Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Инженерно-геологические исследования донных осадков восточной части Финского залива

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Инженерно-геологические исследования донных осадков восточной части Финского залива"

РГБ ОЛ 1 О ОКТ Ш6

На правах рукописи

ГРАЧЕВА Марнна Валерьевна ^

ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДОННЫХ ОСАДКОВ ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ ФИНСКОГО ЗАЛИВА

Специальность 04.00.07 - Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Санкт-Петербург 1996

Работа выполнена на кафедре грунтоведения и инженерной геологии геологического факультета Санкт-Петербургского Университета.

Научшый руководитель - кандидат геолого-ми паралогических, доцент

Зайончек Владимир Глебович

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук

Неизвестно!! Ярослав Владимирович, кандидат геолого-минералогических наук Корвет Надежда Григорьевна.

' Ведущая организация: Всероссийский Геологический Институт (ВСЕГЕИ) им.А.П. Карпинского,

Защита диссертации состоится 1996 г. в

часов на заседании Диссертационного совета Д.063.15.07 при Санкт-Петербургском Горном институте (Техническом Университете) им. Г.В.Плеханова по адресу: 199026, Санкт-Петербург, 21 линия В.О., д-2,ауд

С диссертацией молено ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского Горного института (Технического Университета)

Автореферат разослан

"<33 " г.

.Ученый секретарь >

Диссертационного сонета А.В. Кузьмин

-3. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1 .Актуальность темы. В настоящее время продолжается активное освоение морского дна. Здесь находятся разведанные и разрабатываемые месторождения нефти, газа и твердых полезных ископаемых. По дну прокладываются коммуникации; строятся инженерные сооружения разного назначения ( порты, дамбы и т.д.).

Восточная часть Финского залива, вплотную примыкающая к крупнейшей промышленной зоне испытывает ощутимое антропогенное воздействие. Рациональное использование природных ресурсов региона, проведение добычных, строительных, дноуглубительных работ невозможно без детального изучения особенностей физико-механических свойств, состава и строения осадков, слагающих первые метры толщи донных отложений, Однако, исследования этих слаболитифицированных осадков • вызывают наибольшие затруднения.

2. Целью работы явлкпось изучение формирования инженерно-геологических условий восточной части Финского залива и районирование территории на основе исследования общих • закономерностей изменения физико-механических свойств донных осадков района, а также инженерно-геологическая оценка акватории. В соответствии с этим главные задачи исследований состояли в следующем:

1) изучить физико-механические свойства донных осадков восточной части Финского-залива;

2) разделить исследуемую толщу донных осадков на инженерно-геологические комплексы с учетом геологического

стросния и .патологических особенностей, физико-механических свойств;

3) выявить факторы, влияющие на формирование физико-механических свойств донных осадков;

4) установить закономерности изменения физико-механических свойств донных осадков исследуемого района по площади я глубине;

5) обосновать и провести оценочное инженерно-геологическое районирование' территории, дать характеристику выделенных районов.

3. Научная новизна и практическая ценность работы состоит в следующем:

1) установлены закономерности распределения физико-мехапнческп.х свойств по площади и глубине;

2) на основе комплексного анализа полученной информации проведено инженерно-геологическое картирование и оценочное инженерно-геологическое районирование территории.

5. Защи 1 цаемые положения:

1) Формирование физико-механических свойств донных осадков района в разное время определялось различными факторами: ледниковым покровом валдайского оледенения и связанными с ним процессами; тектоническими движениями; "условиями осадконакопления в бассейне седиментации; климатической обстановкой, а в настоящее время интенсивностью антропогенного воздействия;

-52) На обследованной акватории существует закономерная изменчивость физико-механических свойств донных осадков, которая может быть отражена на разрезах и каргах;

3) Предлагается схема оценочного инженерно-геологического районирования акватории с учетом установленных закономерностей распределения физико-механических свойств донных осадков.

6. Внедрение:

1) Результаты исследовании использованы специалистами отдела региональной геоэкологии ВСЕГЕИ с целью совершенствования инженерно-геологических методов, применяемых при геологической съемке шельфа;

2) Комплект шрч-еперно-геологических карт пошел в сводный отчет по геологической съемке масштаба 1: 200000 восточной части Финского залива.

7. Апробация работы: Основные положения диссертационном работы докладывались и обсуждались на 3-й Всесоюзно» конференции "Проблемы кайнозойской палеоэкологии и палеогеографии морей Северного Ледовитого океана" (Мурманск, 1989); на Всероссийском семинаре "Методика морских геологосъемочных пабот"(С.-Г1етероург, 1993); на научных конференциях геологического факультета СПбУ и отдела региональной геоэкологии и морской геологии ВСЕГЕИ (1990-1993 г.г.)

В. Публикации; результаты йыполненных исследований опубликованы в пяти работах.

9. Объем работы: диссертация общим объемом 16(! стр. состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы

(из 100 наименований); содержит 11 таблиц, 30 рисунков, 8 .фотографий, б приложений.

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю доценту, кандидату г.-м. . паук Зайончеку В.Г, и коллективу кафедры грунтоведени,. и инженерной геологии СПбУ; сотрудникам отдела региональной геоэкологии и морской геологии Е)СЕГЕИ под руководством МЛ.Спиридонова; зав, кафедрой инженерной геологии Горного института, профессору И.П.Иванову и другим коллегам за помощь в проведении полевых исследований и консультации при написании и подготовке диисертации к защите.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

К настоящему времени получены общие представлений о геологическом строении,' особенностях геоморфологии и инженерно-геологических условиях шельфовых зон.

Однако, определение физико-механичсских свойств донных осадков, особенно в верхней части разреза, вызывает затруднения, так как эти грунты обычно имеют высокую влажность, мизкую плотность, часто пористые и газонасыщенные.

Большой вклад в изучение физико-механических свойств донных осадков внесли Е.М.Сергеев, Л.Б.Розовский, К.И.Джанджгава, И.С.Комгров, Г.А.Белявский, Е.Ю.Шехтер к другие исследователи. Вопросами инженсрно-геологического районирования акваторий многие годы занимались К.И.Джанджгава, Я.В.Неизвестноз, И.Л.Дзилиа.

Непосредственно в исследуемом районе в 1980-х годах уже проводились - инженерно-геологические исследования. Здесь

совместио со специалистами ВСЕГЕИ работали М,С.Захаров, Д.П.Хромых, Т.Н.Францева и другие. Однако, М.С.Захаров и его сотрудники выполняли плановую инженерно-геологическуго съемку масштаба 1:200000 в Нарвском заливе, который граничит с исследованным районом, а работы на участке от полуострова Кургальский до Санкт-Петербурга носили методический характер. В период с 1989 по 1993 г.г. на этом участке были проведены плановые геолого-съемочные работы масштаба 1: 200000 (ГСШ-200), куда входили . и инженерно-геологические исследования, в проведении которых участвовал автор/Результаты исследований положены в основу представленной работы.

В структурно-тектоническом отношении обследованная территория входит в зону сочленения Балтийского щита и Русской . платформы,. в которой прослеживается глубокая депрессия, создавшая основные условия развития бассейна Финского залива..

Современный рельеф дна участки складывался под влиянием ряда факторов. Важную роль в его формировании сыграло строение дочетвертичного фундамента, а так же разнонаправленные . тектонические (часто гляциоизостатические) движения земной коры. Одним из основных факторов „. рельефообразования явились ледниковые процессы.

Четвертичные отложения покрывают дно восточной части Финского залива практически сплошным чехлом. Мощность их различна и колеблется от 60-80 м на участках депрессий дочетвертичного фундамента до 10 м и менее. Цикличность развития Финского залива от возникновения приледниковых озер до установления современного морского режима благоприятствовала

использованию ' литостратиграфического принципа для

стратификации четвертичных отложений. Сводный литолого-

■..-•;■■ ■ ' ' I ■

стратиграфический разрез изученной территории представлен

следующими типами отложений:

1) В основании разреза залегают ледниковые отложения (у Ш !7.), распространенные повсеместно. Они облекают неровности доледникового рельефа, частично нивелируя его. Представлены плотными темно-серыми, серыми песчано-глинистыми алевритами с большим количеством гравия, гальки, мелких валунов. Отложения представляют собой морену верхненалдайского оледенения.

2) Ледниковые образования перекрываются ледниково-озерными отложениями (отложениями местных приледниковых озер) - III !/.. Они заполняют понижения ледникового рельефа на приподнятых участках морского дна. Мощность ледниково-озерных отложений может достигать 15 м и более. Преобладающий тип осадка - типичные коричневато-серые ленточные глины.

3) Вверх по разрезу ленточные глины сменяются отложениями Балтийского ледникового озера (БЛО) - III Ы. Отложения БЛО выполняют неровности ледникового рельефа, либо облекая его, либо полностью перекрывая. Мощность их составляет от первых метров до 15-20. Отложения БЛО образуют единый ритм, который начинается снизу с пачки ленточноподобных глин, перекрывающих 'толщу ленточиослоистых осадков. Выше по разрезу они сменяются слоистыми глинами, в которых более грубые слойки имеют минимальную мощность, но слоистая текстура видна, отчетливо. Постепенно слоистость становится едва заметной, а глины все более тонкими по гранулометрическому составу. В ряде разрезов в верхней

частн отложений БЛО наблюдается пачка осадков, начинающаяся переслаиванием глин и песчаных алевритов, вверх по. разрезу слоистость становится линзоватой, еще выше глины тчииают преобладать, фиксируются лишь многочисленные мелкие скопления песка или алеврита. Осадки БЛО представлены преимущественно глинами, реже алевроглниамп. Эти осадки но гран'состану наиболее тонкие среди четвертичных отложений Финского залива.

4) Отложения БЛО перекрываются'бсжево-серуми осадками Апцилового озера-(1 ÍY ап). Обнажаются апцнловые осадки по периферии котловин современной седиментации. Мощность их обычно составляет 1-2 м. Характерной чертой аицнловых осадков являются обогащение их стяжениями гндротроплпта, развивающегося по органике, наиболее значительное н приконтактовых частях разреза, где формируются так называемые нижний и верхний гидротроилитовые горизонты Среди осадков этого ЛСК по гранулометрическому составу преобладают глины и алеврогдины.

5)Верх разреза сложен осадками морского ЛСК, в .состав которого' включены отложения всех стадий морского развития Балтики, начинал с литориновой трансгрессии. Морские отложения подразделяются на два генетических типа, связанных с батиметрическим положением областей седиментации: волновой н бассейновый. К волновому относятся отложения, развитые в прибрежной зоне и представленные, в основном,, песчанистыми осадками. К бассейновому генетическому типу относятся отложения, приуроченные к наиболее погруженным участкам дна * от 25 до 50 и более м. Цитологическое изучение разрезов по кернам

поззолило выделить определенные устойчивые литофациальные разновидности морских отложений, связанные друг с другом фациалышми переходами.

Проведенные геоэкологические исследования (А.Е.Рыбалко, Н.К.Федорова и др.) позволили разделить обследованную акваторию па несколько районов, отличающихся по степени изменения окружающей среды: Невская губа; Придамбовый район, охватывающий кутовую зону восточной части Финского залива; Копорский залив и Лужский. Основные типы загрязнителей: тяжелые металлы (свинец, цинк, хром, медь, кадмий, ртуть), нефтепродукты, синтетические поверхностно-активные вещества. Отмечены аномалии Сбш в западной части Копорского залива и в Лужской губе. *

Можно сделать вывод, что на обследованной акватории половина площади находится в том или ином состоянии нарушения природной среды, причем значительная часть характеризуется как неблагоприятная с геоэкологической точки зрения.

.На формирование свойств осадков четвертичного возраста, особенно в поздне- и постледниковое время, решающее влияние оказала геологическая история тех или иных участков территории, что вместе с составом подстилающих пород и рельефом их поверхности определило условия и способ образования отложений, характеризующихся определенным составом! (минеральным и Гранулометрическим), состоянием и свойствами. Основные факторы, повлиявшие на формирование осадков тектонические и гляцнальные. Большую роль сыграл также режим седиментации. Вещественный состав • ледниковых, к ледаиково-озерных

отложений унаследован от состаиа коренных пород Балтийского щита, подвергшихся разрушению и переработке ледником и связанными с ним процессами. Более молодые осадки (оерпые и морские) - продукт переработки нижележащих толщ и берегов. Кроме того, в их составе заметно влияние аутигенного минерапообразования, практически не свойственного 'отложениям ледниковым и лсдниксво-озсрным. Лутигениые -минералы и наличие органического вещества, в свою очередь, указывают на, специфику химического режима бассейна седиментации, где происходило накопление осадков. Изменения гранулометрического и минерального состава, физико-механических свойств

показывают, что из протяжении геологической истории района «в четвертичное время неоднократно происходила довольно резкая смена условий их формирования.

Различия условий формирования осадков" повлияли на их физико-механические свойства, которые, вместе с лптологическимн, 1 геоморфологическими и другими особенностями района, определили разнообразие инженерно-геологических условии территории. .

Изучение геологического - строения "района, лйтодогических, минералогических осоосннсстей отложений и их физико-механических свойств ■ позволило разделить осадки на несколько инженерно-геологических комплексов (ИГК):

1) Ледниковые отложения представлены обычно вязкими серыми суглинками, имеющими относительно низкую влажность (от 25 до 50%), высокую плотность - часто более 2.0 г/см3, плотность частиц грунта от 2.72 до 2.75 г/см3. Гранулометрический состав

разнообразен: преобладают частицы ' диаметром от 0.005 до .0.002 мм, всегда наблюдается некоторое количество песчаных частиц, гравия, гальки,щебня. Сопротивление вращательному срезу превышает 5 кПа. Физико-механические свойства ледниковых отложений практически не изменяются на всей обследованной акватории. .

2) Вышележащие ленточные глины представляют собой единый инженерно-геологический комплекс, однако их физико-механические свойства в разных частях исследованной территории отличаются, местами существенно. Так, в Лужской губе по мере удаления от берега влажность возрастает от 33 до 76%, плотность снижается с 1.70 до 1.54 г/см3. Гранулометрический состав и плотность частиц грунта меняются мало. В восточном направлении осадки этого ИГК постепенно становятся менее влажными и более плотными, В Копорсксм заливе лентчные глины имеют влажность 67% я плотность 1.64 г/см5. В районе мыс Флотский - мыс Шепелев влажность падает до .62% при плотности 1.66 г/см3. Еще восточнее отмечается резкое возрастание средних значений влажности до 87% при плотности 1.68 г/см3. Но, следует отметить, что здесь наблюдается широкий разброс показателей влажности - от 32 до 95%. Сопротивлений вращательному срезу ленточных глин обычно 3-4 кПа и более.

3) Отложения БЛО разделяются на три основных ИГК: алсврошшы коричневато-серые с ритмичной слоистостью ( так называемые ритмично-слоистые глины); бежево:серые адевроглины и глины с характерной цветовой полосчатостью (полосчатые глиик); серые алевроглины с линзами и прослоями песка и алеврита (серые

слоистые глины). Глины ритмично-слоистые залегают непосредственно на ленточных осадках. В Лужской губе они характеризуются влажностью 79-56% и плотностью 1.51-1.55 г/см1. К границе Лужской губы с Копорским заливом отмечается возрастание влажности до 102% и уменьшение плотности до 1.45 г/см3. В Копорском заливе отложения имеют среднюю влажность 88% (4о-119%) и плотность 1.55г/см\. К востоку средняя влажность несколько увеличивается. В гранулометрическом составе ритмично-слоистых глин повсеместно преобладает глинистая (менее 0.002 мм) фракция - до 72%.

Полосчатые глины не характерны для закрытой (кутовой) части Лужской губы. Вскрытым.в открытой части отложениям присущи влажность 71% и плотность 1.58 г/см3. Физико-механические свойства полосчатых глин Копорского залива близки к свойствам глин Лужской губы. К' востоку наблюдается явное увеличение влажности (до 84%) и уменьшение плотности (до 1.54 г/см3) с последующим енжением влажности до 68% при плотности 1.61 г/см1. Преобладающая гранулометрическая фракция < 0.002 мм -.«• около 70%. Сопротивление вращательному срезу -1-4 кПа.

Серые слоистые глины венчают разрез осадков БЛО. На всей площади для них характерны низкие влажности и высокие плотности, низкие показатели пластичности, присутствие большого количества песка и пыли .

4) Отложения БЛО сменяются осадками Анцилового озера (соответствующий ИГК) - бежево-серыми апевроглинамн, обогащенными органическим веществом и стяжениями гидротрошшта. В закрытой части Лужской губы эти осадки имеют

влажность в среднем 77% при плотности 1.64 г/см3. Мористее влажность осадков этого ИГК ниже - 62%, а плотность - 1.66 г/см3. В Копорско.м заливе влажность немного увеличивается - до 75%, а плотность падает до 1.59 г/см3. Гранулометрический состав изменяется мало, преобладают мелкие пылсватые фракции (0.05. 0.002 мм) - до 75%. Далее к востоку влажность продолжает возрастать при некотором "огрублении" гранулометрического состав? - преобладающие фракции 0.1-0.01 мм. Сопротивление вращательному срезу не превышает 3 кПа.

5) Четвертичный разрез восточной части Финского залива завершают лпторнновые и постлиторимоаые морские осадки. Они очень разнообразны и разделены на несколько ИГК.Характериы очень высокие значения влажности и крайне низкие плотности, наблюдающиеся на всей площади распространения. Влажность нередко превышает 200%, а плотность опускается ниже 1.25 г/см3. В гранулометрическом составе преобладают пылеватые фракции (диаметром 0.05-0.002 мм) - от 60 до 75%.

Для детального изучения донных осадков было построено 255 инженерно-геологических колонок, которые ■ позволили пронаблюдать характер изменений основных физико-механических свойств с глубиной. Анализ показал, что чаще всего наблюдается закономерное уменьшение влажности и возрастание плотности с глубиной. Этот тип распределения влажности и плотности наиболее ■характерен для достаточно мощных однородных толщ; однако

С ■ -

< встречаются колонки, где сохраняется явновыраженное падение влажности и возрастание плотности осадков при смене по глубине литологич«№>: типов.

Для получения полной картины распределения и изменения физнко-мсхаппческих свойств донных осадков бы;! нрименеи метод построения инженерно-геологических разрезов и карг и изолиниях физико-механических характеристик. Анализ изменении фпчнко-механнческнх свойств с глубиной по рачречу покачал, 'по в обследованном районе наблюдается явная тенденция к уменьшению влажности и возрастанию плотности. Так как* слон осадков, объединенных общностью генезиса (так или иначе накопление их происходило в воде - озерно-ледниковые, озерные, морские отложения), прослеживаются на больщич участках обычно без резких изменений состава и свойств, оказалось возможным построение изолиний ряда показателен физико-механических свойств (влажности, плотности, сопротивления вращательному срезу) » разрезе и плане. Места отклонении от нормального характера распределения физнко-меланических показа гелей отрисовываются » виде линз различной формы.Границы ИГК чаще всего отмечаются значительным сгущением изолиний.

Выделено несколько характерных элементов строения толщи и, соответственно, разные типы разрезов. С помощью разрезов, опираясь на изученное геологическое строение района, были построены карты распределения показателей влажности, плотности, сопротивления вращательному срезу масштаба 1:200000, Все проделанные исследования позволили детально рассмотреть особенности инженерно-геологических условий территории 'и осуществить оценочное инженерно-геолорнческое районироа «не.

Основон для проведения ' оценочного инженерно-.геологического районирования обследованной акватории послужил анализ инженерно-геологической обстановки, позволивший выделить ряд районов, отличающихся по степени сложности проведения в их границах инженерно-геологических изысканий. Всего выделено 4, группы районов: крайне неблагоприятные, неблагоприятные, благоприятные и наиболее благоприятные.

К крайне неблагоприятным относятся районы распространения слабых илисто-глинистых осадков. Типичными осадками этих районов являются литорнновые и постлиториновые морские илы, реже - осадки Ашщлоиого' озера. Все осадки указанных районов имеют крайне низкую плотность (<1.30 г/см3 ), очень высокую влажность (>150%) и малую прочность (сопротивление вращательному срезу <1кГ1а). Неблагоприятными являются районы распространения преимущественно глинистых осадков, несколько превосходящих по своим физико-механическим свойствам осадки . предыдущей группы. В их пределах ла поверхность дна выходят преимущественно отложения БЛО, реже встречаются морские осадки. Платность донных осадков в неблагоприятных районах 1.30-1.60 г/см3 , влажность около 100%, прочность мала. К благоприятным районам приурочены выходы ленточных глин, верхних слоев отложений БЛО. Это достаточно штатные (1.60-1.90 г/см3 ), прочпме и относительно маловлажные осадки. Районы выхода на поверхность дна ледниковых отложений отнесены к наиболее благоприятным, к ним в ряде случаев относятся и выходы верхней части осадков БЛО, близких яо свойствам к ледниковым отложениям. Плотность

осадков наиболее благоприятных районов свыше 1.90 г/см3, влажность менее 50%.

Выводы:

1.На формирование состава и свойств донных осадков восточной части Финского залива оказали влияние следующие факторы: тектонические, в том числе неотектонические и гляциотектонические, движения Земной коры; процессы, связанные с деградацией ледникового покрова Валдайского оледенения; изменения климатической обстановки, гидрологического и гидрохимического режима бассейна осадконакоплення.

2.Все изученные донные осадки района по физико-механическим свойствам, литологическим особенностям и местоположению в геологическом разрезе разделены на 12 инженерно-геологических комплексов.

3.Применение методики построения инженерно-геологических карт и разрезов в изолиниях физико-механических характеристик в совокупности с изучением и анализом геологического строения, литологических и других особенностей осадков позволило исследовать закономерности распределения физико-механических характеристик по площади и глубине.

4. Изучение распределения физико-механических свойств донных осадков на всей территории дало возможность провести оценочное инженерно-геологическое районирование. Выделено 4 типа инженерно-геологических районов, отличающихся по степени сложности проведения в их границах инженерно-геологических изысканий: крайне неблагоприятные, неблагоприятные, благоприятные, наиболее благоприятные.

Список опубликованных работ по теме диссертации:

1. Методы исследования механических свойств донных осадков. Тез. дою:, мсждунар. сим п. "Инженерная геология шельфа и континентального склонаморей и океанов мира", Тбилиси, изд. "Мецпнереба", Тбилиси, 1988 (в соавторстве с В.Г.Зайончеком, Ю.Н.Киселенко)

2. Физико-механические свойства верхнечетвертичных отложений центральной части Новоземельского шельфа. Тез. докл.З-й Всееоюзн, коцф. "Проблемы кайнозойской палеоэкологии и палеогеографии морей Северного Ледовитог^ океана", Мурманск, изд. КНЦ АН СССР , Апатиты, 1989 (в соавторстве с В.Г.Зайончеком, А.Е.Рыбалко, Ю.Н.Киселенко)

3. Гранулометрический состав глубоководных донных осадков. Вести. ЛГУ, сер.7, иьш.З, N 21, 1991 ( в соавторстве с В.Г;ЗиГюнчеком, Ю.Н.Киселенко)

4. Метод инженерно-геологического картирования в изолиниях физнко-ме.хаиических характеристик. Тез. докл. семинара "Методика морских геолого-съемочных работ", С.-Петербург, изд. ВНИИОкеангсология, 1993 ( в соавторстве с В.Г.Зайончеком, Ю.Н.Киселенко)

5. Инженерно-геологические исследования донных осадков восточной части Финского залива. Вестн. С.-ПбУ, сер.7, вып.2, N14, '1994 ( в соавторстве с В.Г.Зайончеком, Ю.Н.Киселенко)