Особенности рельефа бассейна р. Усы и его инженерно-геоморфологическая оценка в связи с обустройством нефтяных месторождений

А. И. Жиров, М. Н. Калыгин

ОСОБЕННОСТИ РЕЛЬЕФА БАССЕЙНА Р. УСЫ И ЕГО ИНЖЕНЕРНО-ГЕОМОРФОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА В СВЯЗИ С ОБУСТРОЙСТВОМ НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Исследуемый район расположен на водоразделе рек Колвы и Б. Макарихи — притоков р. Уса, которая в свою очередь впадает в р. Печора. Ближайший населенный пункт — г. Усинск расположен в 50 км к юго-западу от него (рис. 1). Район приурочен к Печорской низменности, сформированной в четвертичный период в результате трансгрессий полярного бассейна. В геоморфологическом отношении доминируют разновозрастные аккумулятивные равнины: среднеплейстоценовая — ледово-морская (роговская) и верхнеплейстоценовая — морская (казанцевская). Преимущественно это всхолмленные поверхности, расчлененные ложбинами с пологими склонами, для которых характерен полигональный микрорельеф. Район изыскания приурочен к северной тайге с елово-березовыми лесами, наряду с болотами и пятнами ерниковых тундр.

Рис. 1. Расположение участка исследования.

Большая часть исследуемой территории расположена в пределах лагунно-морской и лагунно-озерной поверхности среднего яруса рельефа, которая занимает краевые части возвышенности и имеет абс. отм. 75-100 м. В литологическом отношении преобладают суглинки и глины. Существовавшие длительное время морские условия почти полностью нивелировали данную поверхность, которая в настоящее время представляет со-

© А. И. Жиров, М. Н. Калыгин, 2011

бой плоскую, слабонаклонную в сторону долин рек и ручьев равнину, в целом хорошо дренированную, но с заболоченными, заторфованными и залесенными участками.

На исследованной территории междуречья рек Б. Макариха и Хатаяха выделено два яруса рельефа — верхний, средний, а также террасовые уровни рек и ручьев.

I. Ледниково-морская поверхность выравнивания верхнего яруса рельефа среднечетвертичного возраста QII2) с абс. отм. 100-113 м.

II. Лагунно-озерная и лагунно-морская поверхности выравнивания среднего яруса рельефа верхнечетвертичного возраста (ш Q) с абс. отм. 75-100 м.

III. Эрозионно-аккумулятивный аллювиальный рельеф, включающий: 1) пойму, 2) первую надпойменную террасу, 3) вторую надпойменную террасу, 4) третью надпойменную террасу.

Водораздельную территорию между реками Б. Макариха и Хатаяха занимает ледниково-морская поверхность верхнего яруса рельефа — протяженная грядообразная возвышенность длиной около 30 км и шириной до 10 км. Ее абсолютные отметки приблизительно составляют 100-130 м (максимально — 172 м, к северу от изучаемой территории). Но длина водораздельной возвышенности скрадывается из-за «прорезающих» ее водотоков, как, например, руч. Яракутаю, которые делят ее на фрагменты шириной от 2,5 до 7-8 км. Из-за этого создается впечатление, что возвышенность перпендикулярна течению рек, ее ограничивающих, хотя на самом деле она протягивается параллельно им с северо-запада на юго-восток.

Основными реками на изучаемой территории являются р. Уса и ее приток р. Колва. Непосредственно район инженерно-геоморфологических изысканий был расположен на водоразделе рек Б. Макариха (приток Усы) и Хатаяха (приток р. Колва), с абсолютными отметками поверхности 70-130 м. Долинный комплекс в их пределах представлен поймой, первой, второй и третьей надпойменными террасами. Долинный комплекс мелких рек и ручьев представлен поймой. Их русла сильно меандрируют с частыми перекатами. Исследуемую территорию пересекает с юго-запада-запада на северо-восток-восток руч. Яракутаю. Долина ручья увлажнена, особенно в местах хорошо видимых вееров блуждания, и покрыта елово-березовым лесом и густым кустарничковым покровом.

Руч. Яракутаю — своеобразная и нетипичная для района малая река. Он характеризуется относительно нешироким руслом (5,5 м), длиной — 12,0 км, с небольшим уклоном русла — 0,46%о и глубиной порядка 1,0-1,5 м. Руч. Яракутаю имеет нехарактерно широкую для данного водотока долину до 1,2-1,6 км шириной (правда, местами сужающуюся до 600 м) и врезанную на 35-40 м с фрагментарным распространением надпойменных террас. Долина ручья извилистая, ясно выраженная, асимметричная, шириной до 1600 м и более. Пойма на исследуемом участке минимальна и имеет ширину всего 125 м. Берега сложены песком и задернованы. При этом левая, северная пойма, сложена голоценовым аллювиальным мелким, глинистым песком, мощностью до 12 м, перекрытым с поверхности тяжелым суглинком, мощностью менее 1 м, а левый, южный берег — голоценовым пылеватым, глинистым песком, средней плотности и водонасыщенности, такой же мощности (менее 1 м), но не перекрытым суглинком. Данные отложения ниже уровня дна русла подстилаются позднеплейсто-цен-голоценовыми суглинками, на северном берегу залегающими с глубины 10 м и более. Аллювиальные пески выполняют древний палеоврез реки глубиной около 11 м, с абс. отм. подошвы, равными 41 м (уровень дна — 51,80 м). Тип руслового процесса,

характерный для ручья — свободное меандрирование. На водосборе наблюдаются процессы водной эрозии.

Для притоков руч. Яракутаю также характерны излишне широкие долины, двусторонние поймы, извилистые русла и большие их уклоны (20%о-60%о). Водотокам присущи следующие русловые процессы: свободное и незавершенное меандрирование.

Эрозионно-аккумулятивный рельеф, сформированный современной сетью рек и ручьев, начал свое развитие вслед за постепенно регрессирующим морским бассейном, а заложение основных водотоков района изысканий происходило по древним долинам рек и ручьев (более глубокий эрозионный врез долин даже небольших водотоков, таких, как руч. Яракутаю — до 35 м (от 48 до 83 м)). Более высокое гипсометрическое положение водораздельных равнин, глубокий эрозионный врез, значительное горизонтальное расчленение, когда массивы верховых болот сбрасывают излишек вод в разные долины, что может свидетельствовать о неотектоническом поднятии данного участка. На это указывают также большие значения наиболее высоких точек водораздельной равнины — до 172 м, тогда, как к северо-востоку от данной площади они не превышают 140 м.

Проводимые в районе инженерно-геологические изыскания в связи с обустройством Южно-Баганского нефтяного месторождения показали, что именно долины малых рек представляют наибольшую вероятность развития опасных геологических процессов. В частности, для данного района таковыми являются: интенсивные оползневые и гравитационные (делювиальные, осыпные и оползневые) процессы, а также оврагообра-зование на склонах водораздельной равнины (высокого и среднего уровней) и на четко выраженном крутом уступе первой надпойменной террасы руч. Яракутаю, где развита интенсивная овражная эрозия в логах и на склонах.

Высокая степень геоморфологического риска присуща логам — ее обуславливают пролювиальные процессы, заболачивание, а также стекание торфов по минеральному руслу логов.

При проведении инженерно-геологических и инженерно-экологических исследований данного участка авторами использовался алгоритм действий, подробно описанный, как в коллективной монографии кафедры геоморфологии [1], так и в учебнике «Прикладная экология» [2]. В качестве источника информации о морфологии рельефа использовались топокарты и космоснимки (КС) масштаба 1:25000, а также данные полевых наблюдений 2008-2009 гг. С их помощью были выделены структурные линии и элементарные поверхности. Результатом обработки морфологической информации стала геоморфологическая карта, построенная на геотопологической основе. В результате дешифрирования КС и с учетом имевшихся материалов бурения [3] были установлены литолого-генетические разности пород, слагающих те или иные элементарные поверхности на разных геоморфологических уровнях, что позволило создать морфогенетическую карту района (рис. 2).

Карта «Геолого-геоморфологической оценки вероятности возникновения аварийной ситуации» создавалась путем последовательного выполнения нескольких операций. Следует заметить, что оценка риска техногенных аварий — это часть более общей задачи геолого-геоморфологической оценки состояния территорий.

I. Первая операция оценки риска — выделение потенциально неустойчивых по своему состоянию геоморфологических элементов, что на практике осуществляется путем анализа топографических, инженерно-геологических и геоморфологических

Русло руч. Яракутаю и его притоков пойма и первая надпойменная терраса руч. Яракутаю

пологоволнистая водораздельная озерно-аллювиальная и аллювиально-морская равнина

* ~.й * „ ь вторая надпойменная терраса

уступ второй надпойменной террасы

пологоволнистая водораздельная ледниково-морская равнина

; заболоченные лога в уступе водораздельной озерно-аллювиальной и аллювиально-морской равнины

старичные озера в пойме малых и средних рек

относительно глубокие эрозионно-аккумулятивные долины малых рек с фрагментами террас

М эрозионные лога в уступе водораздельной озерно-аллювиальной и аллювиально-морской равнины

Щ пологий уступ пологоволнистой водораздельной ледниково-морской равнины

пологий уступ водораздельной озерно-аллювиальной и аллювиально-морской равнины

- верховые болота в понижениях на поверхности пологоволнистой водораздельной ледниково-морской рав-------- нины

граница полигона

Рис. 2. Морфогенетическая карта района.

карт и учета информации о прошлых событиях на данной и аналогичных территориях. Итогом является составление способом качественного фона соответствующих оценочных карт — например, карты геоморфологического риска (рис. 3). При этом территориальные единицы картирования выделяются по геоморфологическому признаку — им соответствуют выделенные ранее элементы рельефа или элементарные поверхности, однородные в отношении своих геолого-географических и экологических свойств [4].

При анализе современных экзогенных процессов качественные характеристики изображения контуров с различными экзогенными процессами, преобладающими в их пределах и обладающими разной степенью геоморфологического риска приведены в табл. 1. В результате проведенного комплекса работ была составлена карта современных опасных геоморфологических экзогенных процессов и дана оценка геоморфологического риска путем добавления этой информации к данным о ранее выделенных поверхностях.

Рис. 3. Карта геоморфологического риска.

Таблица 1. Геолого-геоморфологическая оценка вероятности возникновения

аварийной ситуации

№ Индекс Тип рельефа Процессы Степень геоморфо- логического риска

1 2 3 4 5

1 8т пологоволнистая водораздельная ледниково-морская равнина (высокий уровень) с абс. отм. 100-115 м заболачивание средней интенсивности I наиболее низкая

2 еа Qiii.iv пологий уступ пологоволнистой водораздельной ледниково-морской равнины (высокий уровень) делювиальные процессы и оврагообразование III средняя

3 ь ^ верховые болота в понижениях на поверхности пологоволнистой водораздельной ледниково-морской равнины (высокий уровень) и верхнечетвертичной озерно-аллювиальной и аллювиально-морской равнины (средний уровень) умеренный рост торфяных залежей II низкая

4 1а, ат Qш 22г пологоволнистая водораздельная озерно-аллювиальная и аллювиально-морская равнина (средний уровень) с абс. отм.80-95 м заболачивание низкой интенсивности, слабовы-раженные пролювиаль-ные процессы I наиболее низкая

1 2 3 4 5

5 а ^и-гс относительно глубокие эрозионноаккумулятивные долины малых рек с фрагментами террас речная эрозия и аккумуляция, делювиальные и оползневые процессы, оврагообразование IV высокая

6 еа ^ пологий уступ водораздельной озерноаллювиальной и аллювиально-морской равнины (средний уровень) с абс. отм. 55-80 м делювиальные и пролю-виальные процессы, ов-рагообразование Ш средняя

7 Рго1 QIV эрозионные лога в уступе водораздельной озерно-аллювиальной и аллювиально-морской равнины (средний уровень) и ледниково-морской равнины (высокий уровень) интенсивная овражная эрозия V наиболее высокая

8 рго1,Ь QIV заболоченные лога в уступе водораздельной озерно-аллювиальной и аллювиально-морской равнины (средний уровень) и ледниково-морской равнины (высокий уровень) заболачивание, стекание торфа по минеральному руслу логов, пролювиаль-ные процессы IV высокая

9 еа уступ второй надпойменной террасы делювиальные и пролю-виальные процессы, ов-рагообразование IV высокая

10 а вторая надпойменная терраса овражная эрозия, делювиальные процессы Ш средняя

11 а Q ш — а ^ пойма и первая надпойменная терраса малых рек заболачивание и аккумуляция пойменного аллювия в периоды паводков II низкая

12 1 Q1v старичные озера в пойме малых и средних рек аккумуляция аллювия и заболачивание Ш средняя

13 > а а русло руч. Яракутаю и ее притоки глубинная и боковая эрозия в периоды паводков V наиболее высокая

Степень геоморфологического риска рассчитывалась по пятибалльной шкале, согласно пяти критериям: углам наклона элементарных поверхностей, пораженности, интенсивности и активности экзогенных геологических процессов, инженерногеологическим свойствам почво-грунтов. По инженерно-геологическим свойствам грунты подразделялись на благоприятные, средние и неблагоприятные в зависимости от их обводненности, плотности и пористости. Под пораженностью понимается количество форм проявления экзогенных процессов на единицу длины или площади, их размеры; под интенсивностью — продолжительность цикла, скорость процесса; под активностью — отношение количества вновь образующихся форм в определенный отрезок времени на единицу длины или площади к их общему количеству [4].

Максимально большая бонитировочная оценка отражает максимально большую вероятность активизации процессов, хотя и без четкого указания временного интервала начала данной активизации. Данная карта есть прямое воплощение пространственного прогноза без указания четких временных параметров.

II. Вторая операция оценки риска — анализ мест размещения потенциально опасных объектов (в нашем случае — нефтепроводов, буровых площадок) с оценкой вероятности возникновения чрезвычайных ситуаций [5]. При этом определяющими вероят-

ность чрезвычайных ситуаций обычно выступают геолого-геоморфологические условия. Поэтому контуры территорий с разными характеристиками риска определяются по материалам геологического и геоморфологического картографирования.

Ниже приводится шкала балльной геолого-геоморфологической оценки вероятности возникновения аварийной ситуации на нефтепроводах с прогнозом их активизации и возникновения новых очагов и форм при техногенном воздействии, выполненная согласно разработанной методике [6].

При наличии достаточно длительных рядов наблюдений или исторических данных вероятность аварийных ситуаций той или иной степени тяжести оценивается количественно, как число возможных ситуаций в год или как обратная величина — возможность чрезвычайной ситуации один раз за определенный ряд лет. Ниже приводятся данные по удельной аварийности (или число прорывов нефтепроводов на 1 км в год) для некоторых стратиграфо-генетических и геоморфологических комплексов (табл. 2; по статистическим данным [7]).

Таблица 2. Удельная аварийность некоторых стратиграфо-генетических и геоморфологических комплексов

№* Индекс Тип рельефа Средняя удельная аварийность

1 Ет ^ пологоволнистая водораздельная ледниково-морская равнина (высокий уровень) 0,52

2 еа ^П-1У пологий уступ пологоволнистой водораздельной ледниково-морской равнины (высокий уровень) 0,51

4 1а, ат Q 22г пологоволнистая водораздельная озерно-аллювиальная и аллювиально-морская равнина (средний уровень) 0,52

6 еа ^ пологий уступ водораздельной озерно-аллювиальной и аллювиально-морской равнины (средний уровень) 0,51

7 Рго1 О, эрозионные лога в уступе водораздельной озерно-аллювиальной и аллювиально-морской равнины (средний уровень) 1,63

8 Рго1,ь заболоченные лога в уступе водораздельной озерно-аллювиальной и аллювиально-морской равнины (средний уровень) 1,63

9 еа уступ второй надпойменной террасы 2,10

10 а вторая надпойменная терраса 0,84

11 > а а д а а пойма и первая надпойменная терраса руч. Яракутаю 1,64

*Для удобства нумерация типов рельефов взята из табл. 1.

III. На заключительном — третьем этапе исследования создавалась карта инженерно-геологических условий территории. Она представляет собой несколько менее детализированный и точный вариант инженерно-геологической карты, ибо для создания последней, согласно всем требованиям нормативных документов, недостаточно исходного фактического материала, полученного посредством разведочного бурения или иными геофизическими методами. Данная карта отражает степень благоприятности или неблагоприятности инженерно-геологических условий строительства. При картировании инженерно-геологических условий учитывались степень геоморфологического риска, рассчитанная по пяти критериям, инженерно-геологическая устойчивость грунтов, а также геотопологические параметры элементарных поверхностей.

Как геологический фактор безопасности строительной деятельности, большое значение имеет характер структурных связей поверхностных пород. В практике строительства эта категория рассматривается как инженерно-геологическая устойчивость грунтов. Для характеристики этого фактора были использованы методические принципы, применяемые при картировании современных геологических процессов и условий их развития М. В. Чуриновым, В. В. Снакиным и др. [8; 9]. Оценка способности к выветриванию и подвижности пород основана на инженерно-геологической классификации И. П. Чуринова (1983), отражающей подвижность твердого вещества, его пластичность и способность к выветриванию. Учет прочности поверхностных пород дает характеристику надежности оснований инженерных сооружений и, соответственно, их безопасности. Эта классификация отражает не только требования к фундаментам, но и вероятность развития оползневых процессов и карстовых явлений, резкого изменения русел рек в периоды половодий, образования опасных промоин в сезоны дождей [8].

Из семи геотопологических параметров элементарных поверхностей при картировании инженерно-геологических условий учитывались, прежде всего, «неучтенные ранее» вертикальная и горизонтальная кривизна поверхности, непосредственно влияющая на развитие и протекание современных геологических процессов.

На итоговой карте инженерно-геологических условий (рис. 4) оказались выделенными участки с различной степенью благоприятности для процесса строительства и последующей эксплуатации объектов: крайне благоприятные, благоприятные, средние по благоприятности, неблагоприятные, крайне неблагоприятные. К неблагоприятным и крайне неблагоприятным участкам для строительства, в частности, относятся: эро-

Рис. 4. Карта инженерно-геологических условий.

зионные и заболоченные лога, а также верховые болота с торфяными горизонтами различной мощности, долины малых рек с фрагментами террас и русло руч. Яракутаю с чередованием песчаных и супесчаных грунтов с включениями валунов и гальки. Все вышесказанное объясняет повышенное внимание к изучению подобных, казалось бы, незначительных объектов, как малые северные реки, но расположенных в районах интенсивного хозяйственного освоения.

Работа выполнена при поддержке гранта Правительства РФ №11^34.31.0025

Литература

1. Прикладная геоморфология на основе общей теории геосистем. СПб.: СПбГУ, 2008. 392 с.

2. Дмитриев В. В., Жиров А. И., Ласточкин А. Н. Прикладная экология: Учебник. М.: Академия, 2008. 608 с.

3. Обустройство Южно-Баганского нефтяного месторождения. Технический отчёт УПП-24-2007 ИИ. 2007. 273 с.

4. Справочник полевого инженера-геолога. М.: Недра, 1981. 325 с.

5. Арманд А. Д. Рукотворные катастрофы // Изв. РАН Сер. Геогр. 1993. № 5. С. 32-39.

6. Стурман В. И. Экологическое картографирование: Учебное пособие. М.: Аспект Пресс, 2003. 251 с.

7. Курбатова А. С., Мягков С. М., Шныпарков А. Л. Природный риск для городов России. М., 1997. 240 с.

8. Чуринов М. В., Цыпин И. М., Лазарева В. П. Типизация горных пород по характеру структурных связей // Атлас гидрогеологических и инженерно-геологических карт СССР. М.: ГУГК, 1983.

9. Снакин В. В., Мельченко В. Е., Бутовский Р. О. и др. Оценка состояния и устойчивости экосистем. М.: Институт охраны природы, 1992. 366 с.

Статья поступила в редакцию 22 марта 2011 г..