Влияние физико-механических свойств четвертичных отложений речных террас Центральной Якутии на возможность активизации экзогенных процессов

2. Петров А.Н. Выбор схемы вскрытия и отработки малообъемного золоторудного месторождения // Горный информационно-аналитический бюллетень. Региональное приложение «Якутия». М.: Изд-во Московского государственного горного университета. Выпуск 1. 2005. С. 229-238.

3. Необутое Г.П., Петров А.Н. Промышленная эксплуатация рудного столба месторождения Бадран // Физико-технические проблемы освоения и развития Южно-Якутского региона: Сб. науч. тр. Нерюнгри: Изд-во Якутского университета. 1998. С. 81-87.

4. Числов А.И., Фидря С.Е., Гринев В.Г., Петров А.Н. Руко-

водство по проектированию и разработке небольших по запасам рудных месторождений подземным способом. Магадан: ВНИИ-

1, 1991. 145 с.

5. ПерминВ.Е., ПетровА.Н. Опытотработки малообъемного золоторудного месторождения сложного строения // Физикотехнические проблемы освоения месторождений Севера: Сб. науч. тр. Якутск: Изд-во Якутского гос.ун-та, 1989. С. 12-20.

6. Гринев В.Г., Петров А.Н. Исследование эффективности использования ресурсов горно-рудными предприятиями Якутии // Горное дело: Проблемы и перспективы: Сб. статей. Якутск: ЯНЦ СО РАН, 1994. С. 117-131.

A.N. Petrov

Underground extraction of small-capacity ore deposits in Yakutia: features and perspectives

The article presents an overview and analyses of modern state of small-capacity ore deposits, study of mining-geological conditions of bedding and mining-technical conditions of development of small-capacity ore deposits that have been developed and mined on the territory of the Sakha Republic (Yakutia). A systematic study of data have been conducted and types of ore bodies have been determined that are similar to mining performance specifications. For every determined type possible variants of stoping method have been set that objectively and efficiently comply with specific conditions. Number of tasks have been defined that should be solved at conducting further research on perfection of underground mining of small-capacity ore deposits in Yakutia.

4MK*'

УДК 624.131

В.Ф. Попов, О.И. Банщикова

ВЛИЯНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЧЕТВЕРТИЧНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ РЕЧНЫХ ТЕРРАС ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЯКУТИИ НА ВОЗМОЖНОСТЬ АКТИВИЗАЦИИ ЭКЗОГЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

Описываются склоновые процессы в Центральной Якутии и анализируется их связь с физико-механическими свойствами отложений в свете меняющихся метеорологических параметров. Представлены количественные характеристики грунтов, влияющие на активизацию оползней, солифлюкции, селей.

В зоне распространения многолетнемерзлых пород развитие экзогенных процессов имеет специфические особенности и определяется рядом факторов, среди которых можно выделить постоянные, медленно изменяющиеся и быстроизменяющиеся. К постоянным факторам относятся геологическое строение и рельеф территории. Медленно изменяющиеся факторы - климат, геокриологическое состояние территории, растительность и почвы. Быстроизменяющиеся факторы следует разделить на две группы - независимые и производные. Атмосферные осадки, температура, ветер, лесные пожары - независимые быстроизменяющиеся факторы развития экзогенных процессов. Производными от них являются поверхностный сток, влажность и льдистость грунтов, характеристики слоя сезонного оттаивания, прочностные и деформационные свойства многолетнемерзлых пород [1].

В случае имеющейся связи ме^ду быстроизменяющи-мися факторами возможны следующие изменения в геологической среде: активизация гравитационных, эоловых процессов, усиление активности криогенных явлений.

По данным 1969 г., для Якутска среднегодовая температура воздуха составляет минус 10,2 °С, количество выпадающих осадков - 190 мм [2]. За последние 40 лет наблюдается устойчивое повышение среднегодовой температуры. Наиболее показательным в этом отношении оказался 2003 г. [3]. В 2003 году среднегодовая температура составила минус 8,07 °С, количество выпавших осадков - 307 мм, из них в летние месяцы - 243 мм. Высота снежного покрова в этом году уменьшилась в два раза по сравнению с предыдущим. Таким образом, представляется целесообразным рассмотреть динамические характеристики грунтов в свете изменения независимых быстроизменяющихся факторов.

Для мониторинговых наблюдений за развитием экзогенных процессов выбран участок склона Маганской террасы между 25 до 50 км трассы Якутск-Покровск (долина Эркэни) с активными проявлениями группы процессов, общими для которых является направленность в сторону выравнивания земной поверхности (рис.1). Наблюдения ведутся с 2004 года.

Рис. 1. Космоснимок Маганской террасы

Долина Эркэни расположена на левобережье р. Лены, в среднем течении и имеет террасированное строение. На основании общности условий аккумуляции и эрозии одновозрастных отложений, на промежутке от Олекминска до впадения р. Алдана выделены Жатайская (Якутская), Сергеляхская надпойменные террасы и Маганская средневысотная аккумулятивно-эрозионная терраса [4]. Все террасы имеют исторически устоявшееся название по наименованию того населенного пункта, где впервые было проведено их полное описание.

Склон Маганской террасы юго-восточной экспозиции, с редкими эрозионными врезами. За бровкой склона находится сильнорасчлененная остатками древней гидрографической сети, залесенная поверхность террасы. Поверхность склона и надпойменные террасы покрыты травянистой растительностью с редким кустарником и одиночными деревьями.

Высота террасы достигает 150 метров, угол естественного откоса неравномерен и увязан с различными типами слагающих грунтов. В средней части наклон борта составляет 32°, уменьшаясь в верхней части до 26-27°.

На склоне наблюдаются результаты деятельности гравитационных, криогенных процессов и деятельность временных водных потоков. Криогенные явления, вызванные промерзанием и протаиванием грунтов, представлены со-лифлюкцией. Деятельность временных водных потоков представлена плоскостным смывом, эрозионными врезами и селевым потоком. Наличие спорадически разбросан-

ных по склону естественных препятствий в виде одиноко стоящих деревьев, кустарников или глыб способствует переходу от плоскостного смыва к эрозионным врезам. Течение воды по врезам в виде отдельных струй наблюдается летом, вплоть до наступления момента устойчивого перехода дневной температуры через 0°С в осенний период и не связано напрямую с выпадением осадков. Гравитационный процесс представлен серией асеквентных оползней.

Рис. 2. Гранулометрический состав отложений слоя сезонного оттаивания древней гидрографической сети Маганской террасы

На поверхности террасы, в 50 мк северу от бровки склона, проведено шурфование на глубину слоя сезонного оттаивания. До глубины 1,5 м отложения представлены песком среднезернистым, однородным (рис. 2). Вниз по разрезу наблюдается уменьшение содержания крупнозернистой фракции от 8 до 2,4% и увеличение доли среднезернистой от 45 до 89%.

Вынос крупных фракций на поверхность является особенностью зоны гипергенеза и объясняется миграцией влаги к фронту промерзания, сопровождающейся выталкиванием обломков растущими под ними кристаллами льда (десерпция). Одновременно с увеличением глубины возрастает присутствие карбонатов в грунте и уменьшается содержание сульфидов, что изменяет их окраску с яркорыжей (бурой) до серовато-голубой. Объяснением этому является процесс химического выветривания. Схема процесса в данном случае: сульфиды > сульфаты > карбонаты > окисные соединения.

Изменение механического состава сопровождается увеличением условно-мгновенного сопротивления сдвигу (пенетрации) от 0,4 до 2,09 кгс/см2. Консолидированный быстрый сдвиг показал снижение сопротивления сдвигу песка при увеличении влажности до 13% по сравнению с данными для естественного залегания - 0,2 кгс/см2. Коэффициент фильтрации песка характеризует его сильноводопроницаемым как в воздушно-сухом, так и в водонасыщенном состоянии.

Максимальная молекулярная влагоемкость заизвесткованного песка 1,1%. Это привелоктому, что при естествен-

ной влажности 5% грунт является водонасыщенным и демонстрирует способность к разжижению (тиксотроп-ность). Плотность грунта в предельных состояниях: максимально-рыхлое 2,15 г/см3 и максимально-плотное 2,37 г/ см3. Уплотнение грунта составляет всего 9%.

Таким образом, в случае увеличения влажности грунта пески деятельного слоя Маганской террасы показывают значительное изменение прочностных свойств, обусловленное совместным влиянием химического выветривания и десерпции.

В 2005 г. на склоне юго-восточной экспозиции отмечена активизация эрозии, сопровождающаяся оползанием поверхности. Область питания (водосборная воронка) наблюдаемого оползня находится ниже бровки террасы и приурочена к более раннему эрозионному врезу (рис. 3). На поверхности террасы наблюдаются следы лесного пожара.

Рис. 3. Оползень в 2005 году

По линии отрыва, расположенной ниже бровки склона на 10 метров, происходит отрыв и дальнейшее оползание почвенно-растительного слоя (рис. 4).

Рис. 4. Отрыв и оползание почвенно-растительного слоя на поверхности склона

Поверхность оползания (зеркало скольжения) имеет четко выраженную вогнутую форму, глубина вреза до 1,5 м (рис. 5). Донное зеркало скольжения покрыто агрегированными пылевато-глинистыми отложениями, покрытыми тонкозернистой белесой корочкой, дающей характерную реакцию вскипания с соляной кислотой. Размеры агрегатов до 1,5-2 см в диаметре.

На поверхности склона в пределах глубины деятельного слоя пройден ряд горных выработок, составлен разрез.

Почвенно-растительный слой маломощный (0,15 м), пронизан корнями растений, имеет четкую границу с подстилающими элювиальными отложениями. В верхней ча-сти разреза присутствует окатанная галька. Под галькой почвенно-растительный слой несет следы оглеенности.

Рис. 5. Ложе оползня

Ниже этого слоя (0,15-0,5 м) залегает грунт с глыбовощебнистыми включениями кембрийских известняков. За -полнитель супесчаный. Щебень крупный, полидисперс-ный, на грани морозостойкости (коэффициент водонасы-щения К=0,76-0,79). В результате просачивания воды под крупными глыбами формируются полости (рис. 6), размеры которых зависят от размеров перекрывающих глыб.

Рис. 6. Полости, сформировавшиеся в результате просачивания подземных вод под глыбами кембрийских песчаников

Боковое зеркало скольжения оползня вскрывает песок с влажностью 12% и глинистые грунты - водоупоры, с влажностью 16-20% (рис. 7). Глинистый грунт залегает в виде линз и прослоев мощностью до 0,3-0,5 м. Преимущественно это супесь, имеющая до глубины 0,5 м твердую консис-тенцию, ниже она в текучем состоянии. Суглинки встречаются реже, их прослои не превышают 0,4 м (вскрыты в интервале глубин 0,15-0,5 ми 1,15-1,47 м). Максимальная молекулярная влагоемкость супеси 2%.

Для определения прочностных характеристик грунта поверхности скольжения выполнена серия опытов по определению сопротивления быстрому сдвигу.

Сравнение результатов (табл.) показывает, что самые высокие значения прочностных характеристик принадлежат супесям, а низкие - почвенно-растительному слою. Обладая низким сопротивлением сдвигу, суглинок способствует сползанию вышележащих толщ, выступая в роли смазки поверхности скольжения.

За период с 2005 по 2007 гг. площадь оползня увеличилась. К югу, на расстоянии 15 метров, появился свежий оползень (рис. 8).

Рис. 7. Грунты боковой поверхности оползня

На момент отбора проб вскрытые суглинки имели туго -и мягкопластичную консистенцию с примесью органических веществ (I =0,079 д.ед). Суглинистый грунт с влажностью 16-20% в естественном залегании был отобран в сухой период - конец июня. Тот же грунт после периода дождей (август) приобрел влажность 27% и перешел в текучее состояние.

Пески при увеличении влажности свыше 5-8% приобретают псевдоплывунные свойства. В сочетании с отсутствием сцепления и малым углом внутреннего трения это является предпосылкой возникновения солифлюкции.

Рис. 8. Современное состояние оползня и сформировавшийся боковой оползень

Оползни имеют конусообразную форму, языки (валы выпирания) оползней выступают на подножие склона на 8 м, местами расстояние до дороги составляет всего 3 м. Поверхность валов выпирания неровная, ширина языка «старого» оползня составляет 65 метров.

Кроме сформировавшихся оползней на поверхности склона наблюдаются значительные по площади оползания почвенно-растительного слоя. Подстилающие отложения сохранили четко выраженные борозды волочения.

Таблица

Сравнительный анализ прочностных характеристик грунтов, вскрытых боковой поверхностью оползня

^рунты^^\^ Вертикальная нагрузка, р в кгс/см2 Сопротивление сдвигу, фв кгс/см2 Сцепление, с Угол внутреннего трения, ц

Почвенно- растительный слой 0 0 0,025 1°43

2 0,097

3 0,072

Супесь W=20% 2 2,29 2,97 2 о

3 4,45

4 2,56

Суглинок W=27% 1 0 0,139 13°5

2 1,49

3 0,99

За пределами зоны развития оползней, на аналогичной высоте по склону террасы, наблюдаются свежие субгори-зонтальные трещины отрыва (рис. 9), свидетельствующие об активности гравитационного процесса.

Рис. 9. Трещины отрыва

Трещины глубокие, открытые. Разность высот верхнего и нижнего плеча трещин достигает 0,40 м, ширина раскрытия трещин позволяет провести описание литологического разреза с отбором проб.

Суммируя вышесказанное, отметим влияние физикомеханических характеристик грунтов на инженерно-геологические условия, вызвавшее возникновения оползня и разрушение уступа Маганской террасы.

Поверхность террасы сложена сильнольдистыми, хорошо отсортированными, практически не уплотняющимися песками, способными переходить в разжиженное (псевдоплывунное) состояние. Повышение количества атмосферных осадков в сочетании с уменьшением транспирации влаги растительностью, погибшей после лесного пожара, привело к увеличению количества воды, просачивающейся в нижележащие толщи. Это обусловило изменение влажностного режима, вызвавшее падение прочностных характеристик грунтов сезонно-талого слоя. Грунты

поверхности склона в интервале 0,15-0,5 м представлены супесчаными отложениями с включениями глыбово-щебнистого материала. Под глыбами началось формирование полостей в связи с выносом тонкозернистого материала. Супесчаные отложения включают прослои и линзы суглинистого материала, при увлажнении теряющие сопротивление сдвигу, угол внутреннего трения становится в 2,5 раза меньше угла естественного откоса террасы, что провоцирует дальнейшее разрушение склона. Наиболее значительные прослои суглинистого материала залегают на глубине 1,47 м, что соответствует глубине вреза оползня. Продолжается разрушение склона - в результате эрозионных процессов в ложе оползня началось формирование оврага.

Если для формирования оползня необходимым условием являлось сочетание факторов - угол склона, превышающий угол внутреннего трения грунтов в водонасыщенном состоянии, низкое их сопротивление сдвигу, наличие водоупора (сыгравшего роль поверхности скольжения) и постепенное увеличение влажности за счет постоянного просачивания воды, то для возникновения селевого потока необходимо сочетание других условий.

В районе заброшенного поста ГИБДД Маганская терраса расчленена древним эрозионным врезом с выраженной долиной (рис. 1). Склон северной экспозиции более пологий. Поверхность склона, как и поверхность террасы, покрыта лесом. Растительность представлена лиственницей, в подлеске - заросли кустарников. На подножии склона произрастают лиственные породы деревьев. Весной 2004 года (май) здесь сошел грязевой сель. Влажность грунтов (супесь) на конусе выноса в июле 2006 г. достигала 41%. Влажность грунтов с участков склона, не затронутых селем, при этом составляла 5-14%. Сель затронут 20% территории на площади около 4500 м2.

Выше показаны особенности литологического состава песчаных отложений поверхности террасы. С 0,15 мидо 0,5 м отмечен слой бурых, ожелезненных среднезернистых песков. Ниже по разрезу залегают голубовато-серые пылеватые пески с маленькой молекулярной влагоемкос-тью, уплотненные, карбонатизированные. В силу этого грунтовые частицы способны адсорбировать на своей поверхности мало влаги, что в сочетании с большим размером частиц и маленькой удельной поверхностью приводит при замерзании к формированию ледяных прослоек. Северная экспозиция склона объясняет более высокую природную влажность грунтов, чем у СКЛОНОВ юго-восточной экспозиции.

В ситуации, когда граничные условия изменились, -после лесного пожара 2002 г. значительно пострадала растительность на поверхности террасы. Это привело к возра-станию глубины сезонного протаивания мерзлых грунтов и усложнению микрорельефа поверхности. Произошло переувлажнение верхнего горизонта грунтов за счет выта-ивания подземных льдов и увеличения инфильтрации влаги при таянии снежного покрова и выпадении дождей. Это привело к потере устойчивости покровных отложений и

Рис. 10. Место прорыва водного потока

переходу их в состояние грязевого потока - селя [5]. В местах прорыва воды поваленные деревья ориентированы на склоне по направлению движения потока (рис. 10). На поверхности поваленных деревьев, траве, кустарниках имеются грязевые корки. У подножия склона образовался огромный конус выноса. После высыхания отложения селевого потока приобрели высокую прочность (до 2 кгс/см2), что соответствует прочности данных отложений в твердомерзлом состоянии, естественном залегании и при давлении метрового слоя вышележащей толщи. Мощность дан-

ных отложений у подножия склона достигает 0,5-0,7 м. Под отложениями грязевых потоков сохранился почвенно-растительный слой.

Изменение климатических факторов в сочетании с последствиями лесного пожара спровоцировало изменение характеристик поверхностного стока, физико-механических характеристик грунтов слоя сезонного оттаивания. В случае уничтожения почвенно-растительного слоя на поверхности террасы проявления гравитационных процессов приобретают катастрофический характер.

Литература

1. Трофимов В.Т. Грунтоведение. М.: Изд-во МГУ, 2005. 1024 с.

2. Гаврилова М.К. Климат Центральной Якутии. Якутск: Якутское книжное изд-во, 1973. 120 с.

3. Гаврилова М.К. Изменение современного климата области «вечной мерзлоты» в Азии // Обзор состояния и тенденций изменения климата Якутии. Якутск: Изд-во СО РАН, 2003.

С. 13-18.

4. Соловьев П.А. Криолитозона северной части Лено-Амгин-ского междуречья. М.: Изд-во АН СССР, 1959. 144 с.

5. Толстихин О.Н., Поморцев О.А., Попов В. Ф., Ефремов B.C. Неожиданные проявления склоновых процессов в Центральной Якутии // Наука и техника в Якутии. № 2 (7). 2004. Якутск: Изд-во ИМЗ СО РАН, 2004. С. 92-97.

V.F. Popov, O.I. Banschikova

Impact of physics-mechanical properties of quaternary deposits of river terraces in Central Yakutia on activation capacity of exogenetic processes

The article presents a description of slop processes in Central Yakutia and analyzes their relation with physics-mechanical properties of sediments under changing meteorological parameters. Besides, quantitative characteristics of grounds that affect on activation of earth creep, solifluction, mudflows are presented.