Суффозионный и гравитационный процессы – как результат появления воронок просасывания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Суффозионный и гравитационный процессы - как результат появления воронок просасывания

Бобина Т.С., Слободчиков Е.А. ФГБОУ ВО «Уральский государственный горный университет»

Аннотация

В статье рассматривается механизм механической суффозии и критерии ее интенсификации. Вводится понятие «взрывная суффозия» - как результат взаимосвязанного проявления механической суффозии и гравитационных провальных явлений, выражающихся в образовании воронок просасывания. Приводятся примеры проявления взрывной суффозии, обусловленной природными и техногенными причинами.

Ключевые слова: механическая суффозия, взрывная суффозия, гравитационные провальные явления, воронки просасывания.

взрывной суффозия гравитационный порода

Суффозия - это процесс выноса некоторых компонентов грунта подземными водами. В зависимости от способа выноса материала различают суффозию механическую и химическую. К гравитационным геологическим процессам относят обрушение и сползание пород по склонам, а также обрушение кровли полостей различного происхождения, расположенных в толще горных пород. В природе часто происходит совместное и взаимозависимое проявление разных по природе геологических процессов. Продукту совместного проявления механической суффозии и обрушения кровли открывающихся в зоне действия механической суффозии полостей посвящается данная статья.

Для проявления механической суффозии первостепенными условиями являются рыхлая консистенция пород и их гранулометрический состав - порода либо должна содержать в достаточном количестве тонкодисперсную фракцию, либо должна быть полностью представлена тонкодисперсным материалом. Анализ особенностей проявления механической суффозии дает основание считать, что вынос тонкодисперсной фракции из пород смешанного гранулометрического состава, или всей массы тонкодисперсной породы возможен при благоприятном сочетании гидродинамического типа и скорости движения воды, а также градиента гидродинамического напора [7,8]. В разных гидродинамических условиях комбинации перечисленных трех факторов могут меняться. В коре выветривания при наличии зоны аэрации над горизонтом грунтовых вод высокий градиент гидродинамического напора не обязателен, достаточно возможности свободного истечения воды в зоне дренажа. На отметках ниже горизонта грунтовых вод и в условиях отсутствии зоны аэрации (например, в основании плотин гидротехнических сооружений) обязательным фактором проявления суффозии становится наличие высокого градиента гидродинамического напора.

В коре выветривания с горизонтом грунтовых вод характер и масштабы суффозии зависят от типа подстилающих кору выветривания пород. Если кора выветривания лежит на водонепроницаемых породах, нижняя ее часть является горизонтом грунтовых вод, а верхняя - зоной аэрации.

Суффозионный вынос тонкодисперсной фракции интенсивно проявляется в зоне аэрации, где вода просачивается вертикально вниз под действием силы тяжести в виде отдельных струек при турбулентном типе движения, обеспечивающем ей высокую размывающую и транспортирующую способность. При попадании инфильтрующихся вод в водоносный горизонт и развороте направления их перемещения с вертикального на субгоризонтальное происходит уменьшение скорости движения воды, смена типа движения воды с турбулентного на ламинарное, в результате чего транспортировка тонкодисперсного материала быстро приостанавливается и, начиная с подошвы водоносного горизонта, поры его пород закупориваются [4]. Выноса тонкодисперсного материала из пород водоносного горизонта не происходит. В результате выноса тонкодисперсного материала из зоны аэрации и вмывания его в поры и каналы горизонта грунтовых вод происходит утонение толщи, составляющей зону аэрации (рис.1). При этом, судя по всему, заметных отрицательных форм рельефа не образуется. При наличии в подстилающем водоупоре не сообщающихся между собой открытых каналов и трещин, в них удаляется выносимый суффозией материал и на земной поверхности формируются суффозионные блюдца и полья.

Если кора выветривания формируется на слое водопроницаемых пород, то грунтовые воды кроме коры выветривания занимают и этот водопроницаемый слой. Выносимый из коры выветривания тонкодисперсный материал разгружается в каналы и полости водопроницаемых пород [7].

Если водопроницаемый слой пересечен насквозь вертикальными каналами, или системами полостей, соединенных вертикальными каналами, то разгружаемый материал должен (или может) «проваливаться» через весь водопроницаемый слой, закупоривая («запечатывая») его снизу-вверх выносимым из коры выветривания тонкодисперсным материалом.

Рисунок 1 - Схема выноса тонкодисперсного материала при механической суффозии: 1- кора выветривания с горизонтом грунтовых вод в нижней части; 2 - породы водоупора; 3 - трещины в водоупоре, запечатанные суффозионным материалом; 4 - уровень грунтовых вод; 5 - направление движения воды в зоне аэрации и в водоносном горизонте; 6 - направление выноса суффозионного материала

Если полости водопроницаемого слоя не пересекают его по вертикали насквозь, но сообщаются между собой горизонтальными каналами, то те из полостей, которые примыкают к подошве коры выветривания, сразу же начинают закупориваться выносимым из зоны аэрации материалом. Это происходит потому, что из запечатываемых полостей поступающий в них материал не может удаляться по горизонтальным каналам из-за малой скорости движения воды в водоносном горизонте. Таким образом, проявляющаяся в коре выветривания суффозия создает в верхней части водопроницаемого слоя вторичный водоупор, расположенный под корой выветривания (рис. 2). Нижняя часть бывшего горизонта грунтовых вод, таким образом, становится горизонтом межпластовых вод, а в коре выветривания над вторичным водоупором возникает новый горизонт грунтовых вод.

Вторичный водоупор не является абсолютно водонепроницаемым, и вода медленно фильтруется [4] через его «запечатанные» пустоты. Однако, ввиду малой скорости фильтрации воды, и низкого градиента гидравлического напора в горизонте грунтовых вод, выноса тонкодисперсного материала из «запечатанных» пустот не происходит. В коре выветривания и в ее горизонте грунтовых вод осуществляется обычная слаботекущая суффозия.

Рисунок 2 - Механизм формирования вторичного водоупора в водопроводящих породах, подстилающих кору выветривания: 1 - кора выветривания; 2 - закарстованные породы, подстилающие кору выветривания; 3 - раскрытые сообщающиеся карстовые полости; 4 - запечатанные выносимым суффозионным материалом карстовые полости; 5 - уровень вод межпластового водоносного горизонта; 6 - направление движения воды в зоне аэрации и в горизонте грунтовых вод; 7 - направление выноса суффозионного материала; 8 - грунтовые воды; 9 - воды подстилающих кору выветривания закарстованных известняков.

В том случае, когда в водоупоре, подстилающем горизонт грунтовых вод, каким-то путем формируются новые каналы и полости, сообщающиеся с горизонтом грунтовых вод и способные принимать выносимый суффозией материал, начинается вынос в эти полости путем проваливания под действием силы тяжести сначала тонкодисперсного, а затем и более крупного материала, заканчивающийся обрушением в раскрывающиеся каналы расположенного над ними всего материала водоносного горизонта и зоны аэрации. При этом на земной поверхности, на месте обрушившегося материала (над полостью в водоупоре), формируются суффозионные воронки. Такую разновидность суффозии, заканчивающуюся обрушением больших объемов пород, рекомендуется называть взрывной.

При взрывной суффозии обязательным участником процесса становится гравитационное обрушение горных пород сначала в виде вертикального проваливания в заполненный водой канал рыхлых пород водоносного горизонта, с последующим обрушением всей массы, расположенных над каналом пород коры выветривания.

Возникновение каналов и полостей, способствующих проявлению взрывной суффозии, может быть вызвано как природными, так и техногенными причинами.

К природным причинам могут быть отнесены:

1 - быстрое раскрытие по разным причинам трещин отрыва в породах водоупора, подстилающего горизонт грунтовых вод, над которым и в котором проявляется суффозионный процесс;

2 - размыв свободно истекающими подземными водами тонкодисперсных полусцементированных отложений (например, лёссов) с образованием полостей, сопровождаемых обрушением кровли;

3 - суффозионный подмыв природных обвальных плотин или плотин гидротехнических сооружений.

К техногенным причинам, приводящим к быстрому раскрытию в зоне проявления суффозионного процесса каналов и полостей, могут быть отнесены:

1 - нарушение режима подземных вод при их откачке и при строительстве различных сооружений;

2 - приоткрывание разрывов, образующихся на участках проявления сдвижения пород, вызванного проведением горных работ;

Только одна из пяти указанных причин проявления взрывной суффозии (суффозионный подмыв природных или техногенных плотин) не сопровождается формированием воронок просасывания, поскольку в таких случаях разгрузка выносимого суффозией материала осуществляется не по вертикали, а по горизонтали в направлении к нижнему бьефу сооружения, а последующий прорыв вод озера или водохранилища разрушает все созданные суффозией формы рельефа в нижнем бьефе.

Пример проявления 1-го из указанных природообусловленных механизмов, вызывающих взрывную суффозию, отмечен авторами данной статьи при описании строения и механизма формирования Южномонастырского выползня, расположенного в склоне и в присклоновой части Волковского водохранилища у южной окраины поселка Монастырка в г. Каменск Уральский [1]. Выползневое тело здесь представлено плоским тектоническим блоком, ограниченным дочетвертичными разломами северо-западного и северо-восточного простираний. Этот блок, имеющий мощность около 40 м, сложенный связными силикатными породами, прикрытыми с поверхности корой выветривания неоген-четвертичного возраста, выдвигается по полого наклоненной глинистой толще в сторону Волковского водохранилища в направлении с северо-востока на юго-запад. Более мелкими разломами указанных направлений выползневое тело расчленено на ряд более мелких блоков. Разрывы разных направлений на земной поверхности проявляются уступами и промоинами (рис. 3).

При смещении выползневого тела к юго-западу в разломах северо-западного простирания, ограничивающих выползневое тело с тыла и пересекающих его в центре, проявляются раздвиговые смещения, приоткрывающие шовные зоны разломов. В разломах северо-восточного простирания, ограничивающих выползневое тело с боков (с север-северозапада и юго-востока), а также расчленяющих его на более мелкие продольные блоки, при таком выдвижении проявляются сдвиговые смещения. Однако, благодаря трапециеобразной форме выползневого тела, бьльшим основанием ориентированного в сторону водохранилища, его смещение к юго-западу сопровождается раскрытием также и сдвиговых разрывов. В приоткрывающиеся в скальных породах разрывы всех направлений, ограничивающих и пересекающих выползневое тело, происходит обрушение (проваливание) расположенной над ними коры выветривания по механизму взрывной суффозии. На земной поверхности обрушение материала коры выветривания в приоткрывающиеся разрывы, благодаря неоднородности проявления этого процесса по простиранию разрывов, проявляется воронками просасывания, которые часто располагаются «строчками» вдоль уступов и ложбин, фиксирующих разломы.

Рисунок 3 - План Южно-Монастырского выползня (2) и Волковского оползня (1) 1 - уступы в оползневом теле Волковского оползня; 2 - склоны эрозионных форм рельефа и оползневой ванны Волковского оползня; 3 - разлом, ограничивающий выползень с северо-запада; 4 - разломы, ограничивающие Южно-Монастырский выползень и пересекающие его выползневое тело; 5 - точка наблюдения; 6 - воронки просасывания в выползневом теле Южно-Монастырского выползня; 7 - дороги разного типа; 8 - направления относительного смещения блоков у разломов, ограничивающих и пересекающих Южно-Монастырский выползень

Примеры вымывания подземными водами полостей в однородных тонкодисперсных отложениях (2-я из природных причин, приводящих к проявлению взрывной суффозии, сопровождаемой провалами), описаны в учебной и научной литературе [3,5].

Проявления техногеннообусловленной взрывной суффозии, связанной с нарушением режима подземных вод (1-я из техногенных причин проявления взрывной суффозии) можно рассмотреть на примере образования провалов полотна железной дороги Екатеринбург - Курган на северо-восточной окраине г. Каменск-Уральский в первой половине нулевых годов и провалов придорожной территории и обочины автомобильной дороги Сухой Лог - Богданович вблизи Новосухоложского цементного завода на границе нулевых и десятых годов текущего столетия. На обоих участках на закарстованной каменноугольной карбонатной толще залегает кора выветривания мезо-кайнозойского возраста, к которой приурочен горизонт грунтовых вод. Водоупором для грунтовых вод является верхняя часть указанной карбонатной толщи с каналами и полостями, запечатанными продуктами более раннего суффозионного процесса. Фактором, распечатавшим эти полости и каналы, вызвавшим проявление взрывной суффозии, явилось понижение уровня межпластовых вод, приуроченных к каменноугольным карбонатным породам в результате интенсивной откачки вод из этого водоносного горизонта.

Анализ графических материалов (рис. 1.4.8 и 1.4.12) Информационного бюллетеня … [2] показывает, что за пределами железной дороги и прилегающих к ней территорий на Каменском участке грунтовые воды приурочены к породам платформенного чехла мелчетвертичного возраста, залегающих на поверхности закарстованной каменноугольной карбонатной толщи. Это значит, что верхняя часть этой толщи является водоупором по причине запечатанности карстовых полостей более ранним карстовым процессом. Непосредственно под железной дорогой кровля межпластового водоносного горизонта, приуроченного к каменноугольной карбонатной толще, располагается на отметках 125-130 м, что ниже уровня воды в р. Каменка в этом месте (рис. 4). Такой низкий уровень воды каменноугольного водоносного горизонта объясняется расположением примерно в 400 метрах выше по р. Каменка, в ее долине, действующего щебневого карьера, обустроенного принудительным водоотливом.

Рисунок 4 - Гидрогеологический разрез фрагмента Каменского участка (по Горловой С.В., 2005 г.): 1 - кора выветривания неоген-четвертичного возраста; 2 - «белики» раннемелового возраста; 3 - закарстованные известняки палеозойского водоносного горизонта; 4 - уровень подземных вод палеозойского водоносного горизонта; 5 - верховодка

Понижение уровня подземных вод под железной дорогой (в зоне депрессионной воронки, созданной водоотливом из щебневого карьера) вызвало появление на нижней границе вторичного водоупора в запечатанных карстовых полостях высокого градиента напорного давления, что и привело к распечатыванию этих ранее запечатанных карстовых полостей (рис. 5). Распечатывание карстовых полостей, расположенных под корой выветривания на которой лежит полотно железной дороги привело к проявлению взрывной суффозии, завершившейся провальными явлениями.

Рисунок 5 - Распечатанная карстовая полость под полотном железной дороги на Каменском участке (по Горловой С.В., 2005)

Близкая по механизму ситуация сложилась и на участке автодороги около Новосухоложского цементного завода (в Информационном бюллетене… он именуется Богдановичским), где на поверхности закарстованной карбонатной толщи раннекаменноугольного возраста с запечатанными карстовыми полостями в верхней ее части (на вторичном водоупоре) залегает кора выветривания неоген-четвертичного возраста с горизонтом грунтовых вод. К нижней части карбонатной толщи приурочены воды Кунарского месторождения. Распечатывание карстовых полостей на этом участке вероятней всего происходит в результате попадания их в область депрессионной воронки, вызванной откачкой подземных вод эксплуатационной скважиной Новосухоложского цементного завода. Свою лепту в этот процесс могла внести откачка вод из известнякового карьера, расположенного примерно в 2-х км от места провальных явлений. Как и на Каменском участке, здесь распечатывание запечатанных полостей вторичного водоупора началось снизу из-за возникшего на нижней границе вторичного водоупора высокого градиента напорного давления. Выноса суффозионного материала в распечатанные карстовые полости завершился провальными явлениями (рис. 6 и 7).

Рисунок 6 - Провал придорожного пространства у автодороги Богданович - Сухой Лог 7. 04. 2009 г. (по Информационный бюллетень, 2012)

Рисунок 7 - Провал на обочине автодороги Богданович - Сухой Лог 24.04.2011 г. (по Информационный бюллетень, 2012)

Явления суффозионных провалов, сопровождающихся разрушением дорожного покрытия в ряде мест г. Красноярска описаны в статье Федоровой Т.В. «Моделирование процессов суффозии, приводящих к преждевременному разрушению дорожных покрытий» [6]. Причинами проявления суффозии названы: прорывы водопровода и канализации, изменения режима подземных вод при прокладке трубопроводов и кабеля, при сооружении колодцев ливневой канализации. Описанные в статье примеры разрушения дорожного покрытия, иногда сопровождаемые провалами сквозь асфальт автомобилей, вполне могут быть названы «взрывной суффозией».

Примером формирования свежих разрывов в горных породах под влиянием техногенных фактров (2-я технообусловленная причина формирования каналов, способных принимать выносимый суффозионный материал) является приоткрывание разрывов, образующихся на участках проявления сдвижения пород, вызванного проведением горных работ. Примером проявления такого процесса является образование зияющих полостей при сдвижении горных пород в борту карьера на месторождении кварцитов «Гора Караульная», расположенного вблизи г. Первоуральск Свердловской области (рис. 8). Если такие разрывы окажутся перекрытыми корой выветривания или породными отвалами, то в этих рыхлых образованиях могут формироваться воронки просасывания.

Рисунок 8 - Зияющие полости, образующиеся в результате проявления сдвижения горных пород в борту карьера: 1 - раскрывающиеся более ранние трещины скалывания; 2 - вновь образованные разрывы растяжения

Библиографический список

1. Бобина Т.С. Выползень - новый вид водно-гравитационных структур / Т.С. Бобина, Е.А. Слободчиков ?? Сборник докладов Хlll Международной научно-практической конференции «Уральская горная школа - регионам», 20 - 21 апреля 2015 года. - Екатеринбург, 2015. - С. 357, 358.

2. Информационный бюллетень о состоянии недр Уральского федерального округа за 2011 год, вып. 10. - Екатеринбург. 2012. - 320 с.

3. Корсакова О.П. Геоморфологическая роль суффозии в лессовых породах Белоруссии / О.П. Корсакова. - Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук. - Москва, 1990.

4. Слободчиков Е.А. Взрывная суффозия - экологический аспект / Е.А. Слободчиков ?? Материалы ЙЙЙ-го Уральского международного экологического конгресса «Экологическая безопасность промышленных регионов. Г. Пермь, 2015. - Екатеринбург: СОО ОО - МАНЭБ, Институт экономики УрО РАН, УГГУ, 2015. - С. 141-144.

5. Хоменко В.П. Закономерности и прогноз суффозионных процессов / В.П. Хоменко. - М.: ГЕОС, 2003.

Размещено на Allbest.ru