Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Эколого-геологическая оценка территорий распространения просадочных и набухающих пород

ВАК РФ 04.00.24, Экологическая геология

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата геолого-минералогических наук, Трохимчук, Марина Викторовна, Волгоград

> Цг

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

ВОЛГОГРАДСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНАЯ

АКАДЕМИЯ

На правах рукописи УДК 624.131.1

ТРОХИМЧУК МАРИНА ВИКТОРОВНА

ЭКОЛОГО-ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ТЕРРИТОРИЙ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПРОСАДОЧНЫХ И НАБУХАЮЩИХ ПОРОД (на примере Волгоградской области)

Специальность 04.00.24 - экологическая геология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Научный руководитель - доктор геолого-инералогических наук, профессор, служенный работник высшей школы оссийской Федерации 'чняков Владимир Николаевич

Волгоград 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................3

ГЛАВА 1. МЕДИКО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ТЕРРИТОРИЙ, СЛОЖЕННЫХ ПРОСАДОЧНЫМИ И НАБУХАЮЩИМИ ПОРОДАМИ

1.1. Антропогенные изменения в геосреде....................................................... 8

1.2. Эко лого -гигиенические аспекты изменения геоср еды..........................!. 13

ГЛАВА 2. ИСТОРИЯ ИЗУЧЕННОСТИ И ГЕОЛОГО-ГЕОМОРФОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПРОСАДОЧНЫХ И НАБУХАЮЩИХ ПОРОД

2.1. Краткий обзор изученности..........................................................................28

2.2. Физико-географические условия и тектоника.......................................... 33

2.3. Распространение и условия залегания просадочных

и набухающих пород.......................................................................................43

ГЛАВА 3. СОСТАВ И СВОЙСТВА ЛЕССОВЫХ ПОРОД

3.1. Вещественный состав......................................................................................56

3.2. Физические свойства.......................................................................................65

3.3. Просадочность.................................................................................................76

ГЛАВА 4. СОСТАВ И СВОЙСТВА ГЛИНИСТЫХ ПОРОД

4.1. Вещественный состав и химические особенности......................................92

4.2. Физические свойства и набухаемость..........................................................99

ГЛАВА 5. ЭКОЛОГО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ РАЙОНИРОВАНИЕ

ТЕРРИТОРИЙ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПРОСАДОЧНЫХ И НАБУХАЮЩИХ ПОРОД

5.1. Устойчивость геологической среды ...........................................................113

5.2. Методика эко лого-геологического районирования................................118

5.3. Рекомендации по обеспечению оптимального уровня геологической среды....................................................................................134

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................139

ЛИТЕРАТУРА.....................................................................................................141

ВВЕДЕНИЕ

АКТУАЛЬНОСТЬ. Лессовые просадочные и глинистые набухающие породы занимают около 80% территории юга России и являются важнейшим компонентом геологической среды обитания человека. Интенсивное промышленно-хозяйственное освоение подобных территорий ведет к серьезным нарушениям баланса компонентов природной среды, в результате чего изменяется режим подземных вод и нарушается влажность массивов пород. Это, в свою очередь, приводит к развитию процессов подтопления, заболачивания, набухания и просадок пород. Инженерные сооружения, возведенные на таких породах, часто претерпевают деформации, которые требуют дополнительных затрат на ремонт и эксплуатацию и приводят к нарушению условий жизнеобитания населения и ухудшению его здоровья.

Типичным примером негативных последствий техногенеза является территория г. Волгограда, одного из крупнейших городов юга России, где они проявляются не только в виде деформаций зданий и сооружений на просадочных и набухающих грунтах, затоплении подвалов и цокольных этажей, заболачивании больших площадей, образовании оползней и оврагов и др., но и в возникновении целого ряда медико-биологических и санитарно-гигиенических проблем.

В связи с вышеизложенным анализ причин ухудшения условий жизнеобитания населения в результате проявления геологических и техногенных процессов в крупных городах, расположенных на просадочных и набухающих грунтах, и выявление общих закономерностей с целью прогноза эколого-геологических последствий освоения однотипных территорий представляются вполне актуальными.

Основная задача экологической геологии - изучение экологических свойств и изменений приповерхностной части литосферы под влиянием эволюции природы и техногенеза с целью сохранения ею экологических функций на уровне, обеспечивающем нормальную жизнедеятельность человеческого общества (В.Т.Трофимов и др.). В настоящее время не существует единой

методики эколого-геологической оценки территорий; разработка ее является одной из задач экологической геологии. Настоящая работа, выполненная на примере Волгоградской области, предлагает решение части вопросов данной проблемы.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Преследовались две цели: 1) изучение в возможно полном объеме набухающих и просадочных пород Волгоградской области и последствий антропогенного воздействия на них, в том числе медико-биологических и санитарно-гигиенических; 2) разработка подходов к эколого-геологической оценке территорий распространения просадочных и-набухающих пород.

ЗАДАЧИ РАБОТЫ: 1) Сравнительный анализ просадочных к набухающих грунтов Волгоградской области и аналогичных грунтов г.Волгограда; 2) оценка инженерно-геологических, медико-биологических, санитарно-гигиенических последствий освоения застроенных территорий г. Волгограда как основа прогноза для однотипных зон Волгоградской области; 3) разработка методики эколого-геологического районирования территорий распространения просадочных и набухающих пород; 4) разработка карты относительной биологической дискомфортности территорий области, сложенных просадочными и набухающими породами.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ: 1) Впервые на примере г.Волгограда выявлены медико-биологические и санитарно-гигиенические факторы, влияющие на здоровье населения в районах распространения просадочных и набухающих пород; 2) впервые для территории Волгоградской области дана детальная характеристика показателей свойств различных генетических типов просадочных и набухающих пород и изучены их пространственные закономерности; 3) разработаны подходы и методика эколого-геологической оценки территорий распространения просадочных и набухающих пород; 4) выполнено эколого-геологическое районирование территорий распространения набухающих и просадочных пород; 5) впервые составлена карта относительной биологической дискомфортности территорий, сложенных просадочными и набухающими породами (на примере Волгоградской области).

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ: 1) Для Волгоградской области составлены схематические карты в масштабе 1:500 ООО: а) типов и видов просадочных и набухающих пород; б) эколого-геологического районирования; в) относительной биологической дискомфортности территорий, сложенных просадочными и набухающими породами. 2) Предложены эмпирические зависимости для предварительной оценки величины давления набухания от показателей свободного набухания и физических свойств пород.

Выполненные исследования могут найти широкое применение при разработке: генеральных схем защиты территории от неблагоприятных геологических процессов и явлений; мероприятий по экологическому оздоровлению территорий интенсивной промышленно-хозяйственной деятельности; генеральных планов развития городов, других населенных пунктов и промышленных предприятий. Некоторые выводы могут использоваться на ранних стадиях проектирования отдельных зданий и сооружений. Разработанная методика может быть использована при проведении аналогичных исследований в других регионах юга России и СНГ.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. Основные выводы диссертационной работы использовались при: выполнении научно-исследовательской работы по эколого-геологической оценке территории Волгоградской области; разработке раздела "Оценка воздействий на окружающую среду" в ряде проектов; выполнении разделов региональной научной программы "Экология Нижней Волги". Теоретические и методические разработки используются при чтении курса "Геоэкология" и ряда спецкурсов.

ФАКТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ И ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА. Материал, ставший основой для выполнения работы, базируется на данных полевых и маршрутных исследований, изучении архивных и фондовых материалов различных геологических, проектных и медицинских организаций. Изучены и проанализированы: результаты бурения около 1000 буровых скважин, данные физико-механических исследований более чем 2000 образцов набухающих и просадочных пород; результаты медико-биологических и санитарно-

гигиенических исследований более 160 жилых и производственных зданий, претерпевших деформации.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты диссертационной работы представлены и докладывались на Международном научном Симпозиуме "Глобальные проблемы экологии. Энергосбережение, энергоэффективность и экологическая безопасность" в рамках Международного Конгресса "Экология, жизнь, здоровье" (Волгоград, 1996), Межгосударственном совещании XXIII пленума геоморфологической комиссии РАН "Проблемы специализированного геоморфологического картографирования" (Волгоград, 1996), Международной научно-практической конференции "Сертификация, экология,

энергосбережение" (г.Кемер, Турция, 1998), межвузовских научно-практических конференциях студентов и молодых ученых Волгоградской области (1994-1998) - дипломы II степени (1996,1998); экологических чтениях в Волгоградском отделении Российской экологической академии (1998), конференции профессорско-преподавательского состава Ростовской академии строительства

(1996), краеведческих чтениях в Волгоградском областном обществе краеведов (1997,1999), Межвузовской региональной конференции молодых ученых и аспирантов в Камышинском высшем военном инженерно-строительном училище

(1997), конференциях профессорско-преподавательского состава Волгоградской архитектурно-строительной академии (1995-1999).

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 13 статей.

Автор выражает особую признательность и глубокую благодарность своему научному руководителю, проф. В.Н. Синякову, за направление исследований на всех стадиях их выполнения и всестороннюю помощь при написании диссертационной работы. Автор искренне признателен доц. Ю.И. Олянскому, который ознакомился с рукописью и сделал необходимые замечания.

ГЛАВА 1. МЕДИКО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ТЕРРИТОРИЙ, СЛОЖЕННЫХ ПРОСАДОЧНЫМИ И НАБУХАЮЩИМИ ПОРОДАМИ

Качество внутренней среды жилых и общественных зданий во многом определяет эффективность труда и отдыха, влияет на сохранение и укрепление здоровья всех возрастных и социальных групп населения. Обеспечение экологической безопасности жилища - одна из важнейших составных частей экологии человека, поскольку большинство современных горожан проводят в закрытых помещениях 10-23 часа в сутки, из них 14-16 часов - в жилище. Наиболее чувствительный и ранимый контингент населения (дети, престарелые) проводят в помещении большую часть суток (80-90%), а следовательно, и жизни.

Существующая проектно-нормативная документация по изысканиям, проектированию, строительству и эксплуатации сооружений направлена на предотвращение или уменьшение экологического ущерба, который определяется ухудшением гигиенических и медико-санитарных условий жизни населения. Однако в настоящее время отсутствует централизованная система сбора информации о качестве жилой среды и ее влияния на состояние здоровья человека [50,146]. В настоящее время инженерная геология вместе со многими другими науками геологического цикла претерпела определенную «экологизацию» с соответствующим расширением своих задач и функций [41].

«Экологическая геология» призвана изучать приповерхностную часть литосферы (верхние горизонты земной коры) как один из основных абиотических компонентов экосистем высокого уровня организации [198,199], прежде всего в связи с жизнью и деятельностью человека. Литосфера со всеми ее компонентами представляет собой объект исследования экологической геологии; предмет исследования - знания об экологических функциях приповерхностной части литосферы (Трофимов, Зилинг, 1996), т.е. это решение проблем охраны биосферы, человека от негативного влияния техногенеза (Плотников, 1992), всеми допустимыми геологическими методами.

1.1. Антропогенные изменения в геосреде

Влияние городской застройки на горные породы в сфере воздействия сооружений заключается в изменении состояния и физико-механических свойств пород в естественном залегании. Особо интенсивные антропогенные изменения состояния и свойств характерны для просадочных и набухающих пород. В СНиП 1.02.07-87 для них существуют особые требования к изысканиям, проектированию, строительству и эксплуатации сооружений. Но избежать все возрастающих техногенных воздействий, приводящих к развитию различных геодинамических процессов, очень сложно.

Интенсивное промышленно-хозяйственное освоение территорий распространения просадочных и набухающих пород неизбежно сопровождается изменениями режима влажности грунтов оснований зданий и сооружений, вследствие чего нарушается существующий баланс между приходными и расходными статьями водного баланса подземных вод, начинается их подъем. Все это неизбежно влечет за собой возникновение таких неблагоприятных инженерно-геологических явлений как просадка, набухание, подтопление, активизация и образование оползней и др. Здания и сооружения, возведенные на таких грунтах, неизбежно претерпевают деформации, происходит нарушение сплошности строительных конструкций, подвалы и подполья заполняются грунтовыми водами. Условия жизнеобитания населения существенно ухудшаются. Возникает целый ряд медико-гигиенических и санитарно-биологических факторов, негативно воздействующих на здоровье человека.

Одним из наиболее распространенных негативных процессов для территорий городов Волгоградской области является подтопление, чему способствует наличие значительных толщ лессовых грунтов, обладающих анизотропией фильтрационных свойств и водоупорных набухающих глин.

Наиболее активно процесс подтопления происходит на территории Волгоградской агломерации. В настоящее время в Волгограде зафиксировано более 420 участков подтопления как отдельных зданий и сооружений, так и крупных

территорий заводов и жилых кварталов [178]. Повышение уровня грунтовых вод происходит со скоростью от 0,15 до 1,3 м/год и более; до освоения территории грунтовые воды на преобладающей территории находились на глубине 2030 м. В.Н.Синяков и С.В.Кузнецова проследили временную динамику развития процесса подтопления территории г.Волгограда, она представлена в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Год Количество подтопленных участков

1945-1955 6

1955-1965 32

1965-1975 87

1975-1990 420

Из данной таблицы следует, что в первые послевоенные годы число подтопленных участков измерялось единицами, в следующее десятилетие - десятками, в последующие годы оно стало возрастать до сотен.

Зависимость развития подтопления от величины водопотребления на объектах различных типов техногенного воздействия сказывается на скорости подъема уровня грунтовых вод и величине пораженности территории процессом подтопления, вместе с тем сам процесс наблюдается при любых видах воздействия, т.е. практически неизбежен в зоне перспективной застройки. Этот прогноз подтверждается данными компьютерного моделирования, выполненного ПНИИПС. По этим данным, независимо от типов застройки перспективной зоны города, в ней формируются куполовидные поднятия подземных вод на глубине от 0 до 5-10 м [178].

В последние годы подтопление активно развивается во всех городах Волгоградской области - Михайловке, Фролово, Урюпинске, Палласовке и др., всех без исключения районных центрах, а также в 139 сельских населенных пунктах [178]. Смешанный тип подтопления (связанный одновременно с городским строительством и влиянием водохранилища) развивается на территории

г.Волжского, г.Камышина, г.Приморска в зоне влияния Волгоградского водохранилища.

Город Волжский построен более 40 лет назад, грунтовые воды до начала строительства располагались на глубине 27 м, а в настоящее время - на глубине 3,4-5 м [169]. Скорость подъема уровня грунтовых вод здесь в среднем составляет 0,3-0,5 м в год.

В центральной части Камышина сформировался новый горизонт с глубиной залегания грунтовых вод от 0,8 до 2,5 м, общая площадь подтопленной застроенной территории составляет 80 га. Здесь же отмечается 11 участков подтопления территории промпредприятий вследствие образования верховодки в лессовых породах валдайского горизонта [182].

Главной причиной появления этого процесса является утечка воды из водопровода и канализации, технических магистралей. По данным эксплуатационных организаций, стальные трубопроводы начинают течь уже через 5-6 лет, создавая аварийные ситуации на сетях, а в районах с блуждающими подземными токами, даже при наличии антикоррозионной защиты, ста�