условия, поскольку речь идет об одновозрастных отложениях, занимающих определенную территорию. Поэтому Н.М.Страхов (1956) назвал осадочные формации ландшафтно-тектоническими сообществами пород. Позднее, в 1960 г. Н.М.Страхов писал: «Сохранение на достаточно большом участке земной коры в течении длительного времени одного и того же режима, при одинаковых (а точнее, достаточно близких) климатических и гидрогеологических условиях (или при закономерно повторяющейся смене их), приводит к формированию единого в структурно-вещественном отношении сообщества горных пород, которое называют формацией горных пород». Итак, два главных фактора обуславливают возникновение формации горных пород: тектонический режим и климатические условия. Трудно отдать предпочтение одному из этих факторов. Доминирующая роль одного из них будет в какой-то степени определяться тем, к какому 20 из классов относится формация: платформенному, геосинклинальному или орогенному. Для платформенных формаций характерны осадочные породы. Платформенные формации горных пород охватывают большие территории; их формирование проходило при сравнительно небольших амплитудах тектонических движений. В этом случае роль палеоклиматических условий была больше, чем для геосинклинальных формаций. Палеоклиматические условия сказываются на составе и свойствах платформенных формаций, которые достаточно выдержаны на больших площадях и закономерно изменяются при переходе от одной фации к другой (в случае морских отложений от прибрежной к глубоководной). Геосинклинальные формации возникают при интенсивном прогибании земной коры, поэтому мощность отложений может быть очень большой, а осадочные породы чередуются или залегают совместно с подводными вулканогенными образованиями. Это приводит к тому, что может не быть такой выдержанности в осадконакоплении, как у платформенных формаций. По сравнению с горными породами платформенных формаций горные породы геосинклинальных формаций характеризуются большой метаморфизованностью, большой литифицированностью и большой дислоцированностью. По своему составу и свойствам горные породы геосинклинальных формаций являются менее однородными, но более прочными. Однако при характеристике массивов пород надо иметь в виду, что разрывных нарушений у них встречается больше, чем в случае платформенных формаций. При формировании горных пород геосинклинальных формаций роль климата снижается и увеличивается роль тектонических движений. Как правило, в строении геосинклинальных формаций принимают участие морские толщи; широкое развитие имеют вулканогенные образования. Подразделение формаций можно провести и по преобладающему петрографическому типу слагающих их горных пород. В этом случае можно говорить о группах магматических, метаморфических и осадочных формаций. При таком подразделении мы получим в пределах одной формации большее однообразие пород в инженерно-геологическом отношении и в то же время не будет утеряна связь «сообщество пород» с тектоникой и климатом. Так, все магматические породы имеют определенные инженерно-геологические особенности и свойства в зависимости от их генезиса. Поэтому достаточно подразделить все разнообразие магматических пород на толщи близкого петрографического состава, чтобы получить формации, состоящие из пород, близких в инженерногеологическом отношении. Для подразделения на формации метамор21 фических пород необходимо учитывать их степень метаморфизма; ранее указывалось, что выделяются слабо-, средне- и сильнометаморфизованные породы. При подразделении осадочных пород необходимо учитывать их состав в соответствии с группами, выделенными в общей классификации грунтов, и степень их литификации. Существует определенная зависимость между положением формации в геологическом разрезе и степенью литификации и метаморфизма слагающих ее пород. Поэтому при оценке горных пород в РИГ важно установить, к какому структурному этажу они относятся. Обычно степень литификации и метаморфизма горных пород увеличивается, если они принадлежат к формации, приуроченной к более низкому структурному этажу. Г.А. Голодковская (1968) на примерах Алтае-Саянской складчатой области и Сибирской платформы показала, что в пределах одного структурного этажа свойства пород каждого петрографического типа остаются относительно постоянными, но качественно изменяются при перестройке структурного плана вследствие формирования новых областей сноса и создания нового тектонического режима осадконакопления и постседиментационных процессов. Если сопоставить изложенные представления о формациях и структурных этажах с ранее выделенными инженерно-геологическими таксономическими единицами, то между ними выявится определенная зависимость. Инженерно-геологические регионы охватывают территории, у которых в геологическом строении верхних горизонтов участвуют несколько структурных этажей, каждый из которых сложен определенными формациями. В пределах инженерно-геологической области поверхностные отложения принадлежат к одному структурному этажу, часто к одной формации, но могут быть представлены различными геолого-генетическими комплексами пород. В инженерно-геологическом районе мы имеем дело с породами одного геолого-генетического комплекса. 3. ЗАКОНЫ И КЛАССИФИКАЦИИ 3.1. Законы геологии Вершиной научных познаний является закон, который определяет уровень науки на данном этапе развития. Законы можно разделять по разным признакам: 1. По важности – основные, общие, фундаментальные и частные; 2. По целям – теоретические и прикладные; 3. По масштабу – глобальные, региональные, локальные; 4. По времени проявления – постоянно действующие. 22 Законы могут быть общими для геологии (эволюционные, пространственные, временные, физические, химические и экологические) и для отдельных ее отраслей–минералогии, палеонтологии, исторической геологии, гидрогеологии, инженерной геологии и др. Общие законы справедливы для всей геологии и для отдельных ее отраслей, но для отраслей существует большое количество специальных или частных законов. Специальные законы разрабатываются обычно для оценки процессов. Формы записи законов могут быть разнообразными: в виде математических формул, физических зависимостей, химических реакций, словесных записей. Многие природные процессы описываются с помощью дифференциальных уравнений, что предполагает возможность достаточно точной оценки их действием. Многие законы в геологии имеют чаще всего словесные описания, нередко эти формулировки требуют дальнейшего развития или уточнения. В геологии всеобщими (фундаментальными) являются шесть законов: эволюционный (необратимости); структурно-пространственный (симметрии – Кюри); физический (геологической формы движения); химический (распределения элементов); экологический (биогенетический); пространственно-временной (периодичности). Подобные законы прослеживаются также и в отраслевых науках, в частности в региональной гидрогеологии, региональной инженерной геологии, но имеют несколько иные смысловые оттенки. Отраслевых законов гораздо больше, чем фундаментальных, и они имеют свою специфику; это такие как законы седиментации, рудообразования, Бэра Бабине (подмывы правых берегов рек в северном полушарии и левых берегов рек в южном), изоморфизма, радиоактивного распада и др. Законы, характеризующие геологические процессы, весьма многочисленны. Их изучение позволяет решать проблемы формирования физических полей и прогнозирования, природного и техногенного воздействия на геологическую среду. Итоги рассмотрения геологических законов позволили сделать такие выводы: 1. Среди геологических появляется особый закон развития–закон эволюции, которого нет в физике и химии; 2. Изменчивость движения материи в геологии проявляется многообразнее, чем в других науках, изучающих общие и элементарные формы движения материи; 23 3. Принципиальной особенностью геологических законов является их высокая способность к математизации, поэтому для современного этапа развития характерен переход от словесных формулировок к математическим выражениям, которые позволяют проводить количественную оценку изучаемых процессов; 4. Возникает и усиливается противоречие между, с одной стороны, накоплением фактического материала и детализацией изучаемых объектов, с другой стороны, необходимостью генерализации и идеализации изучаемых процессов; 5. Экологизация геологических исследований и внедрение компьютерных технологий в обработку и интерпретацию информации выводит возможности изучения закономерностей в геологической природе на новый уровень, поэтому предстоят новые открытия и появление новых законов, а также уточнение действующих. 3.2. Законы инженерной геологии К ним относятся: 1) Закон геологического соответствия; 2) Учета развития геологических процессов и явлений; 3) Детальности изучения геологической среды; 4) Формирования инженерно-геологических условий территорий; 5) Динамики геологических процессов и явлений; 6) Изменений геологической среды; 7) Неизбежности развития геологических процессов и явлений; 8) Связей геологических явлений. Указанные законы базируются на анализе и систематизации результатов изысканий, опыта строительства и эксплуатации инженерных сооружений, а также при этом процессов и явлений. Приведенные инженерно-геологические законы являются хотя и важными, но не фундаментальными и основными для этой науки. Эти законы являются специальными, частными, вспомогательными. В 1999 г. В.Т. Трофимовым был сформулирован закон инженерной геологии. Он выглядит следующим образом: современные инженерно-геологические особенности любого объекта верхних горизонтов литосферы и их изменение определяются историей его (объекта) геологического развития, современным структурно-тектоническим положением и климатическими условиями, а на освоенных территориях и характером техногенных воздействий. Автор обращает особое внимание на необходимость учета закономерностей эволюции, геолого-структурного строения изучаемых территорий и влияния климата на инже24 нерно-геологическую обстановку. Формулировка развивает известные положения И.В.Попова о региональных и зональных факторах инженерно-геологических условий и последующих разработок Г.А. Голодковской, утверждающей, что современные ИГУ являются отражением геологической истории региона во всех его аспектах, а параметры ИГУ тесно связаны с историко-генетическими, геолого-структурными, палеогеографическими и современными ландшафтно-морфологическими особенностями. 3.3. Законы региональной инженерной геологии Объект изучения РИГ – геологическая среда. К фундаментальным свойствам геологической среды Г.К. Бондарик относит изменчивость, неоднородность, симметрию, дискретность и организационность. Изменчивость характеризует изменение геологической среды в пространстве и во времени и проявляется в результате эволюции геологической материи. Неоднородность возникает на разных уровнях организации геологического пространства и наблюдается в разных формах; неоднородность может проявляться на генетическом, вещественном, структурном, фациальном и других уровнях изучения; она может фиксироваться также в неодинаковости свойств физических полей, пород, воды, газов и других составляющих геологической среды. Симметрия проявляется на всех уровнях организации геологической среды, начиная от минералов и заканчивая планетой в целом; симметрия характеризует структуру пород, физические поля и состояние геологического пространства. Дискретность описывается такими свойствами геологической среды, как пористость, трещиноватость, тектоническая нарушенность, закарстованность; проявляется в разрывности свойств и состояния геологической среды, т.е. вызвана нарушением непрерывности проявлений этих показателей. Организационность (упорядоченность) фиксируется на разных уровнях организации геологического пространства (от минерала до оболочек Земли); она четко устанавливается и при изучении разного рода процессов: литогенеза, седиментации, рудообразования, распределения подземных вод и других составляющих подземного пространства; изучение этого свойства позволяет классифицировать признаки, состояние и свойства пород, различных составляющих геологической среды, происходящие процессы. На этом основании устанавливают иерархический порядок изучаемых показателей, определяется их рейтинг. Изучение фундаментальных свойств геологической среды формирует мировоззренческую основу РИГ. Они могут служить базой для обоснования основных законов РИГ. 25 В.А. Кирюхин и Л.П. Норова (2004) выделяют шесть фундаментальных свойств геологической среды и соответствующие им управляющие законы РИГ: 1. Непрерывное и необратимое изменение состава, свойств, состояния геологической среды в процессе геологического развития нашей планеты; закон, который контролирует эти процессы, называется эволюционным. 2. Свойства симметрии как состояния пространства определило закономерное размещение инженерно-геологических структур на нашей планете; закон, который контролирует это структурно-пространственным. 3. Цикличное и периодичное изменение ИГУ происходит под влиянием, прежде всего, физико-географических факторов; эти процессы описываются пространственно-временным законом. 4. Подвижность и устойчивость инженерно-геологических структур определили проявление геодинамического закона. 5. Процессы седименто-, лито-, аква-, и эпигенеза в системе: порода–вода–газ–живые организмы–инженерные сооружения ведут к химическому преобразованию геологической среды; эти процессы контролируются геохимическим законом. 6. Деятельность бионты определяет степень благоприятности ИГУ; эти процессы фиксируются экологическим законом. Фундаментальные свойства геологической среды и контролирующие их законы нужно рассматривать как некоторую схему формирования ИГУ на нашей планете. Важно отметить, что в региональных ответвлениях геологических наук наиболее значимые фундаментальные свойства, обуславливающие преобразование геологической материи, близки друг к другу. Эта родственная связь проявляется также и в формулировках основных законов региональных геологических дисциплин. 3.4. Инженерно-геологическая классификация горных пород К классификационным признакам геологических объектов могут быть отнесены любые показатели, характеризующие генезис, морфологию, состав, свойства, состояние горных пород. При классификации горных пород используются такие признаки, как петрографический, минеральный, химический, гранулометрический состав горных пород, их влажность, фильтрационные свойства, пористость, трещиноватость, плотность, содержание гумуса, солей и др. По этим или иным показателям породы могут быть объединены в различные группы, а могут быть разделены на различные категории. 26 Различные геологические науки имеют дело с объектами разных уровней организации, либо по-разному подходят к изучению одних и тех объектов. Например, в минералогии классификации базируются на химическом составе, в петрологии доминирующим является генетический подход. Универсальные классификации можно получить при низком уровне рассмотрения объектов – минеральном и петрографическом. На уровне пород создать классификацию гораздо сложнее, поскольку при этом учитывается одновременно несколько признаков, Например: морфологический, генетический и морфогенетический. Наиболее сложный вариант возникает при комбинировании морфологического (состав и строение объекта) и генетического признаков, поскольку генетические и морфологические границы объекта обычно не совпадают, а часто даже «режут» друг друга. В комбинированных геологических классификациях на первое место ставится генезис, в подчиненном по отношению к нему положении оказываются морфологические признаки. Таким образом, классификации геологических объектов – проблема сложная и дело весьма ответственное, поскольку необходимо правильно определить рейтинг, взаимосвязь и взаимообусловленность признаков объектов, что определяет дальнейшее развитие геологической мысли и исследований. Среди инженерно-геологических наиболее важное значение имеет классификация пород, разработанная Ф.П. Саваренским–В.Д. Ломтадзе. В ней учитываются многие геологические признаки и физико-механические свойства пород. Для выделенных пяти групп горных пород (скальные, полускальные, рыхлые несвязные, мягкие связные и с особыми свойствами) приведены среднестатистические значения физикомеханических свойств. Наряду с группами выделяются генетические типы, петрографические виды и разновидности. На основе приведенных сведений можно сделать выводы о строительных качествах изучаемых пород и их связи с геологической природой. Каждый генетический тип представлен многочисленными петрографическими видами и разновидностями, отличающимися минеральным составом, строением, структурой, текстурой, условиями и формой залегания. В этой классификации отражен собственно инженерно-геологический подход, в котором классификационные признаки обосновываются условиями взаимодействия сооружений с горными породами. Е.М. Сергеев предложил свой вариант классификации немерзлых горных пород. В ней он выделил два класса – скальных и дисперсных пород в зависимости от наличия или отсутствия структурных связей. Эта классификация была принята за основу в ГОСТ 25100–95. 27 Известны также классификации пород Н.Н. Маслова, П.Н. Панюкова и др. Рассмотренные выше классификации трудно использовать для региональных целей – районирования и картографирования. С этих позиций ближе классификация, которая базируется на петрологической основе. Достаточно подробная инженерно-геологическая характеристика основных петрологических типов пород с детальным рассмотрением их физико-механических свойств приведена в учебнике В.Д. Ломтадзе (Инженерная геология. Инженерная петрология, 1984). Петрологическая систематика пород в инженерно-геологических целях имеется в работе Е.М. Сергеева (1973). В общей инженерной классификации горных пород и почв он выделяет три группы: осадочные, магматические и метаморфические. Наряду с ними возможно выделение и переходных групп (например, вулканогенно-осадочных образований). Изучая структурно-генетические изменения указанных пород, можно устанавливать региональные закономерности и формирование их инженерно-геологических свойств. 4. ФАКТОРЫ ИГУ И ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИХ ПРОЯВЛЕНИЯ 4.1. Региональные и зональные факторы ИГУ Вопросы региональных и зональных факторов рассматриваются в РИГ раздельно. Региональные факторы контролируются действием геологических факторов. К наиболее важным среди них следует отнести особенности строения, состав, состояние и свойства горных пород, их эволюцию в процессе геологического развития, мерзлотно-гидрогеологическую обстановку. Зональность возникает под действием географических факторов (ландшафтно-климатические условия, влаго- и теплообеспеченность территории). Формирование и современное проявление этих факторов определяются, с одной стороны, всем ходом геологического развития территории, а с другой, – ее современными климатическими условиями. Современное влияние этих факторов определяет формирование ИГУ любого региона. Хотя очевидно и другое, что на инженерно-геологическую обстановку могут воздействовать те и другие факторы совместно. Различают два вида географической зональности – горизонтальную (широтную) и высотную (горную). Они формируются под влиянием переноса солнечной энергии, воздуха и влаги, изменения температуры в приземном слое атмосферы, воздействием растительного покрова, процессов почвообразования и др. 28 Географическая зональность дополняется разными формами геологической зональности. Среди них надо отметить проявление зональности лито-, мета- и эпигенеза пород, разных форм гидрогеологической зональности (гидродинамической, гидрохимической, газовой, температурной, микробиологической). Криогенной зональности (зональности мерзлых пород, льдов) и др. Географические и геологические зональности во многом определяют направленность и интенсивность инженерногеологических процессов. По характеру воздействия региональные и зональные факторы можно разделить на экзогенные и эндогенные, постоянно и временно (периодически) действующие. В каждой из указанных выше категорий могут быть выделены конкретные виды воздействия. Так, например, среди экзогенных факторов, обусловленных внешними силами, могут быть названы: космические, климатические, ландшафтные, гидрологические, техногенные и др.; среди эндогенных факторов, связанных с внутренними силами Земли – структурные, тектонические, сейсмические, вулканические и др. Многие из изучаемых факторов имеют квазистационарный режим воздействия, по крайней мере, на период функционирования сооружения. Воздействие другой группы факторов носит периодический характер. К ним относятся погодные условия, выпадения атмосферных осадков, изменение радиационного режима на земной поверхности, колебания уровня грунтовых вод и др. Эти особенности поведения региональных и зональных факторов нужно учитывать в зависимости от вида и стадии инженерно-геологических исследований. 4.2. Влияние тектонических процессов на формирование инженерногеологических свойств горных пород В работах крупнейших грунтоведов и инженеров–геологов: М.М. Филатова, Ф.П. Саваренского, И.В. Попова, В.А. Приклонского, В.Д. Ломтадзе, Е.М. Сергеева и других ученых формирование инженерно-геологических свойств горных пород всегда рассматривалось в тесной связи с генезисом и историей существования горной породы, с теми процессами, влияние которых она испытала. Сейчас уже доказано, что физико-механические свойства пород определяются особенностями геологического строения и геологической историей их жизни. В процессе своего формирования, как известно, порода испытывает несколько стадий: стадию раннего диагенеза, стадию эпигенетических преобразований, вызванных гравитационным уплотнением пород, продолжительностью этого уплотнения (геологическое время) и напряжениями, возникающими при складкообразовании (стресс). 29 Л.Б. Рухин, как и многие другие исследователи, процесс преобразования осадочных отложений подразделяет на три стадии: сингенез, диагенез и эпигенез. Погружение пород Сингенез Выветривание (гипергенез) ↓ Диагенез Регрессионный эпигенез (при поднятиях земной коры понижается температура) (вызван погружением породы, формируются минералы, устойчивые при возрастающих давлении и температуры) ↓ Прогрессивный эпигенез ↓ Метаморфизм Сингенез – процесс, происходящий при осаждении осадков в самой верхней его части, когда осадок представляет собой коллоидную студенистую массу, содержащую больше воды чем минеральных веществ. Физико-химическая обстановка почти одинакова со средой отложения осадка. Мощность слоя сингенетических преобразований 10–15 см. Диагенез – когда осадок изолирован от среды отложения более молодыми слоями, тяжесть которых обусловливает несколько повышенное давление. В осадке циркулирует иловые воды, химический состав которых уже не одинаков с составом вод бассейна. В процессе диагенеза изменяется минералогический состав (особенно интенсивно в стадию раннего диагенеза), отжимается вода, происходит уплотнение осадка, в результате – резкое снижение в них общей пористости. В.Д. Ломтадзе экспериментально установил, что при погружении осадка до глубины 200–300 м. происходит его свободное уплотнение, выделяется свободная вода. С увеличением глубины до 2700–3000 м. начинается процесс затрудненного уплотнения (отжимается рыхлосвязанная вода). На еще большой глубине наступает консолидация, осадок, превращается в горную породу. Дальнейшее образование осадочной породы происходит в результате эпигенеза. В эту стадию породы испытывают повышенные давления и температуры. Происходит изменение минералогического состава. В этих породах фильтруются подземные воды, состав которых совсем иной в сравнении с иловыми растворами. В конечные стадии прогрессирующего эпигенеза роль гравитационного уплотнения ослабевает, так как породы почти предельно уплотнены предыдущими процессами. Основное значение приобретают минералогические преобразования. Это происходит не только под дей30 ствием гравитации, но и постоянным действием бокового одностороннего давления (стресса). Это давление приводит к дифференцированным подвижкам внутри пород (аналогично фазам сдвигов). В складчатых областях происходит неоднократная смена направлений бокового давления в результате дислокаций. Следовательно, породы в этих условиях испытывают огромные всесторонние давления, что вызывает существенное повышение прочности пород. В платформенных условиях при горизонтальном залегании слоев процессы гравитационного уплотнения являются ведущими в формировании прочностных свойств. Различая условий формирования пород в разных геоструктурных областях (регионах) позволяет выделить несколько зон (табл.1). Таблица 1 Зоны геоструктурных областей Зоны 1. Неизменного цемента (диагенез, последняя стадия или начальный эпигенез). Стадия затрудненного уплотнения осадков, отжимается рыхлосвязанная вода 2. Измененного глинистого цемента (глубинный эпигенез). Мощность зоны до 3500–4000 м Глубина, м Тектонические структуры Плотность, т/м3 Пористость, % Тип пород 1,4–2,1 35–12 Уплотненные глины, слабосцементированные песчаники 12–13 Аргиллиты, песча(верх) ники прочные; 4–5 (по- хлоритизация, педошва) рекристаллизация До 2000 Платформа Свыше 20002500 Погруженные участки платформ, краевые про-гибы, периферийные области складчатых структур 2,5–2,55 Геосинклинали 2,6 близка к плотности минеральных ча- 3. Кварцитовидных структур и Свыше хлоритосерици8000 тового цемента (переходная к 31 4–2 не меняется по разрезу Интенсивно дислоцированы породы; хлоритовые, мусковитов сланцы, кварцитовидные региональному метаморфизму, высокие температуры и давления) стиц песчаники Первые две зоны – ведущим является гравитационное уплотнение, третья зона–стресс. Например, установлено, что все терригенные мезозойские платформенные отложения на глубину до 2000 м принадлежат единой зоне неизмененного глинистого цемента (начального эпигенеза). В пределах этой зоны породы сохраняют первичные текстурно-структурные признаки и минералогический состав, приобретенные в течение осадконакопления и диагенеза. Плотность увеличивается с глубиной от 1,4 до 2,1 г/см3, пористость уменьшается от 35 до 12%. В наиболее погруженных участках платформы на глубинах свыше 2000–2500 м, а также в краевых прогибах и периферийных областях складчатых структур выделяется «зона измененного глинистого цемента» или глубинного эпигенеза. Мощность зоны достигает 3500–4000 м. Породы этой зоны подверглись значительной эпигенетической переработке, что проявилось в перекристаллизации глинистого вещества, хлоритизации, появлении мозаично-регенерационных структур в песчаниках (регенерация-восстановление формы). Влияние гравитационного уплотнения на формирование свойств пород снижается; плотность остается, по существу, постоянной по всей зоне 2,5–2,6 г/см3, пористость в верхней части зоны достигает 12–13%, к подошве снижается до 4–5%. Следующая зона–зона раннего метаморфизма или «кварцитовидных структур и хлоритосерицитового цемента» присуща только геосинклинальной области и сложена интенсивно дислоцированными породами. В формировании отложений этой зоны решающая роль принадлежит не гравитационному уплотнению, а стрессу – одностороннему давлению. Для песчаников зоны характерна почти полная замена первичных структур кварцитовидными, глинистые породы превращены в сланцы преимущественно хлоритового и мусковитового состава. Пористость пород не меняется по разрезу (4–2%) и очень слабо отличается от предыдущей зоны. Эта зона характеризуется наличием аспидных (глинистых минералов) и филлитоподобных (метаморфизованных глин), сланцев и кварцитовидных песчаников. Первые две зоны характеризуют стадию эпигенеза, третья– переходная к региональному метаморфизму. Рассмотренные особенности зон могут быть использованы при установлении региональных закономерностей в изменении инженерно-геологических свойств пород платформенных и геосинклинальных областей. 32 Имеются данные, характеризующие влияние литификации на формирование инженерно-геологических свойств горных пород. Так в 1956 году В.Д. Ломтадзе предложил инженерно-геологическую классификацию пород с учетом степени литификации (табл. 2). Им выделено 5 групп пород: предельно малой, малой, средней, высокой и предельно высокой степени литификации и дана краткая характеристика инженерно-геологических особенностей каждой группы. Такие данные получены В.Д. Ломтадзе на основе экспериментальных исследований – моделирования природных гравитационных давлений. Таблица 2 Классификация пород по степени их литификации (по В.Д. Ломтадзе) Груп па 1 2 3 4 5 Степень литификации Предельно-малая Малая Средняя Тип породы Илы Глинистые, малоуплотненные породы и лессы, рыхлые пески и галечники Уплотненные глинистые или песчаные породы, но не сцементированные ПоВлажрисность, тость, % % Примечания Жидкая или вязкотекучая 75–80 75–80 Преобладает свободная вода. Свободно уплотняются, имеют предельно малую прочность, обладают способностью тиксотропии Вязкотекучая или пластичная 40– 80 40–80 Характерны явления ползучести. Свободная и связанная вода Пластичная или полутвердая 25– 30 40–45 Содержится только связная вода Показатель текучести ТугопластичСлабые песчаные, чаще поники, аргиллиВысокая роды обладаты слабо сцеют жесткоментированные стью Предель- Сланцевые ар- Не пластично высо- гиллиты, гли- ные, жесткие кая нистые сланцы, 4 33 5–10 12–15 4 3–4 Прочные кристаллизационноконденсационные связи Rсж=10кг/см2 Прочные кристаллизационноконденсацион- крепкие песчаники, конгломераты прочносцементированные породы ные связи Rсж=100кг/см2 Итак, к 1-й группе отнесены различные илы (супесчаные, суглинистые и глинистые, непылеватые и пылеватые). Обычно они имеют жидкую или вязкотекучую консистенцию, очень высокую пористость и влажность (75–80%). Свободная вода в илах преобладает над связанной и легко из них выжимается. Илы свободно уплотняются, имеют предельно малую прочность и обладают способностью тиксотропных превращений. II. Глинистые породы малой степени литификации имеют вязкотекучую или пластичную консистенцию, по-прежнему высокую пористость и влажность (40–80%); для них характерны явления ползучести. В эту группу входят мягкие, малоуплотненные глинистые породы и лессы. III. Третью группу составляют уплотненные разности глинистых пород, для которых характерна умеренная естественная влажность (до 25–30%) и значительная плотность (пористость не превышает 40–45%). Породы имеют пластичную и полутвердую консистенцию, содержат только связанную воду. IV. К четвертой группе отнесены породы высокой степени литификации, типичными представителями которых являются аргиллиты. Они характеризуются невысокой влажностью (до 12–15%), значительной плотностью; обладают прочными кристаллизационными связями. Породы обладают некоторой жесткостью, но иногда тугопластичны; временное сопротивление сжатию не превышает десятков кг/см2. V. К группе пород предельно высокой степени литификации отнесены сланцевые аргиллиты и некоторые глинистые сланцы. Влажность их не превышает 3–4%. Породы обладают прочными кристаллизационными связями; их временное сопротивление сжатию измеряется сотнями кг/см2. Рассмотренные выше положения подтверждаются исследованиями И.Г. Коробановой. Она изучила инженерно-геологические характеристики (бывших под водой) субаквальных глинистых пород плиоценчетвертичного возраста (N2–Q1) район Бакинского архипелага (группы островов). Ею изучен непрерывный разрез скважины, пройденной на Каспии, на глубину 1200 м, начиная от полужидких илов до уплотненных аргиллитоподобных пород. Отложения эти сформировались в процессе гравитационного уплотнения в условиях непрерывающегося опус34 кания. По показателям физического состояния и физико-механических свойств ею выделяются 4 зоны литификации (табл. 3). Таблица 3 Зоны литификации района Бакинского архипелага (по И.Г. Коробановой) Зона литифи кации Глубина мощность, м 1 0–7,8 2 7–8 70–80 3 70–90 550–600 4 550–600 До 1200 Характеристика породы Rсж кг/см 2 Консист q.е. Высокая гидротирован-ность, рых0 1 лое сложение, слабое сцепление Полужидкий ил Много свободной воды, среднеплот0,55– 5 ные, мягкопла0,27 стичные Тугопластичные, близки к сильно35 0 уплотненным Сильно дегидро0 тированы и уплот60 (твернены дая) Аргиллитоподобная глина Коэф. уплот н q.е. Порист % Влаж н % 0 49–43 46–26 0,41 0.,47 48–38 32–21 1 43–35 26–17 1 20 18–8 При довольно однородном составе пород ведущим процессом, формирующим физико-механические свойства пород, является цементация, обезвоживание и гравитационное уплотнение при нисходящих тектонических движениях. Ниже дадим характеристику выделенных зон. I. Осадки высокой гидратированности, рыхлой структуры. Прочность их близка к нулю (0,09–1,4 кг/см2), пористость 49–43%. Влажность в верхних слоях достигает 46%, к подошве снижаясь до 26%. II. Породы мягкопластичные, содержат еще большее количество свободной воды. Влажность 32–21%, пористость 48–38% (высокая). III. Породы тугопластичной консистенции, на грани перехода к сильноуплотненному состоянию. Структурные связи значительно упрочнены. Сопротивление одноосному сжатию 35 кг/см2. Влажность резко снижается (26–17%), хотя пористость остается значительной (43– 35%). 35 IV. Твердые глинистые породы, прочность которых составляет 60 кг/см2, влажность резко снижается (от 18 до 8%), пористость снижается до 20%. На основе приведенных данных можно сделать следующие выводы по механизму литификации. Свежее сформировавшиеся субаквальные глинистые осадки являются сложными органоминеральными дисперсными системами. Они рыхлые, сильно обводненные, неустойчивые, погребенные под новые слои осадков претерпевают сложные изменения. Главнейшими факторами литификации глинистых пород являются цементация, дегидротация и уплотнение. В глинистых осадках, по И.М. Горьковой, с момента их аккумуляции начинают формироваться структурные связи. В илах происходит коллоидно-химический процесс формирования структурной сетки (застудневание). На глубине первых метров осадок активно дегидратируется уплотняется с отделением большого количества свободной воды (стадия свободного уплотнения по В.Д. Ломтадзе). Соотношение и свойства осадков, по мнению И.М. Горьковой, определяются процессами старения и синерезиса коллоидов. Гравитационное уплотнение имеет подчиненное значение. Рассматриваемая зона соответствует стадии раннего диагенеза. Мощность ее в данном случае 7–8 м. На второй стадии формирования свойств пород процессы дегидратации и уплотнения протекают менее интенсивно и с глубиной затухают. В пределах этого интервала, отвечающего, по В.Д. Ломтадзе, стадии замедленного уплотнения, выделяются три этапа упрочнения пород, отвечающих отмеченным выше III, IV и V зонам литификации. Породы III зоны литификации являются уже сформировавшимися, хотя и мало прочными. В их дегидротации и уплотнении значительная роль принадлежит уже процессам гравитационного уплотнения. В IV зоне породы приобретают высокую прочность, видимо, обусловленную процессами цементации, за счет выпавших в осадок воднорастворимых солей. На глубине свыше 550–600 м. (в пределах зоны литификации) вся вода в глинистых породах находится в связанном состоянии. Породы обладают весьма высокой прочностью, которая в значительной степени обусловлена развитием конденсационных структур в результате процессов цементации. Процессам гравитационного уплотнения принадлежит ведущая роль в формировании прочностных свойств горных пород на стадии диагенеза. Последующая жизнь горной породы подчиняется тектоническим процессам, складкообразованию, в результате которого породе передаются давления в десятки раз превышающие гравитационное. 36 Установлено, что под влиянием тектонических движений значительно усиливается уплотнение осадочных горных пород. В.Н. Приклонский отмечал, что плотность одновозрастных пород платформ и складчатых областей резко различна. В.Д. Ломтадзе приводит следующие данные – плотность меловых глинистых пород Поволжья 1,36–1,78 г/см2, а так же пород (плотных аргиллитов) Крымской зоны альпийской складчатости 2,32–2,54 г/см2; юрских глин Москвы и Поволжья составляют 1,32–1,40 г/см2, а одновозрастных пород Прикаспийской впадины 1,70–1,72 г/см2. На основании имеющихся к настоящему времени исследований установлено, что на процессы диагенеза и эпигенеза отражаются региональные особенности истории развития и современной структуры той или иной территории. Это является основой для установления закономерностей в изменении инженерно-геологических свойств пород в процессе литогенеза. Влияние тектонических процессов на формирование инженерногеологических свойств пород в настоящее время изучено еще слабо. Они имеют немаловажное значение при разработке многих теоретических вопросов РИГ. Не зная закономерностей изменения инженерногеологических свойств пород в земной коре невозможно типизировать ИГУ территории. Г.А. Голодковской на примере исследований прочности пород в ряде регионов Восточной Сибири показано, что существует определенная зависимость между инженерно-геологическими характеристиками горных пород и принадлежностью их к тому или иному крупному элементу земной коры. Одновозрастные, однотипные в литологическом отношении породы разных геологических структур имеют существенно различные свойства. Степень и характер этих различий определяются спецификой развития и современной структурой отдельных регионов. Г.А. Голодковской анализируется природа прочности пород на примере тектонического развития юго-западной части Сибирской платформы и Тувинского прогиба. Анализ сделан исходя из того, что тектоническая жизнь этого участка земли на разных этапах геологической истории отразилась на степени дислоцированности, метаморфизма и литогенеза пород, т.е. на их инженерно-геологических свойствах. Сибирская платформа, как известно, имеет двухъярусное строение. Нижний, структурный ярус слагают сложнодислоцированные и глубокометаморфизованные породы архея и протерозоя, образующие фундамент платформы и выходящие на поверхность в пределах щитов и краевых структур. 37 Верхний структурный ярус сложен породами от рифея до четвертичного возраста. Этот ярус разделяется на ряд этажей, соответствующих определенным этапам осадконакопления и формирования тектонических структур: 1. Синийские породы – смяты в крутые антиклинальные складки. 2. Нижний кембрий – породы этого возраста выполняют АнгароКанский прогиб, дислоцированы в крупные пологие антиклинали и синклинали. 3. Породы верхнего кембрия, ордовика, силура и девона отделены от подстилающих региональным несогласием и дислоцированы слабо. Залегают в виде моноклиналей с углами наклона слоев до 20оС. 4. Верхнекаменноугольные, пермские, триасовые отложения залегают очень спокойно с углами слоев, не превышающих 10оС. 5. Мезо-кайнозойские породы, выполняющие наложенные впадины и залегающие горизонтально. Породы каждого структурного этажа достигли разной степени литификации и метаморфизма, что нашло свое отражение в их свойствах (табл. 4). Таблица 4 Прочность пород юго-западной части Сибирской платформы (по Г.А. Голодковской) Структурный этаж Рифейский Нижне-кембрийский Степень литификации по В.Д. Ломтадзе Слабый региональный метаморфизм. Кварцевые песчаники, филлиты, филитизированные сланцы Предельно высокая – прочносцементированные песчаники, конгломераты и сланцевые аргиллиты Верхнекембрийский– То же девонский Каменноугольный– Высокая – слабосцементированпермский ные песчаники и аргиллиты Средняя – плотные пески, алевМезозойский (юра) ролиты, уплотненные глины Кайнозойский (паМалая – пластичные, мягкие леоген-неоген) глины, рыхлые пески 38 Прочность пород Rсж кг/см2 Кварцевые Глинистые песчаники породы 1500–2000 400 570–680 200 400–550 100 70–80 100 20–30 до 10–15 15–20 – 8–10 Из таблицы видно, что для рассматриваемого региона типично последовательное уменьшение степени литификации и метаморфизма пород и их прочности от нижних структурных этажей к верхним. С этим связана общая направленность тектонических структур, последовательно уменьшается интенсивность складкообразовательных процессов от протерозоя к кайнозою. Тувинский прогиб в тектоническом развитии неоднороден. Выделяются три главнейшие этапа: ордовик–силур, девон–карбон, юра. Каждый этап характеризуется складчатостью разной интенсивности. Для изучения физико-механических свойств пород отобраны образцы песчаников из различных структурных зон прогиба: Восточный Танну-Ольский антиклинорий, Кызыльская мульда. Таблица 5 Показатели свойств песчаников Тувинского прогиба Структура ВосточноТаннуОльский антиклинорий Кызыльская мульда Возраст Юра Девон Характеристика пород Кварцевые среднезернистые с карбонатным и кварцевокарбонатным цементом. Полимиктовые, преобладают плагиоклазы, цемент карбонатный, местами серицитизированный. Кварцевые разнозернистые, с карбонатным цементом. Плотность, г/см3 Пористость, % Сопрот. сжатию Rсм кг/см2 2,65–2,70 1,5–2 650– 850 2,5–2,7 2–2,5 1100– 1300 2,3–2,5 1,5–2 450– 500 Данные табл. 5 указывают на зависимость прочности пород от особенностей тектоники Тувинского прогиба. При наличии сходства в минералогическом составе песчаников, их структуре, составе цемента, а также пористости и плотности, обращают на себя внимание большие различия в прочности. Более низкая прочность песчаников девона в сравнении с юрскими может быть объяснена тем, что палеозойская складчатость в этом районе проявилась слабо. Поэтому прочность песчаников девона целиком обусловлена составом и строением их цемента. Высокая прочность песчаников юры Тану-Ольского антиклинория связана, видимо, с дислокационным ме39 таморфизмом (без участия магмы), начальной его стадией. На это указывает серицитовый цемент. Песчаники Кызыльской мульды испытали слабую послеюрскую складчатость, не оказавшую существенного влияния на их текстуру и характер цементации. Прочность их близка прочности слабосцементированных девонских песчаников. Если сравнить прочность одновозрастных (юрских) пород Тувинского прогиба и Сибирской платформы (табл. 4), можно увидеть, что решающую роль в формировании физико-механических свойств пород играет тектонический режим. Спокойно залегающие юрские песчаники платформы имеют прочность в десятки и даже сотни раз ниже, чем одновозрастные песчаники Тувинской складчатой области. Соответственно различна и степень литификации. Таким образом, приведенный фактический материал свидетельствует о том, что выявление закономерностей размещения в земной коре комплексов геологических пород, обладающих сходными физикомеханическими свойствами, возможно только при учете тектонической обстановки формирования этих пород на всех этапах развития земной коры в том или ином регионе. 4.3. Геологические формации и их инженерно-геологическое значение Формация – (formatio – образование) – это естественный комплекс парагенетически связанных друг с другом горных пород, которые характеризуются единством условий образования, пространственного распространения, возраста и формированием в определенную тектоническую эпоху. Признаков, по которым могут быть выделены геологические формации, очень много: генезис, вещественный состав, географическая обстановка, степень метаморфизма, условия образования и т.д. По названию формаций можно судить об особенностях и условиях их образования, например: флиш, молассы, эвапориты, угленосные, ледниковые и другие формации. Учение о формациях создано геологами с целью понять закономерности развития земной коры, а в связи с этим – закономерности распределения в ней полезных ископаемых. Исходной позицией при этом абсолютное большинство ученых считает тектонический режим, так как он в значительной степени обусловливает характер исходного материала, длительность его переноса и характер окаменения, а также особенности строения и мощность осадочных толщ. В соответствии с тектоническим режимом формируются определенные комплексы пород – формации. 40 Основоположником применения учения о формациях в инженерной геологии является И.В. Попов. Он считает, что одной из важных проблем современной инженерной геологии является проблема связи характера пород, обладающих определенными физико-механическими свойствами, с закономерностями их распространения в земной коре. Связь эта обусловливается ходом истории развития земной коры и Земли в целом. Наиболее полно и разносторонне эта проблема разработана в учении о формациях. В этом учении рассматривается связь осадкообразования с геотектонической жизнью земной коры и климатическими условиями (палеогеография). Наиболее крупными учеными, разработавшими учение о формациях, в нашей стране являются Н.С. Шатский, В.В. Белоусов, В.Е. Хаин, Л.Б. Рухин, Н.М. Страхов и др. Большинство исследователей под формациями понимают вполне определенные фациально-тектонические комплексы пород, выделенные по совокупности литологических, геотектонических и палеоклиматических признаков. Н.С. Шатский дал такое определение формации: «формациями мы называем такие естественно выделяемые комплексы пород, отдельные члены (слои, толщи, фации и т.д.) которых тесно парагенетически связаны друг с другом как в вертикальном, возрастном отношении, так и в горизонтальном пространственном отношении». Формация, прежде всего понятие тектоническое или общегеологическое, так как формации прежде всего связаны с определенными тектоническими формами». Позже Н.С. Шатский развил это определение: «Характер формаций определяется несколькими факторами, главнейшими из которых являются тектонические процессы и движения, выраженные в рельефе и вулканизме, и следовательно, в мощности слоистых образований, в их составе, структуре, текстуре и т.д. Вторым фактором надо считать климат. Косвенным образом, также связанным с тектоникой и являющийся одним из главнейшим условий образования различных типов формаций; наконец, свойства формаций определяются также возрастом, временем их образования, что связано с общим развитием земной коры. В.В. Белоусов под осадочными формациями понимает «комплекс осадочных толщ, соответствующих определенной стадии геотектонического цикла», подчеркивая, что «каждая осадочная формация отвечает определенной стадии геотектонического цикла в определенной тектонической зоне». В геосинклинальных областях он различает четыре группы формаций: а) доинверсионную, к которой относятся нижняя терригенная и известняковая; б) краевых прогибов, включая флишевую и каустобиоли41 товую формации; в) межгорных и передовых прогибов, содержащую лагунную и молассовую формации и г) внутренних впадин. Н.М. Страхов осадочными формациями называет «ландшафтнотектонические сообщества пород». В отличие от взглядов Н.С. Шатского и В.В. Белоусова этот ученый считает, что решающее значение в формировании формаций имеет палеогеографическая обстановка, которая определяет тип осадочного процесса. Н.М. Страхов указывает: «два условия необходимы и вместе достаточны для возникновения формаций: 1) длительное сохранение на более или менее значительном участке земной коры однотипного в плане тектонического режима и 2) длительное поддержание в областях седиментации однотипных ландшафтно-климатических условий». Л.Б. Рухин в своих работах подчеркивает роль тектонического режима осадочного преобразования. Он впервые описал основные формации платформенных, геосинклинальных и переходных областей. В работе «Тектонические типы осадочных пород» Л.Б. Рухин отмечал, что роль тектонического режима обусловливает: 1) характер исходного материала; 2) длительность его переноса и переотложения до окончательного захоронения; 3) характер окаменения. Кроме того, тектонический режим оказывает свое влияние на характер строения и на мощность тектонических тощ. Вторым классификационным признаком, по мнению Л.Б. Рухина, должен быть климат. Таким образом, под формациями большинство исследователей понимают вполне определенные фациально-тектонические комплексы отложений, выделенные по совокупности литологических, геотектонических и палеогеографических признаков. Развитие учения о формациях в инженерной геологии должно идти по пути реально существующих естественно-обособляющихся комплексов пород, познания их внутренней структуры и инженерногеологического своеобразия. При изучении и выделении формаций для инженерно-геологических целей очень важно иметь не только первичный их состав, но более важно знать изменения, которые претерпели формациеобразующие породы в последующие этапы геологического развития, т.е. современный петрографический характер (состав, структура, текстура). Для последовательного изучения свойств пород разработано множество инженерно-геологических классификаций. Для инженерно-геологических целей И.В.Попов создал региональную классификацию горных пород, в основу которой положены общие представления Н.С. Шатского о трех группах литолого-мине42 ральных образований: формация–литолого-генетический комплекс– горная порода. В классификации И.В. Попова формация делится на составные части: формация–геолого–генетический комплекс–петрографический или литологический тип–инженерно-геологический или строительный вид–инженерно-геологическая или строительная разновидность–инженерно-геологические группы. Эта классификация свидетельствует о возможности сохранения формационного принципа на разных стадиях инженерно-геологического изучения территории. При классификации формаций ученые исходят из того, что формации образуют определенные ряды, парагенетически связанные между собой и отражающие развитие наиболее крупных структур. Поэтому целесообразно разделить формации на 3 класса: геосинклинальные, платформенные и переходные (орогенные). Такое деление предложено, в частности, Н.П. Херасковым. Используя накопленный, в настоящее время опыт, Г.А. Голодковская разработала схему классификации формаций для инженерногеологических целей (табл. 6), а также отметила наиболее важные особенности основных классов формаций, учитываемые при их инженерногеологической оценке (табл. 7). При этом автор руководствовался тем, что формация – это крупные палеофациальные комплексы пород, состоящие из генетических типов, отражающих конкретные процессы и условия их образования, а следовательно, их инженерно-геологические свойства. В качестве основной, наиболее крупной единицы, в соответствии с классификацией Н.П. Хераскова, принят класс (табл. 6, 7). Для платформенных формаций характерно спокойное залегание, закономерное изменение инженерно-геологических свойств осадочных пород с глубиной и от прибрежных зон к глубоководным. Геосинклинальные формации накапливаются в условиях общего интенсивного погружения, поэтому имеют громадные мощности, главным образом, морской генезис, породы интенсивно дислоцированы и имеют прочность значительно выше пород, сформировавшихся в платформенных условиях. Орогенные формации образуются в результате горообразовательных процессов. По строению и составу они являются переходными от геосинклинальных формаций к платформенным. В зависимости от интенсивности тектонических движений они могут приобретать черты сходства то с геосинклинальными, то с платформенными признаками. Главная характерная черта орогенных толщ – чрезвычайная их неоднородность, являющаяся результатом горообразовательных процессов на этой, завершающей стадии геотектонического цикла. 43 Внутри каждого класса Г.А. Голодковская выделяет группы формаций в соответствии с основными генетическими группами пород (осадочные, магматические, метаморфические). Каждая группа подразделяется на литологические типы. Например, для группы осадочных формаций платформы: терригенные, терригенно-карбонатные, карбонатные. Таблица 6 Схема инженерно-геологической классификации формаций (по Г.А. Голодковской) Классы формаций (выделяются по характеру тектонического режима формирования) Платформенные Группы формаций (выделяются внутри каждого класса в соответствии с основными генетическими группами пород) Осадочные Литологические типы формаций (выделяются внутри групп) Инженерногеологические виды формации (выделяются внутри типов по степени литификации) Терригенные Терригеннокарбонатные Слабо литифицированные Средне литифицированные Сильно литифицированные Карбонатные Магматические Осадочные Магматические Геосинклинальные Метаморфические Базальтовые Терригенные Терригеннокарбонатные Флишевые (глубоководные) Спилитокератофировые (туфогенные) Порфиритовые Гранитовые Габбродиоритовые Гипербазитовые Глинистосланцевые Зеленосланцевые Зеленокаменные Эффузивные Графитомраморные 44 Сильнолитифицированные Слабо метаморфизованные Слабометаморфизованные Среднеметаморфизованные Сильно метаморфизованные Осадочные Орогенные (переходные) Магматические Гнейсокварцитовые Молассовые Угленосные Сульфатодоломитовые Соленосные Покровноледниковые Лессовые Андезитобазальтовые Колассоиднопорфиритовые Липаритдацитовые Слабо литифицированные Таблица 7 Главнейшие особенности основных классов формаций, учитываемые при их инженерно-геологической оценке Платформенные Преобладают комплексы открытого мелкого моря Геосинклинальные Преобладают комплексы морского, часто глубоководного генезиса Большие мощности, порядка сотен и тысяч метров. Орогенные Преобладают континентальные толщи Весьма изменчивая мощНебольшие мощности, поность от первых десятков до рядка первых сотен метров тысяч метров Особенно велико влияние климата на формирование Почти горизонтальное залетолщ; присутгание; зоны нарушений ред- Сложная дислоцированность осадочных ствие минералов с особыми кие, локальные свойствами (гипсов, окислов Fe и органические вещества) Типичные толщи сложного Характерны ритПреобладание в разрезе 2–3 состава. мичность, флиш, парагенезы Блоковый характер дислотипов пород. Выдержаносадочных пород с эттузив- каций, весьма неравномерность слоев пачек на больными; быстрая изменчиных ших площадях. вость состава и мощность пород по латерали Хорошая сортировка терриЧрезвычайная неоднородгенного материала; пески Слабая сортировка терриность строения и состава. преимущественно кварцевые; генного материала. Часто Типичны молассы и моласглины гидрослюдистые и ка- аркозовые и гроувакковые формации. Хараколинитовые; характерны гла- породы, глины пестрого ми- соидные терно преобладание песчауконитовые-кварцевые и нералогического состава ных, грубообломочных и кремнисто-опоковые комлессовых пород плексы Широкое распространение Изверженные породы отВулканогенные комплексы вулканогенных формаций сутствуют или имеют спеназемных излияний; часто состава. цифический характер (трап- разнообразного самостоятельные Многообразие интрузивных образуют повая формация). формации. формаций. Отсутствие метаморфизоРегиональное проявление Региональное проявление 45 ванности. Эпигенетическая изменчивость в верхних горизонтах слабая и средняя. Выдержанность свойств пород на больших площадях и закономерное изменение их по глубине Прочность ниже, а сжимаемость выше, чем у аналогичных одновозрастных формаций геосинклинальных областей метаморфизма различной степени. Наибольшая изменчивость свойств вкрест простирания структур Повышенная прочность и практически несжимаемость по сравнению с платформенными формациями метаморфизма отсутствует, контактовый метаморфизм встречается. Большая изменчивость свойств в связи со сложностью тектонического плана орогенеза (создающие горы тектонического движения) Весьма изменчива прочность. Часто встречаются прослои, пачки с неудовлетворительными инженерногеологическими свойствами Литологические типы подразделяются на инженерно-геологические виды по степени литификации и метаморфизма. Эта классификация пока еще несовершенна, но и в таком виде она отражает зависимость между прочностными показателями свойств пород и основными этапами их геологической истории. Эта зависимость обусловлена тем, что прочность пород, слагающих формации, определяется структурно-тектоническими особенностями региона. Но при этом немаловажную роль играет также возраст пород, который должен обязательно учитываться при дальнейшем разделении пород того или иного региона. В зависимости от структурно-тектонических особенностей региона и от возраста, формации, принадлежности одному типу, могут коренным образом различаться по своим инженерно-геологическим свойствам. Например, на Сибирской платформе широко распространены однотипные осадочные формации, породы которых имеют совершенно различные свойства в зависимости от возраста. Так красноцветные формации девона представлены крепкими песчаниками и алевролитами, плотность которых составляет 2,1–2,5 г/см3 при пористости 6–8%, а прочность превышает 500–600 кг/см2. Плотные глины и слабосцементированные песчаники верхнего мела, принадлежащие к красноцветной формации, имеют прочность 4060 кг/см2 при пористости до 20%. Другим примером является мезозойская угленосная формация. Она широко распространена в Канской впадине Сибирской платформы, Назаровской впадине Минусинского прогиба и в Чулымо-Енисейском районе Западно-Сибирской плиты. Строение, состав и состояние пород мезозойской угленосной формации сходно во всех перечисленных структурах. Это можно объяснить тем, что на территории Сибирской платформы и Алтае-Саянской области начиная с середины палеозоя 46 установился преимущественно орогенный режим, условия литификации пород оказались сходными. Примеры показывают, что отнесение геологических формаций к определенному структурному этажу (возрасту) позволяет наиболее полно вскрыть закономерности формирования инженерно-геологических особенностей отдельны комплексов пород в пределах той или иной тектонической зоны. Примеры показывают также, что наряду с общими классификациями в инженерной геологии должны разрабатываться региональные классификации формаций, опирающиеся на региональные инженерно-геологические классификации горных пород. Изучение и анализ формаций в инженерной геологии позволяет наиболее полно вскрыть закономерности распределения в земной коре комплексов пород с определенными инженерно-геологическими свойствами. В соответствии с использованием принципа учения о формациях, институтом ВСЕГИНГЕО разработаны методические указания по составлению инженерно-геологических карт под редакцией М.В. Чуринова и составлена инженерно-геологическая карта Западно-Сибирской плиты масштаба 1:1500000. На инженерно-геологической карте особо выделяются формации четвертичных отложений. При выделении формаций четвертичных отложений ведущую роль приобретают ландшафтно-географические условия формирования пород, новейшая тектоника, геоморфология, климат и оледенения. Следовательно: формации четвертичных отложений – это осадконахождение фациально связанных генетических типов и слагающих их геолого-генетических комплексов горных пород, которые характеризуются общими ландшафтно-географическими условиями формирования, тесно связанными с новейшими тектоническими движениями, климатом, оледенениями. Состав формаций также определяется тем, сформированным на платформе сглаженным рельефом или в горноскладчатых орогенных областях в условиях резкого разновысокого рельефа. Формации четвертичных отложений отражают физикогеогра-фические условия (обстановку) формирования территории. Все вышеотмеченное позволяет установить состав, состояние и свойства пород, слагающих генетические типы, а также физико-геологические процессы, возможные водоносные горизонты, т.е. те основные факторы, которые дают представление о возможных особенностях инженерно-геологических условий, с которыми придется встретиться при строительстве. На инженерно-геологической карте СССР дано все разнообразие формаций четвертичных отложений, краткое описание которых приводится ниже. 47 Формации морских бореальных (северных) трансгрессий – представлены генетическими типами морских и ледниковых отложений. Состав: глины, пески, галечники; реже валуны. В пределах развития формации развиты современные геологические процессы: заболачивание, термокарст, наледи, пучение, абразия, оползни. Подземные воды пресные и ультрапресные залегают вблизи от дневной поверхности до глубины 10 м, обладают местными напорами. Формации морских трансгрессий Арало-Каспия (внутреннего моря). Они представлены следующими генетическими типами: морским и аллювиально-морским. Их состав: пески, глины, галечники-конгломераты, песчаники, известняки. Для этих комплексов пород характерны физико-геологические процессы: абразия, образование береговых валов из галечников, карст в карбонатных породах, оползни, засоление, развевание и движение песков. Подземные воды минерализованные с местным напором, обладают сульфатной агрессивностью. Глубина залегания – до 10 м. Ледниковые формации (материкового оледенения). Генетические типы отложений – моренный, флювиогляциальный, озерно-гляциальный. В пределах этой формации развиты: заболачивание, оползни, солифлюкция. Подземные воды залегают на глубинах до 10 м, имеют местный напор, неагрессивные, пресные. Формация внеледниковая распространена за пределами границ материкового оледенения. Слагают эту формацию геолого-генетические комплексы: аллювиально-делювиальный, делювиальный, озерно-делювиальный, реже субаэральный, эоловый и пр. Эти комплексы состоят из песков, галечников, глин, лессовидных суглинков, торфов. Здесь развиты физико-геологические процессы: оползни, заболачивание, просадки, оврагообразование, пучение, наледи, термокарст. Подземные воды здесь могут быть пресные и минерализованные, залегают на разных глубинах, чаще до 10 м. Формации полупустынь и пустынь (Средняя Азия). Представлены эоловыми, озерно-аллювиальными генетическими типами. Эти типы слагаются породами: пески, суглинки, глины, щебень, галька. Физико-геологические процессы, развитые в пределах этой формации: развевание, выдувание, движение песков, засоление, образование такыров, выветривание и т.д. Подземные воды залегают на глубине от 0 до 10 м и ниже, преобладает сульфатная агрессивность. Формация мелкосопочника (Казахстан). Составлена генетическими типами аллювиально-делювиальных и аллювиально-пролювиальных отложений (глины, суглинки, щебень, песок). Физико-геологические явления: выветривание с образованием гли48 нистой и обломочной коры. Подземные воды из-за пересеченности местности залегают на глубинах свыше 10 м, имеют сульфатную агрессивность. Формация предгорных равнин и межгорных впадин. Распространена по периферии и внутри горно-складчатых областей. На этих территориях наибольшее значение имеют пролювиальные, аллювиально-пролювиальные, озерно-аллювиальные, делювиально-пролювиальные генетические типы. Кроме того, встречаются гляциальные, эоловые, озерные, аллювиальные и прочие отложения. Судя по генетическим типам, здесь могут быть и глины, и пески, и щебень, галька, валуны и лессовидные суглинки. В пределах данной формации развиты такие Физико-геологические процессы как сели, курумы, засоление, солифлюкция, пучение, термокарст, наледи. Подземные воды пресные и минерализованные, с местными напорами, залегают на разных глубинах, чаще до 10 м. Формация горных плато и склонов представлена следующими генетическими типами: аллювиально-пролювиальные, гравитационные, элювиальные, элювиально-делювиальные, делювиально-пролювиальные, гляциальные (горные оледенения), озерные и т.д. Состав пород: суглинки, глины, пески, галечники, щебень, глыбы и т.д. В пределах этих формаций развиты обвалы, осыпи, курумы, сели, выветривание, ледники, снежные лавины, солифлюкция, пучение, наледи, термокарст. Подземные воды пресные, на плато безнапорные, на склонах и в предгорьях с местным напором. Глубина залегания различная. Формация горного оледенения распространена в высокогорных областях и представлена генетическими типами гляциальных (морена), флювиогляциальных и озерно-гляциальных отложений: суглинки, щебень, валуны, глыбы, песок, галька. В пределах этой формации развиты ледники, снежные лавины, солифлюкция. Подземные воды пресные, с местным напором, залегают спорадически. Формация речных долин очень широко распространена. Представлена следующими генетическими типами: аллювиальным, озерноаллювиальным, болотным. Речные долины пересекают иногда несколько климатических зон. Например, Обь–зону тундры с вечной мерзлотой, зону тайги, зону лесостепи и степи. В соответствии с этим физикогеологические явления в разных зонах будут различные: солифлюкция, термокарст, пучение, наледи, оползни, заболачивание, оврагообразование и т.д. Подземные воды залегают на разных глубинах от 1 до 10 м. чаще всего воды пресные. 49 4.4. Основные геологические структуры и их инженерногеологические особенности Горные породы и их инженерно-геологические особенности являются главным объектом изучения при изысканиях под все виды инженерных сооружений. Горными породами во многом определяются условия обводненности, своеобразие рельефа, интенсивности современных геологических процессов. Размещение в земной коре горных пород определенного инженерно-геологического облика контролируется структурно-геологическими особенностями того или иного региона. Основными структурными элементами земной коры, по современным представлениям, являются геосинклинали и платформы. Переходными между ними структурами являются орогены. Геосинклиналь – область длительных и больших опусканий и одновременного с ними накопления громадных толщ осадочных и эффузивных образований. Обилие поступающего в геосинклиналь обломочного материала, интенсивный магматизм и определенный режим колебательных движений обуславливает образование в геосинклиналях специфических формаций: вулканогенно-осадочной (спилито-кератофировой), джеспилитовой, яшмовой, глинисто-сланцевой и граувакковой, флишевой и молассовой (тонкозернистые известковистые илы). В развитии геосинклинали различают два крупных этапа: главный или собственно геосинклинальный и заключительный или орогенный. Первый характеризуется интенсивными нисходящими движениями; геосинклиналь представляет углубляющийся морской бассейн, в котором накапливаются эффузивно-осадочные толщи большой мощности (до 15–20 км). Образуются эффузивные спилито-кератофировые формации, парагенетически связанные с ультраосновными и габброидными интрузиями. Второй этап характеризуется сильными восходящими движениями, в связи с чем море отступает и на месте геосинклинали образуется архипелаг, превращающийся в дальнейшем в крупные скалистые участки суши. Одновременно, в результате фаз складчатости и магматической деятельности породы снимаются в складки и пронизываются гранитными интрузиями. Породы теряют эластичность, растрескиваются, по трещинам изливается магма. На месте геосинклинали образуется складчатая область, в пределах которой возникают активные процессы денудации. Постепенно горные сооружения разрушаются, участок земной коры превращается в платформу. 50 Платформа–это большая складчатая область, уплотнившаяся настолько, что лежащие на ней осадочные толщи (платформенный чехол) не подвергаются или почти не подвергаются складкообразованию. Эти толщи залегают почти горизонтально или реже собраны в большие, чаще пологие складки. Породы не метаморфизованы, мощность их значительно меньше, чем в геосинклиналях. Отличительным признаком этих толщ служит отсутствие гранитных интрузивных массивов. Специфика условий формирования распространенных структур определяет их инженерно-геологические особенности. Эти особенности описаны Г.А. Голодковской (табл. 8). 51 Таблица8 Основные инженерно-геологические особенности главнейших тектонических структур Платформенные области Инженерногеологи-ческие особенности Геологическое строение Складчатые области Щиты Антиклизы и синеклизы древних платформ Молодые платформы Синклинории и антиклинории Внутренние и краевые прогибы Высокопрочные магматические и метаморфические породы докембрийского возраста Среднелитифицированные породы осадочного чехла с неудовлетворительными несущими свойствами Слаболитифицированные песчано-глинистые породы КZ возраста с низкими несущими свойствами Прочные осадочные, вулканогенные и интрузивные породы в различной степени метаморфизованные Разрывная тектоника, мощные зоны раздробленных пород вдоль региональных разломов Карбонатнотерригенные, сульфатно-доломитовые и соленосные толщи различной прочности Практически горизонтальное залегание, локальная складчатость высоких порядков Горизонтальное залегание, выдержанность фаций на больших площадях Складчатые дислокации, осложненные разрывными нарушениями Весьма неравномерная дислоцированность Пластово-поровые воды, образующие сложнопостроенные водоносные комплексы. Высоконапорные воды неглубокого залегания Поровый тип водопроницаемости. Выдержанность водоносных горизонтов, часто агрессивность вод Пластовые и пластово-трещинные воды. Весьма пестрая обводненность Пластовые и пластово-поровые и пластово-трещинные воды, высоконапорные, часто засоленные, агрессивные Склоновый карст; повышенная сейсмичность, локальКарст, часто соляная выветрелость по ной и сульфатный отдельным прослоям, пластам и разломам Обводненность Воды трещиноватого типа. Высокая обводненность приразломных зон Современные геологические процессы Избирательное линейное выветривание на большие глубины. Обвалы, осыпи на склонах Крупные оползни – блоки, карст карбонатный Суффозия, заболачивание, засоление, оползни оплывины Явления при строительстве Повышение горного давления, вывалы в приразломных зонах Прорыв плывунов, деформации откосов, значительные водопритоки Низкая несущая способность. Высокая пористость и сжимаемость, выпар при разгрузке и набухании Обвалы, осыпи в откосах; высокие водопритоки в закарстованных массивах Платформы. При инженерно-геологической характеристике платформ необходимо подчеркнуть, что породы складчатого фундамента залегают, как правило, глубоко и не влияют на оценку ИГУ территории. Лишь в пределах щитов породы фундамента выступают на дневную поверхность и являются объектом инженерной деятельности человека. Инженерно-геологические условия платформенных щитов определяются тем, что породы, их слагающие, отличаются высокой прочностью. Щиты сложены породами геосинклинальных формаций докембрийского возраста. Они претерпели длительный и глубокий региональный метаморфизм и представлены гнейсами, гранитогнейсами, кварцитами, кристаллическими сланцами. Прочность этих пород в ненарушенном состоянии достаточна для возведения сооружений любого типа. Основными факторами, снижающими прочность массивов докембрийских пород, является их раздробленность и трещиноватость. Для всех щитов характерно широкое развитие региональных разрывных нарушений, имеющих определенную (часто С-В, С-З) ориентировку. Нарушения сопровождаются зонами тектонитов и повышенно-трещиноватых пород, мощностью до нескольких километров. Помимо основных, региональных разломов, широко развиты разрывные дислокации более мелкие, локальные. При строительстве на таких участках возможны обрушения в откосах, повышение горного давления, вывалы горных пород в горных выработках, тоннелях, пройденных в выветрелых и трещиноватых породах. Выявление ослабленных зон, изучение их размеров и состояния пород в сфере их влияния, являются главной задачей инженерногеологических исследований на территории щитов. Решающее значение разрывная тектоника имеет и в формировании гидрогеологических условий щитов. Для них типичны воды трещинного типа. Зоны разломов, как правило, повышенно обводнены, являются путями сосредоточенной фильтрации подземных вод. Проходка в них подземных горных выработок, карьеров и строительных котлованов может сопровождаться значительными водопритоками (табл. 8). 4.5. Инженерно-геологическая характеристика осадочного чехла древних платформ В осадочном чехле древних платформ в антиклинальных структурах преобладают палеозойские породы, а в синклинальных (синеклизах) – мезозойские. Песчано-глинистые комплексы тех и других представлены уплотненными разностями: плотными часто аргиллитоподобными глинами, плотными сцементированными песками. Широко распространены карбонатные породы – мергели и известняки. Эти породы с удовлетворительными основаниями для всех ныне существующих инженерных сооружений. В то же время необходимо отметить, что глинистые породы склонны к быстрому разуплотнению, легко теряют свою прочность и становятся совершенно неустойчивыми в откосах выемок и на природных склонах. Аргиллиты и алевролиты кембрийского, карбонового возраста Сибирской платформы под воздействием сезонного промерзания–оттаивания, а также под действием подземных вод превращаются в текучие глины, способствуя формированию оползней в долинах рек Ангары, Лены, Енисея. В карбонатных породах палеозойского чехла интенсивно развиваются карстовые процессы. Гидрогеологические условия молодых платформ (плит) определяются развитием молодых кайнозойских отложений значительной мощности. Основной инженерно-геологической особенностью этих пород является незавершенность процесса литогенеза. Песчаные породы обладают высокой пористостью; глины пластичные, сжимаемые и сильносжимаемые, часто набухающие. Гидрогеологические условия верхнего яруса пород, слагающих молодые платформы, характеризуются наличием поровых вод. Водоносные песчаные горизонты чередуются с практически водоупорными глинами. В таких условиях возможны следующие инженерно-геологические процессы: в глубоких строительных котлованах – выпор основания в результате набухания и разгрузки глин; суффозия и оплывание песчаных откосов; оползни. Высокая сжимаемость пород ограничивает допустимые на них нагрузки. Инженерно-геологические условия складчатых областей существенно отличаются от платформенных. Складчатые сооружения сложены комплексами пород геосинклинальных формаций, сложнодислоци-рованных и метаморфизованных. В них обычно выделяется несколько структурных этажей, соответствующих этапам развития геосинклинали. Каждый структурный этаж сложен определенной группой формаций, породы которых в разной степени упрочнены или нарушены. Ядра антиклинориев сложены породами нижних структурных этажей, претерпевших большой метаморфизм. Синклинальные прогибы выполнены менее метаморфизованными толщами пород верхних структурных этажей. Различны и условия обводненности синклинальных и антиклинальных структур. В соответствии с особенностями геосинклиналей для складчатых областей типичны: полиминеральный состав и “многопородность” осадочных комплексов, широкое развитие вулканогенных и вулканогенноосадочных формаций; весьма большая изменчивость разреза; существенно разное строение одновозрастных комплексов в различных 54 структурно-фациальных зонах; широкое развитие интрузивных пород, особенно гранитоидного состава; сложная дислоцированность как пликативная, так и дизъюнктивная, обусловливающая значительную тектоническую трещиноватость пород, преобладание подземных вод трещинного или трещинно-карстового типа; неравномерная обводненность массивов; высокая мобильность структур, сохранившаяся и на новейшем этапе и связанная с ней повышенная сейсмичность. Особо следует отметить инженерно-геологическое своеобразие краевых прогибов. В их геологическом строении принимают участие формации, характеризующиеся отрицательными инженерно-геологическими свойствами; сульфатно-доломитовые, соленосные, в которых особенно активно протекают процессы карстообразования. Те же особенности разреза обусловливают своеобразие гидрогеологических условий – широкое распространение агрессивных, часто засоленных подземных вод, высокие их напоры. Краткое описание инженерно-геологических особенностей основных геологических структур позволяет сделать вывод о том, что каждая структура характеризуется коренными различиями в инженерно-геологических обстановках. Поэтому закономерности развития и размещения на Земле геологических структур отражают закономерности формирования ИГУ. Это определяет использование геоструктурного принципа в инженерно-геологическом районировании, разработанного И.В. Поповым. 4.6. Роль неотектоники в формировании инженерно-геологических условий Современные тектонические движения – это один из ведущих факторов, создающих современный облик инженерно-геологической обстановки. Их необходимо учитывать при инженерно-геологической оценке и районировании территории с тем, чтобы своевременно разработать мероприятия по устранению или предупреждению нежелательных последствий, вызванных современными тектоническими подвижками. Установлено, что неотектонические движения со скоростями долей миллиметра в год и меньше практически не влияют на условия многих сооружений; движения со скоростью 5–10 мм в год имеют большое значение, а скорости больше 10 мм в год ведут к катастрофам. Неотектонические движения обуславливают: 1. Формирование современного рельефа и четвертичных отложений. 2. Интенсивность и глубину эрозионного вреза. 3. Возникновение в массивах пород систем тектонических трещин и разрывов. 55 4. Значительные изменения состояния раздробленности, прочности, деформируемости и водопроницаемости пород в зонах тектонических разрывов и прилегающих частях массива. 5. Развитие различных экзогенных процессов, влияющих на формирование склонов; обвалы, оползни, осовы, карстовые, эрозионные и другие явления. 6. Мгновенное и резкое по величине перераспределение напряжений в массивах пород, возникновение очагов концентрации и перепадов их при землетрясении. 7. Угрозу устойчивости бетонным плотинам и другим крупным сооружениям в тех случаях, когда они располагаются непосредственно на подвижных тектонических разрывах. Проектирование, возведение и обеспечение устойчивости высоких плотин Токтогульской, Ингурской, Саяно-Шушенской, Нурекской и других ГЭС потребовало детального инженерно-геологического анализа новейших структур и современных тектонических движений с применением методов: геоморфологического анализа, высокоточного геодезического нивелирования, изучение состояния заполнителя и минеральных образований в зонах разрыва и тектонических трещин, наблюдений по реперам и другим приборам, установленным в подземных камерах вблизи потенциально подвижных зон. Неотектоническими движениями земной коры называют современные тектонические движения, начавшиеся на границе палеогена и неогена. Эти движения представляют собой фазу незавершенного геологического и геоморфологического цикла. По современным представлениям, начиная с палеозоя, происходит увеличение площади платформ за счет уменьшения площади геосинклиналей. Эта закономерность развития земной коры с середины олигоцена (Рq3) существенно изменилась. Спокойные условия платформ сменяются на некоторых участках интенсивными колебательными движениями (Средняя Азия, Южная Сибирь). Происходит некоторое расширение океанических бассейнов, образование глубоких морских впадин, высоких хребтов на океаническом дне: Курильская впадина (10377 м), Японская (10789 м). Впадины окружены характерными вулканическими грядами и островами. В течение кайнозоя на всем земном шаре происходили напряженные тектонические движения, в результате которых сформировался крупный пояс альпийских горных хребтов и мощных складчатых областей, особенно на периферии Тихого океана: на Анадыре, Камчатке, Сахалине, в Японии и т.д. Произошло прогибание крупных впадин у подножья горных хребтов, заполнение их мощными толщами осадков (у северного подножья Альп, Карпат, Крыма, Кавказа, Копетдага), образова- 56 ние глубоких морских бассейнов (Охотское и Японское моря, некоторые участки Средиземного моря). Произошло омоложение и поднятие в виде крупных сводов или глыб, ограниченных разломами земной коры, многих более древних складчатых областей. Эти области до того были размыты и представляли собой пенеплен. К ним относятся: Тянь-Шань, Памир, Алтай, Саяны, Танну-Ола, хребты Прибайкалья, Верхоянский. Некоторые поднятия испытал Урал. Неотектонические движения сопровождаются сильными вулканическими извержениями. В настоящее время считают, что средняя высота суши за четвертичный период увеличилась от 300 до 800 м по отношению к современному уровню моря. Исследованиями В.А.Обручева и других установлены поднятия в Забайкалье, Восточной Сибири и Дальнем Востоке. Поднятия и опускания создают общий размах неотектонических движений горных стран до 10км. Для равнинных стран характерны дифференциальные движения небольшой амплитуды 300–500 м (омоложенные Уральские горы), прогибы и поднятия земной коры, разрывные дислокации, ритмичные колебательные движения. Средние значения скоростей поднятий и опусканий по данным Ю.А. Мещерякова составляют 2–4 мм/год, максимальные 8–10 мм/год. Тектонические движения земной коры на территории СССР проявляются повсеместно и в достаточно активной форме. Эти движения нашли свое отражение в изменении климата, рельефа территории. Современный климат в значительной степени определяется наличием и величиной (размером) материковых и горных оледенений. В то же время развитие этих оледенений на территории СССР и других стран земного шара связывается с фазами поднятий и опусканий земной коры, т.е. с колебательными тектоническими движениями. В частности установлено, что с поднятиями в Сев. Атлантике и большой изоляцией Арктического бассейна от тепловых течений Гольфстрима происходит резкое похолодание климата и формирование льдов–материковые оледенения. При этом происходит увеличение площади суши. Обратный процесс–опускание земной поверхности приводит к увеличению площади моря, потеплению климата, отступлению (таянию) ледников. Установлено, что колебательные движения земной коры сопровождались изменением климата в сторону похолодания или потепления. Эти изменения носили скачкообразный характер: периодическое увеличение или уменьшение площади суши и моря, изменение рельефа и морских течений, потепление или похолодание климата, изменение режима, круговорота и баланса воды земной коры. Теоретические расчеты ученых показывают, что достаточно сократить площадь суши на 10% (по сравнению с современной) как тем- 57 пература в экваториальных областях понизится на 3,5оС, а в высоких полярных – повысится на 3,3оС, т.е. климат станет мягче. Если бы выровнять современный рельеф, то температура воздуха повысилась бы на 0,7о. Таким образом, климатические колебания в четвертичное время определяются сочетанием космических и физико-географических факторов при ведущем значении тектонических движений. С колебательными движениями (фазами поднятий и опусканий) связаны также антропогеновые трансгрессии и регрессии. Имеющиеся данные о распространении осадков морских трансгрессий позволяют говорить о том, что прибрежные области материков и островов неоднократно подвергались затоплению и осушению значительных участков суши и моря, а следовательно, аккумуляции осадков, их эрозии и абразии. Следы неоднократных колебаний уровня океана наглядно иллюстрируют карты четвертичных отложений Западной Сибири. О диапазоне вертикальных колебаний суши и масштаба морских трансгрессий и регрессий свидетельствует современное положение морских террас. Например, на севере Западно-Сибирской низменности имеется от 3 до 4–5 террас. В соответствии с характером и интенсивностью неотектонических движений находится распределение формаций и стратиграфо-генетических комплексов горных пород, неотектонические движения, происходившие в неогене и антропогене, формировали различные уровни денудационных и эрозионных-аккумулятивных поверхностей. В связи с этим неоднократно менялась география областей сноса и аккумуляции осадков, их фациальный состав и пространственное распределение различных генетических типов отложений. Формировались исключительно сложные по строению толщи отложений, особенно в районах, где имели место смены трансгрессий и регрессий моря, а также поднятия горных хребтов. В настоящее время, как мы уже отмечали, делаются попытки установить главные факторы, влияющие на образование осадков в различных условиях тектонического режима. Л.Б. Рухин выделяет три типа тектонических движений и характерные для них тектонические типы осадков: платформенный, геосинклинальный и переходный. Каждый тип тектонического режима вызывает образование определенных форм рельефа и создает определенные физико-географические условия осадконакопления. В условиях платформенного типа при малой амплитуде и малой дифференциации колебательных движений, формируется пологий рельеф и идет равномерное распределение фаций в пределах зональных площадей. Влияние климата проявляется отчетливо, эрозионная деятельность затухает. Поэтому платформенные формации характеризуют- 58 ся большой однородностью состава, широким распространением среди обломочных пород устойчивых минералов. В условиях геосинклинального тектонического режима характерны дифференцированные движения большой амплитуды, расчлененный рельеф. Осадкообразование сопровождается сильной эрозией, вулканической деятельностью, быстрым захоронением обломочного материала. Поэтому геосинклинальные формации обладают весьма значительной мощностью, быстрой изменчивостью состава, наличием неустойчивых минералов в обломочном материале. В горных условиях образуются комплексы глубокообломочных продуктов разрушения и перемещения силой тяжести, водными потоками и деятельностью льда. Генетические типы отложений: грубообломочный элювий, делювий, пролювий, коллювий (оползни, обвалы, осыпи), ледниковые отложения. В области древнего оледенения–комплексы ледниковых отложений (моренные, флювио-гляциальные, озерно-ледниковые). Характерны эти отложения для платформенных и высокогорных областей. В областях с господством вечной мерзлоты и морозного выветривания широко распространены солифлюкционные образования. Наибольшие толщи отложений характерны для областей тектонических опусканий (Западно-Сибирская плита). Выяснение закономерностей проявления неотектоники в различных геоструктурных условиях земной коры позволяет объяснить закономерности формирования форм рельефа, генетических типов четвертичных отложений, климатические изменения. Неотектоника же помогает установить закономерности размещения почвенного покрова, физико-геологических явлений, распространения и состава подземных вод. Все это определяет инженерно-геологические особенности формаций четвертичных отложений, рассмотренные выше. Неотектоника является одним из ведущих факторов формирования горных склонов. Обвалы, оползни, сели находятся в прямой зависимости от тектонических движений, что установлено при изучении этих явлений в районе строительства Саяно-Шушенской, Токтогульской, Ингурской и других ГЭС, возведенных в горноскладчатых областях с повышенной тектонической активностью. Быстрые и значительные по величине дифференцированные движения создают крутые и высокие склоны в прочных, осадочных, метаморфических и магматических породах. Амплитуда таких движений определяет глубину эрозионного расчленения. Чем больше высота склона, тем больше по объему зона присклоновой разгрузки пород и тем вероятнее частые оползни и обвалы. В районе Токтогульской ГЭС к максимально поднятым структурно-тектоническим блокам приурочено 58% оползней и обвалов, к умеренно-поднятиым – 36%, к относительно мало поднятым – 6%. Объ- 59 ем оползней и обвалов при этом составляет в первом случае 1 млн.м3, во втором – десятки и сотни тысяч, в третьем – десятки тысяч м3. Для учета характера и величины новейших тектонических движений при решении практических задач, в том числе и при оценке ИГУ, необходимо неотектоническое районирование территории всей страны. Такая работа была проведена Н.И. Николаевым и С.И. Шульцем. При районировании территории России авторы руководствовались тем, что современные тектонические движения протекают в большинстве случаев унаследовано в соответствии с древними тектоническими структурами. Поэтому они применяют терминологию, близкую таковой при выделении древних тектонических структур, а именно: на неотектонической карте ими выделены крупные геоструктурные области, разнящиеся по общей направленности и интенсивности проявления новейших тектонических движений: 1. Материковые платформы 2. Области материкового горообразования 3. Современные геосинклинальные области 4. Океанические платформы Материковые платформы – области слабого проявления тектонических движений, с малыми градиентами и с преобладанием в неогенчетвертичное время преимущественно длительных слабых поднятий. Среди материковых платформ выделяются районы, в пределах которых в течение новейшего тектонического этапа абсолютно преобладали поднятия (Восточно-Европейская равнина, Средне-Сибирское плоскогорье, Центральный Казахстан и районы, в пределах которых существенную роль играли относительные опускания (Западно-Сибирская, Туранская, Прикаспийская низменность). Материковые платформы охватывают большую часть зон докембрийской и палеозойской складчатости. Область материкового горообразования – структурный элемент, для которого характерны мобильность, дифференцированные движения с большим градиентом общих поднятий, проявившихся в неогенчетвертичное время. Эта область охватывает северо-восток и юг России. История развития этой области неодинакова в различных ее частях. Поэтому выделены подобласти: 1) со слабым проявлением процессов горообразования – с относительно увеличенными градиентами движений в районе развития докембрийской и палеозойской складчатости – Урал, хр. Бырранга, Енисейский кряж и т.д.; 2) с более интенсивными процессами горообразования и большими градиентами тектонических движений. Это области развития мезо- 60 зойской складчатости (Верхоянский хребет и другие горы СевероВостока России); 3) с весьма интенсивным проявлением процессов горообразования. Это зоны докембрийской и палеозойской складчатости с предшествующим платформенным развитием (Алтай, Саяны, Забайкалье и т.д.); 4) с весьма интенсивным проявлением процессов горообразования и контрастными движениями с большими градиентами. Это эпигерцинская платформа Тянь-Шаня; 5) с весьма интенсивными процессами горообразования. Соответствует поясу альпийской складчатости юга России–остаточная альпийская геосинклиналь в стадии “замыкания” с предшествующим геосинклинальным развитием (Карпаты, Крым, Кавказ, Копет-Даг, Памир). Современные геосинклинальные области отличаются подвижностью, проявлением контрастных дифференцированных движений с большими градиентами и преимущественно общим опусканием – Камчатка, Корякский хребет, островные дуги, прилегающие части окраинных морей. Океанические платформы – относительно стабильные крупные геоструктурные элементы, характеризующиеся преобладанием длительных опусканий. На основе этой карты Н.И. Николаевым составлена схема новейших тектонических движений по признаку их практического значения. В частности, в пределах материковых платформ выделяются: а) участки, где современные движения обладают небольшой скоростью. Их следует учитывать только при производстве высокоточных геодезических работ; б) участки, где проявляются относительно интенсивные направленные послеледниковые движения и современные движения, связанные с разгрузкой земной коры от плейстоценового оледенения. На отдельных участках эти движения достигают значительной величины и должны быть учтены как инженерно-геологический фактор при проектировании портовых и гидротехнических сооружений, проведении канализации в городах и т.д. Области интенсивного горообразования и современные геосинклинальные области (южное и северо-восточное обрамление России), где новейшие тектонические движения проявляются интенсивно, имеют различный знак и амплитуду, являются территориями, для которых эти движения являются инженерно-геологическим фактором. Этот фактор должен быть учтен при проектировании всех видов инженерных сооружений. Это сейсмически опасный район, где сейсмичность достигает 61 6–7 и более (до 10) баллов. На востоке подводные землетрясения вызывают цунами. Данные неотектоники, их учет и выявление закономерностей позволяют решить ряд важных инженерно-геологических задач: 1. Обосновать инженерно-геологическое районирование территории – выделить области разных порядков. 2. Прогнозировать проявление физико-геологических и инженерно-геологических явлений. 3. Решать вопросы инженерно-геологического обоснования проектируемых сооружений. 4.7. Инженерно-геологическая таксономия и стратификация геологических тел Слова «таксономия» и «стратификация» поставлены рядом сознательно, поскольку в РИГ эти часто понятия путают или считают их альтернативными. Таксономия используется для выстраивания изучаемых объектов в иерархический ряд: по важности, от большего к меньшему, по возрасту, по генезису, по составу и другим признакам. Стратификация имеет более узкое назначение. Она используется для расчленения геологического разреза на стратоны. Поэтому таксоны в этом случае представляют собой иерархический ряд от малых стратонов к крупным, причем при движении по иерархической лестнице каждая следующая ступень представляет собой объединение стратонов предыдущей ступени. Таблица 9 Принципиальная схема классификации горных пород при региональных инженерно-геологических исследованиях Таксономические единицы Формации и субформации Геолого-генетические комплексы (макрофации и фации) Литолого-петрографические комплексы (микрофации) Петрографические (литологические) типы пород Инженерно-геологический вид пород Значение при региональных геологических исследованиях Совместно с тектоническими данными являются основой для выделения структурно-тектонических этажей и инженерно-геологических регионов Совместно с данными геоморфологии являются основой для выделения инженерно-геологических областей и районов; определяют выбор системы разведочных работ и опробования пород, выдержанность свойств отдельных залежей пород Совместно с данными по геоморфологии являются основой для выделения инженерно-геологических районов, определяют строительные типы грунтов Определяют в первом приближении характер деформации пород, химическую и физико-химическую нестойкость пород и их агрессивность Совместно с данными по гидрогеологии служат для выделения подрайонов и участков 62 Инженерно-геологические разновидности пород Служат для выделения инженерно-геологических элементов геологического разреза и для выбора расчетных схем на стадии разработки рабочих чертежей, используются для детализации границ подрайонов и участков Подтвердим сказанное примерами. В инженерной геологии таксономическая схема И.В. Попова, приведенная в табл. 9, является базовой. Обратим внимание на такие обстоятельства: 1) выделяемые таксономические единицы никаким образом не связаны между собой стратиграфически; это не стратоны; 2) при движении по иерархической лестнице сверху вниз объем изучаемого инженерно-геологического тела уменьшается, но эти тела самостоятельны, не связаны друг с другом, их изучают разными методами: тектоническими, геоморфологическими, литолого-петрографическими, инженерно-геологическими и т.д; 3) у рассматриваемых тел нет единства и общности истории геологического развития. Так, например, формация и субформация выделяются по парагенетическому признаку; геолого-генетические комплексы – по генетическому; литолого-петрографический тип – по литологическому и петрографическому; инженерно-геологический вид – по грунтоведческому и строительному; инженерно-геологическая разновидность – по классификационным признакам. Таким образом, из табл.2 видно, что таксономический ряд инженерно-геологических тел И.В.Попова представляет собой типизацию инженерно-геологических условий для разных геолого-структурных обстановок и определяет масштабы и методы исследований выделяемых инженерно-геологических тел. Все это несомненно имеет очень важное значение. Дальнейшее развитие взглядов И.В. Попова на таксономию инженерно-геологических тел, продолжил Г.К. Бондарик. Он рассматривает формацию как трехфазную систему (твердая, жидкая и газообразная фазы), а ее происхождение – с позиции генезиса, парагенезиса и парагенезиса. В его схеме обосновываются такие таксономические уровни геологических тел: формация–субформация–генетический тип–стратиграфо-генетический комплекс (СГК)–монопородное геологическое тело первого уровня (МГТ-1)–монопородное геологическое тело второго уровня (МГТ-2)–монопородное геологическое тело третьего уровня (МГТ-3). Первые четыре таксономические единицы рассматривают парагенетические связи геологических тел на горно-породном уровне. Следующий уровень деления геологических тел–монопородный (МГТ-1, МГТ-2, MГT-3). Г.К. Бондарик расширяет таксономический ряд инженерно-геологических тел, который был представлен И.В. Поповым (табл. 2). Обратим внимание еще на одно обстоятельство. Пред- 63 ложенная схема Г.К. Бондарика рассматривает в основном породы осадочного цикла. Хотя автор об этом не говорит, но вряд ли эта схема пригодна для классификации магматических и метаморфических тел. Перейдем к рассмотрению вопросов стратификации. Стратификация используется для расчленения разреза. В геологии для этого приняты возрастной и литолого-фациальный принципы. Для гидрогеологической стратификации наиболее перспективен комплексный подход на основе классификации скоплений подземных вод, позволяющий выделять однородные гидрогеологические тела. Выделяют три группы геологических тел, содержащих соответственно пластовые, трещинножильные и лавовые воды, а также их разновидности и переходные комбинации. Каждый гидрогеологический стратон характеризуется набором разнообразных гидрогеологических показателей (параметров), которые служат мерой сходства-различия при сравнении гидрогеологических объектов, оценке условий формирования подземных вод. При проведении инженерно-геологической стратификации используется стратиграфо-генетический принцип и выполняется правило геологической однородности (объект инженерно-геологического стратифицирования должен относиться к определенному классу пород – осадочных, интрузивных, осадочно-вулканогенных или метаморфических). Далее геологический разрез изучаемой территории может быть расчленен на однородные слои по стратиграфическим, генетическим, петрографическим, инженерно-геологическим признакам независимо от мощности и распространения слоев. В случае мощных толщ тонкопереслаивающихся пород одного возраста следует выделять пачки с чередованием однородных слоев, одинаковых или близких по составу и состоянию. При петрографически однородных породах одного возраста следует выделять зоны и подзоны, горизонты и подгоризонты, различающиеся физическим состоянием пород, т.е. степенью их влажности, плотности, выветрелости, трещиноватости, пористости, водопроницаемости и др. Кроме того, И.В. Попов выделял две категории формаций – покровные отложения и породы коренной основы. В связи с этим, видимо, целесообразно проводить стратификацию таких пород раздельно. Покровные отложения имеют четвертичный возраст, находятся обычно на стадии диагенеза или ранней стадии катагенеза. Поэтому в их разрезе часто содержатся слабые грунты с неустойчивой консистенцией, тиксотропными и плывунными свойствами, содержащие органику в различных формах. В соответствии с существующими для них подходами эти породы заслуживают отдельной стратификации. При стратификации пород коренной основы должны быть учтены условия их залегания и инженерно-геологические классификационные признаки. 64 Примером обоснованного подхода к стратификации разреза осадочных пород могут служить разработки М.С. Захарова. Инженерногеологическая стратификация в понимании автора базируется на понятии инженерно-геологического комплекса (ИГК), т.е. парагенетической и парастерической ассоциации простых геологических тел, сложенных породами различного состава, состояния и свойств. Таксономический ряд при этом выглядит следующим образом: инженерно-геологический ярус (наиболее крупная морфологическая единица)–инженерногеологический раздел ИГК(А)–инженерно-геологическая секвенция HГK(G)–инженерно-геологический элемент ИГК(С). Предлагаемая стратификация обеспечивает плавный и рациональный переход от систем верхнего иерархического уровня к системам и элементам, лежащим в основе расчетных моделей. Разрез интрузивных и метаморфических пород стратифицировать сложно. Если покровные отложения и породы коренной основы можно подразделять в соответствии с условиями залегания, то для магматических и метаморфических групп стратифицирование можно проводить только для зоны выветривания, которая характеризуется неоднородным строением. Следует четко представлять, что расчленение разреза геологических тел пластового и массивного сложения имеет существенные различия. С этих позиций таксономический ряд инженерно-геологических стратонов может выглядеть примерно следующим образом: слой–подгоризонт–горизонт–комплекс (для осадочных и осадочновулканогенных пород) и подзона–зона–комплекс (для интрузивных и метаморфических пород). Для объединения стратонов в том и другом случае можно использовать такие подразделения, как серия, свита, структурный ярус, структурный этаж. В этой схеме соединяется логическая цепочка инженерно-геологической классификации пород, инженерно-геологической стратификации разреза и инженерно-геологического районирования. Такая связка является весьма важной и нужной. Она позволяет рассматривать инженерно-геологические объекты в разных ипостасях (классификационной, стратификационной и районирования) без потери смысла. Таким образом, главенствующую роль в любых инженерногеологических построениях должен получить инженерно-геологический анализ. Другие виды анализа (формационный, фациальный, геохимический, гидрогеологический, геокриологический, геофизический, структурно-тектонический), несомненно, имеют важное, но подчиненное значение. 4.8. Влияние климатической зональности на формирование инженерно-геологических условий 65 До сих пор мы говорили о закономерностях размещения факторов ИГУ, обусловленных тектоническим режимом и историей геологического развития отдельных геологических структур. Какое же влияние оказывает на эту закономерность ландшафт и климат? Еще в 1883 г. В.В. Докучаев обнаружил, что климат, почвы, растительность меняются с СЗ на ЮВ. Эти изменения носят закономерный характер, подчиняясь географической (климатической) зональности. На территории бывшего Советского Союза в направлении с СЗ на ЮВ можно выделить следующие основные климатические зоны: тундры, лесов, степей, пустынь и субтропиков. Комплекс процессов, формирующих ИГУ каждой зоны, своеобразен и определяется наличием тепла и влаги. Тепловой режим пород обусловлен соотношением поглощения радиационной (лучистой) энергии солнца и теплового излучения почвы. Тепловая энергия, поступающая изнутри земного шара на поверхность, составляет всего 55 кал/см2 в год. Поверхность земли ежегодно получает определенное количество солнечной энергии. В результате разнообразных потерь фактическое поступление солнечной энергии на поверхность пород много меньше. Способность почвы поглощать лучистую энергию солнца оценивают отношением количества отраженной энергии к количеству поступающей энергии. Это отношение в процентах называется отражательной способностью (альбедо). Чем меньше отражательная способность, тем сильнее нагреваются породы. Излучение тепла почвой зависит от состава, влажности пород и строения их поверхности. Разность между количеством поглощенной солнечной радиации и ее излучением называют радиационным балансом. Радиационный баланс расходуется на испарение воды, нагревание породы и отдачу тепла в атмосферу. В среднегодовом цикле радиационный баланс пород (почв) равен нулю, так как не происходит их чрезмерного разогревания или охлаждения. Величина радиационного баланса возрастает от полюса к экватору. Расход тепла на испарение в различных географических зонах также неодинаков. Все это в значительной степени определяет ход химических реакций и образование различных генетических типов почв, некоторых поверхностных отношений (лессы), подземных вод, физико-геологических процессов и т.д. Следовательно, зональные (климатические) факторы играют весьма существенную роль в формировании инженерно-геологической обстановки. Изменение этих факторов по зонам соответственно приводит к изменению ИГУ. Рассмотрим кратко особенности природных условий каждой зоны. Зона тундры характеризуется суровым климатом, осадков выпадает немного: от 500 мм на Кольском полуострове до 200–300 мм на 66 Урале и в Сибири. Влажность воздуха высокая, т.к. испаряемость незначительна, не превышает 100–200 мм. Следовательно, эта зона избыточного увлажнения. Ветры сильные, до 6–9 м/с, часто бывают штормовые. Среднесуточная температура воздуха не превышает 10°С. Радиационный баланс 10–15 ккал/см2 в год. Ландшафт тундры – лишайники, мхи, кустарники, карликовая березка. Очень сильная заболоченность. Болота проходимые, так как мощность болотных отложений небольшая – в суровой климатической обстановке нет условий для их накапливания. Такие мелкие, благодаря вечной мерзлоте, часто бугристые болота, протаивающие на небольшую (в 30–40 см) глубину, называются марями. Выветривание в тундре, главным образом физическое – морозное. Несмотря на полярный день, солнечное тепло не дает должного эффекта, расходуется на испарение и химические реакции не идут. В то же время при переходе температуры через 0°С объем воды в трещинах и порах пород увеличивается, происходит механическое их дробление до состояния пыли. Образуются пылеватые разности пород с дресвой и щебнем. Пыль переносится ветром в понижения рельефа, где накапливаются в виде пылеватых суглинков. Разрушенные щебнистые породы слагают водоразделы, образуя "каменистую тундру". Грунтовые воды залегают вблизи дневной поверхности, часто сливаясь с болотными водами. Минерализация их слабая, 10–100 мг/л – ультрапресные, по составу – кислые гидрокарбонатно-кальциевые, богатые органикой и кислородом, поэтому сильно агрессивные по отношению к бетону. Физико-геологические процессы, благодаря отрицательному радиационному балансу обусловлены многолетней мерзлотой: бугры, пучения, солифлюкция, погребенные льды. Широко развито заболачивание с малой мощностью болотных отложений. При наличии карбонатных пород агрессивные воды способствуют протеканию карстовых процессов. Зона лесов расположена южнее зоны тундры и связана с ней постепенным переходом – лесотундрой. В зоне лесов радиационный баланс положительный, увеличивается с севера на юг от 20 до 40 ккал/см2. Климат континентальный, причем континентальность возрастает к востоку. В этом же направлении уменьшается количество осадков. Их в зоне лесов выпадает значительно больше, чем в тундре – от 400 до 700 мм. Испаряемость от 200 мм на севере, до 350 мм на юге зоны. Высокая испаряемость обусловлена огромным количеством болот и большой транспирационной способностью леса. Тем не менее это – зона избыточного увлажнения. Благодаря наличию леса – ветры слабые. Ландшафт – разные типы лесов; хвойные на севере зоны постепенно к югу переходят в лиственные. Почти повсеместная заболоченность. 67 Выветривание – физическое и химическое. Из-за перепадов температуры через 0о идут процессы криогенеза – морозное выветривание– раздробление пород. Наиболее интенсивны эти процессы на севере. Существенную роль в формировании пород зоны лесов приобретает химическое выветривание. Избыточное увлажнение и большое количество океанического вещества (лесная подстилка и продукты ее переработки) создают кислую среду: рН от 5–6 на севере, до 7 на юге. В кислой среде алюмосиликаты легко разрушаются. Например, кислые плагиоклазы, такие как альбит (К2Аl2Si6O16) разлагаются, выветриваются, покрываясь серицитом: 3(К2О ∙ Аl2О3 ∙ 6SiО2) + Н2О → К2ОАl2О3 ∙ 2АlО3 ∙ 6SiО2 ∙ 2Н2О + 2К2О + 12SiО2 серицит Щелочные металлы выносятся. Вода обогащается гелями кремнекислоты. При дальнейшем выветривании серицит превращается в минералы группы гидрослюд. Происходит глинизация (оглинение). Поэтому в рассматриваемой зоне покровные суглинки имеют гидрослюдистый состав. Последующее промывание грунтов атмосферными осадками ведет к вымыванию тонкодисперсных глинистых частиц в более глубокие горизонты. При этом дальнейшее преобразование гидрослюд приводит к образованию каолинита: К2О ∙ Аl2О3 ∙ 2Аl2О3 ∙ 6SiО2 ∙ 2Н2О + nН2О → 3(2SiО2 ∙ Аl2О3 ∙ Н2О) + К2О каолинит Процесс этот идет очень медленно, поэтому в покровных суглинках этого минерала почти нет. Образованные в зоне лесов минералы гидрослюда и каолинит придают породе слабовыраженные глинистые свойства. Это суглинки, супеси. Дальнейший распад гидрослюд до окислов возможен только в тропиках. В зоне лесов он не происходит, т.к. мало тепла. Одновременно с преобразованием алюмосиликатов происходит изменение железистых соединений. При глубоком залегании уровня грунтовых вод и мощной зоне выветривания происходит образование лимонита красных и бурых цветов. Если уровень грунтовых вод находится недалеко от поверхности земли, происходит оглеение: в бескислородной среде ниже уровня грунтовых вод анаэробные бактерии "отбирают" кислород у окислов железа, образуются закисные его формы. Породы приобретают зеленоватый, серый цвет. В глеевый горизонт вмываются коллоидные соединения, образуется плотный слабоводопроницаемый слой, способствующий заболачиванию территории. 68 В условиях высокой влажности, умеренного тепла и кислой среды, в зоне лесов растворяется кварц. В верхней части почвенного покрова образуется порошок, напоминающий золу – подзол. Рассмотренные условия образования пород свидетельствуют о том, что в зоне лесов породы находятся в водонасыщенном состоянии, следовательно, они непросадочные и ненабухающие. Только на дренированных водораздельных участках, где вырублен лес, могут проявляться слабые просадочные свойства лессовых пород. Транспортировка продуктов выветривания в этой зоне осуществляется главным образом поверхностными водами. При поверхностном (плоскостном) смыве формируется делювий, при линейном – овражнобалочный аллювий-пролювий. Основная масса материала выносится в реки, образуя аллювий. Сезонное промерзание пород создает условия для солифлюкции. Эоловые процессы возможны только на незащищенных лесом участках. Подземные воды первого от поверхности водоносного горизонта залегают на небольшой глубине. Эта глубина возрастает к югу, но не превышает первые десятки метров. Минерализация воды небольшая, около 0,5 г/л. Воды пресные, гидрокарбонатно-кальциевого состава. В связи с повышением минерализации (в сравнении с зоной тундры), растворяющая способность вод снижается. Наличие свободной углекислоты обуславливает наряду с общекислотной углекислотную агрессивность подземных вод. Физико-геологические процессы – выветривание, под действием многолетней и сезонной мерзлоты – термокарст, пучение пород и пр. Широко развиты процессы, связанные с текучими водами: оползни, карст. Характерно широкое заболачивание территории, особенно в северных районах. Мощность тopфa очень большая, болота часто со сплавиной (всплывает торфяной слой, на котором растут деревья). В "окнах" таких болот – жидкий ил-сапропель. Болота, плохо – и непроходимые. Зона степей начинается к югу от зоны лесов через подзону лесостепи. Климат теплый, на западе – умеренный, на востоке – континетальный. Радиационный баланс – положительный, 30–50 ккал/см2 в год. Солнечное тепло расходуется на испарение и на турбулентный теплообмен – нагревание горных пород, от которых нагревается воздух. Следовательно, происходит сильное нагревание горных пород. Количество атмосферных осадков в этой зоне снижается до 200–300 мм, лето длинное, теплое. Испаряемость очень высокая, что создает дефицит осадков. (В Прикаспии испарение в три раза выше количества осадков). Для зоны степей характерны сильные ветры. Ландшафт степей меняется с запада на восток: на западе они более влажные, к востоку становится более засушливыми, переходят в пу- 69 стыни (Средняя Азия). Природные ландшафты степей почти нигде не сохранились: вся территория распахана. Это существенно изменило течение природных процессов. Выветривание пород, в отличие от предыдущих зон, происходит в условиях дефицита атмосферных осадков, что создает своеобразный профиль влажности. Весной происходит уменьшение, осенью, в период продолжительных дождей, – увеличение влажности пород в зоне аэрации. Таким образом, в периоды засухи зона аэрации сильно иссушена, в периоды дождей – сильно увлажнена. Органическое вещество, накопившееся на поверхности Земли в результате отмирания степной растительности, окисляется, но реакция среды в условиях степей не падает ниже 7. Происходит разложение алюмосиликатов, но, как правило, только до образования гидрослюд. Каолинит почти не образуется. Полного разрушения алюмосиликатов не происходит из-за недостатка влаги. Поэтому окраска пород светлая: палево-желтая (лессы и лессовидные породы). Из-за недостатка влаги щелочные и щелочно-земельные катионы вымываются на небольшую глубину от поверхности, где среда становится нейтральной или щелочной. Здесь они выпадают в осадок в порядке растворимости: кальций, как менее растворимый, он образует стяжения или в тонкодисперсном состоянии образует жесткие кристаллизационные связи между, частицами порода. Следующий по растворимости – гипс. Он тоже образует в породах сростки, стяжения и прочие формы включений и конкреции. Другие соединения, являясь растворимыми, в степной зоне не образуются, за исключением участков с близким залеганием подземных вод. На таких участках непрерывное испарение вызывает капиллярное поднятие к поверхности Земли растворов и образование солончаков. При этом в начале выпадают наименее растворимые, на самом верху – легкорастворимые – сульфатно-содовые, сульфатно-хлоридные и хлоридные соли. Солончаки образуются в понижениях рельефа (западины, поймы рек, лиманы и т.д.). При близком залегании подземных вод происходит глинитизация нижнего горизонта солончаков. Солончаки образуются в зоне сухих степей на границе с пустынями. Своеобразие процессов выветривания в зоне степей приводит к формированию грунтов со следующими свойствами: а) они, как правило, не бывают насыщенными водой, поэтому при дополнительном водонасыщении, например, при возведении зданий или при ирригации, изменяется природное состояние грунтов, нарушается их геологическое равновесие, возникают нежелательные явления – просадки или набухания – характерные для всей рассматриваемой зоны; б) за счет присутствия солей все грунты имеют жесткие кристаллизационные связи, которые повышают прочность грунтов, уменьшают 70 их сжимаемость. Но эта прочность резко снижается при обводнении, вследствие которого связи в породах размягчаются или растворяются; в) грунты обладают агрессивными свойствами по отношению к бетону и металлу за счет присутствия гипса. Главными агентами транспортировки продуктов выветривания в степи являются сода и ветер, плоскостной смыв, оврагообразование, ветровая эрозия. Летом часты пыльные бури, в результате которых сносится почва на глубину до 10 см, заносятся дороги, образуются валы грунта у зданий. Глубина залегания подземных вод более значительная, чем в вышерассмотренных зонах. Реки и овраги дренируют грунтовые вода, поэтому уровень их от 20 м в северной части зоны, до 50 и ниже – в южной. По химическому составу воды пресные, либо слабо минерализованные. Но на отдельных участках минерализация достигает 4–6 г/л. Тип воды – гидрокарбонатный-кальциевый, к югу встречаются сульфатные воды, обуславливающие сульфатный тип агрессивности. Зона пустынь расположена на юге страны – Казахстан, Сpедняя Азия, в центральной части Евразии, где влияние моря почти не сказывается. Климат этой зоны определяется влиянием мощного антициклона, характеризуется высокой континентальностью, резкой сменой годовых и суточных температур. Амплитуда колебаний суточной температуры достигает 30–40°С. Количество осадков – 100–200 мм в год, во много раз меньше величины испарения. Часты сильные штормовые ветры. Ландшафт пустынный, почти нет растительности, имеются песчаные и каменные пустыни. Рельеф – относительно равнинный. Основная часть пустынь Средней Азии покрыта грубообломочным материалом, но широко развиты там ландшафты песчаных пустынь и полупустынь. Среди них много аккумулятивных и дефляционных форм рельефа. Считают, что песчаные пустыни приурочены к обширным аллювиальным равнинам. Каракумы (черные пески) в Туркмении расположены на месте древней долины р. Аму-Дарьи, которая некогда протекала к северу от Копет-Дага. Пески пустыни Кызыл-Кума образовались на месте блужданий многих русел Сыр-Дарьи. Благодаря частым переходам температур через 0°С и большим амплитудам суточных температур, зона пустынь характеризуется ярко выраженным механическим выветриванием. Химическое выветривание играет подчиненную роль, т.к. очень мало воды. Грунты преимущественно грубообломочные, песчаные и пылеватые. Подземные воды характеризуются большой пестротой. Зональность их нарушается благодаря близости высокогорных хребтов, определяющих своеобразие условий питания подземных вод. Вблизи горных склонов находятся пресные воды с небольшой глубиной залегания, по мере продвижения 71 вглубь пустыни увеличивается их глубина, минерализация становится пестрой от 1 до 100 мг/л. Воды часто агрессивные к бетону. Физико-геологические процессы связаны с ветровой эрозией и морозным выветриванием. Субтропики на территории России азональны, они расположены на Кавказе (район Сочи-Батуми) и на Дальнем Востоке (АмуроУссурийский край). Климат отличается очень высокой влажностью: длинное жаркое влажное лето и влажная зима. Влажность воздуха близка к единице. Количество осадков больше 1000 мм в год (Сочи – 1500 мм, Батуми – 1500 мм). Периодически проходят ливневые дожди, которые не прекращаются в течение нескольких часов, иногда – суток. Ландшафт – предгорья, поросшие пышной растительностью. Выветривание преимущественно, химическое, благодаря обилию тепла и влаги. Разложение алюмосиликатов в таких условиях идет до конца: алюмосиликаты – окислы. Образуется мощная красная кора выветривания – преимущественно глины высокопластичные. Подземные воды ультрапресные и пресные гидрокарбонатно-кальциевые, очень агрессивные, так как очень много органических кислот. Геологические процессы в зоне субтропиков связаны с водой: интенсивное развитие оползней, карст, сели, заболачивание. Проведенный обзор формирования природных условий в разливных ландшафтно-климатических зонах показал, что на территории России отчетливо проявляется субширотная (суб. – почти) климатическая зональность. Изменение климатических условий определяется в первую очередь балансом тепла и влаги. Соответственно этому балансу, закономерно меняется ход природных геологических процессов, который, в свою очередь, определяет инженерно-геологическую обстановку территории. Температура воздуха определяет характер растительности, количество атмосферных осадков и испаряемость, глубину промерзания горных пород, а, следовательно, обуславливает ход процессов выветривания и состав горных пород. Различный баланс тепла приводит к разным результатам: к югу повышаются температуры, уменьшается глубина сезонного промерзания. В то же время глубина промерзания зависит от количества воды в породах. Влажность воздуха закономерно уменьшается с севера на юг. Соответственно в этом направлении меняется количество влаги в горных породах и ее годовой ход. На севере в зоне тундры и лесов грунты всегда водонасыщенные, следовательно, характер структурных связей в них водно-коллоидный. Такие грунты не набухают и не являются просадочными. В южных зонах грунты, как правило, не водонасыщенные. Для них характерно наличие кристаллизационных структурных связей, 72 которые при увлажнении уменьшаются, обусловливая просадки или набухание грунтов. Наличие солей в грунтах южных зон делает их в ряде случаев агрессивными по отношению к бетону. Благодаря изменению баланса тепла и влаги меняется ход процессов выветривания, а с ними – типы горных пород. В зоне тундры и пустыни образуются грунты грубозернистые, щебенистые, песчаные, пылеватые. Глинистого материала нет, за исключением переотложенного из более древних отложений. В зоне лесов и степей роль механического выветривания снижается, но резко возрастает роль химического и биохимического. Формируются глинистые минералы типа гидрослюд и каолинита. Изменения тепла и влаги влияют также и на факторы переноса и переотложения материала. Следовательно, меняются генетические типы пород: на севере и юге (тундра, пустыня) существенную роль играет ветер, в зоне лесов и степей – вода. Меняется профиль геологических процессов: на севере – криогенез, на юге – процессы вторичного засоления, образование солончаков. Глубина залегания подземных вод, их тип, общая минерализация и вид агрессивности являются также функцией баланса тепла и влаги. Чем дальше на юг, тем глубже залегают грунтовые воды и выше их минерализация – от ультрапресных на севере, в тундре, до соленых в пустыне. Меняется рН подземных вод: от 5–6 на севере, до 7–8 на юге. Наиболее агрессивны воды на севере за счет низкой общей минерализации, низкого рН, высокого содержания углекислоты. К югу агрессивность подземных вод падает. В этом же направлении меняется характер агрессивности: от общекислотной и углекислотной в северных зонах – до сульфатных в южной. Из приведенного выше видно, что каждая из зон характеризуется комплексом природных условий, находящихся в равновесии благодаря естественным связям между отдельными факторами этих условий. Нарушение естественных природных условий каждой из зон приведет к нарушению естественных связей между геологическим комплексом и окружающей средой. Это неизбежно вызовет нежелательный результат – геологический процесс, например, просадку, осадку, эрозию, оползень и т.д. Следовательно, нужно помнить, что вмешательство человека в окружающую среду должно предусматривать те изменения, которые будут вызваны этим вмешательством. Необходим инженерно-геологический прогноз, который возможен при знании и учете естественных закономерностей формирования ИГУ. Рассмотренная зональность имеет значение и должна учитываться на равнинных территориях. Зональность является ведущим фактором 73 формирования поверхностных отложений. Яркий пример этого – лессовые и болотные отложения. Болотные отложения образуются на избыточно увлажненных участках земной поверхности. Для их образования необходим влажный климат, т.е. избыточное увлажнение, когда количество атмосферных осадков превышает величину испарения, и отсутствие стока (равнинный рельеф). По интенсивности торфообразования Н.И. Нейштадт выделяет четыре пояса и торфяные бассейны в соответствии с географическими (климатическими зонами): 1. Полярный пояс торфообразования. Сюда относится северовосток России с южной границей Салехард–Игарка, Якутск–Колыма. 2. Пояс интенсивного тоpфoнакопления с отдельными торфяными бассейнами. Он охватывает север Европейской части России, Западную Сибирь, южная граница проходит приблизительно по широте МоскваЧелябинск, Камень-на-Оби. 3. Пояс слабого торфонакопления – район к востоку от р. Енисей. В него входит вся Восточная Сибирь южнее первого пояса до государственной южной границы и Тихого океана. 4. Пояс ничтожного торфонакопления – юг Европейской части России, Средняя Азия, Казахстан. 5. Торфяные бассейны. Наиболее крупным бассейном является Западно-Сибирский бассейн. Он занимает всю Западно-Сибирскую низменность от широты Салехарда до Новосибирска. Более мелкие бассейны – на дальнем Востоке и т.д. Лессы и лессовые отложения развиты в лесной, лесостепной, стенной, полупустынной и пустынной зонах. Различные водноклиматические условия среды разных зон оказывают решающее влияние на процесс лессообразования, их мощность и наличие лессовых признаков. В лессовых породах лесной зоны с умеренно холодным и влажным климатом (Смоленская и Калининская области, Запасная и Восточная Сибирь) происходит активное выщелачивание пород атмосферными водами, здесь развиты, главным образом, лессовые породы озерного, аллювиального, флювиогляциального генезиса со слабо выраженным лессовым обликом. Мощность небольшая: от 0,5 до 5–6, редко 6–10 м. До глубины 1–3 м они выщелочены от карбонатов. Просадочными свойствами лессовые отложения лесной зоны не обладают. Только на незалесенных дренированных водоразделах проявляют склонность к дополнительным осадкам при замачивании под нагрузками, превышающими 1–2 кг/см2, т.е. имеют первый тип грунтовых условии по просадочности. По мере движения к югу–в лесостепную зону условия лессообразования меняются: уменьшается среднегодовое количество осадков, увеличивается температура. Вследствие этого замедляется вынос кар- 74 бонатов кальция, их содержание в грунте достигает 10–15%. Формируются типичные лессовые породы. В этой зоне лессообразования находятся: Новосибирское Приобье, Кузнецкая котловина и другие. Здесь широко развиты элювиально-делювиальные, аллювиальные, делювиальные и эолово-делювиальные лессовые породы. Они распространены часто в виде сплошного покрова. Мощность их достигает 15– 20 м, содержат карбоната кальция 10–22%. До глубины 0,8–2 м они выщелочены от карбонатов, обладают высокой пористостью и сильно просадочны до глубины 6–8 м, причем суммарная величина просадки при бытовых давлениях на отдельных участках превышает 5 см (второй тип грунтовых условий). В степной, полупустынной и пустынной зонах в условиях сухого климата мелкозем обогащается легко растворимыми солями, приобретает типичный лессовый облик. На юге Алтайского края лессы и лессовые отложения сплошным чехлом покрывают значительные пространства. В этой зоне преобладают делювиальные, элювиальные, эоловые генетические типы лессовых отложений. В мощных толщах предгорий, конусов выноса предгорных шлейфов широко развиты пролювиальные, делювиальные, эоловые и лессы смешанного генезиса. Мощность отложений иногда превышает 30–60 м. Содержание карбонатов в них возрастает до 15–22%, породы часто гипсоносны. Сильно пористы и просадочны до глубины 10 м. Характеризуются вторым типом грунтовых условий, давая значительные просадки при замачивании под битовыми нагрузками. Таким образом, генетические типы лессовых пород, их мощность и просадочные свойства существенно меняются в зависимости от приуроченности их к различным ландшафтно-климатическим зонам. 4.9. Роль многолетней мерзлоты в формировании инженерно-геологических условий Условия строительства на значительной части территории России определяются наличием многолетней мерзлоты, общая площадь которой составляет 10 млн.км2 или около 45% всей площади страны. Площадное распространение мерзлых пород, их мощность, состояние, температура подчиняются закону географической зональности и тесно связаны с рельефом, типом геологической структуры, составом пород, наличием и химическим составом подземных вод и т.д. Благодаря сложному взаимодействию климатических и геологических (региональных) факторов мерзлота образует либо сплошные массивы, занимающие обширные пространства, либо отдельные острова, разделенные талыми породами. Даже в самых суровых северных районах распространения мерзлой зоны известны участки, где ее верхняя поверхность 75 опускается на значительную глубину, превышающую мощность деятельного слоя, непосредственно ниже которого располагаются талые породы, а также встречаются сквозные талики. В зависимости от соотношения площадей таликов мерзлых погод М.И. Сумгин выделяет следующие районы: 1. Районы географически сплошной вечной мерзлоты, т.е. обширные пространства, в пределах которых вечная мерзлота, как правило, наблюдается повсеместно, независимо от различий природных условий различных участков. Температура пород на глубине 10–15 м ниже -5°С. 2. Районы, в пределах которых обширные пространства с вечномерзлыми грунтами пронизаны или расчленены таликами. Температура грунта на глубине 10–15 м от -5° до -1,5°С. 3. Острова вечномерзлых грунтов среди обширных таликовых пространств, т.е. изолированные, участки с вечной мерзлотой вблизи сплошного массива вечномерзлых грунтов. Температура пород на глубине 10–15 м выше -1,5°С. 4. Пространства, на которых среди таликовых площадей встречаются псевдоталиковые участки, т.е. участки с вечномерзлыми грунтами на глубине, превосходящей глубину залегания сезонной мерзлоты. Это пространства с реликтовой мерзлотой. 5. Районы с вечной мерзлотой только в буграх торфяных болот. Последние два типа районов располагаются вне границ области вечной мерзлоты и территории глубокосезонного промерзания. Особое место занимает еще один тип распространения вечной мерзлоты. 6. Острова и районы островов с вечномерзлыми грунтами вдали от общего массива, т.е. вне границ области вечной мерзлоты. Сюда относятся отдельные горные районы, например, Тянь-Шань. Приведенное районирование нашло свое отражение на схематической карте распространения вечной мерзлоты в СССР, составленной С.И. Сумгиным в 1940 г. Позднее, в связи с интенсивным освоением северных и северовосточных районов страны и накоплением фактического материала, в основу районирования были положены мощность и температура мерзлых толщ. В частности Н.Я. Бариновым в 1959 г. составлена карта, на которой мощность и температура пород изображены изолиниями. Для Якутии карта мерзлоты с указанием ее мощности, температуры и криогенных явлений была составлена П.И. Мельниковым (1966), для Западно-Сибирской низменности – Е.В. Баулиным, Е.Б. Белопуховой, Г.И. Дубиковым, Л.М. Шмелевым (1967). Подобные карты к настоящему времени составлены для многих районов территории России. 76 В соответствии с современными представлениями, область вечной мерзлоты территории СССР разделена на следующие зоны с юго-запада на северо-восток: 1. Зона отдельных островов вечномерзлой толщи мощностью до 15 м. 2. Зона островного распространения вечномерзлых пород мощностью от 15 до 60 м. 3. Зона вечномерзлых толщ мощностью от 60 до 120 м. 4. –"– от 120 до 250 м. 5. –"– от 250 до 500 м. 6. –"– 500 м. Соответственно в этом же направлении понижается температура пород ( оС): 0 – - 1; -1 – - 3; -3 – -5; -5 – -10; ниже -10. Отмеченная зональность четко прослеживается на равнине Западно-Сибирской низменности, но существенно осложняется на участках со сложным рельефом и геологическим строением, характерным для востока и северо-востока страны. Анализируя закономерности изменения мощностей и температурного режима мерзлых пород, многие исследователи склоняются к тому, что геологоструктурные особенности развития земной коры являются в значительной мере определяющими при формировании мерзлых толщ. На карте Якутии, составленной П.И. Мельниковым, изолинии мощности зоны отрицательных температур проходят в соответствии с формами рельефа, отражающими определенные геологические структуры. Минимальные температуры и максимальные мощности мерзлых пород приурочены к Вилюйской синеклизе, которая выполнена мезокайнозойскими отложениями с высокой льдистостью. Имеются данные измерений мощности мерзлоты на крайнем северо-востоке Европы, на границе с Азией. Разрез составлен примерно по 65-му меридиану от Гринвича на протяжении 300–350 км (рис. 3). Оказалось, что в Амдерме, на северной оконечности Пайхоя, мерзлая зона имеет мощность не менее 400 м; в районе пос. Воркута она составляет 80–130 м, южнее, вблизи р. Усы, зона мерзлых пород выклинивается, а еще южнее, на том же меридиане, появляется уже только на значительных абсолютных высотах в пределах Уральских гор. По мере уменьшения мощности мерзлой зоны с севера на юг наблюдается расчленение единого мерзлого массива таликами и приуроченность мерзлоты ко все более высоким абсолютным отметкам. Другой схематический разрез мерзлой толщи составлен по меридиану г. Иркутска (рис. 4). Разрез прослежен от Таймыра до Саянских гор. Он пересекает оз. Таймыр, р. Хатангу, р. Кутуй, р. Нижнюю Тунгуску, 77 оз. Байкал, Саяны. С севера на юг мощность пород падает от 500–600 м на Таймыре до десятков метров в районе реки Нижней Тунгуски, далее к югy сплошная мерзлота сменяется перелетками с небольшой мощность, а на Саянских горах появляется мерзлая зона, мощностью иногда более 500 м. Рис. 3. Cxемa залегания мерзлых горных пород северной части Печорского угольного бассейна (по Л.А. Братцеву); I – Косью; II – Инта; III – Абезь; IV – Воркута; V – Хальмерью; VI – Амдерма; 1 – верхняя и нижняя граница мерзлой зоны; 2 – коренные скальные породы; 3 – четвертичные отложения; 4 – мощность мерзлой зоны, м; 5 – эпюра температур мерзлых пород 78 Рис.4. Схема изменения но мощности мерзлой зоны. Меридиан г. Иркутск: 1 – мерзлые породы; 2 – талые породы; 3 – сквозные талики Еще одним примером является хребет Удокан в Прибайкалье. В Центральной части этого хребта установлена мощность мерзлых пород до 1300 м при температуре до -7°С. Если учесть то, что Прибайкалье находится в зоне высокотемпературной мерзлоты (до -1,5°С) и сравнительно небольшой мощности (15–100 м), то при одинаковых климатических условиях мерзлотную аномалию хребта Удокан (абс. высота 2515 м) можно объяснить рельефом. Рассмотренные примеры подтверждают, что мощность мерзлых пород определяется не только широтой местности, но и рельефом поверхности, отражающим, как правило, геологические структуры. Распространение мерзлых пород по глубине может быть монолитным и слоистым. Наиболее распространена монолитная мерзлая зона. В ее разрезе талики отсутствуют. Слоистая мерзлая зона встречается реже и характеризуется обычно наличием двух слоев мерзлых горных пород, разделенных таликами. Двухслойная мерзлота обнаружена в Западной Сибири, где второй мощный слой реликтовых (древних) мерзлых горных пород отделен от верхнего их слоя талыми породами с температурой до 0,5°С. Верхний мерзлый слой мощностью 30–80 м подстилается талыми породами, а с глубины 100–150 м и до 360–500 м вновь залегают мерзлые породы. На южной границе распространения зоны мерзлых пород Западной Сибири находится только один нижний реликтовый слой, залегающий в интервале глубин 100–200 м и до 360–400 м, а иногда и глубже. 79 Причины, обусловившие такой характер разреза, не совсем ясны; некоторые ученые связывают его образование с материковыми оледенениями и трансгрессиями полярного бассейна. Существенное значение в формировании толщ мерзлых пород имеют геологическое строение и тектоника, поскольку они обусловливают наличие и особенности состава и циркуляции подземных вод. Подземные воды, будучи весьма подвижными и обладая высокой теплоемкостью, принимают активное участие в выносе глубинного тепла и в его перераспределении; восходящие подземные воды переносят значительное количество тепла к границе раздела талых и мерзлых пород. В областях восходящего движения подземных вод мощность мерзлых пород понижается, а иногда, например, по тектоническим разломам, образуются вертикальные таликовые зоны. Так как вода обычно имеет более высокую температуру, чем мерзлые породы, то талики возникают и при нисходящем движении относительно холодных вод с поверхности. Несколько иная картина наблюдается при движении подмерзлотных вод по горизонтальным или слабонаклонным пластам. Если направление движения воды в пласте горизонтальное, т.е. параллельно нижней поверхности мерзлой зоны, то вода не приносит дополнительного тепла, так как течет в породах с одинаковой температурой. В этом случае пластовые и пластово-трещинные воды не оказывают влияния на глубину положения нижней поверхности мерзлой зоны и температурный режим горных пород. Интенсивность теплопереноса движущейся водой зависит здесь от скорости движения, угла наклона водоносного горизонта или трещиноватой зоны, их мощности и разности температур в областях питания и стока. Чем больше эти параметры, тем большее количество тепла переносится водой. В платформенных областях, где скорость движения воды невелика, а водоносные пласты залегают почти горизонтально, влияние подмерзлотных вод на мерзлые породы незначительно. Исключение составляют горизонты соленых вод и рассолов, не замерзающих при существующих отрицательных температурах и способствующих уменьшению мерзлой зоны. Влияние подмерзлотных вод ощущается только в горноскладчатых областях с интенсивными нисходящими и восходящими потоками воды, обилием зон с повышенной фильтрационной способностью и сложной морфологией мерзлой зоны. Влияние тектоники на формирование мерзлотных условий Сибири проанализировано Г.А. Голодковской. Изученный ею регион расположен в краевых частях Сибирской платформы и Западно-Сибирской плиты. В границы его попадают: Восточная окраина Западно-Сибирской плиты, Хантайско-Рыбинское поднятие и часть Тунгусской синеклизы. Все они расположены в одних и тех же широтах и характеризу- 80 ются близкими условиями поверхностного теплообмена. Абсолютные высоты и степень расчленения рельефа в пределах Сибирской платформы больше, чем в Западно-Сибирской низменности, и это обстоятельство должно способствовать увеличению глубины промерзания пород в Восточной Сибири. Многие особенности геологического строения названных структур позволяют предполагать существование мерзлых пород большей мощности в Восточной Сибири, чем в находящихся в тех же климатических условиях районах Западной Сибири, Чехол Западно-Сибирской плиты сложен здесь мощной толщей слаботеплопроводных рыхлых отложений верхнемелового и четвертичного возраста, тогда как в краевых структурах Сибирской платформы мощность рыхлых четвертичных пород весьма незначительна, а подстилаются они высокотеплопроводными изверженными породами перми–триаса или карбонатными толщами палеозойского возраста. Между тем, мощность мерзлых пород Западно-Сибирской плиты на широте г. Норильска составляет 500 м, в то время как в пределах Хантайско-Рыбинского поднятия, на участках с максимальной мощностью четвертичного покрова 50–130 м, она едва достигает 100 м (приравнинных среднегодовых температурах на поверхности пород). В районе г. Игарка максимальная мощность мерзлоты не превышает 30–40 м, а на той же широте в Западной Сибири она увеличивается до 400 м. Г.А. Голодковская объясняет талое несоответствие в мощностях мерзлых пород коренными различиями тектонических, а следовательно, и гидрогеологических структур рассматриваемых регионов. Наличие складчатых структур, неоднородных по составу пород, многочисленных дизъюнктивных нарушений, сложных гидродинамических условий создают многообразие условий теплообмена и в значительной степени определяют распространение и мощность мерзлых пород на данном участке. Анализ мерзлотно-геологических условий территории, проведенный Г.А. Голодковской, и теплофизические расчеты позволили установить, что максимальные мощности пород (350–400 м) приурочены к отрицательным структурам: Приенисейскому прогибу, Норильской и Хараелахской мульдам, Тунгусской синеклизе. Эти структуры характеризуются нисходящим характером движения подземных вод, о чем свидетельствуют уровни подземных вод, установившиеся на больших глубинах и понижающиеся от бортов к центру впадин. Такой характер циркуляции подземных вод по мнению Г.А. Голодковской снимает отепляющее влияние теплового потока из недр, способствует увеличению мерзлой толщи. На участках Хантайско-Дубинского и других поднятий мощность многолетнемерзлых пород снижается до 100–150 м, а под некоторыми 81 структурами мерзлота имеет прерывистый характер. На участках разрывных нарушений повсеместно фиксируются сквозные талики. Во всех случаях подземные воды имеют восходящий характер, статические уровни подземных вод устанавливаются близко от дневной поверхности. Такой тип циркуляции подземных вод способствует выносу тепла из недр земли и препятствует образованию мерзлоты. Изменение температурных условий с изменением геологоструктурных факторов проявляется на рассматриваемой территория не менее четко, чем влияние широтной зональности – в направлении с севера на юг мощность мерзлоты снижается до 40–10 м. Помимо рассмотренных факторов Г.А.Голодковская отмечает, что на формирование мерзлотных условий Хантайско-Норильского района большое влияние оказывает рельеф и литология пород. Основные структуры района четко выражены в рельефе и имеют отраженный характер. Поэтому указанные выше закономерности мерзлотных условий типичны и для главнейших морфоструктур. В пределах последних мерзлотная обстановка детализируется. В частности, отчетливо различаются мерзлотные условия средневысоких гор и их предгорий, низких и высоких уровней ледниково-морской равнины. Литологией пород, особенно четвертичных, в значительной степени определяются глубина сезонного промерзания, льдистость, влажность, мерзлотные процессы и другие важные особенности строения и свойств мерзлых пород. Изученные зависимости позволили Г.А. Голодковской сделать вывод о том, что инженерно-геологическое районирование территории развития многолетнемерзлых пород может выполняться по геоструктурному принципу, разработанному И.В. Поповым. Приведенное выше свидетельствует о том, что мощность и температурный режим вечномерзлых пород являются функцией нескольких факторов, в зависимости от которых нижняя поверхность зоны мерзлых пород приобрела сложную конфигурацию. Факторы, обусловливающие характер нижней поверхности мерзлоты: изменения средней годовой температуры воздуха и пород по площади; холмистый или горный рельеф; неоднородность состава и свойств пород по протяженности; локальные очаги, выделяющие и поглощающие тепло; состав, минерализация и скорость движения подземных вод. Мощность мерзлых пород существенно зависит от температуры поверхности. В то же время величина этой мощности не пропорциональна температуре поверхности из-за взаимного теплового влияния соседних участков друг на друга, которое приводит к перераспределению плотности теплового потока, поступающего из глубины. Под охлажденными участками плотность теплового потока увеличивается, а под более теплыми уменьшается. Перераспределение теплового потока таково, 82 что он стремится снивелировать нижнюю поверхность мерзлых пород, повышая ее над холодными участками и понижая над теплыми. Если различия температуры поверхности невелики и охватывают участки небольшой площади, то неоднородность температурного поля быстро затухает с глубиной. Нижняя поверхность мощной мерзлой зоны не реагирует на такие различия и ее положение определяется средней температурой поверхности на большой площади. Картина меняется в случае сложного рельефа. При постоянстве средней годовой температуры на всех элементах рельефа перераспределение теплового потока в горных породах приводит к увеличению его плотности под долинами и уменьшению под водоразделами. Под долинами формируется зона мерзлых пород пониженной мощности, а под водоразделами–аномально повышенной. Нижняя поверхность мерзлой зоны в сглаженном виде повторяет форму рельефа. При небольшой мощности мерзлой зоны на положение ее нижней границы оказывают влияние и мелкие, и крупные формы рельефа. По мере увеличения мощности мерзлой зоны влияние мезо- и микроформ рельефа исчезает тем быстрее, чем меньше их относительное превышение и протяженность. Средняя мощность зоны мерзлых пород в горном районе, характеризуемом правильным чередованием параллельных хребтов, равна или близка к действительной мощности в точках перегиба рельефа. В природных условиях температура поверхности различных элементов рельефа чаще всего бывает разной – тогда картина осложняется. Если температура поверхности на водоразделах ниже чем в долинах, то мощность зоны мерзлых пород становится еще более контрастной, сильно возрастая над водоразделами и уменьшаясь под долинами. Повышение температуры поверхности с высотой приводит к выравниванию мощности зоны мерзлых пород под различными элементами рельефа и даже к повышению мощности под долинами по сравнению с водоразделами. Это характерно, например, для Южного Забайкалья. Влияние геологических факторов проявляется прежде всего в неоднородности состава и строения горных пород. Приведем пример поднятия фундамента или флексуры, перекрытой горизонтально залегающей толщей осадочных отложений (рис.3). Пример взят из книги "Общее мерзлотоведение", написанной под редакцией П.И. Мельникова и Н.И. Толстихина. Если средняя годовая температура мерзлых пород одинакова на всем пространстве, то над поднятием изотермы к поверхности сближаются. Если зона мерзлых пород не выходит за пределы перекрывающих отложений, то над поднятием ее мощность будет минимальной. Это объясняется наибольшей плотностью теплового потока в связи с его пе- 83 рераспределением. Когда часть поднятия входит в зону мерзлых пород, минимальная мощность ее будет находиться на крыльях поднятия, а не под куполом. Если же нижняя граница зоны мерзлых пород лежит в древних породах поднятия, то над куполами следует ожидать максимальную мощность мерзлой зоны. В случае, если теплопроводность пород поднятия ниже, чем вышележащих, что бывает редко, будет наблюдаться обратная сторона (например, плотные доломиты залегают на гранитах). В пределах прогибов заполненных слаботеплопроводными осадочными породами, мощность мерзлой зоны увеличивается к центру прогиба, если ее мощность не превышает мощности осадочной толщи; или уменьшается в том же направлении, если промороженными оказываются и плотные породы, образующие фундамент прогиба. Влияние подземных вод как дополнительных очагов выделения тепла было рассмотрено выше. Рис. 5. Температурное поле двухслойной среды со сложной границей раздела (поднятие фундамента): 1 – поверхность; 2 – нижняя граница мерзлых пород; 3 – граница контакта горных пород разной теплопроводности; 4 – изотермы; 5 – породы фундамента В настоящее время установлено, что мерзлые породы возникли на определенном этапе развития Земли неодновременно в разных районах. 84 Наиболее раннее промерзание горных пород на территории Восточной Сибири относят к концу плиоцена – началу плейстоцена. Возникнув, мерзлая зона непрерывно изменялась как по площади, так и по мощности вплоть до наших дней. С изменением условий на поверхности и в недрах Земли идут процессы промерзания или протаивания, влияющие на морфологию и мощность мерзлой зоны, а также на физико-механические свойства пород и характер протекания физико-геологических процессов. В течение четвертичного времени климат периодически менялся. На фоне общего похолодания, обусловившего формирование мерзлых пород на значительных территориях, имели место циклические эпохи похолодания и потепления. С эпохами похолодания связываются покровные оледенения обширных областей, тяготеющих к Атлантическому океану как к источнику влаги. Считают, что на территории Восточной Сибири в области современного сплошного распространения мерзлой зоны, покровное оледенение занимало лишь горные территории и отдельные поднятия в пределах платформа (Анабарский щит). Для Сибири выделяют четыре эпохи похолодания, разделенные теплыми межледниковыми: нижнеплейстоценовое оледенение, самаровское оледенение среднего плейстоцена (максимальное по территории и наиболее холодное) и два верхнеплейстоценовых–Зырянское и Сартанское оледенения. После Сартанского оледенения в голоцене установились климатические условия, близкие к современным. Современный период от времени последнего оледенения отделяет 15–20 тыс. лет. Большинство гляциологов в палеогеографов считают, что для возникновения оледенения необходимо увеличение суммы осадков и похолодание. В Восточной Сибири климат был всегда более суровым и континентальным, чем климат Европы, Западной Сибири и Дальнего Востока, что имеет место и поныне. Значительные колебания климата в четвертичное время сопровождались изменениями температуры и мощности мерзлых пород, а в отдельные теплые периоды в южных и западных районах их полным оттаиванием. Не всякое изменение температуры мерзлых пород приводит к изменению мощности мерзлой зоны. Мощные толща мерзлых пород вообще не реагируют на кратковременные колебания температуры Например, уже сформировавшаяся толща мерзлых горных пород сохраняет свою мощность неизменной при колебаниях температуры с амплитудой 5°С и периодом меньше 3000 лет. Таким образом, первыми на изменения климата и поверхностных условий реагируют маломощные толщи мерзлых пород, расположенные вблизи южной границы их распространения. Здесь в настоящее время протекают процессы дегра- 85 дации мерзлоты или, при благоприятных для этого условиях, формируются отдельные острова мерзлых пород, т.е. имеет место нестационарный режим мерзлых толщ. Скорость протекания оттаивания – промерзания при этом в значительной степени зависит от влажности горных пород. Плотные слаботрещиноватые породы быстро меняют свою температуру, протаивают и промерзают. Иначе ведут себя слабосцементированные сильно увлажнённые породы. Они очень медленно промерзают и протаивают. Поэтому их тепловое состояние стабилизируется только за длительный период. Несмотря на медленные изменения климата, подобные породы не успевают приводить свой тепловой режим в соответствие с меняющимися условиями. Так образуется зона мерзлых пород, температура и мощность которой не соответствует современному климату и условиям теплообмена на поверхности. Примером такого явления служит Вилюйская синеклиза, где мощность мерзлых пород составляет 400–600 м, что на 200–400 м больше, чем должно быть при тепловом режиме, соответствующем современной годовой температуре мерзлых пород (-2,5–- 5°С). Аналогичных примеров довольно много (в Западной Сибири, на левобережье Енисея и т.д.). Все эти территории приурочены к областям развития мощных толщ меловых, палеогеновых и четвертичных отложений. Они характеризуются аномально большой мощностью мерзлой зоны, не соответствующей современной температуре мёрзлых горных пород. Существование таких аномальных участков свидетельствует о значительно более суровом климате в недавнем прошлом. По-видимому, породы промерзли в период последнего, Сартанского, похолодания. По мере потепления климата, в течение 15–20 тыс. лет происходит постепенное оттаивание пород, которое, при сохранении существующих условий, продлится еще примерно столько же. Все это позволяет исследователям говорить о деградации мерзлой зоны в Восточной Сибири. Теория деградации впервые предложена К.И. Сумгиным около 80 лет назад. Анализируя современное состояние климата и учитывая его суровость в последнюю ледниковую эпоху, он считал, что на западе и юге мерзлой зоны повсеместно идет процесс ее деградации. Под деградацией мерзлых пород М.И. Сумгин понимал увеличение запасов тепла в мерзлой зоне не только за счет повышения температуры, но и за счет скрытой теплоты плавления льда. При этом периодические температуры поверхности могут распространяться только до определенной глубины зоны. Если она меньше мощности мерзлых пород, а колебания не выходят из области отрицательных температур, то никаких процессов оттаивания, или промерзания наблюдаться не будет. Под деградацией мерзлых пород в настоящее время понимают такое изменение мерзлых по- 86 род, которое сопровождается уменьшением их мощности, площади, изменением физико-механических свойств и конфигурации мерзлой зоны. Современные данные о развитии мерзлой зоны говорят о том, что наряду с деградацией идут процессы новообразования и мощности мерзлых толщ. По имеющимся сведениям, мощные толщи мерзлых пород, сформированные несколько тысяч десятков лет тому назад, в настоящее время, деградируют на Северо-Востоке России и в Восточной Сибири. На юге области развития мерзлых пород, где они имеют малую мощность и подвержены влиянию современных колебаний климата, могут идти как процессы деградации, так и процессы аградации (новообразования и рост мощности мерзлых пород). Наиболее сложная картина наблюдается в Западной Сибири, где древние мощные толщи мерзлых пород глубоко протаяли сверху и находятся в деградационном состоянии, а с поверхности образовалась новая зона мерзлых пород, которая, несомненно, растет и будет расти, пока полностью не оттают древние мерзлые породы или пока эти толщи не соединятся. Это наиболее крупномасштабные процессы преобразования мерзлых, пород. Менее значительные процессы деградаций мерзлых пород происходят под меняющимися руслами рек, новыми озерами, водохранилищами, на шельфе северных морей и т.д. Аградация соответственно имеет место под высыхающими озерами и реками, на новых островах – рек и морей и т.д. Эти явления широко распространены и присущи локальным участкам всей территории развития мерзлой зоны хотя их длительность ограничена относительно небольшими промежутками времени. Причиной развития большинства из этих процессов является изменение условий на поверхности, а не изменение климата. С деградацией связано не только изменение распространения и свойств мерзлых пород. Она не существует изолированно, указывает Н.И. Толстихин, а теснейшим образом связана с общим комплексом природных условий. Так при деградации облегчается движение подземных вод, улучшаются условия дренажа, возрастает зона аэрации, интенсифицируются денудационные процессы, происходит изменение растительности, коренным образом меняются ИГУ территории. При инженерном освоении территории очень важно знать деградируется или, наоборот, усиливается многолетнее промерзание на площадке, где возводятся те или иные сооружения. Если оно возводится по принципу сохранения мерзлого состояния пород в основании фундамента, то нужно принять меры к задержке деградации мерзлой зоны под фундаментом, то, наоборот, деградацию следует ускорить. Знание общих геологических и мерзлотных условий является основой для прогнозирования поведения мерзлоты в тех или иных условиях. 87 Поскольку деградация мерзлой зоны – результат изменения теплового баланса поверхности почвы, человек может существенно влиять на ее ход. С его приходом в ранее незаселенные местности: в степь, лес, в тундру – меняется лик Земли. Человек распахивает земли, разводит скот, рубит лес, строит фабрики и заводы. Под влиянием этой деятельности меняется тепловой режим верхних слоев земли. Управляя снежным, растительным и почвенным покровом, человек может усилить или ослабить вековое промерзание. В наше время, время все более расширяющегося хозяйственного освоения территории мерзлой зоны, человек начинает активно и в больших масштабах изменять природу. Преобразовательная деятельность человека в первую очередь скажется на изменении поверхностных условий и климата, формирующих температуру мерзлых пород. Изучение естественного хода развития мерзлой зоны является базой для составления научного прогноза влияния преобразующей деятельности человека на природу обширной территории Сибири и северо-востока России. 5. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ЗАПАДНО-СИБИРСКОЙ ПЛИТЫ И ИХ УЧЕТ ПРИ ОСВОЕНИИ ТЕРРИТОРИИ Инженерно-геологические условия являются, как известно, многофакторной, изменяющейся во времени и пространстве системой. Они создаются естественным для данного времени сочетанием региональных геологических и зонально-геологических факторов, рассмотренных выше. Анализ их морфологической выраженности, пространственной изменчивости и обусловленности дает возможность оценить основные особенности инженерно-геологических условий региона и главнейшие черты их пространственной изменчивости. 1. Чрезвычайно широкое развитие в зоне активного влияния наземных промышленных, гражданских, мелиоративных, дорожных и других наземных инженерных сооружений позднекайнозойских, главным образом верхнеплиоцен-четвертичных и особенно четвертичных пород различного генезиса, представленных в основном песчаными, глинистыми, лессовыми и торфяными образованиями. Все они являются грунтами одного класса–класса пород без жестких структурных связей. Разрез подавляющего большинства формаций и геолого-генетических комплексов отложений новейшего структурного этажа представлен переслаиванием различных по дисперсности песчаных и глинистых пород. Покров лессовых пород, развитый на отложениях различного 88 возраста и генезиса, очень широко распространен в южных районах плиты, хотя отдельные, достаточно крупные массивы лессовых пород, приуроченные к хорошо дренированным приречным участкам, встречаются и в центральной части территории. Торфяные грунты, чрезвычайно широко распространенные в северной и центральной частях региона и занимающие сотни тысяч квадратных километров, развиты на всех геоморфологических уровнях (начиная от древних междуречных равнин и кончая поймами рек). Все эти достаточно молодые породы пережили лишь первые стадии литогенеза. Именно поэтому они в подавляющем большинстве случаев обладают низкой или невысокой несущей способностью и являются повышенно сжимаемыми или нередко даже сильно сжимаемыми грунтами, свойства которых резко изменяются в зависимости от степени их увлажнения и фазового состояния влаги в них. Более древние отложения (юрские, меловые, палеоценовые и эоценовые), характеризующиеся более благоприятными инженерно-геологическими особенностями (в частности, меньшей сжимаемостью и большей прочностью), имеют важное инженерно-геологическое значение лишь в юго-западных и юго-восточных районах плиты близ границ с палеозойским обрамлением. 2. Большое разнообразие современного состояния и как следствие этого свойств пород самой верхней части разреза в разных районах плиты. Так, в северной ее половине чрезвычайно широко распространены многолетнемерзлые породы большой мощности, среднегодовые температуры которых увеличиваются от -8 – -10оС на самом севере Ямала и Гыдана до 0 – -1оС на широте Сибирских Увалов и южнее. В центральной части плиты развиты главным образом слабые сильно увлажненные, насыщенные водой или даже переувлажненные породы (консистенция глинистых пород чаще всего мягкопластичная или даже скрытотекучая и лишь на хорошо дренированных участках непосредственно вдоль рек отмечаются полутвердые или очень редко твердые разности). В южных районах региона развиты умеренно и слабоувлажненные грунты; в этой части плиты широко распространены засоленные и просадочные грунты. 3. Равнинный, в целом слаборасчлененный аккумулятивный или в меньшей степени денудационный рельеф, наличие хорошо разработанных широких речных долин. Абсолютные отметки современного рельефа изменяются весьма постепенно. В целом они колеблются от 010мблиз побережья Северного Ледовитого океана до 200–400 м в югозападной, южной и юго-восточной частях плиты. Около 40% ее территории (в основном северные и центральные районы) имеют абсолютные отметки менее 100 м; севернее Сибирских Увалов абсолютные отметки современного рельефа во многих районах на превышают 50 м. Более 89 высокие абсолютные отметки рельефа (до 200–250 м и выше) свойственны внешней зоне Западно-Сибирской плиты. Наиболее приподнятой является юго-восточная часть плиты, примыкающая к АлтаеСаянской горной области. 4. Избыточное атмосферное увлажнение большей части ЗападноСибирской плиты и как следствие этого очень близкое к поверхности залегание пресных грунтовых вод. В северных и центральных районах они часто проявляют общекислотную, а в отдельных случаях выщелачивающую и углекислотную агрессивность к бетонам. На значительной части территории севера региона первый от поверхности горизонт подземных вод существует лишь эпизодически – в теплое время года (надмерзлотные воды). В южных районах плиты глубины залегания подземных вод и общая их минерализация сильно возрастают. Здесь воды часто проявляют значительную и разнообразную агрессивность по отношению к бетонам. 5. Широкое развитие разнообразных, но в то же время достаточно специфичных современных экзогенных геологических процессов и явлений, которые существенно осложняют проведение строительных работ. Одни из них имеют чрезвычайно широкое площадное распространение (например, очень сильная заболоченность территории, морозобойное растрескивание грунтов и способствующий ему полигональный рельеф, термокарст, сезонное промерзание и протаивание грунтов и др.), другие приурочены к участкам различных по возрасту и генезису равнин, прилегающих непосредственно к руслам рек (например, интенсивное развитие боковой и овражной эрозии, оползни и другие склоновые процессы). Особенно большие трудности при проведении строительных работ в центральных и северных районах вызывает и будет вызывать интенсивная заболоченность территории, а на севере, кроме того, еще и широкое развитие криогенных и посткриогенных процессов и явлений. Естественное для данного времени сочетание этих особенностей обусловливает весьма специфичные и в целом сложные инженерногеологические условия Западно-Сибирской плиты. Степень их сложности существенно неодинакова в разных частях региона, поскольку каждая из вышеперечисленных особенностей, свойственных всей территории плиты в целом, морфологически неодинаково проявляется в различных ее районах. Особенно большой сложностью и неоднородностью характеризуется инженерно-геологическая обстановка в центральной и северной частях региона. Инженерно-геологические условия южных районов плиты являются существенно более благоприятными. Эта неоднородность инженерно-геологических условий различных частей региона является закономерной. Она обусловлена геологическими причи- 90 нами, является следствием вполне определенных закономерностей пространственной изменчивости инженерно-геологических условий. Особенности пространственной изменчивости инженерно-геологических условий определяются закономерностями изменчивости многих геологических параметров, морфологическая выраженность которых связана с историей геологического развития территории и современной ее теплообеспеченностью и увлажненностью. Именно эти две причины обусловливают неоднородность инженерно-геологических условий любого региона, их локальную и региональную изменчивость. Многие из геологических факторов, суммарное влияние которых в конечном итоге определяет инженерно-геологические особенности местности, имеют четко выраженный широтный характер изменчивости. Это обусловливает широтное изменение всей инженерногеологической обстановки Западно-Сибирской плиты. Следует отметить, что широтная зональность инженерно-геологических условий свойственна в той или иной степени всем крупным структурным зонам земной коры. Наиболее отчетливо она проявляется в пределах платформенных территорий, вытянутых на значительные расстояния с севера на юг, и особенно четко – в пределах молодых платформ, к числу которых относится и Западно-Сибирская плита. Широтное изменение инженерно-геологических условий является неотъемлемой составной частью общей широтной зональности природной обстановки Земли, исходные положения которой были сформулированы более 80 лет назад В.В. Докучаевым. Широтное изменение инженерно-геологической обстановки является важнейшей особенностью Западно-Сибирской плиты. Оно выражается, как показывает весь вышеприведенный материал, в достаточно закономерном изменении инженерно-геологических условий, роли и морфологической выраженности отдельных факторов, их обусловливающих, от северных районов к южным. Такой характер изменчивости инженерно-геологических условий обусловлен многими естественноисторическими причинами, и в первую очередь историей геологического развития территории в средне- и позднечетвертичное время, климатическими особенностями всего позднего голоцена, а также характером современной теплообеспеченности и увлажненности территории. Анализ закономерностей широтной изменчивости инженерногеологических условий в пределах Западно-Сибирской плиты позволяет выделить четыре широтно ориентированные части, названные зонами с резко различной современной инженерно-геологической обстановкой: Заполярной зоны, Северной зоны, Центральной зоны и Южной зоны (рис. 6) 91 Заполярная зона, охватывающая тундру и северную лесотундру, характеризуется практически сплошным распространением многолетнемерзлых четвертичных пород различного генезиса (морских, ледниково-морских, аллювиальных и др.). Среди них широко распространены как сингенетически, так и эпигенетически промерзшие льдистые и сильнольдистые породы. Среднегодовые температуры их, как правило, изменяются от -2–-4 оС до -8–-10оС, мощность колеблется в основном от 150–200 до 300–400 м. Редкие талики здесь развиты лишь под крупными водотоками и водоемами. Прочность мерзлых грунтов в связи с их низкими температурами довольно высокая и выдержана на больших площадях. Надмерзлотные воды в пределах этой зоны существуют сезонно – лишь в теплое время года, они залегают на глубине 0,2–0,5 м и обычно проявляют общекислотную агрессивность к бетонам. В пределах зоны чрезвычайно широко развиты криогенные процессы и соответствующие им криогенные формы рельефа, а в центральных и южных районах и посткриогенные процессы и явления. Эта зона может быть названа “зоной практически сплошного распространения многолетнемерзлых пород”. Южную ее границу целесообразно проводить по появлению крупных массивов талых с поверхности пород вне акваторий и узких прирусловых частей пойм. Инженерно-геологические условия зоны сложные; типы и конструкции сооружений должны быть приспособлены и надлежащим образом вписаны в условия природной обстановки. 92 Рис. 6. Схема размещения зон с резко различной инженерно-геологической обстановкой в пределах Западно-Сибирской плиты (составил В. Т. Трофимов, 1968): I–Заполярная зона; 2– Северная зона; 3 – Центральная зона; 4 – Южная зона; 5 – границы между зонами; 6 – граница Западно-Сибирской плиты как инженерно-геологического региона Южнее расположена Северная зона, которую, по-видимому, лучше всего назвать “зоной несплошного (прерывистого) распространения многолетнемерзлых пород”. Ее территория с юга ограничена современной южной границей распространения многолетнемерзлых пород. Эта зона включает большую часть лесотундры, северную и некоторые районы средней тайги и характеризуется сложным взаимным пространственным распространением песчаных, глинистых и торфяных многолетнемерзлых и талых отложений различного генезиса (морские, прибрежно-морские, ледниково-морские, ледниковые, водно-ледниковые, аллювиальные и озерно-болотные), которые слагают различные генетические типы рельефа. Среднегодовая температура пород изменяется от 1–2 до -3–-4оС, прочность их существенно изменяется на небольших расстояниях. Распространение многолетнемерзлых пород, промерзших в основном эпигенетически, на юге зоны островное, в северном направ- 93 лении количество и размеры островов возрастают, и постепенно многолетнемерзлые породы начинают преобладать над талыми. В этой части зоны широко распространены участки с несливающейся мерзлотой. Мощность мерзлых пород, залегающих с поверхности, изменяется от 2– 10 до 200–300 м. В пределах южной половины зоны в развитии многолетнемерзлых пород (их уничтожении и новообразовании) ведущую роль играет изменение современных физико-географических условий местности. Территория зоны сильно заболочена и заозерена, здесь активно протекают пучинные и посткриогенные процессы, талые породы обычно сильно увлажнены, обладают повышенной сжимаемостью. Надмерзлотные воды и грунтовые воды талых отложений залегают на небольшой глубине. В целом инженерно-геологические условия этой зоны отличаются наибольшей сложностью и разнообразием. Центральная зона, охватывающая территорию средней и южной тайги, а также лиственных лесов, отличается широким развитием талых и немерзлых сильноувлажненных ледниковых, водно-ледниковых, озерно-аллювиальных, аллювиальных песчано-глинистых и лессовых, а также озерно-болотных торфяных отложений. Глинистые породы в подавляющем большинстве районов имеют пластичную или часто даже скрытотекучую консистенцию; лишь непосредственно по берегам рек встречаются полутвердые (по консистенции) разности. Грунтовые воды практически везде, за исключением узких приречных территорий, залегают очень неглубоко. Чрезвычайно широко развиты озера и обширнейшие по площади болота. Эрозионные, осыпные и оползневые процессы протекают лишь по берегам крупных рек. Условия проведения изысканий и строительства здесь разнообразны и достаточно сложны. Южную границу этой зоны, которую целесообразно назвать “зоной распространения сильноувлажненных практически незасоленных пород”, следует проводить по северной границе лесостепи. В пределах Южной зоны, охватывающей лесостепи и степи, широко развиты песчаные, глинистые и лессовые олигоценовые, неогеновые и четвертичные отложения различного генезиса и аллювиальные образования современных речных долин. Глинистые и лессовые породы в верхней части разреза этих комплексов имеют преимущественно тугопластичную, полутвердую или твердую консистенцию. Несущая способность их намного выше по сравнению с более северной зоной. Породы местами сильно засолены, содержат большое количество карбонатов. Грунтовые воды залегают здесь на сравнительно большой глубине; во многих районах они имеют пеструю агрессивность по отношению к бетону. Лессовые породы часто просадочные. Территория отличается большой сухостью, болота встречаются редко, рельеф достаточно плоский, очень слаборасчлененный. Условия изыскания и строительства в 94 пределах этой зоны, которую целесообразно назвать “зоной распространения слабо- и умеренно увлажненных, часто засоленных пород” достаточно благоприятные. Выделенные инженерно-геологические зоны отличаются друг от друга, во-первых, по мерзлотно-гидрогеологическим особенностям и как следствие этого по состоянию и свойствам пород верхней, наиболее важной с инженерно-геологической точки зрения части разреза, и вовторых, по комплексу современных экзогенных геологических процессов и явлений, осложняющих строительное освоение территории. Все это свидетельствует о достаточно резком различии инженерно-геологической обстановки в их пределах, указывает на необходимость их учета при инженерно-геологических изысканиях и освоении территории. Общие закономерности широтной изменчивости инженерногеологических условий должны учитываться (и уже учитываются) при проведении инженерно-геологических изысканий, строительстве и эксплуатации всех видов инженерных сооружений. Это обусловлено тем, что глубокое различие инженерно-геологической обстановки каждой из выделенных зон неизбежно влечет за собой необходимость решения различных задач в процессе инженерно-геологических исследований и изысканий, применения различных методов их проведения, а также различных методов проведения строительства и эксплуатации сооружений. Необходимо отметить следующее. В пределах Заполярной зоны, которая характеризуется практически сплошным по площади и по разрезу распространением мощных, достаточно прочных (вследствие небольшого количества незамерзшей воды) низкотемпературных (от -3°С до -3–-10°С) многолетнемерзлых толщ, инженерно-геологические условия сложные. Строительство наземных сооружений должно вестись по принципу сохранения мерзлого состояния грунтов в основании сооружений, причем проектирование оснований и фундаментов зданий и сооружений должно выполняться в полном соответствии с требованиями СНиП 2.02.04–89 . В процессе инженерно-геологических исследований в этой части Западно-Сибирской плиты основная роль принадлежит геокриологическим работам, т.е. исследования становятся, по существу, мерзлотноинженерно-геологическими. Весь цикл исследований должен быть направлен на изучение и картирование современной инженерногеологической обстановки (особенно мерзлотных ее параметров) и составление прогноза ее изменения в процессе хозяйственного освоения территории, причем роль прогнозной части исследований закономерно возрастает по мере увеличения масштаба исследований. Инженерногеологические исследования представляют сложный комплекс работ, который проводится в соответствии с требованиями СП11–105–97. В 95 этой части севера плиты в процессе инженерно-геологических изысканий особенно большое внимание должно быть уделено изучению криогенного строения мерзлых толщ с целью поисков участков, сложенных слабольдистыми породами, как наиболее благоприятных по условиям проведения строительства. В северных и западных районах полуострова Ямал и на севере Гыданского полуострова важно изучение степени засоленности средне- и позднечетвертичных морских пород, слагающих лайду, морские равнины и террасы. Кроме того, непосредственно в приморской части этих полуостровов существенное внимание должно быть уделено изучению мощности многолетнемерзлых толщ, так как в этих районах лайды и в устьях рек встречаются маломощные мерзлые толщи, подстилаемые охлажденными породами, насыщенными солеными водами. Следует также заметить, что при строительном освоении территории этой зоны необходимо обращать самое серьезное внимание на прокладку и обустройство дорог, так как нарушение растительного покрова на склонах или прилегающих к ним участках из-за нерегулируемого движения транспорта приводит в южной половине зоны, а также в более южных районах плиты к быстрому развитию термокарста, солифлюкции, оврагов и других процессов. В Северной зоне, которой свойственно сложное пространственное распространение талых и многолетнемерзлых толщ различного состава и состояния, инженерно-геологические условия отличаются наибольшей сложностью и наибольшим разнообразием. Здесь строительство лучше всего вести на участках развития талых грунтов (со строгим соблюдением условий, препятствующих образованию многолетнемерзлых пород). Такие участки на севере обычно расположены на залесенных, хорошо дренированных террасах, сложенных песками, и примыкающих непосредственно к руслам крупных рек. Их количество и размеры довольно резко возрастают при продвижении от северной границы зоны к югу, где они широко развиты, и на междуречьях. При необходимости строительства населенных пунктов или других объектов на участках развития многолетнемерзлых пород в период изысканий самое серьезное внимание должно быть обращено на изучение их среднегодовых температур и криогенного строения. Только на основе этого может быть решен вопрос о выборе принципа возможного использования мерзлых толщ в качестве оснований зданий, сооружений. При высоких среднегодовых температурах многолетнемерзлых пород (0–-1,5оС) целесообразно проводить предпостроечное протаивание мерзлых грунтов, что можно осуществить путем уничтожения мохового и торфяного слоя (минерализация грунтов) в этих районах. Одной из важнейших задач инженерно-геологических исследований в пределах этой зоны является площадное картирование многолет- 96 немерзлых и талых отложений и районов с несливающейся мерзлотой. Изучение криогенного строения здесь столь же важно, как и на севере, а исследование температурного режима мерзлых и талых толщ проводится гораздо детальнее и по большому количеству горных выработок. Следует подчеркнуть, что криогенное строение многолетнемерзлых пород зависит не только от литологии пород, строения толщ и их генезиса (как на севере плиты), но и от характера расчлененности территории. Изучение характера заболоченности территории, глубины залегания и агрессивности подземных вод, плывунных свойств водонасыщенных песчаных и глинистых пород, деформационных и прочностных характеристик талых и немерзлых грунтов – задачи, которые необходимо решить в процессе инженерно-геологических исследований. Особо стоит еще раз подчеркнуть очень важную роль прогноза изменения инженерно-геологических условий при хозяйственном освоении территории этой зоны, поскольку в ее пределах могут происходить явления деградации мерзлоты, сопровождаемые интенсивным развитием термокарста, и явления ее новообразования. В пределах границ Центральной зоны, которая характеризуется очень сильной заболоченностью, большой влажностью минеральных и органогенных грунтов, часто проявляющих плывунные свойства, и близким к поверхности залеганием грунтовых вод, условия проведения изысканий и строительства достаточно сложны и разнообразны. Наиболее удобными территориями для строительства, которое на значительной части зоны должно проводиться с учетом возможности новообразования многолетнемерзлых пород при освоении, являются участки террас и междуречных равнин, прилегающих к руслам рек и характеризующиеся хорошей дренированностью. На склонах многих таких участков развиты крупные оползни, а при снятии естественного растительного покрова интенсивно развивается эрозия. Поэтому эти вопросы должны быть в известной степени оценены геологами. При изысканиях под все виды строительства, особенно под линейные сооружения, наряду с другими вопросами огромное внимание должно быть уделено картированию болот и оценке свойств болотных отложений. Особо следует подчеркнуть необходимость проведения температурных измерений на специальных площадках с различным характером растительного и других поверхностных покровов и в скважинах, проходимых при инженерногеологических исследованиях для составления прогноза изменения природных условий этой территории в процессе проведения строительства. В южных районах этой зоны, где развиты лессовые породы, необходимо изучение просадочных свойств. Южная зона характеризуется наиболее благоприятными условиями строительства и проведения изысканий. В процессе исследований в 97 ее пределах серьезное внимание должно быть обращено на агрессивные свойства подземных вод и грунтов, а также на установление основных закономерностей изменчивости просадочных свойств лессовых толщ по площади и в разрезе в соответствии с требованиями СП11–105–97. Весь вышеприведенный материал показывает, что широтный характер изменчивости инженерно-геологической обстановки ЗападноСибирской плиты, причинно обусловленный и хорошо выраженный, должен обязательно учитываться при общей оценке ее территории, при разработке региональных норм и технических указаний на изыскания, строительных норм и правил и других материалов, а также при инженерно-геологическом районировании территории. Поэтому вопрос о выделении инженерно-геологических зон имеет не только теоретическое, но и глубокое практическое значение. 5.1. Инженерно-геологическое районирование Западно-Сибирской плиты Инженерно-геологическое районирование является важнейшим методом региональных исследований. И.В. Попов (1961) прямо указывал, что инженерно-геологическое описание местности, “чтобы быть систематичным и удобным для практического использования, всегда требует районирования территории”. Последнее представляет собой систему деления территории на ряд соподчиненных таксономических единиц применительно к целям и задачам инженерной геологии. На картах при этом выделяются площади, отличающиеся друг от друга по совокупности природных условий, имеющих важное значение для проведения изысканий, возведения и эксплуатации сооружений. Районирование территории должно проводиться по определенным классификационным признакам и принципам, однако несмотря на это, до последнего времени нет единства взглядов по этому важному вопросу. Система подхода к инженерно-геологическому районированию Западно-Сибирской плиты, как и других регионов России все время развивается, совершенствуется, увеличивается количество факторов, учитывающихся при районировании. К настоящему времени составлено несколько схем инженерно-геологического районирования плиты, которые построены на различных принципах. Одни из них, построенные на первых этапах изучения Западно-Сибирской плиты (схемы А.С. Герасимовой и др., И.В. Попова), чрезвычайно общи, совершенно не учитывают зонального изменения инженерно-геологических условий, другие (схемы С.С. Полякова, Е.М. Сергеева и С.Б. Ершовой), хотя и более дробные, также не учитывают зонально-геологические факторы. В последние годы были также составлены схемы районирования для се- 98 вера плиты (Е.С. Мельников, В.Т. Трофимов) и всей ее территории (Ф.А. Никитенко, В.Т. Трофимов), в которых совместно учитываются региональные геологические и зонально-геологические факторы инженерно-геологических условий. Именно последний подход, как нам известно, широко используется в последние годы при площадном инженерно-геологическом картировании в северных районах сотрудниками МГУ (В.Т. Трофимов, Г.М. Терешков, Н.А. Филькин, Н.Г. Фирсов и др.) и ВСЕГИНГЕО (Е.С. Мельников, А.Н. Козлов и др.). При инженерно-геологическом районировании в подавляющем большинстве случаев используется, как уже было сказано, следующая система таксономических единиц: регион, область, район, подрайон, участок, элемент. Первая из этих единиц выделяется по структурнотектоническому признаку, вторая – по геоморфологическому, а районы– по литолого-генетическим признакам. А.А. Маккавеев в “Словаре по гидрогеологии и инженерной геологии” (1971) следующим образом формулирует понятия этих и других таксономических элементов: инженерно-геологический регион – наиболее крупное подразделение при инженерно-геологическом районировании. Охватывает территорию какой-либо структуры. Выделяется по общности основных признаков, характеризующих строение коренной основы, поверхностных отложений, гидрогеологические условия, геоморфологическую обстановку и геологические процессы; инженерно-геологические области – крупные части региона, близкие по характеру геоморфологии (мезо- и макрорельефу); инженерно-геологический район – крупная часть области с различными комплексами пород; инженерно-геологический подрайон – часть района, отличающаяся по геологическому разрезу, формам и масштабам проявления современных геологических процессов. Приведенные определения ясно показывают, что все наиболее крупные таксономические элементы выделяются на основе учета пространственной изменчивости одних региональных геологических факторов инженерно-геологических условий. Зонально-геологические факторы инженерно-геологических условий при выделении таксономических единиц до уровня инженерно-геологического района включительно не учитываются. Классификационные признаки, используемые для выделения этих единиц, явно недостаточно учитывают изменчивость инженерно-геологических особенностей пород – важнейшего параметра, определяющего условия возведения и эксплуатации сооружений. Для устранения этого недостатка и составления более объективной, учитывающей большое количество параметров инженерно- 99 геологической среды схемы районирования В.Т. Трофимовым (1977) предлагается следующая система таксономических инженерногеологических единиц: регион, провинция, зона, подзона, область, подрайон, участок, элемент. Не останавливаясь на характеристике общепринятых единиц, определим содержание вновь вводимых (рис. 7, табл. 10–14). Под инженерно-геологической провинцией предлагается понимать крупную часть региона, в пределах которой развиты породы определенного инженерно-геологического класса или определенное по строению сочетание пород разных классов. Инженерно-геологическая зона – крупная часть провинции, в пределах которой современное состояние пород в разрезе грунтовой толщи, обусловленное главным образом особенностями фазового состояния воды в них, является достаточно однотипным с инженерногеологических позиций и регионально выдержанным. Инженерно-геологическая подзона – крупная часть зоны, в пределах которой состояние пород грунтовой толщи отлично от смежных частей этой же зоны. Исходя из этого, мы считаем необходимым при инженерногеологическом районировании (вообще и инженерно-геологическом районировании Западно-Сибирской плиты в частности) использовать для обособления таксономических единиц разного ранга следующие классификационные признаки. Регион, как наиболее крупная инженерно-геологическая таксономическая единица, выделяется по структурно-тектоническому признаку. Он подразделяется на провинции, обособляемые на основе учета характера пород (классов пород), слагающих территории региона. Провинции подразделяются на зоны и подзоны по характеру современного состояния горных пород (в широком региональном плане), слагающих верхнюю часть региона. В пределах подзон по характеру рельефа как конкретному выражению неотектоники выделяются области. Районы, как часть области, обособляются по особенностям геологического строения верхней части разреза ее и в пределах равнинных территорий обычно охватывают территорию развития определенного геолого-генетического комплекса отложений. 100 Рис. 7. Схема инженерно-геологического районирования Западно-Сибирской плиты (составил В.Т. Трофимов, 1975): 1 – граница инженерно-геологического региона; 2 – граница инженерно-геологических провинций (А – провинция преимущественного распространения пород без жестких связей, Б – провинция акваторий); 3 – граница инженерно-геологических зон (ТА – зона распространения талых дисперсных пород, МА – зона преимущественного распространения многолетнемерзлых дисперсных пород); 4 – границы инженерно-геологических подзон 1 ( – подзона практически сплошного распространения многолетнемерзлых дисперсных – подзона несплошного (прерывистого) распространения многолетнемерзлых 1 2 дисперсных пород; –подзона развития сильноувлажненных дисперсных пород, – пород, 2 подзона развития слабо- и умеренно увлажненных дисперсных пород); 5 – границы инженерно-геологи-ческих областей первого порядка; 6 – границы инженерно-геологических областей второго порядка; 7 – 23 – инженерно-геологические области первого порядка (названия см. в табл. 12); 24 – индекс инженерно-геологической области второго порядка (названия см. в табл. 10–14) 101 При использовании этих классификационных признаков и предложенной системы таксономических единиц при выделении зон и подзон учитываются, как хорошо видно важнейшие закономерности широтной изменчивости инженерно-геологических условий региона, а при выделении областей и районов – закономерности внутризональной районной их изменчивости. Таблица10 Систематика наиболее крупных территориальных инженерно-геологических единиц, выделенных в пределах Западно-Сибирской плиты Названия соподчиненных таксономических инженерно-геологических единиц Индекс Зоны Подзоны Области первого порядка области на рис. 7 1 2 3 4 Регион – Западно-Сибирская плита Провинция – Провинция преимущественного распространения пород без жестких связей (дисперсных грунтов) Подзона Область средне- и позднечетвертичных 1 практич. морских аккумулятивных равнин и террас, М Аа сплошного сложенных многолетнемерзлыми породами распростран. Область средне- и позднечетвертичных 1 многолетне- ледниковых аккумулятивных равнин, слоМ Аб мерзлых женных многолетнемерзлыми породами дисперсных Область позднечетвертичных аллювиаль1 Зона препород ных и озерно-аллювиальных террасовых М Ав имуравнин, сложенных многолетнемерзлыми щественпородами ного расОбласть средне- и позднечетвертичных 2 прострапреимущественно морских аккумулятивМ Аа нения мноных равнин, сложенных многолетнемерзголетнелыми и талыми сильноувлажненными померзлых Подзона не- родами пород сплошного Область средне- и позднечетвертичных 2 распростран. ледниковых аккумулятивных равнин, слоМ Аб многолетне- женных многолетнемерзлыми и талыми мерзлых сильноувлажненными породами дисперсных Область среднечетвертичных озерно2 пород аллювиальных (перигляциальных) аккумуМ Ав лятивных равнин, сложенных многолетнемерзлыми и талыми сильноувлажненными породами Область среднечетвертичных аллювиаль2 ных и озерно-аллювиальных террасовых М Аг равнин, сложенных многолетнемерзлыми и талыми сильноувлажненными породами 102 Окончание табл. 10 1 2 3 4 Область денудационных равнин, сформировавшихся на мезозойско-кайнозойских отложениях, сложенных талыми сильноувлажненными породами Подзона раз- Область денудационных равнин, сформивития силь- ровавшихся на палеогеновых и неогеновых ноувлажотложениях, сложенных талыми сильненных дис- ноувлажненными породами персных Область верхнеплиоцен-среднечетвертичных пород озерно-аллювиальных аккумулятивных равнин, сложенных талыми сильноувлажненными породами Область среднечетвертичных ледниковых аккумулятивных равнин, сложенных талыЗона расми сильноувлажненными породами простраОбласть позднечетвертичных аллювиальнения таных и озерно-аллювиальных террасовых лых (и неравнин, сложенных талыми сильноувлажмерзлых) ненными породами дисперсных Область денудационных равнин, сформипород ровавшихся на палеогеновых отложениях, сложенных слабо- и умеренно увлажненПодзона раз- ными породами вития слабо- Область пластовых неогеновых равнин, и умеренно сложенных слабо- и умеренно увлажненувлажненных ными породами дисперсных Область среднеи среднепород позднечетвертичных озерно-аллювиальных и аллювиальных аккумулятивных равнин, сложенных слабо и умеренно увлажненными породами Область среднечетвертичных предгорных равнин сложного генезиса, сложенных слабо- и умеренно увлажненными породами Область позднечетвертичных аллювиальных террасовых равнин, сложенных слабои умеренно увлажненными породами 103 1 Т Аа 1 Т Аб 1 Т Ав 1 Т Аг 1 Т Ад 2 Т Аа 2 Т Аб 2 Т Ав 2 Т Аг 2 Т Ад Среди инженерно-геологических провинций, которые предлагается рассматривать в качестве крупнейших частей регионов, целесообразно, как нам кажется, выделять два типа: провинцию распространения пород с жесткими и без жестких связей в пределах континентальной части региона и провинцию распространения пород и осадков в пределах морской части региона. В пределах первого из них выделяются три вида провинций: провинция преимущественного распространения пород без жестких связей, локально перекрытых маломощным чехлом дисперсных пород, провинция преимущественного распространения пород с жесткими связями, перекрытых породами без жестких связей и провинция преимущественного распространения пород без жестких связей. Второй тип провинций подразделяется на два вида: провинцию преимущественного распространения пород с жесткими и без жестких связей, перекрытых чехлом молодых осадков. Инженерно-геологи-ческие условия этих таксономических единиц, как хорошо видно даже по их названию, принципиально различны. Состояние пород в пределах любой из вышеназванных провинций может быть различным. Оно определяется многими факторами. Из них наиболее важным считать фазовое состояние влаги и ее количество в горных породах. Эти признаки рекомендуются (Трофимов, 1968–1975), для подразделения провинций на зоны и подзоны. В пределах провинций необходимо выделить две типологические инженерно-геологические зоны: 1) зону преимущественного развития многолетнемерзлых пород; 2) зону развития талых пород. Граница между ними проводится по современной, предельно южной границе распространения многолетнемерзлых пород (для ЗападноСибирской плиты – по границе развития мерзлых толщ верхнего слоя). Первую из этих зон с инженерно-геологических позиций целесообразно разделить на две подзоны: подзону практически сплошного распространения многолетнемерзлых пород и подзону несплошного (прерывистого) распространения многолетнемерзлых пород. В зоне талых пород каждой провинции также, по-видимому, целесообразно выделять две инженерно-геологические подзоны: подзону развития сильноувлажненных пород и подзону развития слабо- и умеренно увлажненных пород. 104 Таблица 11 Систематика инженерно-геологических областей, выделенных в пределах подзоны практически сплошного распространения многолетнемерзлых дисперсных пород Инженерно-геологические области первого порядка второго порядка 1 2 Западно-Ямальская область развития низких плоскоувалистых и плоских позднечетвертичных морских террас Северо-Ямальская область развития разновысоких расчлененных плоскоувалистых средне- и позднечетвертичных морских равнин и террас Центрально-Ямальская область развития низких плоских позднечетвертичных морских равнин и террас Южно-Ямальская (Щучьинско-Хойская) область развития возвышенных в различной степени расчлененных пологоувалистых средне- и позднечетвертичных морских равнин и террас Область средне- и поздне-четвертичных морских аккумулятивных равнин и террас, сложенных много-летнемерзлыми породами Южно-Ямальская область развития низких плоских позднечетвертичных морских террас Западно-Тазовская область развития возвышенных пологоувалистых расчлененных среднепозднечетвертичных морских равнин и террас Восточно-Тазовская область развития низких плоских позднечетвертичных морских равнин и террас Южно-Тазовская область развития высоких пологоувалистых слаборасчлененных среднепозднечетвертичных морских равнин и террас Западно-Гыданская область развития разновысоких расчлененных холмисто-увалистых среднепозднечетвертичных морских равнин и террас Северо-Гыданская область развития низких плоских позднечетвертичных морских террас Центрально-Гыданская область развития возвышенных, расчлененных, пологохолмистых среднепозднечетвертичных морских равнин Антипаютинско-Танамская область развития низких плоских преимущественно позднечетвертичных морских равнин 105 индекс области на рис.7 3 1 1 А м а 1 2 А м а 1 3 А м а 1 4 А м а 1 5 А м а 1 6 А м а 1 7 А м а 1 8 А м а 1 9 А м а 1 10 А м а 1 11 А м а 1 12 А м а Окончание табл. 11 1 Область средне- и позднечетвертичных морских аккумулятивных равнин и террас, сложенных много-летнемерзлыма породами Область средне- и позднечетвертичных ледниковых аккумулятивных равнин, сложенных многолет-немерзлыми породами 2 Южно-Гыданская область развития возвышенных плоских и пологоувалистых среднепозднечетвертичных морских равнин Танамская область развития возвышенных, расчлененных холмисто-увалистых среднепозднечетвертичных морских равнин Мессояхинская область развития низких плоских заболоченных позднечетвертичных морских равнин Русско-Мессояхинская область развития возвышенных слаборасчлененных пологоувалистых заболоченных средне-позднечетвертичных морских равнин Пур-Тазовская северная область развития преимущественно низких плоских заболоченных среднепозднечетвертичных морских равнин Сопкайская область развития возвышенных холмистых слаборасчлененных позднечетвертичных ледниковых и водно-ледниковых равнин Хетская область развития возвышенных расчлененных холмисто-увалистых позднечетвергичных преимущественно ледниковых и водноледниковых равнин Заенисейская область развития возвышенных расчлененных (холмисто-увалистых позднечетвертичных равнин сложного генезиса Область поздне-четверНижнепуровская область тичных аллювиальных и озерно-аллювиальных террасовых равнин, слоНижнетазовская область женных многолетнемерзлыми породами Нижнеенисейская область 106 3 1 13 А м а 1 14 А м а 1 15 А м а 1 16 А м а 1 17 А м а 1 1 А м б 1 2 А м б 1 3 А м б 1 1 А м в 1 2 А м в 1 3 А м в Таблица 12 Систематика инженерно-геологических областей, выделенных в пределах подзоны несплошного (прерывистого) распространения многолетнемерзлых дисперсных пород Инженерно-геологические области первого порядка второго порядка 1 2 Обско-Ярудейская область развития возвышенных в разной степени расчлененных пологоувалистых средне-позднечетвертичных морских равнин Полуй-Надымская область развития возвышенных слаборасчлененных пологоувалистых заболоченных среднечетвертичных морских и позднечетвертичных озерно-аллювиальных равнин Полуй-Кызымская область развития возвышенных расчлененных холмисто-увалистых среднечетвертичных морских равнин Верхненадымская область развития разновысоких сильнозаболоченных пологоувалистых среднечетвертичных морских и позднечетвертичных озерноаллювиальных равнин Область средне- и позд- Правохеттская область развития возвышенных слабонечетвертичных преиму- расчлененных заболоченных средне-позднещественно морских акчетвертичных морских равнин кумулятивных равнин, Надым-Пуровская область развития возвышенных сложенных многолетне- плоских сильнозаболоченных среднечетвертичных мерзлыми и талыми морских и позднечетвертичных озерно-аллювиальных сильноувлажненными равнин породами Пур-Тазовская область развития низких пологоувалистых заболоченных среднечетвертичных морских и позднечетвертичных озерно-аллю-виальных равнин Часелька-Толькинская область развития возвышенных слаборасчлененных пологоувалистых за-болоченных среднечетвертичных морских и верх-нечетвертичных озерно-аллювиальных равнин Пякупур-Толькинская область развития низких плоских очень сильнозаболоченных среднечетвертичных морских и позднечетвертичных озерно-аллювиальных равнин Таз-Туруханская область развития низких пологоувалистых заболоченных среднечетвертичных морских и позднечетвертичных озерно-аллю-виальных равнин 107 индекс области на рис. 7 3 2 1 А м а 2 2 А м а 2 3 А м а 2 4 А м а 2 5 А м а 2 6 А м а 2 7 А м а 2 8 А м а 2 9 А м а 2 10 А м а Продолжение табл. 12 1 2 Приуральская область развития возвышенных расчлененных пологоувалистых в разной степени заболоченных среднечетвертичных ледниковых и водно-ледниковых равнин Хулга-Войкарская (Приуральская северная) область развития разновысоких плоских сильнозаболоченных преимущественно средне- и позднечетвертичных ледниковых и водно-ледниковых равнин Мужинско-Черногорская область развития возвышенных расчлененных пологоувалистых в разной степени заболоченных преимущественно среднечетвертичных равнин сложного генезиса Люлин-Ворская область развития возвышенных сильнорасчлененных среднечетвертичных ледниковых и водно-ледниковых равнин Куноват-Казымская область развития возвышенных расчлененных среднечетвертичных равнин Область средне- и позд- сложного генезиса нечетвертичных ледни- Южно-Казымская область развития возвышенных расчлененных среднечетвертичных преимущековых аккумулятивных равнин, сложенных мно- ственно ледниковых равнин Казым-Ляминская область развития разновысоких голетнемерзлыми и таплоских в разной степени заболоченных средлыми сильноувлажненнечетвертичных водно-ледниковых равнин ными породами Центральная Сибирско-Увальская область развития возвышенных плоских в разной степени заболоченных среднечетвертичных водно-ледниковых равнин Аган-Коликъеганская область развития разновысоких плоских в разной степени заболоченных преимущественно среднечетвертичных ледниковых и водно-ледниковых равнин Сабунская область развития низких плоских чрезвычайно сильнозаболоченных среднечетвертичных водно-ледниковых равнин Верхнетазовская область развития возвышенных сильнорасчлененных холмисто-увалистых ледниковых и водно-ледниковых равнин Елогуй-Дубчесская область развития возвышенных сильнорасчлененных холмисто-ува-листых ледниковых и водно-ледниковых равнин Среднетазовская область развития возвышенных расчлененных пологоувалистых среднечетверти-чных ледниковых и водно-ледниковых равнин 108 3 2 1 А м б 2 2 А м б 2 3 А м б 2 4 А м б 2 5 А м б 2 6 А м б 2 7 А м б 2 8 А м б 2 9 А м б 2 10 А м б 2 11 А м б 2 12 А м б 2 13 А м б Окончание табл. 12 1 2 Турухан-Хетская область развития возвышенных расчлененных холмисто-увалистых в разной степени заболоченных позднечетвертичных ледниковых и водОбласть средне- и позд- но-ледниковых равнин нечетвертичных ледни- Хантайко-Нижнетунгусская область развития возвыковых аккумулятивных шенных расчлененных в разной степени заравнин, сложенных мно- болоченных позднечетвертичных ледниковых и водголетнемерзлыми и тано-ледниковых равнин лыми сильноувлажненБахтинская область развития возвышенных расными породами члененных плоско-холмистых в разной степени заболоченных среднечетвертичных ледниковых и водноледниковых наклонных равнин Область среднечетверПим-Аганская область развития невысоких плоских тичных озерно-аллюочень сильно заболоченных среднечетвертичных виальных (перигляциаль- озерно-аллювиальных равнин ных) аккумулятивных рав- Коликъеган-Сабунская область развития невысоких нин, сложенных мноплоских очень сильнозаболоченных среднеголетнемерзлыми и талыми четвертичных озерно-аллювиальных равнин сильноувлажненными породами Область позднечетверСеверо-Сосьвинская область тичных аллювиальных и озерно-аллювиальных террасовых равнин, слоНижнеобская северная область женных многолетнемерзлыми и талыми сильноувлажненными породами Усть-Обская область Надымская область Пуровская область Тазовская область Нижнеенисейская северная область Нижнеенисейская южная (Енисей-Туруханская) область Среднеобская северная область 109 3 2 14 А м б 2 15 А м б 2 16 А м б 2 1 А м в 2 2 А м в 2 1 А м г 2 2 А м г 2 3 А м г 2 4 А м г 2 5 А м г 2 6 А м г 2 7 А м г 2 8 А м г 2 9 А м г Таблица 13 Систематика инженерно-геологических областей, выделенных в пределах подзоны развития талых (и немерзлых) сильноувлажненных дисперсных пород Инженерно-геологические области первого порядка второго порядка 1 Область денудационных равнин, сформировавшихся на мезозойско-кайнозойских породах, сложенных сильноувлажненных дисперсными породами Область денудационных равнин, сформировавшихся на палеогеновых и неогеновых породах, сложенных сильноувлажненными дисперсными породами 2 индекс области на рис. 7 3 Чулымо-Енисейская область развития возвышенных расчлененных пологохолмистых наклонных равнин 1 1 А т а Туринско-Тавдинская область развития приподнятых в разной степени расчлененных и заболоченных плоских и пологоувалистых наклонных равнин Тавдинская область развития разновысоких слаборасчлененных плоских слабозаболоченных равнин Тавдинско-Кондинская область развития невысоких плоских заболоченных наклонных среднечетвертичных озерно-аллювиальных равнин Кондинская область развития невысоких плоских очень сильнозаболоченных среднечетвертичных озерно-аллювиальных равнин Нижнетобольско-Вагайская бласть развития разновысоких плоских в разной степени заболоченных верхнеплиоцен-среднечетвертичных озерОбласть верхнеплиоценно-аллювиальных наклонных равнин среднечетвертичных Нижнеишимско-Иртышская область развития разозерно-аллювиальных новысоких плоских в разной степени заболоаккумулятивных равнин, ченных верхнеплиоцен-среднечетвертичных озерсложенных сильноувлажно-аллювиальных наклонных равнин ненными породами Тобольско-Демьянская область развития приподнятых плоских очень сильнозаболоченных среднечетвертичных озерно-аллювиальных равнин Салым-Юганская область развития невысоких плоских очень сильно заболоченных среднечетвертичных озерно-аллювиальных равнин Юган-Васюганская область развития приподнятых плоских очень сильнозаболоченных среднечетвертичных озерно-аллювиальных равнин 110 1 1 А т б 1 2 А т б 1 1 А т в 1 2 А т в 1 3 А т в 1 4 А т в 1 5 А т в 1 6 А т в 1 7 А т в Васюганская область развития возвышенных плоских очень сильнозаболоченных верхнеплиоценсреднечетвертичных озерно-аллювиальных равнин 1 8 А т в Продолжение табл. 13 1 Область верхнеплиоценсреднечетвертичных озерно-аллювиальных аккумулятивных равнин, сложенных сильноувлажненными породами Область среднечетвертичных ледниковых аккумулятивных равнин, сложенных сильноувлажненными породами 2 Северо-Барабинская область развития приподнятых в разной степени расчлененных и заболоченных плоских верхнеплиоцен-раннечетвертичных наклонных равнин Барабинско-Обская область развития возвышенных в разной степени расчлененных и заболоченных плоских верхнеплиоцен-раннечетвертичных наклонных равнин Васюганско-Шегаркинская область развития приподнятых плоских сильнозаболоченных среднечетвертичных озерно-аллювиальных равнин Сымский район развития приподнятых плоских заболоченных среднечетвертичных озерно-аллювиальных равнин Вах-Тымская область развития разновысоких в разной степени расчлененных и сильнозаболоченных плоских наклонных верхнеплиоцен-среднечетвертичных озерно-аллювиальных равнин Кеть-Чулымская область развития возвышенных в разной степени расчлененных заболоченных плоских и плоскохолмистых верхнеплиоцен-раннечетвертичных наклонных равнин Южно-Чулымская область развития возвышенных слаборасчлененных плоских верхнеплиоценранне-четвертичных наклонных равнин Томь-Чулымская область развития разновысоких слаборасчлененных плоских и пологоувалистых верхнеплиоцен-раннечетвертичных наклонных равнин Обско-Томский район развития разновысоких расчлененных полого-увалистых и гривно-ложбинных среднечетвертичных наклонных равнин Приуральско-Северо-Сосьвинская область развития возвышенных слаборасчлененных пологоувалистых и холмисто-увалистых в разной степени заболоченных среднечетвертичных ледниковых и водно-ледниковых равнин Северо-Сосьвинско-Обская область развития возвышенных слаборасчлененных пологоувалистых и холмисто-увалистых в разной степени заболоченных среднечетвертичных преимущественно водноледниковых равнин 111 3 1 9 А т в 1 10 А т в 1 11 А т в 1 12 А т в 1 13 А т в 1 14 А т в 1 15 А т в 1 16 А т в 1 17 А т в 1 1 А т г 1 2 А т г Белогорская область развития возвышенных в разной степени расчлененных холмисто-увалистых среднечетвертичных водно-ледниковых равнин Назым-Ляпинская область развития невысоких плоских заболоченных среднечетвертичных водно-ледниковых равнин 1 3 А т г 1 4 А т г Окончание табл. 13 1 2 Область среднечетвертичных ледниковых ак- Верхнедубчесская область развития возвышенных кумулятивных равнин, расчлененных холмисто-увалистых среднечетсложенных сильноувлаж- вертичных водно-ледниковых равнин ненными породами Северо-Сосьвинско-Тапсуйская область Нижнеобская южная область Нижнеиртышская область Область позднечетвертичных аллювиальных и озерно-аллювиальных террасовых равнин, сложенных сильноувлажненными породами Среднеиртышская область Среднеобская область Среднеобско-Чулымская область Обь-Томская область Среднеенисейская область 3 1 5 А т г 1 1 А т д 1 2 А т д 1 3 А т д 1 4 А т д 1 5 А т д 1 6 А т д 1 7 А т д 1 8 А т д Таблица14 Систематика инженерно-геологических областей, выделенных в пределах подзоны развития немерзлых слабо- и умеренно увлажненных дисперсных пород Инженерно-геологические области первого порядка второго порядка 1 2 112 индекс области на рис. 7 3 Область денудационных равнин, сформировавшихся на палеогеновых и неогеновых отложениях, сложенных слабо- и умеренно увлажненными породами Исетская область развития приподнятых, в разной степени расчлененных плоских и пологоувалистых наклонных равнин Западная Северо-Тургайская область развития возвышенных очень слаборасчлененных плоских и плос-козападинных наклонных равнин 2 1 А т а 2 2 А т а Окончание табл. 14 1 2 Восточная Северо-Тургайская область развития возвышенных очень слаборасчлененных плоских и Область пластовых нео- гривно-западинных наклонных равнин геновых равнин, сложенТобольско-Ишимская область развития приподных слабо- и умеренно нятых плоских наклонных равнин увлажненными породами Ишим-Иртышская область развития приподнятых плоских и плоскозападинных наклонных равнин Область среднеи среднепозднечетвертичных озерно-аллювиальных и аллювиальных аккумулятивных равнин, сложенных слабо- и умеренно увлажненными породами Область среднечетвертичных предгорных равнин сложного генезиса, сложенных слабо- и умеренно увлажненными породами Селетинская область развития разновысоких плоских, с крупными эрозионно-денудационными останцами среднечетвертичных озерноаллювиальных равнин Прииртышско-Барабинская область развития разновысоких плоских и плоскозападинных, с крупными эрозионно-денудационными останцами, среднечетвертичных аккумулятивных равнин Чановская область развития пониженных плоских заозерных средне-позднечетвертичных озерно-аллювиальных равнин Кулундинская область развития пониженных плоских и плоскозападинных преимущественно средне-четвертичных аллювиальных равнин Бель-Агачская область развития приподнятых плоских и гривно-западинных наклонных преимущественно средне-позднечетвертичных озерноаллювиальных равнин Приобская область развития возвышенных грядово-увалисто-лощинных в разной степени расчлененных среднечетвертичных равнин сложного генезиса Предсалаирская область развития возвышенных расчлененных пологоувалистых и холмистоувалистых среднечетвертичных наклонных равнин Область позднечетвертичных аллювиальных Тобольская область террасовых равнин, сложенных слабо- и умеренно увлажненными поро- Ишимская область дами 113 3 2 1 А т б 2 2 А т б 2 3 А т б 2 1 А т в 2 2 А т в 2 3 А т в 2 4 А т в 2 5 А т в 2 1 А т г 2 2 А т г 2 1 А т д 2 2 А т д Верхнеиртышская область Верхнеобская область 2 3 А т д 2 4 А т д Таким образом, в предложенной схеме последовательного инженерно-геологического районирования выделяются по сравнению с аналогичной схемой И.В. Попова три новые таксономические единицы: провинции, зоны и подзоны. Выделение этих крупных территориальных единиц в дополнение к ранее принятым позволяет более полно учесть важнейшие, собственно инженерно-геологические особенности территории, позволяет отразить в схеме районирования важнейшие особенности пространственной изменчивости инженерно-геологических условий (в частности, широтный характер их изменчивости в пределах равнинных территорий). Все это делает схему районирования более целенаправленной, более глубокой по инженерно-геологическому содержанию. Следует также отметить, что районирование территории с учетом закономерностей изменения региональных геологических и зональногеологических факторов инженерно-геологических условий позволяет уже на первых его этапах обособить крупные территориальные комплексы, которые различаются, во-первых, по строению верхней части разреза территорий, во-вторых, по мерзлотно-гидрогеологическим особенностям и, втретьих, по комплексу современных экзогенных геологических процессов и явлений, осложняющих использование территории при строительстве. Все это свидетельствует о достаточно резком различии инженерногеологической обстановки в их пределах, указывает на необходимость применения разных методов изысканий и строительства. Западно-Сибирская плита рассматривается, как и в ранее составленных схемах, в качестве единого инженерно-геологического региона, западную, южную и восточную границы проводим по линии выклинивания платформенных формаций чехла плиты и выходов на дневную поверхность палеозойских (или более древних) дислоцированных пород, слагающих обрамляющие сооружения. Хорошо известно, что во многих местах этих районов граница достаточно четко фиксируется хорошо выраженным уступом (“палеозойский уступ” восточного склона Урала, уступы вдоль границы с Казахской складчатой страной, западного склона Енисейского кряжа и др.). Юго-западная и северо-восточная границы региона принимаются условно, поскольку нет ясно выраженной границы между Западно-Сибирской плитой, Тургайским и Предтаймырским прогибами. Подразделять территорию плиты на регионы второго порядка нам кажется нецелесообразным в силу следующих причин. 114 Как известно, при выделении инженерно-геологических регионов второго порядка должны обособляться территории, отвечающие определенным крупным тектоническим структурам и существенно отличающиеся друг от друга по тектоническому строению и формационному составу слагающих пород, относящихся к разным структурным этажам (Голодковская, 1968; Попов, 1961). Граница между ними должна быть достаточно четкой, естественной, а главное инженерно-геологически обоснованной. А именно эти моменты практически невозможно соблюсти при дальнейшей инженерно-геологической дифференциации описываемого региона по тектоническому признаку. Так, в мезозойско-кайнозойском чехле плиты выделяются структурные элементы первого, второго и более низких порядков, которые сравнительно четко выражены в нижней части платформенного чехла. Вверх по разрезу контрастность структурных форм ослабевает, резко уменьшается их амплитуда, некоторые внутренние поднятия затухают. Многие крупные структуры все-таки с различной степенью выражены в рельефе, но подавляющее большинство мезозойско-кайнозойских структур первого порядка не имеют однозначного выражения в рельефе. Многие крупнейшие своды и мегавалы (Сургутский, Александровский и др.) целиком или частично располагаются в пределах низменностей. И, наоборот, многие мезозойско-кайнозойские впадины и прогибы не всегда полностью оказываются в пределах низменностей. Крупные формы современного рельефа нередко ориентированы в крест простирания мезозойско-кайнозойских структур. Кроме того, верхняя часть разреза в пределах многих крупнейших структур сложена одинаковыми или близкими в инженерно-геологическом отношении комплексами олигоценовых, неогеновых и четвертичных отложений большой мощности. Поэтому проектирование границ крупных структур мезозойско-кайнозойского платформенного чехла на дневную поверхность (как это нужно для инженерногеологических целей) и выделение по ним регионов второго порядка было бы чисто формальным неестественным актом, поскольку мы искусственно разделили бы такими границами единые с инженерногеологической точки зрения тела (единые по строению, составу, а часто и рельефу). Все это заставило отказаться от выделения в пределах плиты инженерно-геологических регионов второго порядка. Территория региона подразделяется на две инженерно-геологические провинции. Первая из них характеризуется преимущественным распространением пород без жестких структурных связей (дисперсных грунтов) и включает подавляющую, континентальную часть региона (рис.7). Вторая провинция охватывает акваторию Карского моря и его заливов – Обской, Тазовской, Гыданской, Юрацкой губ и Ениceйского залива. 115 Провинция распространения пород без жестких связей подразделена на две зоны: зону преимущественного распространения многолетнемерзлых дисперсных пород и зону распространения талых и немерзлых дисперсных пород. Первая из них подразделена на две подзоны. Северная из них характеризуется практически сплошным, а южная – не сплошным (прерывистым) распространением многолетнемерзлых дисперсных пород. Южная зона также включает две подзоны: подзону развития талых (и не мерзлых) сильноувлажненных дисперсных пород и подзону развития талых (и не мерзлых) слабо- и умеренно увлажненных дисперсных пород (табл. 10, рис. 7). Комплекс инженерно-геологических условий этих огромных по площади таксономических единиц принципиально различен. Это убедительно показано в первой части работы. Поэтому здесь нет необходимости возвращаться к обоснованию объективности существования инженерно-геологических зон и подзон и правомерности их выделения при районировании территории. Несколько слов о принципах проведения границ между инженерно-геологическими зонами и подзонами. Южную границу зоны преимущественного распространения многолетнемерзлых дисперсных пород, как известно, можно провести несколькими способами: по термоизоплете 0°С, по предельно южным островам многолетнемерзлых пород, формирующимся в типичных природных условиях, по южной границе выпуклобугристых торфяников (А.И. Попов) или, как предлагал Е.С. Мельников (1966), по термоизоплете – среднегодовых температур пород +1°С, поскольку в районах со среднегодовой температурой пород от +1°С до -1°С возможно новообразование мерзлых толщ или их деградация даже вследствие короткопериодных климатических колебаний. Анализ всех этих вариантов и фактического материала, собранного сотрудниками различных организаций, привел нас к выводу, что границу между зонами наиболее целесообразно проводить по современным предельно южным островам многолетнемерзлых пород верхнего слоя мерзлоты, существующей в естественных (неаномальных) природных условиях. Эта граница ближе всего к южной границе распространения многолетнемерзлых пород, проведенной Е.Б. Белопуховой на основе фактических и расчетных данных (Баулин и др., 1967), хотя и проходит несколько южнее ее. Здесь же следует заметить, что эта граница до сих пор еще весьма схематична в целом ряде районов, поскольку площадные мерзлотные и инженерногеологические исследования в южных районах криолитозоны ЗападноСибирской плиты проведены не везде. Граница между подзоной практически сплошного и подзоной прерывистого распространения многолетнемерзлых дисперсных пород любой провинции проводится по появлению крупных массивов талых с 116 поверхности толщ вне акваторий и узких прирусловых частей пойм рек. Обычно такие участки сложены песчаными породами и покрыты лиственничными редкостойными лесами; в их пределах, как правило, развиты несливающиеся мерзлые толщи. Эта граница достаточно объективно может быть проведена только при наличии мелкомасштабных мерзлотных карт, составленных на основе площадных исследований. Следует заметить, что на основе именно таких материалов проведена граница этих подзон на участке от предгорий Урала до центральных районов Таз-Енисейского междуречья. Граница между двумя южными подзонами проведена, по северной границе лесостепи. Эта граница требует дальнейшего уточнения. Инженерно-геологические условия каждой подзоны выдержаны в главных своих чертах. Однако они претерпевают существенные, хотя и ограниченные по диапазону, изменения от одного района подзоны к другому (проявление внутризонального уровня изменчивости условий). Это является следствием неодинаковой в целом истории формирования инженерно-геологических условий различных частей подзоны. Поэтому территория подзон подразделена на инженерно-геологические области. Они выделены по геоморфологическому признаку, причем при обособлении областей первого порядка ведущим признаком явились генетиковозрастные особенности, а для областей второго порядка – морфометрические и морфологические особенности рельефа. Общая систематика инженерно-геологических областей, выделенных в пределах четырех вышеназванных подзон, приведена в табл. 10–14. Следует отметить, что, выделяя в пределах подзон области первого порядка, мы обособляем крупные территории, отличающиеся по: 1) возрасту, генезису и в известной степени по морфологии и морфометрии рельефа и 2) характеру (составу, строению и, следовательно, свойствам) верхнеплиоцен-четвертичных (а местами и более древних) отложений, слагающих верхнюю часть разреза плиты и имеющих значительную мощность. Области первого порядка подразделены на области второго порядка, в качестве которых, по существу, выступают геоморфологические районы. Названия областей, приведенные в табл. 10–14, показывают, что при их выделении учитывались такие важные характеристики рельефа, как его генезис, возраст, характер расчлененности и гипсометрическое положение территории, а при выделении областей в пределах речных долин также принимались во внимание особенности ширины долины и строения террас. Все эти факторы, как известно, имеют важное инженерно-геологическое значение, но характер морфометрии и расчлененности территории, по-видимому, является наиболее важной характеристикой рельефа, которая должна учитываться при выделении 117 инженерно-геологических областей в пределах равнинных территорий с широким развитием аккумулятивных форм рельефа. Именно расчлененность рельефа определяет характер заболоченности и заозеренности территории, причем заболоченность во многих районах Западно-Сибирской плиты является чуть ли не решающим фактором при оценке инженерно-геологических условий. Все это позволило назвать выделенные области инженерно-геологическими, несмотря на то, что они выделены по учету особенностей рельефа. На приведенной схеме инженерно-геологического районирования севера Западно-Сибирской плиты в качестве наименьшей таксономической территориальной единицы выделены инженерно-геологические области второго порядка. При мелкомасштабном картировании они должны быть подразделены на районы, территория которых обычно сложена, как уже отмечалось выше, определенным геолого-генетическим комплексом отложений. Следует заметить, что при выделении районов необходимо учитывать не только возраст и генезис отложений, слагающих тот или иной геоморфологический элемент рельефа, но и литологические их особенности, а в пределах криолитозоны – и генезис мерзлой толщи (сингенетический, эпигенетический), поскольку два последних фактора во многом определяют криогенное строение и общую льдистость толщ – важнейшие инженерно-геологические характеристики мерзлых пород. В заключение отметим, что выполненное районирование ЗападноСибирской плиты на основе учета основных закономерностей изменчивости как региональных геологических, так и зонально-геологических факторов инженерно-геологических условий позволило наиболее полно выполнить основную задачу инженерно-геологического районирования – разделить изученную территорию уже на ранних этапах районирования на части, в пределах которых инженерно-геологические условия действительно близки по своим коренным особенностям, а задачи инженерно-геологических исследований и методы строительства сооружений достаточно однотипны. Это положение, а также значительная детальность схемы районирования позволят в дальнейшем разработать на ее основе более объективные региональные нормы и технические указания на инженерногеологические изыскания, многие вопросы регионального прогноза возможных изменений инженерно-геологической обстановки под влиянием естественных и антропогенных факторов, наметить более рациональные пути разработки геологических основ охраны природы. Выполненные исследования показали, что инженерно-геологические условия Западно-Сибирской плиты весьма своеобразны, сложны и существенно неоднородны в разных ее частях. Это обусловлено разли- 118 чием истории геологического развития этих территорий в верхнеплиоцен-четвертичное время и неодинаковым характером их современной теплообеспеченности и увлажненности. Именно эти две главнейшие причины обусловливают все закономерности пространственной изменчивости региональных геологических и зонально-геологических факторов инженерно-геологических условий, характеристика которых приведена в первой части настоящей монографии. Анализ изменчивости большой группы геологических факторов (геологическое строение территории, генезис и морфология рельефа, параметры мерзлотной и гидрогеологической обстановки, состав, состояние и свойства пород, комплекс современных экзогенных геологических процессов и явлений и др.), взаимодействие которых формирует современные инженерно-геологические условия плиты, показал, что для большей их части характерно закономерное изменение с севера на юг. Вследствие этого и инженерно-геологическая обстановка претерпевает закономерное изменение в том же направлении. Широтная изменчивость инженерно-геологических условий является, как показывает весь приведенный материал, наиболее ярко выраженным типом их изменчивости, является важнейшей особенностью инженерно-геологической обстановки Западно-Сибирской плиты. Все остальные уровни изменчивости (внутризональный районный и внутризональный локальный) проявляются на ее фоне, являются уровнями изменчивости более высокого порядка. Анализ широтной изменчивости инженерно-геологических условий привел к необходимости выделения в пределах Западно-Сибирской плиты четырех широтно ориентированных частей, названных зонами, с резко различной инженерно-геологической обстановкой: Заполярной зоны, Северной зоны, Центральной зоны и Южной зоны. Приведена характеристика этих зон и показаны пути учета широтной изменчивости инженерно-геологических условий региона при инженерно-геологических изысканиях и освоении территории. В процессе дальнейших региональных инженерно-геологических исследований Западной Сибири должны быть решены, по мнению автора, следующие вопросы: 1. Проведено инженерно-геологическое районирование территории континентальной части региона до уровня районов и осуществлена типология (классификация), которая в дальнейшем позволит широко использовать метод инженерно-геологических аналогий. 2. Разработаны классификационные признаки для инженерногеологического районирования провинции акваторий Западно-Сибирского региона. 119 3. Разработаны критерии оценочного (экономико-инженерно-геологического) районирования для таксономических единиц разного уровня. 4. Составлена карта современных экзогенных геологических и инженерно-геологических процессов и явлений и прогноз их развития в связи с хозяйственным освоением региона. 5. Разработаны методы и составлены краткосрочные и долгосрочные прогнозы изменения инженерно-геологических условий региона и отдельных его частей в связи с естественным изменением природных условий и хозяйственным освоением территории. 6. Разработаны на основе отмеченных материалов пути рационального освоения территории и геологические основы охраны природы Западно-Сибирской плиты. 6. ПРОБЛЕМЫ РАЦИОНАЛЬНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ И ОХРАНЫ ПРИРОДЫ Проблеме охраны окружающей среды в настоящее время уделяется огромное внимание как в России, так и за рубежом. Число публикаций, посвященных ей, непрерывно увеличивается и с тем большей интенсивностью, чем больше тревог внушает ухудшение состояния окружающей среды под воздействием хозяйственного, строительного и горного производства. Действующие в России директивы и нормативные документы требуют решения вопросов охраны природы на всех стадиях проектирования, строительства, эксплуатации территорий, сооружений, предприятий и при рекультивации земель. Исследования и работы по охране природы в России уже дают определенные положительные результаты. В них принимают участие все промышленные, строительные и научные организации. Ясно, что конечной общегосударственной задачей является охрана природы окружающей среды и решать ее можно только объединенными усилиями специалистов различных областей знаний. В рамках этой общей задачи должна соблюдаться специализация исследований и разработок по охране каждой составной части окружающей среды: атмосферы, гидросферы, биосферы и геологической среды. Поэтому инженерно-геологические исследования должны касаться только геологической среды, только оценки и прогноза отрицательного воздействия на геологическую среду различных видов хозяйственного использования территорий, строительства и горнодобывающих предприятий с учетом способов разработки месторождений и переработки минерального сырья. Инженерная геология к решению таких задач хорошо подготовлена. Инженерная геология, решая проблемы и вопросы геологических условий строительства сооружений и выполнения различных инженер- 120 ных работ, тесно связана с охраной окружающей среды в целом. Невозможно представить себе окружающую нас природную среду и осуществляемые мероприятия по ее охране вне связи с геологической средой. Поэтому во всех разделах инженерной геологии уделяется большое внимание этим вопросам. Геологическая среда жизни и деятельности человека – это каждая территория на Земле с ее рельефом, геологическими образованиями, процессами и явлениями. Если говорить кратко, то геологическая среда – это окружающие нас геологические условия. Необходимо заметить, что понятие о геологической среде нельзя смешивать с понятием о зоне влияния сооружений, инженерных работ и технологических процессов. Геологическая среда – это объективно существующая и существовавшая до нас реальность, зона влияния сооружений – результат инженерной деятельности человека, она изменяется, регулируется им. В законодательных документах, материалах производственных исследований и в научных изданиях геологическую среду часто называют недрами земли, подчеркивая этим, что именно в них расположены месторождения твердых полезных ископаемых, нефти, газа и подземных вод, дополнительные природные источники тепла; в недра теперь часто сбрасывают отходы производства; здесь расположены очаги (гипоцентры) естественных и искусственных землетрясений. В недрах размещают подземные сооружения различного назначения, их прорезают туннелями на разной глубине, зондируют сейсмическими волнами и т.д. Геологическая среда является составной частью природной среды. При структурно-системном анализе в глобальном плане природная среда представляется системой, а атмосфера, гидросфера, биосфера и геологическая среда – ее подсистемами. В более узком региональном аспекте каждая подсистема может рассматриваться как самостоятельная целостная система, изучением закономерностей развития каждой из которых занимаются определенные области знаний. Итак, геологическая среда – это научное определение конкретной части природной среды. В свое время В.И. Вернадский всю природную среду обобщенно называл биосферой, как сферу Земли, где наблюдается жизнь различных организмов, растений и т.д. При конкретном рассмотрении, особенно в инженерном аспекте, все сферы Земли разграничивают и их изучением занимаются соответствующие науки, учитывая при этом, что развитие каждой сферы Земли закономерно связано с другими. Геологическая среда возникает и развивается во взаимодействии с атмосферой, биосферой, гидросферой, биосферой и внутренними сферами Земли. Эти взаимодействия в геологической истории Земли создают определенные глобальные, региональные и локальные равновесия как на ее поверхности, так и в недрах. Но они же создают и противоре- 121 чия и обусловливают неизбежность возникновения и развития геологических процессов, изменяющих и разрушающих геологическую среду и создающих ее в обновленном виде. Теперь, когда плотность населения, жизнь и деятельность человека достигли высокого уровня, когда освоение все новых и новых территорий и богатств Земли стало необходимым условием жизни общества, геологические процессы и явления стали сдерживать деятельность человека и угрожать его безопасности. В эпоху научно-технического прогресса влияние производственной деятельности человека на геологическую среду по своим масштабам, разнообразию и результатам достигло значений, соизмеримых с природными геологическими процессами. Поэтому ее также приходится рассматривать как определенную группу геологических процессов – искусственных, техногенных. Деятельность человека противоречива: созидая и разрушая, она часто нарушает природные равновесия и вызывает развитие геологических процессов и явлений, изменяющих, разрушающих и загрязняющих геологическую среду. Вследствие этого возникла необходимость в постановке и решении проблемы рационального использования геологической среды и ее охраны, связанной с развитием как естественных геологических процессов и явлений, так и возникающих в связи со строительством сооружений, разработкой месторождений полезных ископаемых и других видов хозяйственного освоения территорий. Как показывает практика, изменения геологической среды разнообразны. Одни из них неизбежны, их планируют и проектируют в связи с необходимостью территорий, строительства сооружений, выполнения инженерных работ или разработкой месторождений полезных ископаемых. Другие – непреднамеренные происходят при нарушении природных равновесий и соответствий в геологической среде, возникновении и развитии геологических процессов. Чтобы изменения территорий, геологической среды, и неизбежные, и непреднамеренные, не превышали допустимых пределов, ими управляют, т.е. выполняют мероприятия по их предупреждению, ограничению, по рациональному использованию территорий и их защите, а после выполнения инженерных работ производят рекультивацию земель. Практика также показывает, что целенаправленное выполнение комплекса мероприятий по предупреждению и уменьшению изменений геологической среды позволяет ограничивать или в значительной степени преодолевать отрицательные техногенные воздействия на нее и существенно улучшать природные условия. При проектировании неизбежных изменений геологической среды, для ослабления и уменьшения степени негативных последствий необходимо надежное инженерногеологическое обоснование проектов. Такое обоснование всегда ведет к 122 выбору наиболее благоприятных территорий, к уменьшению их размеров и более рациональному использованию, к лучшей организации строительства, горных и других работ и обязательно к уменьшению отрицательных последствий. При освоении территорий важнейшими задачами являются следующие: 1) изучение и прогноз возможного развития различных непреднамеренных процессов и явлений; 2) оценка степени их угрожаемости; 3) разработка предложений и рекомендаций по управлению ими. Инженерно-геологический анализ путей рационального использования геологической среды и ее охраны определяет следующий круг задач: 1) разработка и выполнение разнообразных профилактических мероприятий; 2) уточнение и изменение нормативных положений для улучшения инженерно-геологического обоснования проектов; 3) разработка комплексных схем охраны геологической среды, включающих различные виды мероприятий применительно к различным видам строительства и инженерных работ с учетом сложности инженерно-геологических территорий; 4) контроль за выполнением охранных правил и мероприятий в определенной последовательности как на площади земельных отводов, так и во времени. Таким образом, рациональное использование геологической среды и ее охрана имеют целью обеспечение безопасности и улучшение условий жизни и деятельности человека, общества в целом. Без инженерно-геологических данных решать такие задачи невозможно. 6.1. Пути дальнейшего развития региональной инженерной геологии В перечне направлений инженерно-геологических исследований по инженерной геологии и гидрогеологии, по существу, определены проблемы дальнейшего развития региональной инженерной геологии. К числу наиболее важных проблем относятся: 1) разработка теории региональной инженерной геологии, в частности теории моделей формирования ИГУ Земли; 2) изучение закономерностей формирования ИГУ и опыта освоения различных регионов России; 3) разработка новых и совершенствование существующих методов региональных инженерно-геологических исследований, в частности скоростных и высокоэффективных дистанционных методов; 123 4) разработка теоретических и методических основ применения количественных методов и ЭВМ в инженерно-геологическом картографировании; 5) разработка логико-формальных основ регионального (индивидуального), типологического и оценочного инженерно-геологического районирования; 6) разработка теоретических и геолого-экономических оснований типизации территории применительно к требованиям различных видов строительства; 7) разработка методики геолого-экономической оценки сложности ИГУ; 8) планомерное опережающее инженерно-геологическое картирование территории осваиваемых и перспективных в народнохозяйственном отношении регионов России, в том числе криолитозоны и шельфа; 9) изучение закономерностей пространственного распределения современных геологических процессов и явлений, составление карты геологических явлений на территорию России и отдельные регионы; 10) разработка теории и методики оценки и картирования локальных и региональных изменений (измененности) геологической среды в результате основных видов инженерно-хозяйственной деятельности человека; 11) разработка теории и методики регионального (частного и комплексного) прогноза изменений геологической среды крупных регионов и районов в связи с инженерно-хозяйственной деятельностью человека; 12) разработка научных основ создания карт прогноза изменения геологической среды и районирования территорий по условиям ее рационального освоения; 13) разработка инженерно-геологических основ рационального использования, управления и охраны геологической среды различных районов России. Необходимо подчеркнуть, что большая их часть (проблемы 1–8) является сугубо и традиционно регионально-инженерно-геологической, одна (9) – пограничной для региональной инженерной геологии и инженерной гидродинамики, четыре последних (10–13) относятся к числу новых, возникших в столь явном виде лишь на третьем этапе развития региональной инженерной геологии (как и инженерной геологии в целом). В известной степени они являются общими и решаются всеми научными направлениями – грунтоведением, инженерной геодинамикой и региональной инженерной геологией. Последней принадлежит важнейшая роль. Принципиальное для дальнейшего развития региональной инженерной геологии значение имеет успешное решение первой из назван- 124 ных проблем – разработка теории региональной инженерной геологии. Сейчас, когда большинство инженеров-геологов прочувствовали не только роль геолого-структурного фактора, но и значение климата (точнее соотношение тепло- и влагообеспеченности территории) в формировании ИГУ, создался благоприятный момент для развития взглядов о превращении инженерной геологии в науку о формировании и пространственном распределении глобального набора инженерно-геологических обстановок. Это требует создания общей классификации таких обстановок, разработки теории и моделей их формирования с обязательным и одновременным учетом как региональных, так и зональных факторов формирования ИГУ. В этом направлении сделаны лишь первые шаги (работы Е.М. Сергеева, С.Б. Ершовой, В.Т. Трофимова, создание региональной части международной монографии “Инженерная геология”). Эти работы должны быть резко усилены, ибо без этого региональная инженерная геология не сможет стать наукой о многообразии ИГУ Земли. С решением этой проблемы тесно связан и вопрос о совершенствовании формационного анализа в региональной инженерной геологии. Ранее Г.А. Голодковской и В.Т. Трофимовым (1984) отмечалось, что большие перспективы в решении вопроса о формациях связаны с более детальным учетом роли четвертичной истории и современного климата в формировании и тенденций изменения состояния, состава и свойств пород формаций. Обогащение формационного анализа таким подходом может привести к необходимости выделения собственно инженерно-геологических формаций. Такой подход наиболее полно реализует основной методологический принцип региональной инженерной геологии–представления о том, что современный инженерно-геологический облик формаций есть результат ее геологической истории. Реализация этого чрезвычайно принципиального положения может быть осуществлена разными способами. Один из них заключается в одновременном учете при выделении инженерно-геологических формаций, геолого-структурного и литологического признаков формаций и прямых их регионально выдержанных инженерно-геологических особенностей, например: современного состояния пород формаций, обусловленного фазовым составом и количеством воды в них. Решение этого вопроса может способствовать изучению опорных разрезов, сложенных разными типами геологических пород, расположенных в районах с различной современной тепло- и влагообеспеченностью. Необходимо начать работу по изучению опорных разрезов толщ многолетнемерзлых пород, а в дальнейшем и других типов толщ. 125 Важное место среди проблем региональной инженерной геологии занимает вопрос о методике получения инженерно-геологической информации. Несмотря на большие достижения в этой области, позволившие успешно осуществить изучение ИГУ многих крупных регионов, методика региональных исследований далека от совершенства. При дальнейшем ее развитии особое значение должно быть уделено оптимизации существующих (черно-белые, цветные и спектрозональные аэрои космоматериалы, аэрогеографические методы) и разработка новых дистанционных методов, которые позволяли бы в сжатые сроки и с большой достоверностью получать инженерно-геологическую информацию. Разработка и внедрение новых дистанционных методов исследований, комплексирование их с наземными методами получения информации будут способствовать ускорению изучения ИГУ, позволят проводить исследования действительно как опережающие, что существенно повысит социально-экономическое значение инженерно-геологической информации. Это, в частности, позволит ввести в практику так называемые дежурные карты ИГУ (или отдельных их компонентов). Анализ таких карт позволит получать оперативные и достоверные данные о динамике ИГУ. Это важно как с теоретической точки зрения, так и с практической. На этой основе можно будет совершенствовать инженерногеологическое прогнозирование в целом и региональное в частности, более обоснованно осуществлять мероприятия по рациональному использованию и охране геологической среды, а в случае необходимости– и управлять ею с помощью системы ограничивающих или защитных мероприятий. Не менее важное теоретическое и особенно практическое значение имеет проблема представления накопленной в процессе региональных исследований информации. В настоящее время она выражается в основном в виде карт, разрезов, блок-диаграмм, схем (графические модели) и специализированных описаний (словесные модели). Эти модели в геологии общеприняты; они универсальны, так как позволяют отразить главные особенности и такие детали изученного объема геологической среды, которые пока невозможно представить в других моделях. В то же время им свойственен целый ряд недостатков. Так разные исследователи, располагая одним и тем же фактическим материалом об особенностях одной и той же территории, в процессе обработки и анализа отбирают из него разные их объемы, нередко по-разному определяют существенные особенности этой территории. Графические и особенно словесные модели далеки от совершенства и в отношении свертывания инженерно-геологической информации. Г.К. Бондарик (1981) писал, что “анализ структур различных геосистем, основанный на установлении 126 изоморфизма их моделей и являющийся мощнейшим орудием их диагностики и классификации, не может полностью раскрыть свои возможности при использовании словесными и графическими моделями геологической среды. Не ставя под сомнение необходимость дальнейшего использования в региональной инженерной геологии традиционных способов представления информации о структуре и свойствах геологической среды в настоящее время ощущается потребность в аналитическом способе описания ее свойств и в моделировании ее структуры, основанных на разработках теории, на применении математики и вычислительной техники”. В дальнейшем при решении рассматриваемой проблемы особое внимание следует уделить разработке теории и методики применения количественных методов в инженерно-геологическом картографировании. При этом следует совершенствовать методику составления не только общих карт ИГУ, но и карт частных (аналитических), роль которых в отображении существеннейших черт ИГУ огромна. Именно этот вид карт легче всего разработать как карты нормализованные, по Е.Е. Ширяеву (1984), при составлении которых используется принципиально новая методика – с применением машинной техники. Такие карты имеют огромное преимущество – они могут быть “считаны” машиной, причем под машинным чтением карты понимаются считывание, распознавание и запись картографической информации на машинном носителе в цифровом виде при помощи автоматических считывающих устройств ЭВМ. Отсюда открываются широкие возможности для последующих количественных описаний отдельных компонент или ИГУ в целом, их типизация на логико-формальной основе. Необходимо более активно вести разработку карт, на которых осуществляется оценка чувствительности ИГУ к планируемым техногенным нагрузкам. Определенный положительный опыт в этом плане, в частности, для районов развития многолетнемерзлых и лессовых пород уже накоплен. Разработка карт такого содержания должна вестись по пути создания как аналитических, так и общих карт, причем при составлении последних необходимо учитывать всю совокупность компонент инженерно-геологической обстановки и все виды планируемых воздействий. Остановимся коротко на задачах развития теории и методики инженерно-геологической типизации и районирования. Развитие первой должно идти, с одной стороны, по пути создания классификаций ИГУ на основе учета требований конкретных видов строительства, с другой (теоретически наиболее важным) – по пути создания общей классификации инженерно-геологических обстановок Земли в целом. При разработке типизации и осуществлении районирования должны развиваться логические, формальные и комбинированные логико-формальные мето- 127 ды, когда на одних этапах используются логические построения, а на других – формальные. На практике это должно найти отражение в создании схем регионального (индивидуального), типологического и оценочного районирования России и Земли в целом. Особо следует подчеркнуть необходимость развития теории и методики оценочного районирования, которое предусматривает оценку сложности ИГУ территориальных элементов одного из разных уровней. Его целесообразно использовать на заключительном этапе работ по инженерно-геологическому районированию на базе уже выполненного индивидуального или типологического генетико-морфологического районирования. В этом случае оценочное районирование, выполняемое, как правило, на формальной основе, становится более глубоким по существу, а формальные категории сложности получат четкое материальное содержание. Еще большее значение имеет разработка теории и методики геолого-экономической типизации ИГУ, при которой необходимо учитывать не только сложность ИГУ, но и стоимость освоения территории в этих условиях применительно к различным типам инженерных сооружений. Необходимость разработки такого экономико-инженерно-геологического подхода при выполнении региональных работ – задача сегодняшнего дня. Необходимо остановиться на проблеме границ, которая имеет важное значение при любых региональных исследованиях. Особенно остро вопрос об обосновании типа границ (резкие, условные, комбинаторные) и принятого пространственного их положения стоит при выполнении инженерно-геологического районирования. В процессе его существования исследователь должен из многочисленных границ, которые свойственны любому природному объекту, выбрать лишь те, которые имеют существенное значение для решения поставленной цели. Этот выбор должен быть строго обоснован не только отбором признака районирования, но и четкой формулировкой признака проведения данной границы именно в этом месте. К сожалению, в подавляющем большинстве работ вопрос о конкретном признаке проведения конкретной границы между территориальными таксономическими единицами не обсуждается. Между тем хорошо известно, что при одном и том же признаке районирования границы между смежными таксонами одного ранга проводятся разными исследователями неодинаково. Даже на мелкомасштабных схемах (1:10000000) видно, что границы регионов, которые практически все проводят по одному классификационному признаку–структурнотектоническому, у разных исследователей занимают разное пространственное положение. Еще большее различие в положении границ 128 наблюдается на схемах районирования более крупного масштаба. Это делает схемы районирования, составленные разными авторами, трудно сопоставимыми даже в том случае, если признак обособления таксонов данного уровня выбран ими одинаковый. Все это позволяет выдвинуть в качестве важнейшего тезис: в работах, посвященных инженерно-геологическому районированию любой территории, исследователь обязательно должен четко сформулировать признак проведения границы между таксонами каждого уровня. В особых случаях целесообразно обсуждать альтернативные варианты проведения границы и принятое в данной работе ее пространственное положение. Требует более интенсивного развития изучение закономерностей пространственного распределения современных геологических процессов и явлений. Необходимо перейти к обобщению материалов, накопленных по отдельным регионам. Это позволит существенно углубить теорию региональной геологии, разработать серию карт, на которых найдут отражение закономерности развития геологических процессов и явлений на территории России, отдельных крупных регионов и Земли в целом. Выше уже отмечалось, что к числу важнейших теоретических проблем региональной инженерной геологии, требующих активной разработки и имеющих чрезвычайно большое практическое значение, относится развитие теории и методики региональных частных и комплексных прогнозов и способов их отражения на специальных прогнозных картах. Особенно большие и пока во многих случаях трудно разрешимые вопросы возникают при составлении комплексных прогнозов. Поэтому научные разработки, направленные на совершенствование любого этапа прогнозирования, обсуждение полученных результатов и широкое их внедрение в практику исследований представляются чрезвычайно важным для совершенствования методики комплексного прогноза изменений ИГУ в целом. Теперь коротко о методах регионального комплексного прогнозирования изменений геологической среды. Наибольшие перспективы в решении этой проблемы связаны с использованием метода аналогий и методов математического моделирования. На современном этапе исследований, когда методы последней группы к решению задач комплексного прогнозирования лишь начали разрабатываться в общей постановке, единственным действительно работающим является метод аналогий. Он основан на использовании результатов наблюдений (в идеале долгосрочных режимных) изменений ИГУ определенных объемов геологической среды под влиянием антропогенных воздействий для прогнозирования ожидаемых изменений геологической среды аналогичного строения в другом районе при запланированных или осуществляемых 129 подобных по типу и интенсивности воздействий. Но возможности этого метода используются явно недостаточно, и развивается он слабо. Во многом это обусловлено отсутствием достаточно полной классификации ИГУ (регионов, зон, областей, районов геологической среды различных иерархических уровней, классификации ПТК (природнотерриториальных комплексов), классификации типов и главное комплексов антропогенных воздействий на геологическую среду, недостаточной изученностью реакции на эти воздействия, короткими и крайне немногочисленными рядами наблюдений. До сих пор нет ни одного достаточно объемного каталога, в котором содержался бы материал, отвечающий позиции “типы массивов геологической среды–типы и комплексы воздействий на нее – реакция среды на комплексное воздействие.” Без создания всех этих материалов эффективно использовать метод аналогий очень трудно. Большие перспективы в решении проблемы комплексного прогнозирования и управления состоянием геологической среды связываются с разработкой постоянно действующей модели объекта, в качестве которого могут выступать отдельный массив, инженерно-геологический участок, район, область или даже регион. Это обусловлено тем, что разработка такой модели предполагает реализацию комплексного подхода, полное и недостоверное воспроизведение геологических процессов (природных, продолжающих развиваться и антропогенных, вновь формирующихся), изменяющих в условиях комплекса антропогенных воздействий состояние и свойства геологической среды. Возможность “проигрывать” с помощью постоянно действующей модели различные ситуации (сочетания воздействий комплекса антропогенных факторов–нагрузок) и получать данные о соответствующих реакциях геологической среды позволяет подойти к оптимизации управления создаваемой или действующей природнотехнической системы. Совершенствование методов прогнозирования в целом и регионального, в частности, требует осуществления оценки степени достоверности составленных прогнозов и, в случае необходимости, их уточнения. При этом большая роль принадлежит дальнейшему внедрению в практику, так называемых, региональных перманентных прогнозов, учитывающих вновь поступающую информацию об изменениях ИГУ в процессе функционирования природно-технической системы. Такая система прогнозов позволит найти практические пути к разработке и последующей реализации инженерных мероприятий по рациональному использованию, охране и улучшению окружающей среды. В заключение остановимся на двух требующих развития аспектах региональной инженерной геологии, связанных с решением проблем рационального использования и охраны геологической среды. Первый 130 аспект связан с разработкой теории и методики оценки и картирования региональной и локальной изменчивости ИГУ в результате инженернохозяйственного воздействия на геологическую среду. Оценку изменчивости геологической среды можно определить как процесс и, главное, результат оценки изменений, сформировавшихся к моменту исследований под влиянием антропогенных воздействий, на основе системы качественных и количественных показателей. В случае региональной комплексной оценки изменчивости – это система показателей, учитывающих суммарный региональный результат разных, нередко разнонаправленных по своей природе и интенсивности воздействий. К настоящему времени система необходимых показателей разработана лишь по отношению к некоторым элементам геологической среды (например, качество паводковых вод, устойчивость склонов и др.). Но применительно к комплексной региональной оценке измененности такой системы нет. Поэтому во многих случаях невозможно конкретно комплексно оценить характер региональной и локальной измененности геологической среды. Часто нельзя даже оценить, насколько близки сформировавшиеся изменения к критическим, “страшны” ли они? А между тем без этого объективно оценить измененность геологической среды нельзя. Поэтому разработка качественных и особенно количественных критериев комплексной оценки измененности геологической среды под влиянием антропогенных воздействий – актуальнейшая задача, без решения которой невозможно качественное решение всей проблемы в целом. Второй аспект связан с необходимостью дальнейшей разработки концепции литомониторинга как необходимой основы системы рационального использования, управления и охраны геологической среды. Задачи региональной инженерной геологии в этой области связаны с разработкой его региональной подсистемы. Литомониторинг – система контроля, прогноза и управления техногенными и природными изменениями состояния геологической среды. Его суть составляет система упорядоченного ряда процедур: наблюдение – оценка состояния среды по результатам этих наблюдений, прогноз дальнейшего развития геологической среды; управление, которое осуществляется постоянно и многократно во времени. При этом при втором и последующих циклах должна обязательно оцениваться точность прогнозов, проводиться их корректировка, а также уточнение управляющих действий. Методами инженерной геологии при этом осуществляются: 1) режимные контрольные наблюдения за динамикой ИГУ; 2) оценка состояния геологической среды; 3) перманентные (непрерывные) прогнозы ее изменения; 131 4) решение оптимизационных задач и выработка инженерно-геологических рекомендаций; 5) геологический контроль за работой управляющих, в том числе и защитных сооружений. Разработка и ввод в эксплуатацию локальных и региональных подсистем литомониторинга, объединение их в национальную систему – важнейшая государственная задача. Участие же в разработке теоретической модели и решении пространственно-организационных вопросов создания региональной подсистемы литомониторинга является одной из важнейших теоретических и практических проблем региональной инженерной геологии. При этом при втором и последующих циклах должна обязательно оцениваться точность прогнозов, проводиться их корректировка, а также уточнение управляющих действий. Методами инженерной геологии при этом осуществляются: 1) режимные контрольные наблюдения за динамикой ИГУ; 2) оценка состояния геологической среды; 3) перманентные (непрерывные) прогнозы ее изменения; 4) решение оптимизационных задач и выработка инженерногеологических рекомендаций; 5) геологический контроль за работой управляющих, в том числе и защитных сооружений. 7. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ КАРТОГРАФИРОВАНИЕ Развитие инженерно-геологического картографирования в России связано с деятельностью русских геологов В.А. Обручева, В.В. Докучаева, М.М. Филатова, Ф.П. Саваренского, В.А. Приклонского, И.В. Попо- ва, Н.В. Коломенского, Н.Н. Маслова, Е.М. Сергеева, Н.А. Цытовича, Н.И. Кригера, Л.Д. Белого, И.С. Комарова и многих других. Свое начало инженерно-геологическое картографирование берет от чисто описательных сведений при строительстве, главным образом железных дорог и других объектов. Этот вид исследования получил большое развитие в связи с сооружением многочисленных гидротехнических объектов на крупных реках страны, промышленных гигантов, метрополитена и т.д., что привело к накоплению многочисленных фактических данных об инженерно-геологических условиях обширных территорий различных регионов. Впоследствии это потребовало выработки единой методики выполнения инженерногеологических съемок и составления карт. В 1961 г. в Москве и в 1962 г. в Берлине на совещаниях по инженерно-геологическому картографированию было рекомендовано со- 132 ставлять инженерно-геологические карты на геологической основе. В 1962–1967 годах по единой методике были созданы инженерно-геологические карты (в комплекте геологических карт) в масштабе 1:7 500 000 и 1:5 000 000, а в 1972 г. – карта в масштабе 1:2 500 000 под редакцией М.В. Чуринова. В 1978 г. вышло в свет “Методическое руководство по инженерно-геологической съемке масштаба 1:200 000 (1:100 000– 1:500 000)”, определившее требования к проведению съемки. Крупным вкладом в развитие инженерно-геологического картографирования явилось также создание “Методики комплексной мерзлотно-гидрогеологической и инженерно-геологической съемки масштабов 1:200 000 – 1:500 000” (1970), “Методического руководства по гидрогеологическим и инженерно-геологическим исследованиям для мелиоративного строительства” (1972), монография “Инженерная геология СССР”. Следует отметить, что, хотя по признанию большинства специалистов, инженерно-геологическое картирование представляется ведущим методом регионального инженерно-геологического изучения любых территорий, до сих пор среди исследователей нет единого мнения о принципах и методике составления карт. В региональной инженерной геологии, как и в геологии, гидрогеологии, основным методом регионального инженерно-геологического изучения территорий является картографический. Он выступает, с одной стороны, как способ накопления и хранения обширной информации, с другой, как метод обработки и обобщения информации на основе построения карт. Картографический метод, по мнению М.С. Захарова, должен включать два различных методических приема: инженерно-геологическое картирование и инженерно-геологическое районирование, которые пересекаются с инженерно-геологическим картографированием. Инженерно-геологическое картирование – это комплекс региональных исследований, направленный на изучение инженерно-геологических условий территории, выяснение пространственно-временных отношений всех компонентов ИГУ и имеющий конечной целью выделение простых геологических тел. В настоящее время объектом картографирования в инженерной геологии служит геологическая среда. Многообразие задач, решаемых в этой области, часто приводит к произвольному отбору картируемых элементов, к различным сочетаниям этих элементов, выносимым на топографическую основу. Между тем карта как средство познания требует сбалансированного подхода к отбору, обработке и отображению информации. Это ставит вопрос как о рациональном составлении инженерно-геологических карт, так и об эффективном их использовании. Кроме того, инженерно-геологические задачи нередко требуют значительного расширения наблюдаемой и картируемой информации, что 133 сближает инженерно-геологические карты с семейством карт географического, гидрогеологического, эколого-геологического плана. При инженерно-геологических исследованиях обычно не возникает необходимости в мелкомасштабных съемках. Мелкомасштабные (1:500 000–1:1 000000) и обзорные (1:1500 000 и мельче) инженерногеологические карты, как правило, составляются камеральным путем в результате обобщения материалов более детальных исследований. Поэтому инженерно-геологические съемки целесообразно подразделять на среднемасштабные, крупномасштабные и детальные. В соответствии с этим должна сохраняться и общепринятая номенклатура инженерногеологических карт. Классификация инженерно-геологических съемок предполагает плановое, последовательное, с постепенно возрастающей детальностью изучение инженерно-геологических условий территорий. Характер, степень полноты, достоверность информации, способ отображения ее на инженерно-геологической карте зависят в общем случае от сложности всего комплекса природных факторов, назначения карты, ее масштаба и от тех принципов, которые берутся за основу при ее составлении. При инженерно-геологическом картировании сложились два направления, по-разному определяющие принцип и способ составления инженерно-геологических карт. Согласно первому, в основе инженерногеологической характеристики территорий лежит формационный принцип, т.е. выделение формаций и геолого-генетических комплексов пород (И.В. Попов, Л.Д. Белый, М.В. Чуринов, Г.А. Голодковская и др.). Второе направление в основу инженерно-геологической характеристики и оценки картируемой территории кладет собственно инженерногеологический принцип, т.е. выделение групп и подгрупп горных пород, существенно отличающихся по своим свойствам (Ф.П. Саваренский, М.П. Семенов, В.Д. Ломтадзе, М.С. Захаров и др.). В первом случае на картах различного назначения и масштаба выделяются геологические формации и геолого-генетические комплексы пород “коренной основы” и “поверхностных отложений”. Например, при построении инженерно-геологических карт сотрудники ВСЕГИНГЕО выделяют: для коренных пород – интрузивные, вулканогенные, метаморфические, вулканогенно-осадочные, терригенные, терригенно-карбонатные, карбонатные, флишевые, соленосные, угленосные и молласовые геологические формации; для четвертичных отложений – стратиграфо-генетические комплексы, принадлежащие к определенным генетическим типам пород. Так как геологические формации и стратиграфогенетические комплексы являются базовой информацией, на картах их распространение отражают цветом. Инженерно-геологические группы пород показывают штриховкой, характер обводненности и распростра- 134 нения геологических процессов и явлений – специальными условными знаками. Классификационные показатели физико-механических свойств горных пород указывают цифрами у типовых скважин либо изолиниями. Инженерно-геологические карты сопровождаются одним-двумя инженерно-геологическими разрезами, инженерно-геологической колонкой, пояснительной запиской с таблицами и графиками. Критические замечания по поводу содержания вышеуказанных карт были высказаны В.Д. Ломтадзе и М.С. Захаровым. Они сводятся к следующему: 1) неоднозначность в понимании категории “геологические формации”, сложность выделения и систематизации их не позволяют использовать принцип формационного анализа в качестве единого научного принципа, согласно которому инженерно-геологические условия должны изображаться одинаково, независимо от сложности и вида строительства, но с разной степенью детальности соответственно масштабу карты; 2) отражаемая цветом информация не является информацией самостоятельной, а дублирует геологические карты; 3) невозможность последовательного использования формационного принципа для карт съемочных масштабов (средне-, крупномасштабных и детальных) как непосредственно в процессе выполнения съемки, так и при изображении инженерно-геологических условий на карте; 4) отображение на карте формаций и геолого-генетических комплексов в качестве основной информации не учитывает высокую степень геологической изученности территории страны, не является достаточным для инженерногеологической характеристики и оценки территории, вследствие невозможности соблюдения правила геологической однородности не позволяет широко применять вероятностно-статистический и ряд других современных методов оценки физико-механических свойств горных пород, их пространственной изменчивости. Для инженерно-геологических карт В.Д. Ломтадзе и другие исследователи предлагают применять собственно инженерно-геологический принцип. При этом цветом рекомендуется показывать площади распространения групп и подгрупп горных пород по инженерногеологической классификации или их сочетания; петрографический состав картируемых пород показывается штриховкой черного цвета; породы второго или третьего слоя, существенно отличающиеся петрографическими особенностями или относящиеся к другой группе, показываются в колонке-врезке; генезис и возраст горных пород отражаются общепринятыми индексами; водоносность горных пород отображается условными знаками синего цвета. Все перечисленные элементы обязательно должны быть изображены на картах одинаково, независимо от сложности условий и вида строительства, но с разной степенью детальности, зависящей от масштаба карты. Поскольку на карте площади вы- 135 деляются по степени сходства и различия инженерно-геологических условий, другого специального районирования можно не производить, оно является естественным следствием принятого принципа инженерногеологического картирования. Инженерно-геологические карты сопровождаются сводной инженерно-геологической колонкой, разрезами и при необходимости рядом специальных карт. В рассмотренном варианте, на наш взгляд, инженерногеологическая карта будет достаточно простым и наглядным графическим документом, содержащим основную инженерно-геологическую информацию для решения различных практических задач. В заключение следует отметить, что картографические проблемы инженерной геологии не найдут своего решения до тех пор, пока не будут логически увязаны между собой три “кита” РИГ: классификация пород, стратификация разреза и районирование. Следует также отметить, что в практику инженерно-геологического картографирования интенсивно внедряются компьютерные технологии, которые по роду обрабатываемой информации относятся к технологиям географических информационных систем (ГИС-технология). Для них характерно следующее: а) с помощью этих технологий проводится систематизация накопленных за многие годы материалов, которые геологический фонд преобразует в легкодоступный информационный ресурс; б) управление информационными ресурсами позволяет проводить комплексный анализ данных, характеризующих инженерно-геологические условия, и детализировать специфические особенности геологической среды; в) компьютерные технологии составления и демонстрации карт независимо от изначально задаваемых масштабов позволяют наращивать информативность при просмотре, анализе и интерпретации этих карт. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Региональные геологические науки переживают сейчас не лучшие времена. Состояние РИГ на этом фоне также не вызывает оптимизма. Некоторые специалисты видят основную задачу инженерной геологии лишь в приложении к инженерно-строительному делу, в решении прикладных вопросов использования геологической среды для различных целей. Это, несомненно, важная составляющая инженерно-геологических исследований, но преувеличение роли этой деятельности может привести к принижению роли РИГ. Значение ее теоретического содержания: выявление и обоснование инженерно-геологических законов, за- 136 кономерностей и зональностей; решение задач инженерно-геологической классификации горных пород и стратификации разреза; разработка проблем инженерно-геологического районирования и картографирования, – велико. РИГ занимает верхнюю ступеньку в лесенке инженерно-геологических дисциплин, ею заканчивается изучение инженерно-геологических явлений и процессов. Такое положение РИГ требует от исследователей “геосферного мышления” философского восприятия взаимодействия процессов и явлений в природе, инженерного подхода к оценке состояния изучаемого объекта, надежного и обоснованного расчета и прогноза воздействия инженерного сооружения на геологическую среду, оптимального выбора эффективных инженерногеологических исследований и необходимых инженерных мероприятий. Эти качества достигаются на протяжении всех пяти лет учебы, но РИГ выполняет роль завершающего звена в геологическом образовании. Эта роль очень почетна и весьма ответственна. Предлагаемое учебное пособие является началом РИГ, его фундаментальной основой, но это начало, которое позволяет студенту, будущему специалисту, увидеть новые горизонты знаний, понять взаимосвязь геологических дисциплин и лучшим образом освоить свою профессию. 137 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Атлас гидрогеологических и инженерно-геологических карт СССР / Под ред. М.В. Чуринова. Гл. упр. геодезии при Совете министров СССР. – М., 1983. – 155 с. 2. Бондарик Г.К. Общая теория инженерной (физической) геологии. – М.: Недра, 1981. – 210 с. 3. Бондарик Г.К. Методика инженерно-геологических исследований. – М.: Недра, 1986. – 258 с. 4. Глазовская М.А. Геохимия природных и техногенных ландшафтов СССР. – М.: Высшая школа, 1988. – 245 с. 5. Захаров М.С. Картографический метод в региональных инженерно-геологических исследованиях: учебное пособие / Санкт-Петербургский горный институт. – СПб, 1997. – 85 с. 6. Захаров М.С. Региональная инженерная геология: проблемы, наука, практика обучения / Санкт-Петербургский горный институт. – СПб., 1998. – С. 140–143. 7. Иванов И.П. Инженерная геодинамика / Под ред. И.П. Иванов, Ю.Б. Тржцинский. – СПб.: Наука, 2001. 8. Инженерная геология СССР / Под ред. И.С. Комарова. – М.: Изд-во МГУ, 1978. – Т.1. – 340 с. 9. Инженерная геология СССР / Под ред. Е.М. Сергеева. – М.: Изд-во МГУ, 1976–1978. – ТТ.1–8. 10. Изменение геологической среды под влиянием деятельности человека. – М.: Наука, 1982. – 285 с. 11. Ипатов П.П. Региональная инженерная геология: учебное пособие. – Томск: Изд. ТПИ, 1990. – 96 с. 12. Кирюхин В.А., Норова Л.П. Региональная инженерная геология. – СПб., 2004. – 89 с. 13. Ломтадзе В.Д. Инженерная геология. Инженерная геодинамика. – Л.: Недра, 1977. – 305 с. 14. Ломтадзе В.Д. Инженерная геология. Инженерная петрология. – Л.: Недра, 1984. – 512 с. 15. Ломтадзе В.Д. Словарь по инженерной геологии / СанктПетербургский горный институт. – СПб., 1999. – 150 с. 16. Методическое пособие по инженерно-геологическому изучению горных пород: В 2 томах / Под ред. Е.М. Сергеева. – М.: Недра, 1984. 138 17. Мосинец В.Н., Грязнов М.В. Горные работы и окружающая среда. – М.: Высшая школа, 1978. – 378 с. 18. Недра России. Экология геологической среды / Под ред. Н.В. Межеловского, А.А. Смыслова. – СПб., 2002. – Т.2. – 250 с. 19. Никитин Д.П., Новиков Ю.П. Окружающая среда и человек. – М.: Высшая школа, 1980. – 347 с. 20. Потёмкин Л.А. Охрана недр и окружающей природы. – М.: Недра, 1977. – 197 с. 21. Попов И.В. Инженерная геология СССР. Общие основы региональной инженерной геологии. – М.: Изд-во МГУ, 1961. – Т.1. – 301 с. 22. Сергеев Е.М. Инженерная геология. – М.: Изд-во МГУ, 1978. –361 с. 23. Сергеев Е.М. Инженерная геология. – М.: Изд-во МГУ, 1982. –375 с. 24. СП 11–105–97. Общие правила производства работ / Госстрой России. – М., 1997. – Ч.1. 25. СП 11–105–97. Правила производства работ в районах развития опасных геологических и инженерно-геологических процессов / Госстрой России. – М., 2000. – Ч.II. 26. СП 11–105–97. Правила производства работ в районах распространения специфических грунтов / Госстрой России. – М., 2000. – Ч.III. 27. СП 11–105–97. Правила производства работ в районах распространения многолетнемерзлых грунтов / Госстрой России. – М., 1999. – Ч.IV. 28. Теоретические основы инженерной геологии. Геологические основы / Под ред. Е.М. Сергеева. – М.: Недра, 1986. – 320 с. 29. Трифонов В.Т. Закономерности пространственной изменчивости инженерно-геологических условий Западно-Сибирской плиты. – М.: Изд-во МГУ, 1977. – 341 с. 30. Трофимов В.Т. Зональность инженерно-геологических условий континентов Земли. – М.: Изд-во МГУ, 2002. – 180 с. 31. Трофимов В.Т. Теоретические аспекты грунтоведения. – М.: Изд-во МГУ, 2003. – 250 с. 32. Трофимов В.Т. Инженерно-геологические структуры Земли / В.Т. Трофимов, Т.И. Аверкина, Д.А. Спиридонов. – М.: Изд-во МГУ, 2001. – 185 с. 33. Трофимов В.Т. Экологическая геология / В.Т. Трофимов, Д.Г. Зилинг. – М.: Геоинформмарк, 2002. – 205 с. 34. Хаин В.Е. Геотектоника с основами геодинамики / В.Е. Хаин, М.Г. Ломизе. – М.: Изд-во МГУ, 1995. – 165 с. 139 Петр Петрович Ипатов Региональная инженерная геология Учебное пособие Научный редактор доктор геолого-минералогических наук, профессор М.Б. Букаты Редакторы: Н.Я. Горбунова, Р.Д. Игнатова. Подписано к печати 09.03.2007 г. Формат 60х84/16 Бумага “Классика” Печать RISO. Усл. печ. л. Уч.изд.л. Заказ Тираж 140
