Инженерно-геологические условия долинных областей криолитозоны ЯНАО

Савинцев, Иван Андреевич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Инженерно-геологические условия долинных областей криолитозоны ЯНАО
ВАК РФ 25.00.08, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Инженерно-геологические условия долинных областей криолитозоны ЯНАО"

005009058

САВИНЦЕВ Иван Андреевич

ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ДОЛИННЫХ ОБЛАСТЕЙ КРИОЛИТОЗОНЫ ЯНАО (НА ПРИМЕРЕ САЛЕХАРДСКОЙ И НАДЫМСКОЙ ПЛОЩАДЕЙ)

Специальность 25.00.08 - «Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

2 ОЕ0

Екатеринбург - 2012

005009058

Работа выполнена на кафедре гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный

университет»

Научный руководитель - доктор геолого-минералогических наук,

профессор Грязное Олег Николаевич

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук,

доцент Огородников Виталий Николаевич

кандидат геолого-минералогических наук, доцент Новиков Виталий Прокофьевич

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный

нефтегазовый университет»

Защита состоится 16 февраля 2012 г. в 14- часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.04 при ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» по адресу: 620144, ГСП, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30 (III уч. корпус, ауд. 3336).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Автореферат разослан 13 января 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета -Цл^■ ¿ ГуманО.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований.

В последние годы, в связи с реализацией Государственного проекта «Урал Промышленный - Урал Полярный», резко возрос уровень хозяйственного освоения районов севера Западной Сибири. Это привело к проектированию и строительству новых объектов промышленной и транспортной инфраструктуры на неосвоенных территориях, а также интенсификации развития инфраструктуры уже освоенных территорий долинных областей криолитозоны ЯНАО.

Задача изучения инженерно-геологических условий областей долин крупных рек криолитозоны была поставлена перед научным сообществом в 50-х годах прошлого столетия. У истоков инженерно-геологического изучения стоял заведующий кафедрой грунтоведения и инженерной геологии, декан геологического факультета МГУ Е.М. Сергеев. Под его научным руководством в период 50-70-х годов прошлого века в рамках договорных работ ВСЕГИНГЕО впервые было проведено общее инженерно-геологическое районирование долин рек Оби, Надыма, Пура, Таза. В данных исследованиях в разные периоды принимали участие сотрудники кафедры грунтоведения и инженерной геологии С.С. Поляков, Э.М. Буравлева, A.C. Герасимова, И.С. Лурье, В.Т. Трофимов и др. По результатам работ составлен комплект карт масштаба 1:500000.

Рядом исследователей также выполнено изучение отдельных компонентов инженерно-геологических условий, таких как: геокриологические условия (Попов А.И., 1948; Кудрявцев В.А., 1961; Ершов Э.Д., 1989; Крицук Л.Н. 2010); режим подземных вод (Анпилов В.Е., 1984); температурный режим грунтов и процессы промерзания и оттаивания (Балобаев В.Т. Павлов A.B., 1966, 1983, 1991, 2004; Фельдман Г.М., 1977, 1988; Хрусталев Л.Н., 1971, 2002, и др.; ВСЕГИНГЕО велись наблюдения на Надымском и Марре-Салинском мерзлотных стационарах); развитие экзогенных геологических процессов (Емельянова Т.Я., 1990; ШурЮ.Л., 1988).

Несмотря на столь значительную историю изучения долинных областей криолитозоны ЯНАО, остается ряд проблем, требующих решения. На наш взгляд, наиболее актуальными являются: необходимость объективной оценки инженерно-геологических условий (ИГУ) территорий, базирующейся на выявлении основных природных компонентов и закономерностей их пространственной изменчивости, выполнение типологического инженерно-геологического районирования в масштабе не менее 1:50000, для целей дальнейшего освоения территории, оценка трансформации инженерно: геологических условий в пределах участков, подверженных техногенному воздействию.

Геологическая среда городской инфраструктуры является чрезвычайно чувствительной и неустойчивой к техногенным воздействиям. Она

претерпевает серьезные нарушения, которые выражаются в интенсификации экзогенных геологических процессов, проявлении комплекса техноприродных процессов, приводящих к существенному изменению температурно-влажностных условий, глубин сезонного промерзания и оттаивания и, как следствие, к деформациям инженерных сооружений.

Объектом исследований является геологическая среда долинных областей криолитозоны, свойства которой определяются особым сочетанием геологических, геокриологических, гидрогеологических условий, техногенным воздействием и активизацией природно-техногенных процессов.

Предметом исследований являются компоненты геологической среды и закономерности их пространственной изменчивости, определяющие возможность хозяйственного освоения долинных областей криолитозоны ЯНАО.

Идея работы заключается в выявлении закономерностей формирования инженерно-геологических условий долинных областей криолитозоны и оценке техногенной трансформации ИГУ в пределах урбанизированных территорий.

Цель работы. Изучение и оценка инженерно-геологических условий долинных областей криолитозоны ЯНАО и их техногенной трансформации в пределах урбанизированных территорий.

Основные задачи исследований включают:

- выявление факторов формирования инженерно-геологических условий долинных областей криолитозоны ЯНАО и основных закономерностей их пространственной изменчивости;

- изучение деятельного слоя, как компонента ИГУ, разработка методики его изучения и оценки;

- выполнение типологического инженерно-геологического районирования территории долинных областей криолитозоны ЯНАО;

- оценка техногенной трансформации ИГУ в пределах урбанизированных территорий долинных областей криолитозоны ЯНАО;

- разработка рекомендаций по минимизации негативных последствий техногенной трансформации урбанизированных территорий долинных областей криолитозоны ЯНАО.

Фактический материал. В основу диссертации положен фактический материал, полученный автором в процессе полевых и камеральных работ при комплексной гидрогеологической, инженерно-геологической и геоэкологической съёмке масштаба 1:50000 Салехардской (2000-2004 гг.) и Надымской (2004-2007 гг.) площадей в составе Ямальской научно-исследовательской геологической экспедиции (ЯНИГЭ) Уральского государственного горного университета (научный руководитель работ доктор геолого-минералогических наук Грязнов О.Н., ответственный исполнитель кандидат геолого-минералогических наук Абатурова И.В.), обработанный с применением компьютерных технологий в период обучения в очной аспирантуре (2005-2008 гг.), а также опубликованные и фондовые работы.

Диссертация завершена в процессе выполнения госбюджетных научно-исследовательских работ в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (Госконтракт № 02.740.11.0679 от 29.03.2010).

Методы исследований. В процессе работы использован комплекс методов, включающий: изучение, анализ и обобщение геологических, инженерно-геологических и гидрогеологических материалов по теме диссертации; маршрутные наблюдения при инженерно-геологической и геоэкологической съёмке масштаба 1:50000 Салехардской и Надымской площадей; опробование фунтов; лабораторные исследования грунтов в аккредитованных лабораториях по аттестованным методикам; математические методы обработки информации с использованием компьютерных технологий; методы создания картографических моделей и баз аналитической информации.

Научная новизна работы:

- Выявлены инженерно-геологические особенности долинных областей криолитозоны.

- Установлены факторы инженерно-геологических условий долинных областей криолитозоны и закономерности пространственной изменчивости их компонентов.

- Установлены закономерности формирования деятельного слоя в пределах долинных областей криолитозоны; разработана методика его изучения, основанная на температурной съёмке.

- Проведено типологическое инженерно-геологическое районирование долинных областей криолитозоны.

- Выполнена оценка техногенной трансформации ИГУ в пределах урбанизированных территорий долинных областей криолитозоны.

Практическая значимость работы. Выполненная работа позволяет минимизировать негативные последствия техногенной трансформации ИГУ при освоении новых территорий долинных областей криолитозоны. Основные положения работы используются Комитетом по архитектуре и градостроительству администраций Муниципальных образований г. Салехарда и г. Надыма при планировании осваиваемых территорий, а также при совершенствовании генерального плана развития городов.

Результаты исследований могут быть использованы проектными и изыскательскими организациями в качестве базовых положений для оценки ИГУ естественных территорий и городской инфраструктуры в сходных природных и природно-техногенных условиях, оценки глубин сезонного оттаивания и сезонного промерзания, обоснования технических методов защиты зданий и сооружений.

Полученные материалы используются на кафедре гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии УГГУ при чтении лекций и проведении практических занятий по курсам: «Инженерная геодинамика», «Инженерное мерзлотоведение», «Инженерные сооружения».

Апробация работы. Основные материалы, защищаемые научные положения диссертационной работы изложены в докладах на Всероссийской научной конференции-конкурсе студентов выпускного курса (Санкт-Петербург, 2006 г.), Всероссийской конференции "РЙСК-2006" «Оценка и управление природными рисками» (Москва, 2006 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Эколого-геологические проблемы урбанизированных территорий» (Екатеринбург, 2006 г.), Годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии «Сергеевские чтения» (Москва, 2006 г.), Первом и Втором Уральском международном экологическом конгрессе «Экологическая безопасность горнопромышленных регионов» (Екатеринбург, 2007, 2011 г.), конференциях молодых ученых УГГУ в рамках Уральской горнопромышленной декады (Екатеринбург, 20052009 гг.), на научных семинарах кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии УГГУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе две работы - в ведущих рецензируемых научных журналах из перечня Высшей аттестационной комиссии.

Основные защищаемые научные положения:

1. Закономерности формирования инженерно-геологических условий Салехардской и Надымской площадей определяются их приуроченностью к долинным ландшафтам, историей геологического развития в плейстоцене -голоцене, неоднородностью геокриологических и связанных с ними гидрогеологических условий, свойствами пород террасового комплекса, развитием экзогенных геологических процессов.

2. Деятельный слой долинных областей криолитозоны является особым компонентом инженерно-геологических условий, строение, свойства и температурный режим которого зависят от проявления природных и техногенных факторов. Совокупность влияния факторов обусловливает пространственную неоднородность глубин и температур слоя сезонного промерзания и сезонного оттаивания.

3. Своеобразие инженерно-геологических условий долинных областей криолитозоны позволило выполнить типологическое инженерно-геологическое районирование территории с выделением долинных и водораздельных комплексов, с подчиненными им районами и подрайонами. В пределах урбанизированных площадей инженерно-геологические условия подвержены трансформации. На участках техногенного воздействия формируется комплекс техноприродных процессов, характеризующихся большей интенсивностью, чем на участках с сохранением естественных условий, а также особый температурный режим, способствующий увеличению глубин деятельного слоя.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 131 наименование. Объем работы - 222 страниц текста, в том числе 61 рисунок, 27 таблиц.

Первая глава посвящена анализу состояния вопроса и ранее выполненных работ по изучению и оценке инженерно-геологических условий долинных областей криолитозоны ЯНАО.

Во второй главе рассмотрены факторы формирования инженерно-геологических условий долинных областей криолитозоны ЯНАО и установлены закономерности их пространственной изменчивости.

В третьей главе приведена характеристика геокриологических условий долинных областей криолитозоны ЯНАО и установлены основные закономерности их формирования и развития.

Четвертая глава посвящена изучению деятельного слоя как особого компонента инженерно-геологических условий долинных областей криолитозоны, разработке методики его изучения на основе температурной съёмки.

Пятая глава посвящена инженерно-геологическому районированию долинных областей криолитозоны, оценке трансформации ИГУ на урбанизированных территориях и разработке рекомендации по минимизации негативных последствий техногенного воздействия.

Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность и искреннюю признательность научному руководителю заведующему кафедрой гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии УГГУ профессору, доктору геолого-минералогических наук О.Н. Грязнову, доценту, кандидату геолого-минералогических наук И.В. Абатуровой, постоянное внимание, поддержка и ценные советы которых способствовали выполнению данной диссертационной работы. Автор особо благодарен кандидату геолого-минералогических наук, доценту кафедры геологии и защиты в чрезвычайных ситуациях Л.А. Стороженко, коллективу кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии УГГУ за оказанную поддержку, помощь и дружеское отношение.

Автор благодарит администрации г. Салехарда и г. Надыма за оказанное содействие при сборе материалов.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Закономерности формирования инженерно-геологических условий Салехардской и Надымской площадей определяются их приуроченностью к долинным ландшафтам, историей геологического развития в плейстоцене -голоцене, неоднородностью геокриологически, и связанных с ними гидрогеологических условий, свойствами пород террасового комплекса, развитием экзогенных геологических процессов (главы 2, 3) [1, 2, 7, 10].

Природные условия, история геологического развития территории обусловили комплекс наиболее важных факторов ИГУ долинных областей криолитозоны ЯНАО. К ним относятся: геологическое строение, ландшафтно-геоморфологические, гидрогеологические, геокриологические условия, физико-механические свойства грунтов, экзогенные геологические процессы и явления.

В географическом отношении район расположен в северо-западной части Западно-Сибирской низменности, в климатических условиях Заполярья при среднегодовых температурах воздуха -6,4 °С и представляет собой пологую слабовсхолмленную равнину Полуйской возвышенности. Наиболее высокие абсолютные отметки водораздела колеблются от 50 до 110 м.

В геологическом строении территории принимают участие аллювиально-морские, ледово-морские, озерно-морские отложения эоплейстоцена, неоплейстоцена, а также аллювиальные отложения голоцена. По литологическому составу - это сложно переслаивающиеся рыхлые осадки, представленные алевритами, алевроглинами с частыми прослоями мелкозернистых и тонкозернистых песков, суглинками, реже супесями, содержащими гравий, гальку и валуны.

Отложения поймы крупных рек территории, I, II, III и IV надпойменных террас четвертичного возраста представлены песками разной крупности, супесями, суглинками, реже глинами и торфами. Режим осадконакопления, геоморфологические условия территории предопределили сложное фациальное замещение грунтов различного литологического состава и генезиса.

Салехардская и Надымская площади входят в состав Салехардско-Надымского мегаблока. Современное тектоническое строение и рельеф земной поверхности связаны с проявлением неотектонических процессов и разнообразных эрозионно-аккумулятивных экзогенных процессов. Высокие уровни поверхности связаны с прибрежно-морской равниной, занимающей водораздельные пространства. Многочисленные микроформы рельефа в пределах элементарных ландшафтов созданы современными геологическими процессами.

Геокриологические условия долинных областей криолитозоны являются одним из главных факторов, определяющих ИГУ территории. В свою очередь, закономерности формирования и развития геокриологических условий напрямую зависят от истории геологического развития, радиационно-теплового баланса, геолого-геоморфологических условий, состава и свойств горных пород. Отложения севера Западной Сибири промерзали спустя длительное время после их накопления и приуроченные к ним ММП носят эпигенетический характер. Исследуемая территория приурочена к зоне островного развития ММП. Строение мерзлых толщ неоднородное как в плане, так и в разрезе. Вертикальное строение толщи ММП двухслойное. Реликтовый слой залегает на глубинах 100-200 м, а кровля верхнего слоя ММП находится либо на поверхности (подзона сплошного развития ММП), либо опущена до глубин 50 м и более (подзона несквозного талика). Температурный режим мерзлых грунтов характеризуется значениями температур от (-3) до (-0,1) °С, что способствует быстрому переходу грунтов в талое состояние при изменении условий теплообмена, которые формируются под влиянием техногенных воздействий.

В гидрогеологическом отношении территория долинных областей криолитозоны входит в Северную группу бассейнов и принадлежит Нижнеобскому бассейну стока подземных вод. Формирование эоцен-четвертичной формации на исследуемой территории в первую очередь определяется существующими геокриологическими условиями. Широкое распространение в разрезе формации многолетнемерзлых пород (ММП) накладывает существенный отпечаток на условия формирования, гидродинамику и гидрохимию подземных вод. Выделены надмерзлотные, межмерзлотные, подмерзлотные воды и воды сквозных и подрусловых таликов.

Наиболее важное значение, с точки зрения формирования и развития геокриологической обстановки, имеет водоносный таликовый верхненеоплейстоценовый - голоценовый аллювиальный горизонт. Горизонт является первым от поверхности, приурочен к аллювиальным отложениям пойменных террас, первой надпойменной террасы рек Обь, Надым, Полуй и др., занимает значительную долю площади исследований. Большая его часть приходится на русловые и пойменные участки рек. Мощность горизонта изменяется от 5 до 34 м. Водовмещающими породами являются мелко-среднезернистые пески, часто замещаясь на тонко-мелкозернистые. В гидродинамическом отношении подземные воды напорно-безнапорные, напор создает постоянный криогенный водоупор небольшой мощности локального распространения, а также сезонный водоупорный барьер при промерзании деятельного слоя. По химическому составу подземные воды гидрокарбонатные магниево-кальциевые. Минерализация воды до 0,5 г/дм3.

С учетом соотношения талых и мерзлых пород в разрезе выделяются: харасавэйский, марресальский, няганьский, соррюнтойский и салемальский водоносные криогенно-таликовые, таликово-криогенн ые комплексы. Все комплексы принадлежат к четвертичным отложениям, представленным чередованием прослоев водоупорных и водоносных пород, сложенных песками мелкими и средней крупности с включениями гравия и гальки, супесями и алевритами.

Питание водоносных комплексов происходит за счет инфильтрации атмосферных осадков, снеготалых и паводковых вод, а также за счет перетекания из таликовых зон. Основное направление разгрузки подземных вод - крупные реки и их притоки.

Физико-механические свойства грунтов изменяются в широких пределах, их значения определяются литологическим составом и состоянием грунтов. Аллювиальные отложения поймы в талом состоянии характеризуются значениями влажности для песков 0,05-0,19 д.ед., для супесей и суглинков от 0,21 до 0,36 д.ед., плотности изменяются от 1,74 до 2,01 г/см . Удельное сцепление для песков составляет 0,005-0,007 МПа, угол внутреннего трения 3738°. Торфа характеризуются средними значениями влажности 5,49 д.ед., плотности 0,81 г/см , плотности минеральной части 1,36 г/см3, пористости 90%.

Аллювиальные и озерно-аллювиальные отложения надпойменных террас в талом состоянии характеризуются значениями влажности для песков 0,06-0,24 д.ед., для супесей и суглинков - от 0,16 до -0,31 д.ед., плотности изменяются от 1,77 до 1,98 г/см3. Удельное сцепление составляет 0,004-0,006 МПа (пески), 0,010-0,058 МПа (супеси и суглинки), угол внутреннего трения составляет 3840° (пески), 15-34° (супеси и суглинки), модуль деформации для суглинков и супесей равен 4,8-6,2 МПа, для песков - 7,7-14,2 МПа.

Недостаточная теплообеспеченность, избыточное увлажнение, наличие ММП создают благоприятную обстановку для развития широкого ряда экзогенных процессов и явлений. В пределах Салехардской и Надымской площадей выделяются:

- собственно криогенные, обусловленные годовыми и многолетними колебаниями теплообмена на земной поверхности (морозобойное и диагенетическое растрескивание, термокарст, морозное пучение);

- флювиальные, эрозионные и водно-балансовые, обусловленные тепловым и механическим воздействием водных масс на оттаивающие и мёрзлые породы, годовыми колебаниями теплообмена на поверхности, колебаниями водного баланса поверхности (заболачивание, речная и овражная эрозии, аккумуляция);

- гравитационные процессы, обусловленные гравитацией, поверхностным и внутригрунтовым стоком вод, годовыми колебаниями теплообмена на поверхности (осыпи, оползни, солифлюкция).

Деятельный слой является верхней частью слоя годовых колебаний температур. В нем совершается наибольшая доля годовых теплооборотов пород всего слоя годовых колебаний температур, наиболее интенсивно протекают физические, физико-химические, физико-геологические процессы, обусловливающие сезонные изменения температуры.

Сезонное промерзание представляет собой промерзание талых и сезонно талых пород, имеющих среднюю годовую температуру выше 0 °С. Слой сезонного промерзания формируется за счет теплооборотов, идущих при отрицательных температурах.

Сезонное оттаивание представляет собой оттаивание мерзлых пород, имеющих среднюю годовую температуру ниже 0 °С. Слой сезонного оттаивания подстилается многолетнемерзлыми или сезонно мерзлыми породами и образуется за счет теплооборотов, идущих при положительных температурах. Сезонное оттаивание нераздельно связано с сезонным

промерзанием. Рассматривать их необходимо как два разнонаправленных последовательных процесса, сменяющих друг друга по сезонам в одном деятельном слое.

Важное значение имеют глубины сезонного промерзания (СП) и оттаивания (СО). В пределах городской территории на формирование глубины СП и СО большое влияние оказывают степень инженерной подготовки и интенсивность техногенных воздействий.

Мощность слоя СП и СО в пределах изучаемой территории чрезвычайно изменчива и отражает условия теплообмена на поверхности и условия теплопередачи в самих горных породах. Она является результатом деятельности комплекса факторов, к которым относятся: климатические особенности района (температура воздуха, количество осадков и их распределение по площади в летний и зимний периоды), литологический состав пород, их влажность, наличие водного и растительного покровов, геоморфологические особенности (рельеф и экспозиция склонов), а также влияние жилых и административных зданий, автомобильных дорог и т.д.

Сезонное промерзание. Слой СП в изучаемом районе распространён на площадях, где кровля ММП опущена. Глубина слоя СП пород находится в пределах от 0,5 до 6,2 м. Процесс СП начинается в начале - середине октября и продолжается до начала мая. Наиболее интенсивно процесс сезонного промерзания происходит с начала ноября по конец декабря. За этот период промерзает до 88 % от общей мощности слоя СП.

Литологический состав пород оказывает огромное влияние на процесс СП, приводя к увеличению его мощности с уменьшением дисперсности грунтов. Установлено, что средняя глубина слоя СП уменьшается от песков средней крупности к торфам. Для песков средней крупности она составляет 3,6 м, для песков мелких - 3,2 м, для торфов - 0,9 м (табл. 1). Данная зависимость была подтверждена расчетами глубины слоя СП. Согласно формуле СНиП-11-18-76, средняя глубина слоя СП песков средней крупности составила 4,12 м, песков мелких и пылеватых - 3,99 м, супесчано-суглинистых пород - 1,66-1,92 м, торфов-1,05 м.

Таблица 1

Зависимость мощности слоя сезонного промерзания от литологического состава пород Салехардской и Надымской площадей

Литологический состав пород Номера скважин, вскрывших с поверхности отложения Мощность СП, м

Насыпной грунт 9, 10, 13,3042, 3691,5583, 4,3

Песок средней крупности 38, 5406, 6955,3548,3691 3,6

Песок мелкий, пылеватый 1074, 1999, 1330, 3037,4108 3,2

Супесчано-суглинистые породы - -

Органоминеральные грунты 11,511,4991,5397, 5404, 5420 0,9

Сезонное оттаивание. Сезонное оттаивание начинается в начале -середине мая, со сходом снежного покрова, и заканчивается в конце сентября -начале октября, когда среднесуточная температура воздуха становится отрицательной.

Наиболее интенсивно процесс сезонного оттаивания для любых литологических разновидностей происходит в июне и июле. На этот период приходится от 21 до 100 % от всего объёма оттаивания, причем наиболее интенсивно оттаивают породы в естественных условиях.

На трансформированных территориях, сложенных техногенными грунтами, интенсивность СО достигает 90 % только на конец летнего периода. Ближе к концу августа - началу сентября интенсивность сезонного оттаивания является минимальной и сводится почти к нулю.

Максимальные глубины сезонного оттаивания характерны для песчаных пород, минимальные глубины - для органоминерапьных. Данная зависимость обусловлена различными теплофизическими характеристиками пород. Средняя глубина СО для песков средней крупности составляет 3,0 м, для песков мелких - 2,6 м, для супесей - 1,98 м, для суглинков - 1,52 м, для торфов - 0,6 м (табл. 2)

В отдельную категорию можно выделить грунты техногенного генезиса (насыпные). Они представлены песками мелкими и средней крупности, и имеют максимальную глубину слоя СО равную 4,0 м. В данном случае определяющим является не литологический, а техногенный фактор.

Таблица 2

Зависимость мощности слоя сезонного оттаивания от литологического

состава по род Салехардской и Надымской площадей

Литологический состав пород Номера скважин вскрывших с поверхности отложения Мощность СО, м

Насыпной грунт 1, 18, 1996, 2001, 5021,64т и др. 4,0

Песок средней крупности 1016, 1999,2001,2093 и др. 3,0

Песок мелкий, пылеватый 10,517,4184, 6780 и др. 2,6

Супеси Рб-1,2,3 1,98

Суглинки Рб-1,2,3 1,52

Торф 29,73,285,5464 и др. 0,6

Одним из факторов, определяющих глубину слоя СО, являются геоморфологические особенности территории, которые характеризуются определенным положением террас в рельефе (высотные отметки), условиями дренируемости, характером растительного, мохового, снежного покровов. Для характеристики влияния геоморфологических условий на пространственную изменчивость мощности слоя СО была построена схематическая карта глубин слоя СО г. Надым и его окрестностей (прил. 1).

Глубины характеризуют мощность слоя СО на конец процесса оттаивания (середина-конец сентября). На карте выделены районы с глубинами слоя СО: < 1 м; 1,0-1,5 м; 1,5-2,Ом; 2,0-2,5 м; 2,5-3,0 м и > 3 м.

Район с глубиной слоя СО < 1 м приурочен преимущественно к заболоченным территориям первой надпойменной террасы и высокой поймы, характеризуется распространением торфов разной степени разложения. Площадь с глубиной слоя СО 1,0-1,5 м приурочена в основном к густозалесённой территории высокой поймы, склоновым болотам третьей и второй надпойменных террас. Грунты представлены мелкими и пылеватыми песками, местами перекрытыми с поверхности маломощным слоем торфа, реже супесями. Площади с глубиной слоя СО 1,5-2,0 м широко распространены на открытых или слабозалесённых участках первой надпойменной террасы и высокой поймы и склоновых участках второй - четвертой надпойменных террас. Грунты представлены песками разной степени зернистости, редко супесями и суглинками. Район с глубиной слоя СО 2,0-2,5 м приурочен к залесённым водораздельным участкам рельефа, реже к открытым участкам низкой поймы р. Надым. Грунты представлены песками от мелкозернистых и тонкозернистых песков. Территория с глубиной слоя СО 2,5-3,0 м охватывает открытые участки с нарушенными антропогенной деятельностью естественными условиями. Породы представлены насыпными грунтами -среднезернистыми и мелкозернистыми песками. Район с глубиной слоя СО > 3 м находится в таликовой зоне р. Надым. Грунты представлены хорошо промытыми песками мелкими и средней крупности.

Анализ карты свидетельствует, что глубина слоя СО зависит, прежде всего, от литологического состава и влажности пород, определяемых геоморфологическим уровнем, плотностью растительного покрова, наличием крупных водотоков, степенью дисперсности грунтов и антропогенного фактора, влияющего на изменение естественных условий территории.

Получение фактических данных по глубине слоя СО не всегда возможно. Автором предлагается для определения глубин слоя СО использовать метод температурной съёмки, где в основе лежит допущение: в породах с меньшей глубиной слоя сезонного оттаивания наблюдается меньшая температура грунта на поверхности, так как её изменение носит функциональный характер, имеющий прямо пропорциональную зависимость (рис. 1).

В процессе температурной съёмки на Надымской площади произведено более 850 замеров температуры грунта на глубине 25-30 см от поверхности в слое сезонного оттаивания. В ходе съёмки фиксировались геологические, геоморфологические, ботанические и ряд других условий территории, влияющих на процесс формирования слоя СО, а также проводилось опробование грунтов с целью выявления их свойств. По данным температурной съёмки построена карта температур деятельного слоя Надымской площади (прил. 2).

Наибольшее распространение получили грунты с интервалом температур от 5 до 10 °С. Их доля составляет 55-60 % исследуемой территории (более 220 км2). 18-20 % площади приходится на грунты с температурой 10-15 °С. Доля распространения грунтов с интервалом температур 0-5 °С составляет 14-15 %. Грунты с температурой 15-20 °С и 20-25 °С занимают 7-8 и 1 %, площади соответственно. Анализ результатов температурной съемки и глубин слоя СО показал их неплохую сходимость.

Абс. отм., м 18

^МНННЯнИННВНВВНННПВ

■ММП: -слой СО; ¿'р-растительный покров; - моховой покров

X --< -границаММП: —|,—-- -тврмонзогипсы; (, >( >(> Г

Рис. 1. Изменение температуры верхней части грунтовой толщи при СО

Для решения вопросов определения глубины слоя СО был выполнен корреляционно-регрессионный анализ. В основу анализа положены результаты определений физико-механических свойств более 350 проб грунта, глубины слоя СО и результаты замеров температур при температурной съемке (табл. 3).

По результатам корреляционно-регрессионного анализа получено уравнение регрессии, которое позволяет определять глубину слоя СО в зависимости от численных значений температуры грунта, м:

Глубина слоя СО = 0,37740 + 0,09437 ■ I

где I - температура пород верхней части разреза слоя СО (25-30 см от поверхности), °С.

Это уравнение применимо ко всей изучаемой территории и учитывает различные сочетания основных факторов, определяющих глубину слоя СО. Однако следует отметить, что значения фактических глубин слоя СО и значения, полученные с помощью данного уравнения, могут отличаться. В результате применения уравнения в местах фактического установления глубин слоя СО погрешность составила 10-15 %.

Таблица 3

Итоговая матрица коэффициентов корреляции

^ V? •>р К Р Рэ Ра СМ СТ К. К 1 СО

V/ 1,00 0,93 0,91 0,68 0,60 0,04 -0,97 -0,51 0,45 0,45 -0,19 -0,19 -0,20 -0,52

0,93 1,00 0,93 0,82 0,35 0,11 -0,87 -0,64 0,61 0,61 -0,43 -0,43 -0,35 -0,34

0,91 0,93 1,00 0,56 0,29 0,05 -0,87 -0,59 0,38 0,38 -0,21 -0,21 -0,23 -0,36

¡е 0,68 0,82 0,56 1,00 0,33 0,18 -0,63 -0,53 0,79 0,79 -0,66 -0,66 -0,43 -0,62

0,60 0,35 0,29 0,33 1,00 -0,08 -0,65 -0,12 0,22 0,22 0,18 0,18 0,08 0,04

р 0,04 0,11 0,05 0,18 -0,08 1,00 0,18 -0,13 0,05 0,05 -0,09 -0,09 -0,08 -0,04

й -0,97 -0,87 -0,87 -0,63 -0,65 0,18 1,00 0,47 -0,43 -0,43 0,13 0,13 0,17 0,30

Рл -0,51 -0,64 -0,59 -0,53 -0,12 -0,13 0,47 1,00 -0,38 -0,38 0,26 0,26 0,48 0,39

см 0,45 0,61 0,38 0,79 0,22 0,05 -0,43 -0,38 1,00 1,00 -0,83 -0,83 -0,47 -0,75

СТ 0,45 0,61 0,38 0,79 0,22 0,05 -0,43 -0,38 1,00 1,00 -0,83 -0,83 -0,47 -0,75

К -0,19 -0,43 -0,21 -0,66 0,18 -0,09 0,13 0,26 -0,83 -0,83 1,00 1,00 0,56 0,85

X -0,19 -0,43 -0,21 -0,66 0,18 -0,09 0,13 0,26 -0,83 -0,83 1,00 1,00 0,56 0,85

X -0,20 -0,35 -0,23 -0,43 0,08 -0,08 0,17 0,48 -0,47 -0,47 0,56 0,56 1,00 0,84

со -0,52 -0,34 -0,36 -0,62 0,04 -0,04 0,30 0,39 -0,75 -0,75 0,85 0,85 0,84 1,00

Примечания: \¥ - влажность грунта; ХУь - влажность грунта на пределе раскатывания; \¥р - влажность грунта на пределе текучести; ,1р - число пластичности; ^ - число текучести; р

- плотность грунта; р$ - плотность минеральной части грунта; рй - плотность сухого грунта; СМ - удельная теплоемкость мерзлого грунта; СТ - удельная теплоемкость талого фунта; Хм

- коэффициент теплопроводности мерзлого грунта; Хт - коэффициент теплопроводности талого грунта; I - температура грунта; СО - глубина слоя СО.

На первых этапах изучения территории в качестве основного механизма инженерно-геологического районирования должна выступать типизация инженерно-геологических условий.

В основу типизации ИГУ положены принципы, разработанные И.В. Поповым, В.Т. Трофимовым, И.Я. Барановым, которые позволили в пределах крупного района учесть закономерности распределения региональных и зональных факторов инженерно-геологических условий территории. Такой подход позволяет обособить различные по размерам площади, которые отличаются по характеру рельефа, геологическому строению, мерзлотным и гидрогеологическим особенностям, а в их совокупности по инженерно-геологическим особенностям.

Крупной таксономической единицей изучаемой площади является регион, в пределах которого по региональному геоморфологическому признаку

выделены области крупных речных долин. По однородности геоморфологических условий область подразделяется на инженерно-геологические подобласти долинного комплекса и современных водораздельных пространств. В их пределах по геолого-литологическим условиям выделяются инженерно-геологические районы. Литологический состав пород, физико-механические свойства, характер распространения многолетнемерзлых пород, гидрогеологические особенности территории, пригодность ее для промышленного и хозяйственного освоения легли в основу выделения подрайонов с участками детализации. На трансформированных территориях выделены подобласти техногенного воздействия (рис. 2).

Изучаемая территория принадлежит Западной Сибири, к областям долин крупных рек Оби и Надыма. В их пределах выделены инженерно-геологические подобласти:

А - подобласти долинных комплексов рек Оби и Надыма;

Б - подобласти современных водораздельных пространств;

В - подобласти техногенного воздействия.

Выполнена оценка по степени благоприятности хозяйственного освоения Салехардской и Надымской площадей. Наиболее благоприятными для хозяйственного освоения являются подобласти современных водораздельных пространств. По инженерно-геологическим условиям большая часть изучаемой территории относится к условно благоприятной, за исключением пойменных и заболоченных участков, которые отнесены к неблагоприятным.

К числу техногенных объектов, оказывающих влияние на ИГУ долинных областей криолитозоны, относятся объекты городской инфраструктуры, промышленного и транспортного комплексов.

Трансформация инженерно-геологических условий обусловливается обычно негативным эффектом от дисбаланса между естественным ходом природных процессов и влиянием техногенных факторов, вызывающих их изменение.

Возрастающее вмешательство хозяйственной деятельности человека зачастую приводит к нежелательным последствиям, которые не всегда совместимы с тенденциями устойчивого освоения территории долинных областей криолитозоны.

В процессе освоения территории и формирования техногенных условий долинных областей криолитозоны значительные изменения претерпевают природные ландшафты. Трансформация ландшафтов выражается в их преобразовании при ведении строительных работ (отсыпка территории, выемка грунтов), уничтожении или перераспределении покровов (растительного, снежного и др.), создании техногенных ландшафтов (селитебных, промышленных, транспортных, коммунально-бытовых), перераспределении естественного стока атмосферных осадков, тепловом воздействии на грунты и т.д.

¡¡(мкяаисть 1геаififx/xiкк'ичпкие и.т<ж»х7"

Д Долинного комплекса р. Обн Б Современных водораздельных пространств

Ришт (.•спкк-о-литаик-нчи кие ус.кжнн)

Ail Развития аллювиальных

отложений четяертнчпот возраста

Д-II Развития аллювиальных и >зерн0-вллювиалы1ых отложен и П четвертичного возраста

Развития аллювиальных и аллювнально-ктуарных отложении Ш и IV 1шп. террас

Б-И Развития останца V морской террасы

И<м)рш)</н (.nimtuiiiH4<XKiiii пкпиш пи/мхУ </«« шко-ме.хани'илкис снойснгы, лчжрмтжчегкие условия)

Л-1-a Развит* аллювиальных

отложений низкой поймы. ММП однослойного строения

¿VLi Patmmn аллювиальных нср&счлснедшых оглшдомш iюйхы н I пади. террасы. ММП аднос.юй-ного ciросли*

A-II-B Ра «мни ылкпишьных отложений I нал п. террасы. ММП одоюслой» ною строения

) i чисток (<htna.mнщих .ч*о*у>»а/< у»у*ч ких ус.к»ши)\

А«11-6 Развития айрно-ал-иовн-ьльных отложений 11 н&ш. rcpfocw. ММП одно- н двухслойно! о

Ь-Н Ризвшнд аллювиальных спложсний HI над» ?сррвсы. ММИ одно* н

днухслойного „

Б-1-6 Развито* адлкншалыю-<Т>ар)1ЫЧ D) -

.кпкешш (V на.(и террасы. ММП одно н лвухедой-:ння

| i ¡¡нЬюлщ щн (пи'.хни,х-нны1' ус. нты») |

I В Техногенного воздействия I

Б-»-« Развития от-ложснкП V .юрский террасы. ММП алносюГию-гостпос

Развития отложений xii' рпсав^йскпн •нты. ММГ

WlHOC-tOiitl»

ШШ

ЫЬ* развития отложен ий ыар-ресальсной гвиты. ММГ олнос.нншо-

гостгдаент

В.11-Г Развития отложений кяпшьсюи свиты. ММП

ОДНОСЛОЙНО* rocTgoeHHi

| | - сст сственн ыс условия - техногенно нарушенные условия

Примечание: А-1-а-1 - участки преимущественного распространения талых пород; А-1-а-2 -распространения мерзлых пород.

участки преимущественного

Рис. 2. Схема типологического инженерно-геологического районирования Салехардской площади

Развитие транспортного и энергетического комплексов привело к формированию коридоров коммуникаций, для которых характерны линейные нарушения почвенно-растительного покрова, линейные и локальные отсыпки песка, нарушение режимов поверхностного стока атмосферных осадков, нарушение гидротермических условий грунтов, образование техногенных озер и линейно вытянутых вдоль коридора участков подтопления и заболачивания.

Анализ техногенных условий долинных областей позволил выполнить функциональное зонирование территории и выделить техногенные объекты и комплексы, которые негативно влияют на состояние окружающей среды:

Селитебный комплекс. Это территории городской застройки административно-хозяйственного центра с 2-10 этажными зданиями с централизованным теплоснабжением, водоснабжением и канализацией, а также с 1-2 этажными строениями с децентрализованным, отчасти централизованным теплоснабжением, водоснабжением и канализацией, в т.ч. частный сектор. Для данной территории характерна 100 % перестройка природных ландшафтов в урбанистические.

Транспортный комплекс включает: внутренний и внешний автомобильный транспорт, автобазы, АЗС, асфальтированные, бетонные и грунтовые автодороги, зимники, тракторно-санные и вездеходные пути, нефтебазы, нефтепроводы, перевалочные причалы.

Сельскохозяйственный комплекс практически не развит и представлен небольшими подсобными предприятиями тепличного хозяйства, свиноводческими комплексами и предприятиями по разведению крупного рогатого скота.

Техногенная нарушенность ИГУ неоднозначна по своим проявлениям, глубинам распространения и интенсивности развития. Эти особенности обусловлены отраслевой спецификой приложенных техногенных нагрузок. Для целей оценки техногенного воздействия на ИГУ долинных комплексов криолитозоны выполнена систематизация источников и видов техногенного воздействия (рис. 3)

Оценка трансформации ИГУ подобластей техногенного воздействия (подобласти В) Салехардской и Надымской площадей выполнена на основе анализа качественных и количественных изменений компонентов ИГУ, а также установления зоны их влияния. К числу таких компонентов, в первую очередь, отнесены активизация экзогенных геологических процессов и явлений и изменение глубин деятельного слоя.

По результатам анализа трансформации ИГУ в областях техногенного воздействия долинных комплексов криолитозоны ЯНАО установлено:

1. На участках техногенного воздействия происходит увеличение глубин деятельного слоя, интенсивность которого, по сравнению с естественными условиями, составляет, в зависимости от литологического состава пород, для сезонного оттаивания для сезонного оттаивания - 12-100 %, для сезонного промерзания - 43-75 % (табл. 4)

Таблица 4

Особенности изменения характеристик деятельного слоя Салехардской и _Надымской площадей при техногенном воздействии_

№ п/п Характеристики деятельного слоя Салехардская площадь Надымская площадь

в естественных условиях при техногенном воздействии в естественных условиях при техногенном воздействии

1 Глубина слоя СО в зависимости от состава пород, м:

1а Торф 0,5-0,6 н.д. 0,5-0,6 1,2-2,0

16 Суглинок 1,2-1,4 2,25-2,8 1,2-1,6 1,7-2,7

1в Песок 1,75-2,25 2,0-2,4 2,9-3,4 3,0-4,5

1г Насыпной грунт - > 4,0-5,0 - 3,2-5,0

2 Глубина слоя СП в зависимости от состава пород, м:

2а Торф 0,9 Н.Д. 0,9 н.д.

26 Суглинок 1,66-1,92 2,0-3,1 1,6-2,0 2,3-3,5

2в Песок 3,2-3,6 4,0-4,5 2,8-4,0 4,1-4,9

2т Насыпной грунт - 4,3 - 4,4-5,5

3 Температура грунтов деятельного слоя, град. н.д. н.д. 0-15 15-25

Примечание: н.д. - нет данных.

2. На участках техногенного воздействия происходит увеличение интенсивности ЭГП относительно естественных условий, что значительно сокращает «полезную» площадь урбанизированных территорий. Среди процессов, испытывающих увеличение интенсивности, отмечены: заболачивание, термокарстовые процессы, в меньшей мере процессы солифлюкции и эрозии. По результатам наблюдений установлено, что на участках техногенного воздействия отмечается увеличение заболоченности территории на 30-100 %, термокарстовых процессов на 20-55 %. Причем основная доля заболачивания и термокарстовых процессов приходится на объекты транспортного комплекса (автодороги) и иные линейные сооружения (трубопроводы и др) (табл. 5-6).

Эти обстоятельства формируют «новые» - трансформированные инженерно-геологические условия территории, которые являются менее благоприятными для целей дальнейшего развития городской и промышленной инфраструктуры и требуют принятия мер по разработке рекомендаций по минимизации негативных последствий увеличения интенсивности ЭГП и глубин деятельного слоя в пределах урбанизированных территорий долинных областей криолитозоны ЯНАО.

-1-1-:-

Виды техногенного воздействия

Нарушение ИГУ на поверхности

1 | 1

Нарушение почвенно Изменение Изменение

■ растительного режима поверхностного и

покрова снегонакоп- грунтового стоков

ления

Изменение ИГУ в массиве пород

Тепловое воздействие

Механические нагрузки

Химическое загрязнение

Источники воздействия/технологические процессы, объекты)

.С Организация выемок грунта С Планировка поверхности и Сооружение отсыпок О Прокладка трубопроводов

О Автодороги С Площадные отсыпки С Линейные сооружения

с Выемки фунта

[_ Промышленные и жилые застройки Наземные сооружения

С Фундаменты зданий и сооружений С Подземные трубопроводы Г Сезонноохлаждоощие уст-ва □Утечки из коммунальных сетей

и Разливы ГСМ С Утечки из коммунальных сетей

С Фундаменты зданий и сооружений и Наземные сооружения

Последствия воздействия

Активизация экзогенных процессов и явлений, изменение глубины деятельного слоя

Потеря несущей способности фунтов основания зданий и сооружений, увеличение глубины сезонного _оттаивания, формирование чаш оттаивания_

Угроза безаварийной эксплуатации зданий и сооружений, объектов _транспорта и коммуникационных сетей_

Рис. 3. Систематизация источников и видов техногенного воздействия на ИГУ

Таблица 5

Развитие ЭПП по территориальным подразделениям Салехардской

площади

Территориальное подразделение Экзогенные геологические процессы (К„, %)

заболачивание термокарст криогенное пучение солиф-люкци я эрозия и термоэрозия

А Область долинного комплекса р. Оби и её притоков 25-28 10-13 45-50 1-3 2-4

Б Область современных водораздельных пространств 7-10 2-5 45-50 1-3 1-2

А+ Б Итого 35 10-15 90-100 1-3 3-6

В Область техногенного воздействия, в том числе: 45-55 12-15 75-90 - 1-2

- селитебный комплекс 5-10 - 20-35 - 1-2

- транспортный комплекс 33-47 10-12 45-50

- промышленный 1-3 3-5 10-20

- сельскохозяйственный - - <5

Таблица 6

Развитие ЭГП по территориальным подразделениям Надымской площади

Территориальное подразделение Экзогенные геологические процессы (К„, %)

заболачивание термокарст криогенное пучение солиф-люкци я эрозия и термоэрозия

А Область долинного комплекса р. Оби и её притоков 13-20 1-5 40-45 <2 1-2

Б Область современных водораздельных пространств 13-27 10-12 50-55 1-4 1-2

А+ Б Итого 33-40 13-17 90-95 2-5 -

В Область техногенного воздействия, в том числе: 50-65 18-22 70-90 - 1-2

- селитебный комплекс 10-15 - 25-30 - 2-3

- транспортный комплекс 45-55 12-16 40-45 <1

- промышленный 5-10 6-10 5-15 -

- сельскохозяйственный - - <5 <1

Выполненные работы по оценке изменения ИГУ в пределах областей техногенного воздействия позволяют предложить следующие группы мероприятий по минимизации негативных последствий проявления активизации ЭГП и увеличения глубин деятельного слоя, направленные на увеличение полезных площадей освоения урбанизированных территорий долинных областей криолитозоны ЯНАО:

- мероприятия связанные с системой мониторинга;

- мероприятия по устранению и минимизации техногенного воздействия.

К первой группе мероприятий относятся мероприятия, связанные с организацией системы наблюдений за техногенной трансформацией ИГУ урбанизированных территорий. Они направлены на выявление участков активизации техноприродных процессов и ореолов температурных аномалий деятельного слоя.

Ко второй группе относятся мероприятия, связанные с устранением и минимизацией техногенного воздействия. Данные мероприятия назначаются по результатам мониторинга. Они заключаются в устранении выявленных источников техногенного воздействия или, при невозможности устранения принятии конструктивных мер, направленных на минимизацию воздействия. Конкретные рекомендации приведены в диссертации. Основными из них являются: организация дренажных систем для отвода ливневых, паводковых вод; организация водостоков; устранение утечек коммунальных сетей; тепловая изоляция подвальных помещений зданий и сооружений; контроль за распределением снежного покрова; восстановление растительного покрова и др.

Выполнение комплекса мероприятий по минимизации негативных последствий проявления активизации ЭГП и увеличения глубин деятельного слоя позволит избежать нарушения эксплуатационного режима зданий и сооружений и увеличат эффективность «полезного» использования урбанизированных территорий долинных областей криолитозоны ЯНАО.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные выводы, определяющие научную новизну и практическую значимость работы, сводятся к следующему:

1. Инженерно-геологические условия территории долинных областей криолитозоны весьма специфичны и определяются особенностями строения четвертичных отложений, составом и свойствами горных пород, своеобразием ландшафтно-геоморфологических, гидрогеологических условий, развитием многолетнемерзлых пород (ММП), наличием деятельного слоя, развитием экзогенных геологических процессов (ЭГП) и связанных с ними явлений.

2. Геокриологические условия долинных областей криолитозоны являются одним из главных факторов, определяющих ИГУ территории, которая относится к зоне сплошного, с редкими островами талых зон, и

прерывистого развития миоголетнемерзлых пород. Основное место в формировании мерзлых толщ занимает эпикриогенез.

3. Выявлены основные закономерности пространственной изменчивости геокриологических условий:

- температурный режим ММП долинных областей криолитозоны характеризуется довольно мягкими значениями температур от -3 °С до -0,1 °С - для естественных условий, -2 °С до -0,1 °С - для городских территорий, которые распределяются в зависимости от геолого-геоморфологических условий, литологического состава пород, их влажности, а также характера растительности;

- мерзлые породы обладают специфическими свойствами и при тепловом воздействии переходят в талое состояние, что приводит к резкой потере прочности пород основания;

наибольшие сезонные теплообороты в пределах областей распространения ММП протекают в границах пояса годовых колебаний температур, к которому приурочен деятельный слой.

4. Деятельный слой долинных областей криолитозоны является особым компонентом инженерно-геологических условий, обладающим рядом специфических особенностей и имеющим разное строение и температурный режим в зависимости от действия различных природных и техногенных факторов

5. Основными факторами, определяющими глубины слоя СО и СП, в пределах долинных областей криолитозоны, являются: климатические особенности, характер и тип растительности, геоморфологические особенности, различная мощность снежного покрова, характер развития ММП, мягкие значения температур, значительная амплитуда колебаний годовых температур на поверхности, литологический состав пород и их влажность, теплофизические характеристики пород. Изучение и оценку деятельного слоя возможно выполнять посредством температурной съёмки.

6. Проведенная типизация инженерно-геологических условий Салехардской и Надымской площадей свидетельствует, что в их пределах выделяются участки, благоприятные и условно благоприятные для целей хозяйственного освоения, не требующие подготовительных мероприятий, а также участки, подверженные техногенному воздействию, где происходит активизация экзогенных и криогенных процессов, что влечет за собой трансформацию инженерно-геологических условий.

7. Основные виды воздействия на ИГУ связаны с наличием техногенных объектов и выражаются: в механических нарушениях почв, грунтов, перераспределении или полном удалении естественных покровов, загрязнении почв, грунтов, снежного покрова, поверхностных и подземных вод; нарушении режима поверхностного стока, приводящего к активизации процессов эрозии, подтопления, заболачивания, разрушению инженерных сооружений; трансформации температурного режима горных пород с образованием перелетков и чаш оттаивания, нарушению фильтрационно-

гидродинамического режима подземных вод, деградации многолетней мерзлоты, деформации инженерных сооружений и пр.

8. Даны рекомендации по минимизации негативных последствий проявления активизации ЭГП и увеличения глубин деятельного слоя, направленные на сохранность инженерных сооружений, увеличение площадей, благоприятных для строительства.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных Высшей аттестационной комиссией:

1. Савинцев И.А. Геокриологические условия Обь-Надымского междуречья // Литосфера. Выпуск 4. - Екатеринбург, 2009. - С. 119-123.

2. Особенности оценки степени трещиноватости пород при инженерно-геологическом изучении месторождений полезных ископаемых / И.В. Абатурова, И.А. Емельянова, А.Э. Зудилин, И.А. Савинцев II Инженерная геология. Выпуск 1.-М., 2011.-С. 68-72.

Статьи, опубликованные в других изданиях:

3. Абатурова И.В., Савинцев И.А. Методы изучения условий образования и распространения процессов сезонного промерзания и протаивания // Известия Уральской государственной горно-геологической академии. Серия: Геология и геофизика- Екатеринбург: Издательство УТТТА, 2004. - С.181-188.

4. Абатурова И.В., Грязнов О.Н., Савинцев И.А. Опасность изменения глубины слоя сезонного оттаивания, связанная с освоением территории севера Западной Сибири // Сергеевские чтения. Инженерно-экологические изыскания в строительстве: теоретические основы, методика, методы и практика. Выпуск 12: Материалы годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии (г. Москва, 23 марта 2006 г.). -М.: ГЕОС, 2006. -С. 103-105.

5. Абатурова И.В., Емельянова И.А., Савинцев И.А. Экологические условия и литомониторинг криолитозоны (на примере г. Надым) // Экологическая безопасность горнопромышленных регионов: материалы 1-го Уральского Международного экологического конгресса. Том 1 (г. Екатеринбург, 12-14 октября, 2007 г.). - Екатеринбург, 2007. -С. 9-12.

6. Активизация экзогенных геологических процессов при техногенном воздействии / О.Н. Грязнов, И.А. Емельянова, И.А. Савинцев, Л.М. Такутева // Сергеевские чтения. Международный год планеты Земля: задачи геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии. Выпуск 10: Материалы годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии (г. Москва, 20-21 марта 2008 г.).-М., 2008.-С. 121-124.

7. Грязнов О.Н., Савинцев И.А. Опасные геокриологические процессы Обь-Надымского междуречья // Материалы Уральской горнопромышленной декады. - Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2008. - С 50-51.

8. Абатурова И.В., Савинцев И.А., Емельянова И.А. Основные принципы инженерно-геологического районирования // Актуальные вопросы инженерной геологии и экологической геологии: Труды Международной научной конференции, Москва, геологический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова - М: Изд-во Московского университета, 2010. - С. 210-212.

9. И.А. Емельянова, И.А. Савинцев Температурный режим городских территорий криолитозоны (на примере г. Надым) // Международный научно-промышленный симпозиум «Уральская горная школа - регионам», г. Екатеринбург, 12-21 апреля 2010 г.: сборник докладов. - Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2010. - С. 130-131.

10. Савинцев И.А., Тактуев Е.М. Особенности условий миграции и накопления загрязняющих веществ в криолитозоне (на примере г. Салехард) // Экологическая безопасность промышленных регионов: материалы II Уральского международного экологического конгресса (г. Екатеринбург, Пермь, 17-20 мая, 2011 г.). - Екатеринбург: Свердловское отделение общественной организации «Международная академия наук экологии, безопасности человека и природы»; Институт экономики УрО РАН, 2011. -С. 117-120.

Глубина слоя сезонного оттаивания, м

I I I

<1,0 1,0-1,5 1,5-2,0 2,0-2,5 2,5-3,0 >3,0 Схематическая карта глубин СО Надымской площади.

Карта температур деятельного слоя Надымской площади (на период июль-август 2004 г.)

Подписано в печать2М ff Формат 60x84 '/16. Бумага офсетная. Печать на ризографе. Печ. л. 1,0. Тираж 120. Заказ ¿¡~Q.

Отпечатано с оригинал-макета в лаборатории множительной техники УГГУ 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30 Уральский государственный горный университет

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Савинцев, Иван Андреевич, Екатеринбург

61 12-4/65

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» Кафедра гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии

На правах рукописи

САВИНЦЕВ Иван Андреевич

Специальность 25.00.08 - «Инженерная геология, мерзлотоведение

и грунтоведение»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Научный руководитель -доктор геолого-минералогических наук профессор Грязнов О.Н.

Екатеринбург - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...............................................................................................4

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, АНАЛИЗ РАНЕЕ ПРОВЕДЕННЫХ

РАБОТ....................................................................................................................................11

ВЫВОДЫ....................................................................................................................................................16

2. ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ ДОЛИННЫХ ОБЛАСТЕЙ КРИОЛИТОЗОНЫ ЯНАО........................................................................................................18

2.1. Физико-географический очерк................................................................................................18

2.2. Геологическое строение......................... ................................................................23

2.3. Ландшафтно-геоморфологические условия................................................................33

2.4. Гидрогеологические условия...................... ........................................................41

2.5. Состав и физико-механические свойства грунтов террасового комплекса.......................................................................................................................................54

2.6. Экзогенные геологические процессы и явления....................................................61

ВЫВОДЫ....................................................................................................................................................79

3. ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ДОЛИННЫХ ОБЛАСТЕЙ КРИОЛИТОЗОНЫ ЯНАО............................................................................................................81

3.1. История формирования толщ многолетнемерзлых пород..............................81

3.2. Строение и закономерности распространения многолетнемерзлых пород..............................................................................................................................................................88

3.3. Температурный режим многолетнемерзлых пород..............................................103

3.4. Свойства мерзлых грунтов..........................................................................................................109

ВЫВОДЫ....................................................................................................................................................112

4. ДЕЯТЕЛЬНЫЙ СЛОЙ КАК ФАКТОР ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ............................................................................................114

4.1. Методы изучения и оценки деятельного слоя.............................. 114

4.2. Факторы развития деятельного слоя в условиях долинных областей криолитозоны..................................................................... 122

4.3. Деятельный слой долинных областей криолитозоны..................... 135

4.3.1. Мощности деятельного слоя по глубине сезонного оттаивания и промерзания....................................................................... 135

4.3.2. Температурный режим деятельного слоя................................... 149

ВЫВОДЫ.......................................................................... 156

5. ТРАНСФОРМАЦИЯ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ДОЛИННЫХ ОБЛАСТЕЙ КРИОЛИТОЗОНЫ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ТЕХНОГЕНЕЗА........................................ 158

5.1. Инженерно-геологическое районирование долинных областей криолитозоны..................................................................... 159

5.1.1. Типизация инженерно-геологических условий Салехардской площади............................................................................ 159

5.1.2. Типизация инженерно-геологических условий Надымской площади 160

5.2. Техногенные условия долинных областей криолитозоны............... 181

5.2.1. Техногенные условия Салехардской площади............................. 182

5.2.2. Техногенные условия Надымской площади................................ 189

5.3. Техногенная трансформация инженерно-геологических условий долинных областей криолитозоны........................................... 192

5.4. Рекомендации по минимизации негативных последствий проявления ЭГП и процессов сезонного промерзания и оттаивания горных пород на урбанизированных территориях долинных

областей криолитозоны........................ ................................. 206

ВЫВОДЫ.......................................................................... 209

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................. 211

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................... 214

ВВЕДЕНИЕ

Рядом исследователей также выполнено изучение отдельных компонентов инженерно-геологических условий, таких как: геокриологические условия (Попов А.И., 1948; Кудрявцев В.А., 1961; Ершов Э.Д, 1989; Крицук Л.Н., 2010); режим подземных вод (Анпилов В.Е., 1984); температурный режим грунтов и процессы промерзания и оттаивания (Балобаев В.Т. Павлов A.B., 1966, 1983, 1991, 2004; Фельдман Г.М., 1977, 1988; Хрусталев Л.Н., 1971, 2002, и др.; ВСЕГИНГЕО велись наблюдения на Надымском и Марре-Салинском

мерзлотных стационарах); развитие экзогенных геологических процессов (Емельянова Т.Я, 1990; Шур Ю.Л., 1988).

Несмотря на столь значительную историю изучения долинных областей криолитозоны ЯНАО, остается ряд проблем, требующих решения. На наш взгляд, наиболее актуальными являются: необходимость объективной оценки инженерно-геологических условий (ИГУ) территорий, базирующейся на выявлении основных природных компонентов и закономерностей их пространственной изменчивости, выполнение типологического инженерно-геологического районирования в масштабе не менее 1:50000, для целей дальнейшего освоения территории, оценка трансформации инженерно-геологических условий в пределах участков, подверженных техногенному воздействию.

Геологическая среда городской инфраструктуры является чрезвычайно чувствительной и неустойчивой к техногенным воздействиям. Она претерпевает серьезные нарушения, которые выражаются в интенсификации экзогенных геологических процессов, проявлении комплекса техноприродных процессов, приводящих к существенному изменению температурно-влажностных условий, глубин сезонного промерзания и оттаивания и, как следствие, к деформациям инженерных сооружений.

Основные задачи исследований включают:

- изучение деятельного слоя, как компонента ИГУ, разработка методики его изучения и оценки;

Фактический материал. В основу диссертации положен фактический материал, полученный автором в процессе полевых и камеральных работ при комплексной гидрогеологической, инженерно-геологической и геоэкологической съемке масштаба 1:50000 Салехардской (2000-2004 гг.) и Надымской (2004-2007 гг.) площадей в составе Ямальской научно-исследовательской геологической экспедиции (ЯНИГЭ) Уральского государственного горного университета (научный руководитель работ доктор геолого-минералогических наук Грязнов О.Н., ответственный исполнитель кандидат геолого-минералогических наук Абатурова И.В.), обработанный с применением компьютерных технологий в период обучения в очной аспирантуре (2005-2008 гг.), а также опубликованные и фондовые работы. Диссертация завершена в процессе выполнения госбюджетных научно-исследовательских работ в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-

педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (Госконтракт № 02.740.11.0679 от 29.03.2010).

Методы исследований. В процессе работы использован комплекс методов, включающий: изучение, анализ и обобщение геологических, инженерно-геологических и гидрогеологических материалов по теме диссертации; маршрутные наблюдения при инженерно-геологической и геоэкологической съемке масштаба 1:50000 Салехардской и Надымской площадей; опробование грунтов; лабораторные исследования грунтов в аккредитованных лабораториях по аттестованным методикам; математические методы обработки информации с использованием компьютерных технологий; методы создания картографических моделей и баз аналитической информации.

Научная новизна работы:

- выявлены инженерно-геологические особенности долинных областей криолитозоны;

- установлены факторы инженерно-геологических условий долинных областей криолитозоны и закономерности пространственной изменчивости их компонентов;

- установлены закономерности формирования деятельного слоя в пределах долинных областей криолитозоны; разработана методика его изучения, основанная на температурной съемке;

- проведено типологическое инженерно-геологическое районирование долинных областей криолитозоны;

- выполнена оценка техногенной трансформации ИГУ в пределах урбанизированных территорий долинных областей криолитозоны.

и г. Надыма при планировании осваиваемых территорий, а также при совершенствовании генерального плана развития городов.

Апробация работы. Основные материалы, защищаемые научные положения диссертационной работы изложены в докладах на Всероссийской научной конференции-конкурсе студентов выпускного курса (Санкт-Петербург, 2006 г.), Всероссийской конференции "риск-2006" «Оценка и управление природными рисками» (Москва, 2006 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Эколого-геологические проблемы урбанизированных территорий» (Екатеринбург, 2006 г.), Годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии «Сергеевские чтения» (Москва, 2006 г.), Первом и Втором Уральском международном экологическом конгрессе «Экологическая безопасность горнопромышленных регионов» (Екатеринбург, 2007, 2011 г.), конференциях молодых ученых УГГУ в рамках Уральской горнопромышленной декады (Екатеринбург, 20052009 гг.), на научных семинарах кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии УГГУ.

Основные защищаемые научные положения:

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 131 наименование. Объем работы - 222 страницы текста, в том числе 61 рисунок, 27 таблиц.

Четвертая глава посвящена изучению деятельного слоя как особого компонента инженерно-геологических условий долинных областей криолитозоны ЯНАО, разработке методики его изучения на основе температурной съемки.

Пятая глава посвящена инженерно-геологическому районированию долинных областей криолитозоны ЯНАО, оценке трансформации ИГУ на урбанизированных территориях и разработке рекомендаций по минимизации негативных последствий техногенного воздействия.

Автор благодарит администрации г. Салехарда и г. Надыма за оказанное содействие при сборе материалов.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, АНАЛИЗ РАНЕЕ ПРОВЕДЕННЫХ

РАБОТ

Под инженерно-геологическими условиями (ИГУ) территории, по В.Т. Трофимову [26] понимается вся совок�

Информация о работе

Савинцев, Иван Андреевич
кандидата геолого-минералогических наук
Екатеринбург, 2012
ВАК 25.00.08

Диссертация

Инженерно-геологические условия долинных областей криолитозоны ЯНАО - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы