Инженерно-геологические проблемы мегаполисов юга России и их влияние на строительство

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание учетной степени

доктора геолого-минералогических наук

ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ МЕГАПОЛИСОВ ЮГА РОССИИ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА СТРОИТЕЛЬСТВО

Специальность: 25.00.08 - инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Махова Светлана Ивановна

Волгоград - 2011 г.

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет".

Научный консультант:

доктор геолого-минералогических наук, профессор Синяков Владимир Николаевич.

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук, профессор Сианисян Эдуард Саркисович, Южный федеральный университет, г. Ростов-на-Дону;

доктор геолого-минералогических наук, профессор Богуш Илья Александрович, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт), г. Новочеркасск;

доктор геолого-минералогических наук, профессор Гольчикова Надежда Николаевна, Астраханский государственный технический университет, г. Астрахань.

Ведущая организация: ООО "ЛУКОЙЛ-ВолгоградНИПИморнефть", г. Волгоград.

Защита состоится "24" июня 2011 года в 10 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.026.02 в ГОУ ВПО "Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет" по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, д.1, ауд. Б-203, Факс: (8442) 969-991.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО "Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет".

Автореферат разослан "__" 2011 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Анисимов Л.А.

КРАКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Сравнительный анализ инженерно-геологических проблем территорий мегаполисов юга России характеризует ситуацию как экстремальную.

Наиболее изученной и представительной территорией является Волгоградский мегаполис, где загрязнены грунтовые, поверхностные воды и атмосфера на площади 972 квадратных километра. В г. Волжском, построенном полвека назад, грунтовые воды до начала строительства располагались на глубине 27 м, а в настоящее время - на глубине 3,4-5 м. Скорость подъема уровня грунтовых вод (УГВ) колеблется от 0,15 до 1,3 м в год.

Мегаполис включает территорию двух городов - Волгограда и Волжского с населением соответственно 1 млн. и 0,5 млн. человек и представляет крупнейший центр Нижнего Поволжья. Протяженность - 102 км при ширине 3-10 км. Гидрогеологические условия мегаполиса характеризуются наличием 19 водоносных горизонтов. Первые работы, оценивающие значимость инженерно-геологических процессов на территории мегаполиса, относятся к 60-м годам. Изучение их было продолжено автором и другими исследователями, однако лишь сейчас в связи с систематизацией материала по региону в целом можно судить о масштабе этой проблемы.

В мегаполисе зафиксировано более 470 участков подтопления зданий и сооружений, вызванных подъемом УГВ. Территории заводов и жилых кварталов подтоплены практически полностью, и фундаменты находятся ниже УГВ. В районах распространения набухающих глин отмечаются участки интенсивного набухания, в результате чего происходят поднятия поверхности земли, деформации фундаментов, разрыв коллекторов, разрушение асфальтовых покрытий, выпор полов, появление трещин в зданиях. В городе в результате набухания деформировано 145 зданий и сооружений.

Изменения в подземной гидросфере являются важнейшей причиной образования 95 из 117 зафиксированных в городе оползней. Стоимость берегоукрепительных работ составляет от 3 до 7 млн. руб. на 1 км берега, а протяженность береговой полосы мегаполиса составляет более 100 км. Затраты, предусмотренные схемой инженерной защиты Волгограда от подтопления, превышают 770 млн. руб. в ценах того времени. Таковы издержки недостаточно грамотного освоения территории.

В Ростовском мегаполисе подтопленными являются 60 км ² (43 % площади). За последние 30 лет рост нагрузки на геологическую среду привел к ее критическим трансформациям. Если УГВ на незастроенных территориях находились на глубинах 18-30 метров, то в результате урбанизации УГВ поднялся на 15-20 м. до отметок 1-2 метра от поверхности; скорость подъема УГВ достигала 1 м в год.

Подтопление провоцирует деградацию прочностных свойств грунтов, что обусловливает развитие опасных процессов, таких как оползни, просадки, набухание, провалы и др. Они наблюдаются во всех техногенно-подтопленных городах ЮФО.

На территориях, сложенных лессовыми породами, происходят повышение их влажности и просадки грунтов. 24 % от изученных 1996-и аварийных домов и 76 % их аварийных деформаций приходятся на утечки из коммуникаций. Аварийные деформации более 400 зданий от просадок в г. Ростове-на-Дону произошли из-за изменения влажности лессов с 0,4 до 0,8. Модуль деформации грунтов уменьшился в 5-7 раз; в замоченных суглинках несущая способность свай (НСС) снизилась на 20-40 %. Процессы в г. Ростове-на-Дону, развивающиеся из-за прогрессирующего подтопления, следует считать экологическим бедствием.

Интенсивный подъем УГВ и подтопление отмечаются в Саратовском мегаполисе. Главной причиной подтопления является ликвидация естественной дренажной сети - балок и оврагов. В центре города УГВ за 15-летний период поднялся на 4,5-5 м. Подъем УГВ и подтопление отмечаются на территории ТЭЦ, где до начала строительства УГВ находился на глубине 12-14. В скважине 416 в центре г. Саратова глубина УГВ в 1930 г. была равна 16 м, в 1950-14 м, в 1970-10 м, 1980-7 м. В период 1990-2010 г. уровень воды стабилизировался на глубине 4 м.

Подтоплению подвержено более 50 % застроенной территории Саратова, в том числе 22 км ² жилой застройки.

Из опасных геологических процессов в пределах г. Саратова и его окрестностей наиболее широко развиты эрозионные и суффозионно-карстовые процессы, а также заболачивание, подтопление и оползневые явления. На территории города существует более 30 активных оползневых зон; каждый год происходит 1-2 оползневые подвижки.

Проблемы подтопления и сопутствующих процессов не ограничиваются рассмотренными мегаполисами и характерны для других городских территорий. В качестве примера рассмотрен г. Новочеркасск, который входит в число 2000 крупных городов мира с населением более 100 тыс. человек. В этом городе 50 % занимаемой площади подвергается интенсивному подтоплению грунтовыми водами с высокой минерализацией, агрессивностью и загрязненностью техногенными продуктами. В целом территория Новочеркасска по состоянию почв и подземных вод относится к зоне чрезвычайной экологической ситуации.

Еще один пример посвящен Астраханской городской агломерации (500 тыс. жителей), где подтоплена территория общей площадью 210 км ², из них 30 км ² занимают водоемы. Анализ распределения этих участков в зависимости от ИГУ показал, что в районах, сложенных глинистыми и лессовыми породами, подтопление развивается при любом типе застройки в селитебной зоне и на предприятиях любой отрасли промышленности в промышленной зоне. На 30 % территории УГВ залегает на глубине 0,5 м, на 35 % - 1 м, а на остальной площади глубина залегания УГВ превышает 1,5 м. В районах развития песчаных отложений подтопление отсутствует из-за хорошей дренированности территории.

Цель работы состоит в выявлении закономерностей инженерно-геологических условий (ИГУ) Волгоградского и других мегаполисов юга России, их влиянии на приповерхностную часть литосферы, природно-технические системы и среду обитания человека для прогноза и предупреждения негативных последствий.

Для достижения цели решались следующие задачи:

· анализ современного состояния изученности ИГУ территории;

· изучение инженерно-геологических особенностей Прикаспийской впадины;

· анализ влияния соляной тектоники на инженерно-геологические условия региона;

· изучение особенностей геологических, тектонических, геоморфологических, гидрогеологических (ГГУ), геодинамических условий, состава и физико-механических свойств (ФМС) грунтов;

· анализ пространственных закономерностей ИГУ, детализация и уточнение карты и схемы ИГР территории;

· изучение геофизических и геохимических аномалий, обусловленных соляными структурами;

· сравнительная характеристика ИГУ Прикаспийской синеклизы и Приволжской моноклинали в условиях Волгоградского мегаполиса;

· инженерно-геологическое обоснование проектирования и строительства оснований и фундаментов на территории мегаполиса;

· исследование закономерностей несущей способности оснований и фундаментов.

Научная новизна:

· выполнено теоретическое обоснование включения в схему ИГР Волгоградского мегаполиса нового ИГ района, называемого районом распространения песчаных грунтов прирусловых отмелей и осередков;

· в результате расширения границ мегаполиса за счет ранее неосвоенных территорий обнаружены и изучены скифские глины, которые по физико-механическим свойствам соответствуют аналогам на территории к западу от мегаполиса;

· на базе собственных разработок и анализа обширных фондовых материалов доказан комплексный характер влияния подтопления на загрязнение литосферы, гидросферы, атмосферы и биосферы в условиях ПКВ;

· детализирована и уточнена схема структур Паромненско-Красноармейской соляной антиклинали и распространения тектонических разломов, что подтверждается картами Г.А. Бражникова и А.Л. Лосева. Выявлен однотипный характер скоростей вертикальных движений структур;

· обосновано и подтверждено инструментальными наблюдениями формирование над соляными куполами зон растяжения с повышенной трещиноватостью, флюидопроницаемостью, усиленным газо- и водообменом;

· выявлено формирование над соляными куполами геофизических и геохимических аномалий как потенциальных геопатогенных зон.

Методы исследований. При выполнении работы использовались методы сравнительного анализа и обобщения, математической статистики, механики грунтов, оснований и фундаментов, картографирования, районирования, инженерной геологии и неотектоники.

Обоснованность и достоверность результатов исследований обоснована корректным использованием общепринятых математических и статистических методов, многолетними исследованиями автора в области инженерной геологии, оснований и фундаментов, картографирования, большим объемом лабораторных и опытно-полевых исследований и положительным опытом практической реализации результатов.

Практическая значимость и реализация результатов исследований. Прогноз негативных изменений в массивах горных пород, рельефе, ГГУ, опасных геологических процессах может использоваться и используется в проектных, строительных и изыскательских организациях Нижнего Поволжья при разработке защитных мероприятий. Результаты исследований автора, включая испытания уникальных глубоких забивных и буронабивных свай статическими и динамическими нагрузками, использовались при строительстве ряда многоэтажных зданий. Теоретические положения и методические разработки используются в учебном процессе в ВолгГАСУ при чтении лекционных курсов "Инженерная геология" и "Геоэкология".

Фактический материал. Работа выполнена на основе исследований автора, проведенных во время работы соискателем и обучения в аспирантуре и докторантуре на кафедре инженерной геологии и геоэкологии ВолгГАСУ. Был также использован большой объем опубликованной литературы и фондовых материалов: буровых, геологических, инженерно-геологических, ГГУ и других исследований различных изыскательских организаций: НижневолжТИСИЗ, ЗАО "Радиан", ООО "Стройинвест", Гипроводстрой и других. инженерное геологическое мегаполис российская

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Детальная характеристика геологического строения, тектоники, геоморфологических, геодинамических условий, ГГУ, состава и свойств грунтов мегаполиса применительно к различным типам фундаментов.

2. Пространственные закономерности ИГУ, детализация и уточнение на основе новых данных схемы ИГР территории.

3. Оценка, сравнительный анализ и прогноз изменений ИГУ ряда мегаполисов и городов юга России.

4. Зависимости прочностных и деформационных свойств важнейших типов грунтов от их состава и физических свойств, значения несущей способности различных типов свай в основных типах ИГР.

Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты работы докладывались и были представлены на отечественных и международных совещаниях и конференциях: "Экология, охрана среды, строительство" (Волгоград, 2001); "Петрографические, историко-геологические и пространственные вопросы в инженерной геологии" (Москва, 2002 г.); "Качество внутреннего воздуха и окружающей среды", (Волгоград, 2002 г.); "Единый Каспий: Межгосударственное сотрудничество и проблемы экономического и социального развития региона", (Астрахань, 2002 г.); "Архитектура, строительство, экология", (Барселона, 2002 г.); "Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций" (Волгоград, 2003 г.); "Социально-экономические и технологические проблемы развития строительного комплекса и жилищно-коммунального хозяйства региона" (Михайловка, 2006 г.); "Мониторинг геологических, литотехнических и эколого-геологических систем" (Москва, 2007 г.); "Региональные проблемы экологической безопасности природных и антропогенных объектов" (Липецк, 2007 г); "Инновационные ресурсы для развития строительства доступного и комфортного жилья в Волгоградской области" (Волгоград, 2008 г.); "Ученые Волгограда - развитию города" (Волгоград, 2009); "Водохозяйственные проблемы и рациональное природопользование" (Оренбург, 2008); "Актуальные вопросы инженерной геологии и экологической геологии" (Москва, 2010 г.).

Публикации. Основные результаты опубликованы в 35 работах, из которых 1 монография и 9 по списку, рекомендованному ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация объемом 300 страниц состоит из введения, 9 глав, заключения, 55 таблиц, 54 рисунка. Список использованной литературы включает 300 наименований.

Автор глубоко признателен научному консультанту проф. В.Н. Синякову за его поддержку, внимание и сотрудничество на всех этапах работы. Автор искренне признателен сотрудникам кафедры инженерной геологии и геоэкологии за внимание к работе, доброжелательность и поддержку.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Современное состояние изученности инженерно-геологических условий Волгоградского мегаполиса и их изменений под влиянием техногенеза. Хотя изучение геологии района началось в XVIII веке, первыми основательными инженерно-геологическими (ИГ) исследованиями явились изыскания Гидропроекта для канала Волго-Дон и Волгоградской ГЭС в 40^х-50^х гг. В результате был выявлен крупнейший тектонический разлом между Воронежской антеклизой и Прикаспийской синеклизой (Г.И. Горецкий, Н.П. Синяков, Г.А. Бражников) вдоль долины Волги, разделяющий регион на западную (Правобережную) и восточную (Левобережную) части.

В 1980 г. В.Н. Синяковым и С.В. Кузнецовой была впервые составлена карта инженерно-геологического районирования Нижнего Поволжья в масштабе 1:500000.

Геологическое строение и тектоника региона представлены в ряде монографий: Ю.А. Косыгина (1960), П.Я. Аврова и Л.Г. Космачевой (1960), Р.Г. Гарецкого, А.Л. Яншина (1960), Р.Б. Сейфуль-Мулюкова, Ю.М Васильева (1967), B.C. Журавлева (1972), Н.В. Неволина, Н.Е. Кунина, АЛ. Андреева (1977), B.C. Конищева (1982), Л.А. Анисимова (1983), А.Л. Яншина, А.Е. Шлезингера (1987), О.Г. Бражникова (1997), А.В. Бочкарева (2006).

Строение осадочного чехла отражено в работах Л.Б. Аристарховой, Ю.М. Васильева, Ю.В. Ваньшина, А.В. Вострякова, Г.И. Горецкого, Н.И. Николаева, А.А. Свиточа, В.Н. Синякова, П.Ф. Федорова, В.Л. Яхимович.

Геоморфологические условия региона исследовали: Л.Б. Аристархова, В.А. Брылев, В.А. Востряков, Г.И. Горецкий, А.Г. Доскач, М.М. Жуков, П.А. Каплин, O.K. Леонтьев, Е.Г. Маев, С.И. Махова, О.А. Мещеряков, А.И. Москвитин, В.А. Николаев, Г.И. Рычагов, А.А. Свиточ, П.В. Федоров, А.В. Цыганков.

Гидрогеологические условия региона изучены и опубликованы в работах Л.А. Анисимова, В.А. Бочкаревой, М.К. Корольковой; Н.А. Маринова, М.П. Распопова, О.И. Серебрякова, А.В. Сотникова, Ж.С. Согдыкова, Р.И. Ткаченко.

Свойства пород региона изучены в обобщающих работах В.Н. Синякова (1984, 2005), а также С.К. Арбузовой, С.Н. Егорова, Н.П. Затенацкой, Ю.И. Панова, И.С. Реутовой, И.А. Сафохиной, В.И. Стешенко, Н.В. Коломийцева.

Характеристика геологических и инженерно-геологических (ИГ) процессов опубликована в работах В.Н. Синякова, а также А.В. Вострякова, А.И. Дзенс-Литовского, В.В. Дмитриева, В.Н. Зайонца, Р.С. Зиангирова, Г.В. Короткевича, С.В. Кузнецовой, Г.И. Леонтьева, Ю.А. Мещерякова, А.А. Никонова, Ю.П. Николаева, В.А. Прохорова, В.М. Седайкина, С.А. Сладкопевцева, И.О. Тихвинского, А.В. Цыганкова, М.А. Шубина, В.Н. Экзарьяна и других исследователей.

Инженерно-геологические и геоэкологические последствия освоения Прикаспийского и смежных регионов обсуждались в работах кафедры инженерной геологии и геоэкологии (1987-2011 гг.) на основании сравнительного анализа многочисленных материалов. Этой проблемой занимались Л.А. Анисимов, А.В. Бочкарев, Н.И. Воронин, А.Я. Гаев, Н.И. Гольчикова, О.И. Серебряков и другие исследователи в разных регионах.

Глава 2. Инженерно-геологические особенности территории Волгоградского мегаполиса. Солянокупольпая тектоника Волгоградского мегаполиса. Волгоградский мегаполис расположен в пределах Прикаспийского со-лянокупольного бассейна - крупнейшего в мире региона развития соляных куполов. На территории, занимающей около 500 тыс. км ², насчитывается более 1758 соляных структур, в других регионах число их измеряется сотнями, и с появлением новых данных быстро увеличивается. В 60-х годах число куполов в ПКВ оценивалось от 1100 до 1200. Многообразие форм и условий залегания соли и надсолевых отложений позволяет на примере этого региона наиболее полно изучить особенности солянокупольной тектоники и ее влияния на условия строительства. Представления о тектонике региона в значительной мере определились в результате выполнения обширной программы региональных геолого-геофизических исследований, а также проведения поисково-разведочных работ (С. Эвентов, Х. Соколин).

В геотектоническом отношении Северный Прикаспий является наиболее прогнутой частью юго-востока Русской платформы, именуемой Прикаспийской впадиной (ПКВ). Она занимает юго-восточный угол Восточно-Европейской платформы в зоне полупустынь и сухих степей и характеризуется аридным и континентальным климатом с резким превышением испаряемости (800-1000 мм) над осадками (100-350 мм).

По структурным особенностям впадина разделена на две различные тектонические области - прибортовую зону и внутренние солянокупольные районы (Г.А. Бражников). Западная граница Прикаспийской впадины определяется по гравитационному уступу, который трассируется от Волгограда в северном направлении вдоль русла Волги. Выше г. Дубовки он постепенно отклоняется к востоку, переходит на левобережье и на широте г. Камышина располагается восточнее Волги на 30-32 км.

Хотя интерес к сравнительному геологическому изучению солянокупольных впадин возник относительно давно в связи с их высокой нефтегазоносностью, инженерно-геологические условия и особенности этих регионов как особого типа платформенных структур ранее не рассматривались. Помимо ПКВ, к ним относятся Примексиканская впадина (ПМВ) в США, североморская (СМ) в Европе и Габонская в Африке.

В первой части главы на основе обобщения большого фактического материала выполнен сравнительный анализ структурно-тектонических особенностей и связанных с ними особенностей строения осадочного чехла этих регионов. Наибольшее внимание уделено инженерно-геологическим особенностям толщи четвертичных отложений и палеогеографическим условиям их образования. Основой анализа помимо личных материалов автора явились труды Л.Б. Аристарховой, Ю.М. Васильева, А.Д. Наумова, Н.И. Николаева, А.А. Свиточа, В.Н. Синякова, П.В. Федорова, В.Л. Яхимович и других исследователей.

Анализ позволил выявить однотипность и яркое своеобразие геолого-тектонических условий солянокупольных впадин, резко отличающее их от типичных внутриплатформенных структур, например, Московской синеклизы. Для них характерны субокеанический тип земной коры, т. е. вздымание поверхности Мохоровичича, выклинивание гранитного и уменьшение базальтового слоя. Фундамент впадин погружен на аномальную глубину, достигая 25 км в ПКВ. Основным типом тектонических движений на протяжении геологической истории всех впадин было погружение, что привело к формированию необычайно мощного осадочного чехла, разделенного на три комплекса: подсолевой, солевой и надсолевой.

Унаследованное прогибание продолжалось и в новейший этап развития каждой из впадин; это обусловило неоднократные трансгрессии морей и накопление на огромных территориях мощных толщ дисперсных плиоцен-четвертичных отложений, что также нетипично для внутриплатформенных структур. Показано, что строение этих толщ достаточно сложно вследствие неоднократных миграций береговых линий и долин рек. Поэтому в пределах каждого горизонта наблюдается пестрое сочетание осадков морского и континентального происхождения, которые взаимно замещают друг друга в плане и разрезе.

Влияние соляной тектоники на инженерно-геологические условия региона. Характерной и очень важной особенностью областей галокинеза является соляная тектоника. Первоначальная мощность солевого комплекса составляла в ПКВ 3-4 км; в наше время поверхность соли резко расчленена, и мощность комплекса колеблется на отдельных структурах от 0 до 10 км. Соляные структуры представлены положительными формами (купола, антиклинали) и сопряженными с ними отрицательными формами - межкупольными депрессиями, компенсационными мульдами, мульдами оседания и грабенами. В работе показано, что соляная тектоника оказывает влияние на все компоненты ИГУ рассматриваемых территорий.

Влияние галокинеза на геологическое строение выражается в появлении на участках открытых соляных куполов скальных пород палеозоя - кайнозоя, а также галоидов соляного комплекса, в целом нетипичных для впадин, перекрытых чехлом четвертичных пород. Напротив, во многих межкупольных депрессиях соль полностью отсутствует. На соляных куполах наблюдается дислокация покровных пород, уменьшение их мощности и изменение состава в сторону более грубого, а в отрицательных структурах мощность покровных отложений резко возрастает. Ярким примером является мульда купола Новобогатинск Прикаспийской впадины, где подошва четвертичных отложений выявлена на глубине 500 м; в работе приведен ряд сходных данных по другим территориям.

Существенное значение для ИГУ Прикаспия имеет связь соляных структур с условиями залегания хвалынских шоколадных глин, являющихся основанием многих сооружений. По условиям залегания, особенностям состояния и физико-механических свойств глины разделяются на две разновидности, для которых предлагались такие названия, как глины нетрещиноватые и трещиноватые, большой и малой мощности, глубокого и мелкого залегания (Приклонский и др., 1956; Егоров, 1968; и др.). Но ни один из этих признаков не учитывает всего комплекса различий. Поэтому в современной литературе хвалынские глины подразделяют на разновидности участков отрицательных и положительных солянокупольных структур.

Глины первой разновидности мощностью до 20 м накапливались в межкупольных депрессиях, выраженных в рельефе пониженными участками с неглубоким залеганием УГВ, в связи с чем глины обводнены, имеют высокую влажность, пористость, консистенцию, низкую прочность и высокую сжимаемость. Глины, как правило, ненабухающие.

Глины второй разновидности располагаются на повышенных участках в виде маломощного (до 5-7 м) слоя. Они залегают выше УГВ, сильно выветрелы, имеют низкую влажность и пористость, высокую прочность и слабую деформируемость, сильно набухают.

В ВолгГАСУ автором исследована связь условий залегания этих разновидностей хвалынских глин с соляными структурами разных знаков на примере двух ИГ разрезов протяженностью 50 км, один из которых ориентирован вдоль правого берега Волги, второй расположен в Волго-Уральском междуречье. Было выявлено отчетливое сходство профилей, отражающих соляную тектонику, с условиями залегания глин. Депрессии, в которых располагаются глины первой разновидности, соответствуют межкупольным депрессиям, а глины второй разновидности залегают над соляными куполами.

В рельефе влияние соляной тектоники заключается в том, что положительные соляные структуры отражаются повышенными участками поверхности, излучинами рек, деформацией террасовых уровней, усилением густоты овражного расчленения. Отрицательные соляные структуры выражены в виде меандрирующих участков речных долин, лиманов, солегрязевых западин - соров и других пониженных участков.

Весьма специфическими формами рельефа Прикаспия являются бугры Бэра - удлиненные невысокие гряды, сложенные эоловыми песчано-глинистыми и лессовыми породами, и ареалы их распространения соответствуют участкам солянокупольных поднятий, что доказано Л.Б. Аристарховой. Аналогичные формы рельефа, получившие название алевритово-глинистых дюн, имеются в Примексиканской впадине (X. Бернард, 1968). В работах ВолгГАСУ установлено, что границы района их распространения близки контурам солянокупольного района Рио-Гранде.

Гидрогеологические условия краевых впадин также находятся под влиянием галокинеза. Соляные купола играют роль очагов разгрузки, по которым происходит миграция подземных вод. Минерализация вод вблизи куполов увеличивается, достигая степени рассолов, что отмечается на многих участках ПКВ, в ФРГ, ГДР и США. Глубина залегания УГВ в Прикаспии также зависит от типа соляных структур. На возвышенных участках, соответствующих куполам, УГВ располагается на глубине 15-20 м, а в пределах бессточных впадин, отражающих мульды, она равна 2-4 м.

Состав и физико-механические свойства пород также испытывают влияние соляной тектоники, изученное в ВолгГАСУ по данным более 1200 полевых и лабораторных определений на примере двух разновидностей хвалынских глин, расположенных на куполах и мульдах. Состав и физико-механические свойства глин двух разновидностей имеют различия, отражающие неодинаковую историю их формирования.

В развитии современных геологических процессов соляной тектонике принадлежит особая роль. Принципиально важное и еще недооцененное значение имеют современные движения рельефа, происходящие на куполах со скоростью от 1 до 14,8 мм/год.

С соляными куполами связаны разрывные дислокации рельефа, которые могут оказывать влияние на инженерные сооружения. По данным Е. Вербика, на побережье Мексиканского залива между городами Викторией и Бомонтом (Техас) обнаружены сотни разломов, сконцентрированные в районах интенсивного соляного диапиризма. Более 10 % разломов активны, что отражается в деформациях и разрушениях автомобильных и железных дорог, смещениях и разрывах пород плейстоцена и голоцена. Разрывные дислокации на соляных структурах имеются также в ФРГ и Прикаспии.

Среди экзогенных процессов особенно значение имеет соляной карст, наиболее интенсивный из всех его разновидностей. Карст и его активизация под влиянием техногенеза представляет одну из самых серьезных ИГ проблем в Германии, особенно в городах. Приведенные в работе данные показывают, что эта проблема характерна для многих областей галокинеза, в том числе и в связи с созданием куполов в качестве подземных хранилищ.

Несмотря на ограниченное развитие соляного карста на территории ПКВ, можно предвидеть неизбежность его распространения в связи с активным ростом освоения уникальной нефтегазоносной провинции.

В работе показано влияние соляных структур на развитие других экзогенных процессов. Положительным соляным структурам в ПКВ сопутствуют денудационные процессы: речная и овражная эрозия, плоскостной смыв, дефляция, а отрицательные структуры являются участками речной, озерной, болотной и эоловой аккумуляции. Просадочность лессовых пород и набухание глин на куполах значительно выше, чем в депрессиях, что отражает различия в рельефе и увлажненности пород. Установлено опосредованное влияние соляных структур различного знака на развитие оползней.

Строение земной коры, фундамента и осадочного чехла. Волгоградский мегаполис расположен в юго-восточной части Русской платформы. В пределах описываемой территории ее фундамент сложен архейско-протерозойскими метаморфическими сериями и древними интрузиями, а платформенный чехол - осадочными среднедевонскими и более молодыми породами. Толща осадочных пород над фундаментом имеет мощность от 2 до 10-18 км, увеличиваясь к Прикаспию.

Нижняя часть пермской системы представлена доломитами, известняками и ангидритами, кунгурский ярус - толщей соли, залегание которой в ПКВ искажено галокинезом. В соляных куполах мощность соли измеряется километрами, а в мульдах сокращается до нуля. Верхний отдел системы сложен известняками, доломитами и глинисто-мергельной толщей.

Триасовая система сложена песчаниками, алевролитами, глинами, мергелями и известняками. Юрская система представлена глинами, алевритами, алевролитами, песчаниками, известняками и мергелями.

Огложекия меловой системы широко распространены. Характерен турон-коньякский ярус. В основании залегает песчанистый мел, фосфориты, выше - писчий мел, мергели, опоки, алевриты, песчаники.

Палеогеновая система включает три отдела. Древнейшими являются отложения сызранской свиты, сложенные опоками. Выше залегают песчаники, еще выше - слюдистые пески с глыбами песчаника. Камышинская свита представлена глиной, на которой залегают пески и песчаники. Пролейская свита сложена песками с прослоями опок и песчаников. Сызранская.свита представлена песками с прослоями опок и песчаников, мечеткинская - песками и песчаниками. Киевская свита представлена мергелями и глинами. Майкопская сложена слоистыми глинами.

Неогеновая система подразделяется на два отдела: миоцен и плиоцен.

Гуровская свита залегает в долинах древних палеорек, сложена крупными песками с галькой, перекрытыми коричневыми глинами. Ергенинская свита сформировалась в начале плиоцена в речных и дельтовых условиях и сложена песками мощностью до 30-40 м. Скифская свита развита к западу от Волгограда, где Волго-Донской водораздел покрыт красно-бурыми глинами и суглинками; это отложения древних долин донской системы, заполняющие палеорусла шириной 10-20 м, врезанные на глубину до 20 м.

В верхнеплиоцен-антропогеновую стадию в ПКВ обособилась область прогибаний, в которой происходили крупнейшие трансгрессии Каспия - акчагыльская, апшеронская, бакинская, хазарская, хвалынская, новокаспийская; их важнейшим результатом было накопление мощной толщи морских, в ос-новном глинистых осадков.

Глава 3. Геоморфологические условия. Прикаспийская впадина в целом в орографическом плане разделяется на Прикаспийскую низменность и обрамляющие ее с запада, севера и востока возвышенности: Сыртовую равнину, Общий сырт, Подуральское (Урало-Эмбенское) плато, часть Ергенинской и Приволжской возвышенностей. Прикаспийской аккумулятивной низменности соответствует в неотектоническом плане новейшая синеклиза, а возвышенности являются участками поднятий и представлены денудационными равнинами от олигоценового до раннеплейстоценового возраста.

Прикаспийская низменность представляет плоскую равнину, чрезвычайно полого наклоненную к морю: абсолютная высота низменности составляет на окраинах 48-50 м, у моря - 28 м.

Основными генетическими типами морфоструктуры являются аккумулятивные равнины морского, эолового и аллювиального происхождения. Рельеф низменности имеет ярко выраженную концентрическую зональность: северную часть низменности занимает морская аккумулятивная равнина, освободившаяся из-под уровня моря в середине верхнего плейстоцена и сложенная преимущественно глинистыми породами; далее к югу располагается песчаная поверхность морской верхнехвалынской равнины конца верхнего плейстоцена и сформировавшейся на ней эоловой равнины голоценового возраста, а на самом побережье моря располагается неширокая полоса приморской равнины голоценового возраста. Аккумулятивная равнина долины Волги пересекает всю низменность.

Морская аккумулятивная равнина нижнехвалынского возраста располагается между предсыртовым уступом на севере и нулевой горизонталью на юге. Поверхность равнины сложена преимущественно морскими суглинками и глинами, реже песками.

Чрезвычайно малая амплитуда неровностей рельефа, наряду с засушливостью климата, относительной молодостью рельефа и отсутствием рек с постоянным стоком обусловливают его малую расчлененность.

К отрицательным формам рельефа относятся многочисленные бессточные впадины, образование которых связано с соляной тектоникой, а также нетектоническими причинами.

Помимо названных в главе 2, впадинами тектонического происхождения являются лиманы в межкупольных депрессиях (Большом Лимане и др.), а также многочисленные озерные и соровые котловины, приуроченные к соляным структурам и линиям тектонических нарушений, что было установлено по космическим снимкам. К впадинам нетектонического происхождения относятся падины. Большие падины (диаметром 0,5-5 км) образовались в неровностях морского дна, небольшие (глубиной от 0,5 диаметром 0,1-0,3 км) имеют суффозионно-просадочное происхождение, как и степные блюдца диаметром от 1 до 20-30 м.

Морская аккумулятивная равнина верхнехвалынского возраста соответствует территории распространения верхнехвалынской трансгрессии, за исключением центральной части, где на песчаном верхнехвалынском субстрате образовалась эоловая равнина голоценового возраста.

Поверхность равнины сложена верхнехвалынскими морскими и аллювиально-морскими песчаными и супесчаными отложениями, в значительной степени перевеянными, что обусловило образование массивов бугристых, бугристо-котловинных и бугристо-барханных песков, слабо закрепленных растительностью. Имеются плоскодонные депрессии глубиной 1-2 м, протяженностью 0.2-1.5 км, занятые мелкими озерами.

Эоловая аккумулятивная равнина голоценового возраста, образовавшаяся в результате перевевания верхнехвалынских песчаных осадков, имеет абсолютные отметки от 0 на севере до -20 на юге и характеризуется чередованием бугристых и бугристо-барханных песков с массивами барханных гряд, ориентированных с юго-востока на северо-запад. Отрицательные формы рельефа представлены дефляционными котловинами, часто занятыми солончаками, сорами и соляными озерами. Глубина дефляционных котловин достигает 8 м, диаметр 2000 м.

Морская аккумулятивная равнина голоценового возраста протягивается узкой полосой вдоль побережья Каспийского моря и сложена маломощным чехлом песчаных и супесчаных отложений. Абсолютные отметки поверхности от - 25 до - 27 м. На отдельных участках встречаются реликты бэровских бугров, ложбины стока, образованные сгонно-нагонными процессами, а также начальные формы эоловой переработки.

Аллювиальные и аллювиально-морские аккумулятивные равнины представлены дельтой и долиной Волги.

В долине Волги выделяется пойма и 5 надпойменных террас различного возраста. Наиболее древняя (бакинская) терраса, имеющая нижнечетвертичный возраст, в настоящее время сильно деформирована и встречается лишь на отдельных участках в северной части долины, где перекрывается лессовыми породами верхнего горизонта сыртовой толщи. Четвертая (хазарская) терраса имеет абсолютные отметки до 70-75 м и ширину до 18 км, аллювий представлен песками, глинами и суглинками. Третья терраса, отвечающая начальной стадии нижнехвалынской трансгрессии, прослеживается вдоль левого склона долины в Сыртовом Заволжье и имеет абсолютные отметки поверхности от 30-35 до 50-55 м при ширине от 2-3 до 15-22 км, сложена лиманно-аллювиальными суглинками, супесями и песками. Вторая терраса в явном виде прослеживается на севере Заволжья, а в пределах Прикаспийской низменности сливается с морской равниной нижнехвалынского возраста. Рельефообразующими породами являются преимущественно хвалынские глины, а также пески, суглинки и супеси. Первая (верхнехвалынская) терраса прослеживается в долине Волги ниже Волгограда, а также выше устья р. Еруслана. Абсолютные отметки поверхности колеблются от 25 до 0 м, высота над урезом воды от 2 до 5 м. Состав аллювия преимущественно песчаный. Пойменная терраса имеет наибольшую ширину (до 30-40 км) ниже Волгограда (где от Волги отделяется рукав Ахтуба) и сильно расчленена рукавами на многочисленные острова, сложенные в основном песчаным и супесчаным материалом. Ближе к центральной части преобладают суглинистые разности.

На возвышенностях, расположенных по периферии впадины, основными генетическими типами морфоструктуры являются денудационные равнины палеогенового, плиоценового и раннеплейстоценового возраста.

Денудационные равнины палеогенового возраста распространены на юго-западном склоне возвышенности Общий Сырт и характеризуются абсолютными отметками поверхности от 360 м на водоразделах до 100-80 м - в долинах. Рельеф равнины увалистый. Начиная со второй половины олигоцена, она испытывала устойчивые поднятия, в результате которых на дневную поверхность были выведены отложения юры, мела и палеогена, в четвертичное время перекрытые чехлом лессовых пород. Аналогичное строение и возраст имеет денудационная равнина Приволжской возвышенности в районе г. Камышина. Равнина характеризуется развитой овражно-балочной сетью и небольшими, но глубоко врезанными речками.

Денудационные равнины плиоценового возраста представлены двумя областями на западе и востоке территории. Одна из них, включающая часть Приволжской и Ергенинской возвышенностей, имеет волнистую поверхность с отметками 120-220 и является обращенной морфоструктурой, поднятой в конце плиоцена.

Поверхностная толща представлена лессовыми породами мощностью в основном 10-20 м (до 50 м), подстилаемыми отложениями палеогена и неогена.

Интересно отметить связь морфологии земной поверхности с геологической структурой как основы выработки представлений о механизмах образования форм рельефа, в частности соотношения между высотами земной поверхности и глубинами залегания поверхности Мохоровичича. По опубликованным В.В. Бронгулеевым данным, поворот Волги у Волгограда с северо-востока на юго-запад и далее круто на юго-восток повторяет очертания зоны погружений поверхности Мохоровичича. В рельефе этот поворот соответствует переходу от Приволжской возвышенности к возвышенности Ергеней, причем существует пограничная зона между этими возвышенностями, отчетливо выраженная в рельефе в форме седловины. Впервые этот интересный феномен опубликован в диссертационной работе.

Глава 4. Гидрогеологические условия. Яркое своеобразие истории геологического развития Прикаспийской впадины, как и других краевых впадин, предопределило важнейшие гидрогеологические особенности этого региона, представляющие интерес с инженерно-геологических позиций.

Постоянное прогибание преобладающей части территории с формированием низменного рельефа обусловило глубокое залегание грунтовых вод в Прикаспийской низменности, и только на обрамляющих ее возвышенностях подземные воды находятся относительно глубоко. Солевой комплекс, играющий такую заметную роль в геологическом строении Прикаспия, имеет существенное значение и для формирования его гидрогеологических условий, выполняя роль регионального водоупора, разделяющего два гидрогеологических этажа: подсолевой и надсолевой.

Соляные структуры, как было показано выше, оказывают влияние на формирование химического состава подземных вод и глубину их залегания. Вместе с тем, формирование гидрогеологических особенностей Прикаспия происходило под активным влиянием зонально-климатических факторов.

Наибольшее влияние на инженерно-геологические условия оказывают четвертичный, плиоценовый, палеогеновый и верхнемеловой водоносный комплексы. Водоносный комплекс четвертичных отложений подразделяется на водоносные горизонты морских, эоловых и аллювиальных отложений, а также нерасчлененных плиоцен-четвертичных отложений сыртовой толщи.

Водоносный горизонт морских отложений приурочен к слоям и линзам песков и является наиболее распространенным горизонтом комплекса. Грунтовые воды залегают на глубине от 0,5-1 м на пониженных участках до 15-20 м на возвышениях и вблизи долин Волги и Урала - крупных естественных дрен, в основном же глубина залегания зеркала грунтовых вод составляет 5-10 м от поверхности земли.

Минерализация грунтовых вод значительна (до 300 г/л), что объясняется высокой первичной засоленностью морских четвертичных отложений, широким распространением соляных куполов, соленых озер и солончаков, а также резкой аридностью климата с значительным превышением испаряемости над осадками, обусловливающими концентрацию солей. Пресные грунтовые воды наблюдаются на участках понижений рельефа, скапливающих атмосферные осадки, а также вдоль долины Волги.

Воды сульфатно-хлоридно-натриевого состава с минерализацией 10-75 г/л тяготеют к долинам рек, вблизи соров распространены хлоридные натриевые рассолы с минерализацией 100-250 г/л, а на участках неглубокого залегания соляных куполов - рассолы наиболее высокой минерализации (до 300 г/л) хлоридно-натриевого состава.

Водоносный горизонт эоловых отложений приурочен к аккумулятивной эоловой равнине в южной части мегаполиса. Глубина залегания грунтовых вод колеблется от 1-3 м в пониженных участках до 5-15 м под буграми и барханами. Пресные воды гидрокарбонатного или сульфатно-гидрокарбонатно-кальциевого состава встречаются в основном в виде плавающих линз над солеными водами. Минерализация воды составляет от 2 до 10 г/л, достигая под сорами и солончаками и на межгрядовых равнинах до 50 г/л при преимущественно хлоридно-натриевом составе вод.

Водоносный горизонт аллювиальных отложений связан с долиной Волги. Глубина залегания грунтовых вод изменяется от 0,5-5 м в пойме до 20-30 м на высоких террасах. В долине Волги грунтовые воды являются повсеместно пресными, в мелких реках минерализация увеличивается к низовьям до 5-7 г/л и, кроме того, изменяется на поймах в течение года от 0,5-1 в период снеготаяния до 5-20 г/л летом.

Водоносный горизонт нерасчлененных плиоцен-четвертичных отложений распространен в пределах денудационных равнин раннеплейстоценового возраста и приурочен к суглинкам и подсыртовым пескам. Водоупором являются апшеронские глины. Глубина залегания грунтовых вод зависит от рельефа и изменяется от 7 до 46 м, в среднем 25-30 м. Минерализация грунтовых вод изменяется в песках от 0,4 до 3 г/л, в суглинках - до 5-6 г/л и более. Пресные воды имеют гидрокарбонатно-кальциевый состав, соленые - хлоридно-натриевый.

Водоносный комплекс плиоценовых отложений представлен песчаными отложениями акчагыла и апшерона. Подземные воды в основном напорные, с величиной напора от 8 до 100 м, а в Прикаспийской низменности до 150-200 м и более. Основные области питания находятся на возвышенностях, обрамляющих Прикаспийскую низменность; областями стока и разгрузки является Прикаспийская низменность, что хорошо видно по снижению уровней подземных вод комплекса в этом направлении.

Минерализация воды закономерно увеличивается от периферии впадины к югу - от 0,5 до 5 г/л в области питания, с преимущественно гидрокарбонатно- и сульфатно-хлоридно-кальциево-натриевым составом, до 80 г/л и хлоридно-натриевым составом в центре низменности. Высокая минерализация воды с образованием рассолов хлоркальциевого типа фиксируется также на участках ряда соляных куполов.

Водоносный комплекс палеогеновых отложений обнажается в краевых частях Прикаспийской впадины, где представлен песками, песчаниками и опоками мощностью до 100-150 м. Здесь подземные воды располагаются на глубине от 20-30 м и до 50-70 м и обладают некоторым напором, минерализация вод варьируется от 0,8 до 3-5 г/л, состав гидрокарбонатный или сульфатно-гидрокарбонатно-натриевый. По направлению к центру впадины мощность комплекса возрастает, минерализация увеличивается до 31-90 г/л, химический состав меняется на хлоридно-натриевый.

Водоносный комплекс верхнемеловых отложений представлен маастрихтским горизонтом, приуроченным к мергельно-меловым отложениям, залегающим на глубине от нескольких метров в прибортовой зоне до 900 м в центре впадины. В области питания распространены безнапорные пресные гидрокарбонатные кальциевые воды. По мере погружения они приобретают напор и высокую минерализацию - до 50-100 г/л при хлоридно-натриевом химическом составе.

Глава 5. Состав и физико-механические свойства пород_. В главе приводится детальная характеристика состава, состояния и свойств пород Прикаспийской впадины, основанная на обобщении результатов более 10 тыс. полевых и лабораторных исследований, с использованием данных работ С.К. Арбузовой, С.Н. Егорова, Н.П. Затенацкой, М.В. Кленовой, Н.А. Панкратовой, Ю.И. Панова, К.М. Пановой, Н.С. Реутовой, И.А. Сафохиной, В.Н. Синякова, В.И. Стешенко.

Были составлены таблицы статистических характеристик гранулометрического и минералогического состава, показателей физических и механических свойств важнейших генетических типов отложений: морских глин и суглинков хвалынского, хазарского, бакинского и апшеронского горизонтов, аллювиально-морских глин хазарского и современного горизонтов, современных аллювиальных глин (для пойменной и старичной фаций), озерно-аллювиальных глин современного - верхнечетвертичного, средне-четвертичного, нижнечетвертичного, нерасчлененного нижне-средне-четвертичного и апшеронского горизонтов и выполнен анализ изменения состава, состояния и свойств пород в зависимости от возраста и генезиса.

Аналогичные статистические таблицы, дополнительно учитывающие просадочность, были составлены для основных типов лессовых пород Прикаспийской впадины.

Для четвертичных песчаных пород обобщены данные по гранулометрическому составу морских песков современного, верхнехвалынского, нижнехвалынского, хазарского, бакинского горизонтов, эоловых современных песков, аллювиально-морских (дельтовых) и аллювиальных песков пойменной и русловой фаций на различных участках долин двух крупнейших рек - Волги и Урала, что позволило оценить их однородность и сортированность. Кроме того, для важнейших генетических типов песков были обобщены данные по плотности сложения.

При характеристике инженерно-геологических особенностей до-плиоценовых отложений, имеющих ограниченное распространение, приведены данные, свидетельствующие об их высокой степени литификации.

Для анализа сходства и различий состава и физико-механических свойств пород Прикаспия и других однотипных регионов обобщены данные на основе опубликованных работ Е. Акпокодже, Т. Андерсона, М. Балиха, В. Брайанта, М. Вильямса, Р. Грима, Е. Де Мульдера, Ж. Милло, Э. Мыслинской, X. Мэтлока, С. Мэтьюсона, А. Скемтона, Е. Степковской, И. Стивенса, М. Томлинсона, П. Трабанта, К. Хаммершмидта, С. Хелвика и других исследователей.

Анализ показал, что состав и свойства пород солянокупольных областей обладают существенным сходством, отражающим особенности осадконакопления, характерные для регионов данного типа и отличающие их от внутриплатформенных регионов. В то же время имеются и отличия, обусловленные палеоклиматическими и современными климатическими факторами.

Прогибание впадин и вызванные им трансгрессии обусловили повсеместное накопление высокодисперсных морских глин, минералогический состав которых отражает палеоклиматические особенности. В Прикаспийской и других солянокупольных впадинах глины морского, а также континентального происхождения характеризуются гидрослюдисто-монтмориллонитовым составом, что отражает сходство условий образования в приледниковой обстановке, а для побережья Африки характерно преобладание каолинита, что связано с его обилием в латеритных почвах тропиков.

Степень литификации одновозрастных глин в различных впадинах близка, причем это характерно для различных генетических типов пород: голоценовые морские, аллювиально-морские и аллювиальные глины являются слаболитифицированными, верхнеплейстоценовые морские и аллювиальные глины имеют слабую и среднюю степень литификации, увеличивающуюся с возрастом. Более древние глины морского, аллювиального и озерно-аллювиального происхождения в диапазоне от среднего плейстоцена до верхнего плиоцена являются среднелитифицированными с незначительным увеличением степени литификации с возрастом. Доверхнеплиоценовые глины имеют среднюю и сильную степень литификации. Наряду с этим нормальный характер увеличения степени литификации пород с глубиной в условиях аридного климата Прикаспия нарушается: в верхней части разреза образуется "корка" пересушенных и уплотненных в процессе усадки пород, что установлено на примере хвалынских глин. Подобное нарушение изменчивости типично и для других регионов аридного пояса и наблюдается, например, в дельте Шатт-эль-Араба Персидского солянокупольного бассейна (по данным В.Н. Синякова). Высокое содержание в глинах монтмориллонита и гидрослюды обусловило значительную набухаемость и усадку, что особенно характерно для морских глин.

Важной особенностью глинистых пород Прикаспия (и, вероятно, всех изучаемых впадин) является яркая индивидуальность показателей их свойств, обусловившая неприменимость для них таблиц нормативных характеристик грунтов и переходных коэффициентов между показателями зондирования и модулем деформации в действующих нормативных документах. Это вызвало необходимость разработки аналогичных региональных таблиц и коэффициентов для 30 наиболее распространенных типов пород на основе исследования связей между показателями физико-механических свойств пород методами многофакторного корреляционно-регрессионного анализа. Проверка устойчивости в пространстве установленных связей показала, что выведенные зависимости статистически неразличимы на различных участках региона. Поэтому краевые впадины представляются оптимальным объектом для разработки так называемых региональных норм вследствие распространения на огромных территориях однородных пород с устойчивыми свойствами.

Выявлено сходство состава и отдельных показателей свойств лессовых пород в различных краевых впадинах, однако лессовые породы Североморской впадины имеют более высокую влажность по сравнению с Прикаспием, что обусловлено климатическими различиями. Исследование связей между показателями физико-механических свойств двух типов лессовых пород Прикаспийской впадины показало, что относительная просадочность зависит от пористости и влажности пород, сопротивление сдвигу - от коэффициента пористости и пластичности, сопротивление зондированию - т влажности, пластичности и пористости. На основе полученных зависимостей составлены таблицы нормативных характеристик грунтов.