Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Закономерности формирования инженерно-геологических условий г. Казани

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В настоящее время город Казань является одним из интенсивно развивающихся промышленных и культурных центров в Поволжском регионе: увеличивается площадь городской территории, строится метрополитен, растут новые жилые и промышленные микрорайоны на ранее неосвоенных землях, происходит перепланировка и реконструкция центральной части города, вывод за её пределы промышленных предприятий, отрицательно влияющих на экологическую обстановку города. Многовековая история г. Казани свидетельствует о широком развитии на его территории техногенных отложений, опасных геологических и инженерно-геологических процессов, осложняющих хозяйственное освоение и снижающих эксплуатационную надёжность зданий и сооружений. В связи с этим необходимо дальнейшее всестороннее изучение инженерно-геологических условий (ИГУ), что впоследствии может послужить основой для прогноза их изменчивости и обоснования геологической составляющей генерального плана города.

Объект исследований: геологическая среда территории города Казани.

Предмет исследований: факторы инженерно-геологических условий, закономерности их формирования.

Цели и задачи исследований:

Целью работы явилось установление закономерностей формирования инженерно-геологических условий территории г. Казани и их исследование.

Основные задачи:

1. Создание картографической модели инженерно-геологических условий г. Казани.

2. Пространственно-временной анализ изменчивости инженерно-геологических условий.

3. Установление закономерностей проявления геологических и инженерно-геологических процессов, прогноз динамики их развития.

4. Оценка генезиса просадочных грунтов г. Казани.

5. Выявление механизма формирования карбонатного элювия и причины изменения его состава и свойств.

Методы исследований:

Поставленные задачи решались с использованием методов полевых, лабораторных, камеральных инженерно-геологических исследований, инженерно-геологического опробования, обобщения и анализа собранных данных, обработки результатов исследований с помощью геоинформационных технологий с 2003 г. по 2006 г.

На защиту выносятся 4 научных положения:

1. Формирование ИГУ территории г. Казани начиная с палеозоя и на современном этапе геологического развития осуществляется стадийно, что обуславливает различную естественную и техногенную направленность их изменчивости.

2. Ведущим фактором формирования ИГУ г. Казани наряду с условиями формирования литологического состава грунтов, тектоническими и гидрогеологическими условиями является рельефообразование, обусловленное развитием речной сети. В связи с этим инженерно-геологическое районирование на территории г. Казани необходимо осуществлять по комплексу геологических и инженерно-геологических процессов.

3. Просадочные грунты территории г. Казани сформировались в результате криогенного выветривания в условиях приледниковой пустыни при Валдайском оледенении.

4. Формирование карбонатного элювия и изменение его физико-механических свойств в сводовой части Казанской купольной структуры происходит в настоящее время и контролируется минеральным составом материнских пород и гидрохимическими особенностями геологической среды.

Научная новизна результатов исследований:

- Установлены основные закономерности формирования ИГУ г. Казани с учётом истории геологического развития территории, формирования современного рельефа, геологического строения и развития геологических и инженерно-геологических процессов.

- Разработан геодинамический принцип выделения инженерно-геологических формаций для территории г. Казани.

- Установлены закономерности формирования свойств элювиальных и просадочных грунтов.

- Выявлены закономерности развития геологических и инженерно-геологических процессов, а также прогноз их развития при дальнейшем хозяйственном освоении территории.

Обоснованность и достоверность подтверждается достаточной детальностью (масштаб работ 1:25 000) и воспроизводимостью исследований, большим объёмом фактического материала (в основу построения карт положено более 750 разведывательных, наблюдательных, эксплуатационных и инженерно-геологических скважин, 1023 точки наблюдения, 380 км маршрутного обследования) и соответствием лабораторных исследований действующим нормативным документам.

Практическая значимость:

Результаты исследований реализованы в построении картографических моделей, на которых отражены категории сложности ИГУ, типы грунтовых толщ, участки распространения и прогноз развития геологических и инженерно-геологических процессов.

Они могут служить основой для разработки генерального плана г. Казани и обоснованием методики инженерно-геологических изысканий.

Результаты исследований явились обоснованием для постановки бюджетных исследований по теме «Создание постоянно действующей модели геологической среды для организации системы геодинамического и гидрогеологического мониторинга на территории г. Казани».

Результаты исследований используются при чтении лекций и проведении лабораторных занятий по курсам «Грунтоведение», «Инженерная геодинамика», «Инженерная геология» для студентов специальностей «гидрогеология и инженерная геология» и «геология» в Казанском государственном университете.

Исходные материалы и личный вклад автора:

В основу диссертации положены:

- материалы, полученные автором в результате полевых и камеральных работ: данные по строению, составу и свойствам специфических грунтов, карты типов грунтовых толщ (1:25000), типов фильтрационных разрезов (1:50000), геодинамическая карта (1:25000), инженерно-геологические карты (1:25000, 1:50000), карта устойчивости геологической среды к техногенному воздействию.

- материалы изучения геологического строения, полученные ОАО «КазТИСИз», НПО «ГУП Геоцентр РТ», ОАО «Татагропромпроект», которые автором были собраны, систематизированы и изучены с целью выявления закономерностей формирования ИГУ;

- фондовые материалы различных геологических организаций и Казанского государственного университета: геологические карты, топографическая и геоморфологическая карты, гидрогеологическая и гидрохимическая карты, а также геологические разрезы масштабов 1:25000 и 1:50000.

Апробация работы: Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: чтениях, посвящённых 170-летию Н.А. Головкинского (Казань, 2004 г.), научно-практической конференции «Экология города» (Казань, 2005 г.), международной конференции «Экология речных бассейнов» (Владимир, 2005 г.), итоговых научных конференциях Казанского государственного университета (2004 г., 2005 г.), на Горнопромышленной декаде (Екатеринбург, 2006 г.).

Публикации: по теме диссертации опубликовано 10 статей.

Структура, содержание и объём работы: Диссертация включает 195 страниц и состоит из Введения, 8 глав, Заключения, Списка литературы (101 наименование), иллюстрирована 44 рисунками и 16 таблицами.

Во «Введении» рассматривается актуальность темы, объект, предмет, цели и задачи исследований, сформулированы защищаемые научные положения, раскрыта научная новизна и практическая значимость результатов исследований.

В первой главе излагается состояние изученности ИГУ г. Казани, где констатируется, что исследуемая территория характеризуется хорошей структурно-геологической, гидрогеологической, инженерно-геологической изученностью, много научных исследований, посвящённых проблеме карста. Однако на данный момент отсутствует систематизация по характеру и интенсивности геологических и инженерно-геологических процессов, по составу, строению и свойствам грунтов.

Вторая глава посвящена методике исследования ИГУ, где рассмотрены методологические основы, методика исследования ИГУ и закономерностей их формирования.

В третьей главе содержится характеристика ИГУ (основные черты геологического строения, гидрогеологические и геоморфологические условия, состав и строение грунтовых толщ, геологические и инженерно-геологические процессы).

В четвёртой главе дана характеристика инженерно-геологических районов.

Пятая глава посвящена закономерностям и стадийности формирования ИГУ, выявлены причины сходства разновозрастных и различия одновозрастных инженерно-геологических формаций, обоснован геодинамический подход к выделению инженерно-геологических формаций.

Шестая глава «Закономерности формирования просадочных грунтов г. Казани» содержит характеристику особенностей распространения, состава, свойств, строения просадочных грунтов и состава обменного комплекса лессовидных грунтов; сделано заключение об их происхождении.

В седьмой главе «Закономерности формирования карбонатного элювия г. Казани» рассмотрены особенности распространения, состав и строение, а также физико-механические свойства карбонатного элювия, выявлены закономерности формирования его состава и свойств.

В восьмой главе изложены рекомендации по дальнейшему изучению ИГУ в связи с хозяйственным развитием города.

В «Заключении» приводятся основные результаты исследований по диссертационной работе.

Автор выражает благодарность за всестороннюю поддержку и помощь при разработке проблемы научному руководителю - С.Г. Дубейковскому, а также В.И. Жарковой, Р.К. Галееву и Е.В. Куприянову за помощь в сборе и систематизации материалов, которые легли в основу данной работы. Автор благодарит А.И. Шевелёва и М.Е. Королёва за полезные рекомендации. Также автор признателен коллективам кафедры общей геологии и гидрогеологии КГУ и кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии УГГУ.

Содержание работы

Первое защищаемое положение. Формирование ИГУ территории г. Казани, начиная с палеозоя и на современном этапе геологического развития осуществляется стадийно, что обуславливает различную естественную и техногенную направленностьих изменчивости.

Территория г. Казани расположена в пределах Волжской долины и Предкамской возвышенности. Террасированная поверхность волжской долины прорезана долиной р. Казанки и её притоками. В строении верхней части осадочного чехла территории принимают участие верхнепермские карбонатно-терригенные толщи и неоген-четвертичные преимущественно аллювиальные образования. Грунтовые воды залегают на различных глубинах и представлены гидрокарбонатными кальциевыми, сульфатно-гидрокарбонатными кальциевыми, гидрокарбонатно-сульфатными кальциевыми и сульфатно-кальциевыми разностями с минерализацией от 0,2 до 2,4 г/л.

Для оценки ИГУ территории г. Казани с помощью программных средств ArcView GIS автором была создана картографическая модель ИГУ, которая представляет собой атлас параметрических, аналитических и синтетических карт, оценивающих факторы ИГУ: гидрогеологические карты (глубин залегания грунтовых вод, гидрогеохимическая), карты рельефа, типов грунтовых толщ. Для оценки геодинамических условий также были построены картографические модели различных геологических и инженерно-геологических процессов: карты поражённости карстовыми процессами, овражной эрозией и оползневыми процессами, карты распространённости гидротехнического и строительного подтопления, заболачивания, абразии и береговой эрозии речных долин.

Следующей стадией стало инженерно-геологическое районирование на базе карты четвертичных отложений. Все картографические работы проводились в масштабе 1:25000.

Проведённое районирование позволило выделить 22 района, представленных 657 участками, обладающими определёнными ИГУ: рельеф, принадлежность к тому или иному геоморфологическому элементу, генезис и свойства грунтов, тип грунтовой толщи, глубина залегания грунтовых вод, количественная характеристика геологических и инженерно-геологических процессов, степень устойчивости к техногенному воздействию (рис. 1, табл. 1). Таким образом, полученные участки стали минимальными таксонами.

Анализ столь значительной выборки показал, что по характеру распределения признаков ИГУ выделенные участки объединяются в три класса:

1. поймы малых рек, их первые надпойменные террасы, вторые надпойменные террасы р. Волги и Казанки

2. третья, четвёртая и пятая надпойменные террасы,

3. коренной волжский берег.

Рис. 1. Инженерно-геологические районы в пределах территории г. Казани

геологический инженерный картографический модель

Следует отметить, что участки, которые расположены в пределах, третьей, четвёртой и пятой надпойменных террас не только имеют схожий набор признаков ИГУ, но и в рельефе между указанными районами, в которые входят указанные участки, нет чётко выраженных границ.

По-разному осуществляется и техногенное воздействие: в пределах низких террас, оказавшихся техногенно подтопленными (гидротехническое подтопление) преобладает техногенная аккумуляция (намыв песков, засыпка низин и заболоченных участков), в пределах высоких террас техногенное воздействие имеет другую направленность - здесь происходит карьерная разработка грунтов, а аккумуляция локализуется преимущественно в овражно-балочных понижениях и в тыловых частях террасовых уступов (табл. 1, табл. 2).

Таблица 1. Характеристика ИГУ районов, выделенных по формационно-генетическому принципу

Группа	Район	G	Sт	Нгв	Кзабол	Кг.п.	Кс.п.	Кобр	Ккарст
Низкие террасы	Приволжье	а IV, a mk+k, alpl IV, t	2,4,5,6,7,8,9,10,13,15	2-5	1,65	65,66	34,34	-	0,060
	Заречье		1,2,3,4,5,6,7,8,9,10	1-4	1,12	59,77	40,23	-	0,009
	Малые Дербышк.		5,6,7,8,9,10,12,13,14	1-4	-	23,28	66,72	-	0,016
	Вознесение		9,12	3-5	-	33,59	54,41	-	-
	Солонка		14	2-5	-	19,09	80,91	-	-
	Киндери		8,13	3-6	-	23,40	61,60	-	1,000
	Троицкий		3,4,5,6,7,8,9,10	1-3	0,01	56,94	35,06	-	-
	В. Крутуш.		8	2-4	-	22,94	25,31	-	-
Высокие террасы	Московск.	a I, a lh+dn, a od+ms, dadl IV, tdadl IV, t	5,6,7,8,9,10,	10-15	0,08	-	40,42	0,13	0,001
	Мирный		5,6,7,8,9,11,13	15-20	0,13	-	22,92	1,54	0,647
	Ливадия		5,7,8,9,10	10-20	-	-	49,79	0,49	-
	Дербышки		5,6,7,8,9,10,12,13	15-20	-	-	47,88	0,12	0,623
	Киндер. карьер		13,15	<15	-	-	-	-	1,000
	Кадыш. теплицы		14	5-10	-	-	75,12	-	1,000
	З. Крутуш.		8	<15	0,01	-	23,62	1,07	-
	Горки		5,6,7,8,9,10,11,13,15	<20	-	-	45,56	1,85	0,065
	Караваево		7,8,9,10,11	<20	-	-	5,75	0,69	-
	Азино		6,7,8,9,10,11	<20	-	-	35,85	1,24	-
	Сух. Река		8,9,10,14,15	10-15	-	-	12,21	1,50	-
	Кадышево		5,14,15	10-20	-	-	16,48	-	1,000
Кор. берег	Аки	ed II-IV, dadl IV, tdadl IV, t	13,15		-	-	40,56	1,38	1,000
	Царицыно		8,9,10,12,13		-	-	5,83	1,42	0,417

Качественная оценка устойчивости геологической среды к техногенному воздействию показала также различные значения устойчивости для выделенных классов. Районы в пределах низких террас обладают, как правило, низкой и средней степенью устойчивости, тогда как высокие террасы, напротив, характеризуются преимущественно высокой и средней степенью устойчивости (табл. 2).

Полученные результаты позволяют сделать вывод, что, ввиду очевидного различия, формирование ИГУ для районов из разных классов происходило при различных условиях. Поскольку возраст пород, входящих в состав геологической среды выделенных классов, различен, автор считает, что формирование ИГУ происходило стадийно, а выделенные классы в настоящее время находятся на разных стадиях развития ИГУ, что и вызывает разнонаправленность их изменчивости.

Используя данные о геологической истории исследуемого региона и полученные результаты для исследуемой территории, можно выделить следующие дотехногенные стадии (Геология Татарстана, 2003), (табл. 2):

Платформенно-морская стадия характеризуется накоплением и литификацией, а также постдиагенетическими преобразованиями морских отложений верхней перми. Именно условия осадконакопления и характер постдиагенетических процессов предопределили развитие карстовых процессов на последующих стадиях развития ИГУ и гидрогеохимический тип грунтовых вод в пределах исследуемой территории.

Эрозионно-денудационная стадия отвечает континентальному режиму, при котором господствуют процессы физического и химического выветривания морских отложений верхнепермского возраста, денудация преобладает над аккумуляцией. Развиваются карстовые процессы. В пределах исследуемой территории эрозионно-денудационная стадия началась в начале мезозоя. Окончание этой стадии на большей части исследуемого района произошло в связи с заложением и последующим развитием долины ПраВолги и ПраКазанки. В настоящее время на данной стадии находится коренной левый берег Волги (табл. 3).

В русловую стадию происходит донный и боковой размыв массивов горных пород, а также накопление рыхлообломочного материала песчано-глинистого состава в подводных условиях, формируются грунты со слабыми структурными связями, недоуплотнённые и, как следствие, сильно сжимаемые. Через русловую стадию в различное время прошла вся исследуемая территория за исключением коренного волжского берега. В настоящее время на данной стадии находятся участки в пределах Куйбышевского водохранилища, малых рек и озёр города (табл. 3).

Очерёдность русловой стадии вслед за эрозионно-денудационной не является обязательным условием. Так, например, русловая стадия для некоторых участков долины р. Казанки и пойм малых рек в некоторых случаях следовала за стадиями низких и высоких террас.

Таблица 2. Характеристика стадий формирования инженерно-геологических условий

Стадии	Инженерно-геологические условия
Эрозионно-денудацион-ная	Абс. отм. 75-180 м. Рельеф слаборасчленённый, вблизи террасовых уступов сильно расчленённый	Известняки, доломиты, мергели, аргиллиты и песчаники перекрытые глинами и суглинками	Грунтовые воды в зоне взаимодействия зданий и сооружений отсутствуют или находятся в нижней части разреза	Оврагообразование, карст, строительное подтопление	Скальные карбонатные и терригенные грунты; суглинки и глины твёрдой консистенции	Разработка карьеров и подработка склонов. Засыпка оврагов. Создание ПТБО. Активизация ЭГП в рез. утечек из вод. коммуникаций; Преим. выс. уст.
Русловая	Абс. отм. менее 53,2 м	Пески, переслаивание песч. и глинистых грунтов.	-	Аккумуляция песчано-глинистого материала	Пески, илы богатые органическими веществами;	Заиление русла вдоль дамб и мостовых опор; Низкая устойчивость
Пойм и низких террас	Абс. отм.: 54-57 м; Рельеф нерасчленённый, слаборасчленённый	Глинист. подстил. песчаными; Переслаивание песч. и глин. с преобл. глин. в верхней части разреза; Преим. глинист. разрез с торф. сл. в верх. части	Глубина залегания г.в. не более 5 м. Минерализация от 0,5 до 2,4 г/л. Тип: гидрокарбонатный-сульфатный	Природное и гидротехническое подтопление, заболачивание, береговая абразия и боковая эрозия речных долин	супеси, суглинки и глины, их заторфованн. аналоги, торф, твёрдопластичной консистенции, пески	Намывная аккумуляция, засыпка болот; Средняя и низкая устойчивость
Высоких террас	Абс. отм.: 75-120 м; Рельеф слабохолм., слаборасчл., вблизи террасовых уступов сильнорасчл.	Переслаив. песч. и глин. с преобл. глин. в верхн. части; Глин. подстил. песч.; Пески; Переслаив. песч. и глин. с просадочным слоем в верхн. части	Грунтовые воды в зоне взаимодействия зданий и сооружений отсутствуют или находятся в нижней части разреза	Строительное подтопление, оврагообразование и оползнеобразование, просадочные явления, карстово-суффозионные и суффоз. процессы	Суглинки, супеси, их просадочные аналоги твёрдой консистенции, пески	Подработка склонов, засыпка оврагов, создание ПТБО. Активизация ЭГП в рез. утечек из вод. коммуникаций; Выс. и средн. уст.

Таблица 3. Времення последовательность стадий формирования инженерно-геологических условий для различных геоморфологических элементов

Стадия	Надпойменная терраса	Пойма малых рек**	Коренной берег
	5	4	3	2-1
высоких террас				-	-	-
низких террас						-
русловая						-
эрозионно-денудационная	Mz - N2*	Mz - Q4
платформенно-морская	P2

Следует отметить, что этот переход нередко имел техногенную обусловленность. Так, в результате создания Куйбышевского водохранилища примерно 50 км² в пределах современной городской границы (12%) оказались затопленными, а

р. Казанка искусственным путём получила новое русло.

Именно на русловой стадии формируется состав грунтов, начинают развиваться структурные связи. Среди процессов ведущая роль принадлежит аккумуляции, однако для территории г. Казани характерно развитие карстовых процессов, связанных с вертикальной разгрузкой подземных вод вблизи размытых купольных структур (Ступишин, 1954). Несмотря на ведущую роль аккумуляции, необходимо отметить немаловажную роль боковой эрозии рек, интенсивность которой контролирует крутизну, а подчас и высоту прилегающего террасового уступа, а следовательно обеспечивает ту или иную интенсивность развития денудации, линейной эрозии и склоновых процессов для прилегающих территорий на стадии высоких террас. Так, в позднем неоплейстоцене в центральной части исследуемой территории была полностью размыта одинцовско-московская и частично лихвинско-днепровская надпойменная террасы, в результате чего образовался уступ высотой не менее 40 - 50 м, в связи с чем в дальнейшем здесь развилась густая овражно-балочная сеть. Подобная ситуация развивалась при повторном заложении долины р. Казанки во второй половине среднего неоплейстоцена, при возникновении долин Киндерки, Ноксы, Солонки и Сухой Реки (Малышева, 1965).

В стадию пойм и низких террас большая часть грунтовой толщи находится в водонасыщенном состоянии, грунты хорошо сжимаемы и неоднородны, накапливаются торф и заторфованные супеси и суглинки, реже глины. Геологическая среда при благоприятных гидрохимических условиях характеризуется агрессивностью. Эту стадию в различное время прошла вся исследуемая территория за исключением коренного Волжского берега и участки в пределах Куйбышевского водохранилища, малых рек и озёр города (табл. 3).

Для стадии пойм и низких террас характерно широкое развитие процессов подтопления и заболачивания, боковая эрозия речных долин (табл. 2).

Среди процессов, имеющих техногенное происхождение, широко развито гидротехническое и строительное подтопление, заболачивание, уплотнение грунтовой толщи в основании зданий и сооружений, суффозионный вынос вблизи прифильтровой части скважин водозаборов, а также береговая абразия вдоль побережья водохранилища. Техногенная аккумуляция носит площадной характер и направлена на улучшение инженерно-геологических характеристик геологической среды: понижение уровня грунтовых вод, засыпка болот, создание более прочного основания для сооружений различного назначения. Карстовые процессы имеют как природную, так и техногенную обусловленность (табл. 2).

Стадия высоких террас характеризуется господством денудации, линейной эрозии и склоновых процессов. Аккумуляция локализуется в овражно-балочных системах и вдоль террасовых уступов. Именно в эту стадию, как будет показано далее, в результате криогенного выветривания в условиях приледниковой пустыни (валдайское оледенение) сформировались просадочные грунты, а в настоящее время происходит образование карбонатного элювия (Болиховская, 1995). Грунтовые воды залегают глубоко, в связи с чем грунты находятся преимущественно в твёрдой консистенции, следовательно, обладают хорошей несущей способностью.

Среди геологических процессов ведущая роль принадлежит овражной эрозии, оползнеобразованию, карстовый процесс развит локально и носит унаследованный характер. Интенсивность процессов контролируется особенностями рельефа, строением геологической среды. Техногенные процессы связаны с утечками из водонесущих коммуникаций (строительное подтопление, просадочные явления в грунтах, карстовые провалы, образование карбонатного элювия), незарегулированным поверхностным стоком (овражная эрозия), нарушением устойчивости склонов и откосов (искусственная подрезка, создание котлованов и карьеров, динамическое воздействие) (табл. 2).

Как было показано выше, на разной стадии развития изменчивость ИГУ (в виде геологических процессов) проявляется по-разному, поэтому и в техногенный этап развития эта изменчивость также имеет разный характер.

Таким образом, можно сделать вывод, что различная направленность изменчивости ИГУ (естественная и техногенная) в пределах территории г. Казани обусловлена тем, что выделенные инженерно-геологические формации находятся на разных стадиях формирования ИГУ.

Второе защищаемое положение. Ведущим фактором формирования ИГУ г. Казани наряду с условиями формирования литологического состава грунтов, тектоническими и гидрогеологическими условиями является рельефообразование, обусловленное развитием речной сети, в связи с чем инженерно-геологическое районирование на территории г. Казани необходимо осуществлять по комплексу геологических и инженерно-геологических процессов.

Выделенные в процессе инженерно-геологического районирования одновозрастные формации, несмотря на очевидную схожесть строения геологической среды, генезиса, возраста и свойств грунтов, характеризуются разными геодинамическими параметрами, а следовательно, различными значениями устойчивости геологической среды к техногенному воздействию и различной степенью сложности ИГУ.

Например, район Горки и район Караваево сложены волжскими аллювиальными отложениями (пески, супеси, суглинки), (рис. 1, табл. 1). Однако, несмотря на одинаковый тип строения грунтовых толщ и схожесть гидрогеологических условий, геодинамическая обстановка районов различна. Так, район Горки характеризуется значительной оврагопоражённостью, развитием карстовых процессов, широко распространёнными просадочными явлениями. Район Караваево, напротив, относится к категории «слабая овражная эрозия», просадочные явления здесь распространены в незначительной степени, карстовые процессы отсутствуют.

Подобное характерно также для районов, расположенных в пределах одинцовско-московской и окской надпойменных террас. Следует отметить, что чем больше длительность стадии, на которой находятся районы, тем выше степень различия ИГУ.

С другой стороны, на фоне внутритеррасового различия, наблюдается схожесть ИГУ разновозрастных инженерно-геологических формаций, расположенных в пределах единых водораздельных пространств.

Например, районы Горки, Мирный и Азино имеют весьма схожие ИГУ, явные границы в рельефе отсутствуют, строение и свойства грунтов весьма близки (рис. 1, табл. 1). То же можно сказать и о районе Караваево и северной части района Московский, районах Кадышево и Кадышевские теплицы и т.д. (рис. 1, табл. 1).

Подобное сходство разновозрастных и различие одновозрастных инженерно-геологических формаций, находящихся на одной стадии формирования ИГУ, указывает на значительную роль рельефообразующих факторов, связанных, прежде всего, с деятельностью реки Волги и её притоков, что обеспечило различный ход постседиментационных процессов, развитие рельефа и гидрогеологических условий. Поскольку направление и масштабы речной деятельности контролировались тектоническими и климатическими условиями, можно сделать вывод, что в основе формирования ИГУ г. Казани лежит целый спектр разнообразных факторов.

Поэтому оценку не только современных, но и потенциально возможных ИГУ, которая осуществляется путём инженерно-геологического районирования, необходимо осуществлять с обязательным учётом этих факторов, что представляется весьма сложной задачей. Поскольку седиментогенез и постседиментогенные процессы, современные и древние тектоническая обстановка и климат, трансформация рельефа в ходе развития волжской речной сети и денудационные процессы, а также техногенное воздействие нашли своё отражение в характере и интенсивности геологических и инженерно-геологических процессов, значительно проще проводить выделение инженерно-геологических формаций по комплексу геологических и инженерно-геологических процессов, так как процесс, по мнению автора, - это не только фактор ИГУ, опирающийся, как и ИГУ на гидрогеологические, геоморфологические, геологические условия, но и индикатор направленности изменчивости ИГУ.

При инженерно-геологическом районировании по геодинамическому принципу территории г. Казани нами было выделено 25 районов. Представленная схема инженерно-геологического районирования убедительно показывает роль послепермской тектонической обстановки в формировании карстовых процессов и значение рельефообразующих факторов, а также поздненеоплейстоценового климата, уравнявших разновозрастные и дифференцировавших одновозрастные геологические формации по характеру ИГУ (рис. 2).

Следует отметить, что районирование, опирающееся на геодинамический принцип, даёт возможность не только оценивать устойчивость геологической среды к техногенному воздействию, присваивая «немой» балл, но и указать направление возможной техногенной изменчивости ИГУ. Весьма удобен геодинамический принцип при оценке природных геологических рисков, опирающейся на количественные показатели геологических и инженерно-геологических процессов (Природные опасности России, 2003).

Третье защищаемое положение Просадочные грунты территории г. Казани сформировались в результате криогенного выветривания в условиях приледниковой пустыни при Валдайском оледенении.

Просадочные грунты в пределах исследуемой территории представлены маловлажными супесями и лёгкими суглинками с преимущественно твёрдой консистенцией. Наиболее характерны они для правобережья Казанки, где пространственно связаны с высокими террасами р. Волги. В грунтовых толщах просадочные грунты располагаются преимущественно в верхней части разреза, где бывают нередко перекрыты непросадочными разностями.

В составе просадочных грунтов присутствуют как аллотигенные так и аутигенные карбонаты (до 9%).

Просадочные грунты характеризуются скелетным типом микростроения, значительной неоднородностью (К_н=15-20), обладают ярко выраженной пористостью (38-51%), а также низкой степенью агрегативности, что связано с преобладанием в обменном комплексе диффузного слоя глинистых минералов катионов Na⁺.

Величина плотности сухого грунта (с_d) изменяется от 1,32 г./см³ до 1,67 г./см³. Средние значения величин модулей деформации для грунтов с естественной влажностью при 0,1 МПа составляет 8,14 МПа, при 0,2 МПа - 11,82 МПа, при 0,3 МПа -



Рис. 2. Инженерно-геологические районы, выделенные по комплексу геологических и инженерно-геологических процессов с учётом их активности

Просадочные грунты характеризуются несоответствием результатов гранулометрического анализа и значений числа пластичности. Последнее несколько занижено, что объясняется присутствием во фракции менее 0,002 мм зёрен кварца.

Согласно современным представлениям о происхождении просадочных грунтов, существуют следующие варианты: эоловое, аллювиальное, делювиальное, криогенное и космическое (Трофимов, 2003, Ананьев, 2004). На несоответствие казанских лессовидных грунтов эоловой, аллювиальной и космической гипотезам указывает, с одной стороны, низкая степень окатанности структурных элементов, высокая степень неоднородности и с другой - отсутствие чёткой связи «просадочный грунт - стратиграфический горизонт». Наличие седиментационной слоистости противоречит делювиальной гипотезе.

В пользу криогенной гипотезы свидетельствуют следующие факты:

- плащеобразное залегание просадочных грунтов;

- область развития просадочности сечёт стратиграфические границы в пределах Волго-Ноксинского междуречья;

- отсутствие чётких границ в плане и разрезе между просадочными и непросадочными разностями;

- низкая степень окатанности структурных элементов;

- высокая неоднородность грунтов;

- высокое содержание кварца глинистой размерности, уменьшающееся с глубиной.

Криогенному облессованию подверглись изначально аллювиальные породы, на что указывает сохранившаяся слоистость.

Поскольку самый молодой аллювий, подвергшийся криогенному облессованию, относится к одинцовско-московскому горизонту, можно предположить, что заключительное формирование просадочных грунтов произошло на стадии высоких террас во время последнего, Валдайского, оледенения, в условиях приледниковой пустыни, на что указывает и Н.С. Болиховская, Н.И. Кригер и А.В. Минервин (Болиховская, 1995, Григорьева, 2002).

Четвёртое защищаемое положение. Формирование карбонатного элювия и изменение его физико-механических свойств в сводовой части казанской купольной структуры происходит в настоящее время и контролируется минеральным составом материнских пород и гидрохимическими особенностями геологической среды.

Согласно классификации грунтов, элювий относится к грунтам особых свойств и состояния (специфические грунты), которые значительно осложняют ИГУ. Одной из разновидностей элювия, представленного в грунтовых разрезах исследуемой территории, является карбонатная мука.

Карбонатный элювий плащеобразно залегает на значительно дислоцированной и закарстованной поверхности верхнепермских пород. В разрезе грунтовых толщ карбонатный элювий встречается в пределах области развития верхнепермских купольных структур: Казанского, Борисковского куполов, Кадышево-Щербаковского поднятия и Киндерской плакантиклинали. Карбонатный элювий пространственно связан с карбонатными породами казанского яруса.

Мощность карбонатного элювия в пределах городской территории незначительна: сантиметры, редко первые метры. Исключением является лишь участок, расположенный в историческом центре города, в пределах южной оконечности казанского купола. Мощность элювия здесь изменяется в широком диапазоне: от нескольких сантиметров и более 30 метров. Наибольшие мощности карбонатного элювия пространственно связаны с северо-западной оконечностью Волго-Ноксинского водораздела.

Именно большие мощности и высокая степень геологической изученности в связи со строительством первой линии метрополитена послужили основанием для выбора южной оконечности казанского купола в качестве полигона для выявления закономерностей формирования карбонатного элювия.

По особенностям гранулометрического состава среди карбонатного элювия было выделено два типа: мука в чистом виде, которая состоит преимущественно из структурных элементов пылеватой и глинистой размерности; мука со щебнем, в составе которой, помимо тонкодисперсных частиц, присутствуют грубозернистые структурные элементы (до 40%).

В большинстве случаев карбонатная мука обладает разнозернистой структурой и весьма неоднородной текстурой. Преобладание частиц пылеватой и глинистой размерности придаёт пластичные свойства грунту.

По минеральному составу тонкодисперсной части карбонатную муку можно разделить на следующие типы: исключительно доломит, доломит и кальцит, только кальцит. В составе всех типов муки в некоторых случаях присутствует кварц (не более 5-10%).

По минералого-петрографическому составу щебень зачастую представлен пелитоморфными кавернозными доломитами. Иногда среди микрозернистой доломитовой массы наблюдаются более крупные зёрна ксеноморфного кальцита. С поверхности такой щебень корродирован и значительно более порист.

Детальные исследования образцов карбонатной муки в пределах нескольких инженерно-геологических скважин по ул. Петербургской выявили, что соотношение кальцита и доломита в муке и щебне весьма изменчиво как в плане, так и по разрезу. Разброс содержаний кальцита носит случайный характер, что продиктовано сингенетической неоднородностью материнских пород.

Вода представлена двумя видами: прочносвязанной и рыхлосвязанной, что обусловлено значительной дисперсностью карбонатной муки. Естественная влажность изменяется в диапазоне от 13 до 34%, в среднем составляя 23%.

Как было показано выше, карбонатный элювий отличается непостоянством минерального и гранулометрического состава в пределах нескольких десятков метров. Такое непостоянство предопределило некоторую изменчивость физико-механических свойств внутри одного инженерно-геологического элемента.

У исследуемых грунтов плотность изменяется от 1,88 г./см³ до 2,20 г./см³, плотность твёрдых частиц также изменяется в широком диапазоне (2,71-2,86 г./см³) в связи с непостоянством минерального состава: минимальные значения характерны для муки с преобладанием кальцита и некоторой примесью кварца, максимальные значения характерны для муки чисто доломитового состава.

Плотность сухого грунта лежит в пределах от 1,41 до 1,88 г./см³, пористость колеблется в диапазоне от 31 до 50%.

Сцепление карбонатной муки невелико: 0,012-0,029 МПа; угол внутреннего трения изменяется в пределах от 9 до 15. Модуль деформации изменяется от 17 до 20 МПа.

Таким образом, описываемый массив грунтов является макронеоднородным, со стационарным (скачкообразным, незакономерным) режимом изменчивости, что значительно усложняет ИГУ исследуемой территории, поскольку увеличивается риск неравномерных осадок различных инженерных сооружений.

Детальное изучение состава, строения и свойств карбонатного элювия, который развивается по известково-доломитовым породам казанского яруса, обнажающимся на доплиоценовой поверхности размыва, позволило выделить следующие этапы его формирования:

1) Дезинтеграция доломитов и известняков до состояния карбонатной муки в результате процессов декальцитизации. Поскольку содержание кальцита в плане и разрезе изменяется в широких пределах, дезинтеграция протекает неравномерно. На участках, где кальцит отсутствует или содержится в весьма незначительных количествах, остаются линзы крепких доломитов, ё как бы погружённых в дисперсную массу. Следует отметить, что дезинтеграция карбонатов протекает лишь при наличии растворяющей способности грунтовых вод, оценивать которую, в частности, возможно с помощью метода сравнения активностей ионов с произведением растворимости самого соединения (доломит и кальцит) (Ломтадзе, 1977).

Анализ показал, что для большинства участков проявления описанной выше дезинтеграции жидкая компонента грунтов обладает агрессивностью только по отношению к кальциту. Особенно сильно агрессивность выражена у грунтовых вод вблизи зоны аэрации, что связано с обилием в геологической среде СО2, присутствие которого значительно влияет на растворимость кальцита. Так, например, на водоразделе мощность доломитовой муки составляет чуть больше 30 м (верхний слой грунтовых вод с минерализацией 0,3 г/л насыщен СО2), а в низинной части приближается к нулю (минерализация составила 0,95 г./л).

Следовательно, можно предположить, что площади возможного проявления карстовых просадок вследствие неравномерной химической денудации находятся в контурах высокого залегания карбонатных пород казанского яруса (глубина до 10-15 м и меньше).

2) Второй этап может развиваться двояко:

В результате дальнейшего растворения кальцитовой составляющей в уже дезинтегрированной массе будет продолжаться разуплотнение и, следовательно, оседание.

При наличии благоприятных условий (соответствующие напорный градиент и степень неоднородности грунта) будет происходить механическая суффозия, в связи с чем, также будет продолжаться разуплотнение.

Следует заметить, что в пределах г. Казани нередко эти два процесса протекают одновременно.

Таким образом, можно сделать вывод, что формирование и преобразование карбонатного элювия активно происходит на современном этапе геологического развития, что приводит как к пространственному, так и временному непостоянству его физико-механических свойств, а следовательно, значительно усложняет ИГУ.

Заключение

Основные результаты исследований по теме диссертационной работы сводятся к следующему:

- Инженерно-геологические районы, расположенные в пределах низких террас, высоких террас и коренного Волжского берега, обладают различной естественной и техногенной направленностью изменчивости ИГУ. Это свидетельствует о том, что формирование ИГУ на территории г. Казани начиная с палеозоя протекает стадийно, где каждая стадия (платформенно-морская, эрозионно-денудационная, русловая, пойм и низких террас, высоких террас) характеризуется соответствующим набором факторов ИГУ.

- Некоторые выделенные инженерно-геологические районы, расположенные в пределах одновозрастных геоморфологических элементов, характеризуются неодинаковыми ИГУ, в то же время инженерно-геологические районы, расположенные в пределах разновозрастных геоморфологических элементов, обладают схожими ИГУ. Это свидетельствует о том, что формирование факторов ИГУ в значительной степени обусловлено историей развития рельефа, климата и гидрогеологических условий, в связи с чем предлагается осуществлять инженерно-геологическое районирование по характеру и активности геологических и инженерно-геологических процессов - индикаторов направленности изменчивости ИГУ.

- Значительную роль в формировании состава, строения и свойств таких специфических грунтов, как карбонатный элювий и просадочные грунты, сыграли диагенетические и постдиагенетические преобразования, а также процессы химического и физического выветривания.

- Наиболее широкое развитие получили процессы подтопления: гидротехническим подтоплением охвачено 18% территории, 26% и 39% исследуемого района соответственно обладают высокой и умеренной опасностью строительного подтопления, последние отчасти накладываются на области развития просадочных и карстующихся грунтов, что значительно усложняет ИГУ.

- Сложные ИГУ в пределах территории г. Казани (40,3% исследуемого района) определяются преимущественно техноприродным подтоплением, овражной эрозией и карстовыми процессами, а также широким развитием специфических грунтов.

Опубликованные работы по теме диссертации

1. Жаркова Н.И. Закономерности формирования инженерно-геологических условий на территории г. Казани // Георесурсы 2 (19) 2006. - Казань: изд-во Казанск. Ун-та, 2006. - с. 16 - 19.

2. Жаркова Н.И. Характеристика коррозионных свойств грунтов п. Борисково / Н.И. Жаркова, И.Ф. Бакиров // Материалы чтений посвященных 170-летию Н.А. Головкинского, 160-летию А.А. Штукенберга и 200-летию геологического музея, 2004. - Казань: изд-во Казанского ун-та, 2004. - с. 68 - 74.

3. Жаркова Н.И. Лёссовидные грунты г. Казани / Н.И. Жаркова, М.И. Гайсин, А.Р. Низамутдинова // «Вестник Татарстанского отделения Российской Экологической Академии» №2 (24) 2005, - Казань: «Экоцентр», 2005. - с. 8 - 12.

4. Zharkova N.I. Corrosive Characteristics of Soil in the Waterlogged Area of Kazan, Russia. // Georesources, Int. Jour. Of Sience. #1 (9). - Heter Press, Kazan, 2005. - c. 44 - 45.

5. Жаркова Н.И. Куйбышевское водохранилище, как фактор, определяющий развитие экзогенных геологических процессов территории г. Казани. // Материалы III Международной научно-практической конференции «Экология речных бассейнов». Владимир, 2005. - с. 415 - 418.

6. Жаркова Н.И. Экзогенные и инженерно-геологические процессы г. Казани. // Материалы научно-практической конференции «Экология города». Казань, 2005. - Казань: «Экоцентр», 2005. - с. 69 - 70.

7. Жаркова Н.И. Опасные экзогенные геологические процессы на территории г. Казани / Экология города Казани (коллективная монография) / Под ред. Проф. д.б.н. Н.М. Мингазовой, Казань, изд-во «Фен» Академии наук РТ, 2005 - 38 - 43 с.

8. Жаркова Н.И. Основные закономерности оврагообразования на территории г. Казани/ Н.И. Жаркова, Е.В. Куприянов // «Вестник Татарстанского отделения Российской Экологической Академии» №4 (26), 2005. - Казань: «Экоцентр», 2005. - с. 15 - 22.

9. Жаркова Н.И. Состав и свойства верхнепермского карбонатного элювия, как фактор формирования инженерно-геологических условий центральной части г. Казани / Н.И. Жаркова, Н.Н. Даровских, Р.К. Галеев // «Вестник Татарстанского отделения Российской Экологической Академии» №4 (26), 2005. - Казань: «Экоцентр», 2005. - с. 22 - 25.

10. Жаркова Н.И. Закономерности формирования инженерно-геологических условий на территории г. Казани // Материалы уральской горнопромышленной декады, г. Екатеринбург, 3 - 13 апреля 2006. - Екатеринбург, изд-во УГГУ, 2006. - с. 120 - 121.

Размещено на Allbest.ru

...