К вопросу инженерно-геологического картирования прибрежной зоны шельфа

К ВОПРОСУ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОГО КАРТИРОВАНИЯ ПРИБРЕЖНОЙ ЗОНЫ ШЕЛЬФА

Болтунов В.А.

В практике проектирования, строительства и эксплуатации приливных электростанций (ПЭС) приходится регулярно сталкиваться с разными инженерно-геологическими условиями прибрежных шельфовых зон[4,5,9]. Это, как правило, зоны, степень сложности инженерно-геологических условий которых определяются историей геологического развития региона, его климатическими особенностями, а также современными экзогенными геологическими процессами [12, 15, 18 ]. Для каждого географического региона эти процессы отличны, но общими для них являются процессы абразии, транспортировки и аккумуляции донных наносов [1,2,4].

Создание отсечной плотины ПЭС изменяет естественную картину движения воды, в особенности в местах бортовых примыканий дамбы и приводит к их трансформации [6]. Поэтому, зная законы осадкообразования в условиях приполярных морей, а именно современных экзогенных геологических процессов и законов литодинамики, можно прогнозировать явления, могущие возникнуть в процессе эксплуатации ПЭС посредством составления инженерно-геологических карт различных масштабов в соответствии со стадией проектных проработок.

В современном картографировании требуется комплексная геоэкологическая оценка участков шельфа предполагаемого для того или иного вида наро-дохозяйственной деятельности [8,11,16,20]. Ранее нами был предложен метод комфирнативного факторного анализа непосредственно связанного с линейно-структурным методом [2]. На картах могут моделироваться различные варианты систем факторов природной обстановки шельфовых зон, при этом на первое место выходят факторы (или группы факторов природной обстановки, в том числе и современные экзогенные геологические процессы), способные создать «факторы риска» при эксплуатации разного рода сооружений [10,13].

Прогнозные карты, построенные в комплексе картографического материала (компьютерным методом) могут составлять основу прогнозируемой геоэкологической обстановки в результате создания сооружения на шельфе.

Например, сравнительный анализ инженерно-геологических условий действующих и проектируемых приливных электростанций (ПЭС) в России и за рубежом, позволяет сделать вывод о том, что природные условия ПЭС и место расположения отсечной плотины отличны от других ПЭС и весьма специфичны. К такому же выводу приводит анализ инженерно-геологчес-ких условий участков буровых установок на нефть и газ действующих и проектируемых.

Движения воды в Мировом океане имеют большое геологическое значение, определяют интенсивность разрушительного воздействия на берега и дно, разносят, дифференцируют и отлагают осадочный материал по дну водоема. Они сводятся к волнению, приливам и отливам и течениям [6].

К примеру, преобладающими ветрами в бухтах- губах Кольского побережья Баренцева моря являются северные и северо-восточные, в меньшей степени - северо-западного направления, а осторова и полуострова, прикрывающие губы от восточных ветров, создают так называемые «волновые тени» в силу этого нагонная волна перемещает в устье губы огромное количество обломочного материала.

У плоских отмелых берегов процессы протекают иначе, чем у приглу-бых берегов. Прибойная волна размывает берег и дно прилежащего мелководья, перемещая продукты разрушения главным образом к берегу. При малых углах наклона берега продукты разрушения уже в самом начале собираются у уреза воды, образуя пляж. В последующем скорость накопления обломочного материала у уреза воды может превышать скорость его образования от разрушения прибойной волной, и тогда формируется береговая отмель. Различают берега абразионные и аккумулятивные.

Рефракция волн, являющаяся главной причиной образования аккумулятивных и абразионных берегов . Если волна направлена под острым углом к ровному берегу, то разные ее части будут иметь различную скорость. Она разворачивается фронтом к берегу, изгибается и сильно растягивается. Когда волны подходят к бухтовому берегу, то у мысов они как бы сжимаются, сосредотачивают наибольшую энергию и интенсивно абрадируют, разрушая берег. В бухтах же волны сильно изгибаются, растягиваются вследствие влияния трения на мелководье у боковых берегов бухты и здесь создаются условия для аккумуляции осадков во входной части бухты. Отметим, что в проекте отсечной плотины ПЭС следует максимально учитывать работу волн при разработке конфигурации тела дамбы во избежание ее размыва или недооценки аккумуляции.

Создание отсечной плотины, опирающейся бортовыми примыканиями на мысы, изменит гидрологические условия водоема и прежде всего его волновой режим, поэтому следует рассматривать переносную, разрушительную и аккумулятивную вдольбереговую деятельность моря.

Морские волнения совершают большую аккумулятивную работу в береговой зоне. Волны подходят к берегу как перпендикулярно, так и под различными углами. Они взмучивают и приводят в движение обломочный материал. От скорости прямого (направленного к берегу) и обратного прибойного потока зависит та или иная сортировка материала и образование ряда береговых аккумулятивных форм. Короткие и быстрые токи воды ассимет-ричных волн при небольшой прибрежной глубине выбрасывают более крупные частицы (гальку, гравий, крупный песок) к берегу, а более тонкий материал перемещается вниз, дальше от берега. Если обратный (в море) поток

значительно слабее прибойного, на пляже формируется береговой вал асси-метричного профиля с коротким крутым береговым уклоном и более пологим морским.

Подводный порог-вал в горловинах губ формировался под влиянием двух факторов природной обстановки: впадавший в каньон и находящийся на плаву ледник переносил обломочный материал в море и по принципу «эффекта бульдозера» формировал подводный порог, аналогично тому, как это происходит сейчас на архипелаге Шпицберген. Новое поступление обломочного материала наращивает эту зародышевую аккумулятивную форму и она превращается в подводный вал. При значительной высоте вала на его верхнюю часть увеличивается воздействие волн вследствие чего материал, его слагающий, начинает перебрасываться на склон, обращенный к берегу, роль которого будет выполнять само тело отсечной плотины.

Напомним, что в пределах Баренцево- Карского шельфового региона и Сибирской плиты выделяются три ярко выраженные зоны [4,14]: 1- зона практически сплошного распространения многолетнемёрзлых пород (ММП), 2- зона несплошного (прерывистого) распространения ММП, 3- зона распространения сильно увлажнённых пород. Для всех трёх зон характерны нижеследующие современные экзогенные и эндогенные геологические процессы: подводное выветривание, перемещение песчаных волн, эрозионный придонных течений- размыв дна, мутьевые потоки, подводные русла рек, морской; абразионный- морской, ледниково- морской. Аккумулятивный: морской- терригенный, биогенный, хемогенный; ледниково- морской, ледовый разнос речной, эоловый. Землетрясения -гидравлический удар. Оползневые- оползни- оплывины, оползни-блоки. Имеют место обвальные, осыпные и суффозионные явления. Особое место занимают мерзлотные процессы, а именно: многолетние- промерзание сингенетическое и эпигенетическое, протаивание (термокарст); сезонные- промерзание и про-таивание; пучинные. В этих зонах имеют место образование жильных льдов и морозобойное растрескивание горных пород. Немаловажным фактором природных обстановок подводных геоландщафтов является наличие выходов напорных пресных вод по трещинам, карстовым провалам и каналам, диффузионные потоки. Начавшееся глобальное потепление климата, разумеется, приводит к смещению границ зон, что, в свою очередь, требует оперативного их картирования.

Проведённые изыскания последних лет в пределах Баренцево- Карского шельфа показывают, что инженерно-геологические условия этого региона оцениваются как сложные (СП 11-114-2004, прил. Д). Сложность их определяется особенностями строения инженерно-геологического разреза и наличия в нём грунтов со специфическими свойствами. К ним относятся грунты, подвергшиеся криогенным преобразованиям, илы, слабые глинистые грунты, пески с примесью органического вещества и прослоями торфа. Мощность слабых грунтов, залегающих с поверхности дна часто превыша-

ет 10 и более м, в которых выделяется до нескольких инженерно-геологических элементов.

Вкратце, сейсмогеологические условия Баренцево - Карского шельфа, изучаемые с помощью метода непрерывного сейсмического профилирования (НСП) характеризуются весьма низкой информативностью, что объясняется весьма неблагоприятными сейсмогеологическими условиями. Последнее обстоятельство, прежде всего, обусловлено наличием развитой деградирующей криолитозоны. В ряде районов по данным инженерно-геологического бурения мерзлые породы не обнаружены, но в кернах скважин отмечаются многочисленные текстуры посткриогенного характера ( комковатость, полости, трещины и т. п.). Всё это свидетельствует о том, что в период регрессии позднеплей-стоценового моря отложения находились в субаэральных условиях и испытали глубокое промерзание. В последующее время осадки вновь оказались затопленными морем и мёрзлые породы частично деградировали. При переходе мёрзлых грунтов в талое состояние сейсмоакустические свойства отложений претерпели значительные изменения из-за появления в грунте свободного газа. Последний, по-видимому, образуется в процессе разложения органики ранее законсервированной в мерзлоте. Кроме этого, существенное влияние на информативность сейсмоакустического профилирования оказывает наличие в верхней части разреза прослоев торфа и пачек заторфованных грунтов.

На временных разрезах НСП отражающие горизонты внутри осадочной толщи практически не прослеживаются или отслеживаются спародиче-ски в виде коротких осей синфазности. Проколлерировать эти локальные отражения не всегда представляется возможным.

Однако на интерпретационном этапе, при составлении суммарных временных разрезов НСП с материалами бурения и пробоотбора, удаётся выделять и прослеживать отдельные отражающие горизонты, которые отождествляются с границами стратиграфо - генетических комплексов. Весьма чётко и повсеместно отслеживается комплексный горизонт, соответствующий ледниково-морским верхнеплейстоценовым образованиям казанцев-ского горизонта. Таким образом, по результатам региональных геофизических работ вдоль намеченных профилей удаётся более или менее уверенно прослеживать отдельные горизонты, которые могут быть приняты в качестве опорных. С учётом островных и материковых геологических карт, служащих «маячками», строятся карты изопахит верхнеплейстоцен- голоценовых отложений и инженерно-геологические разрезы.

Таким образом, для различных участков шельфа отмечается физико-географическая зональность, характерная для суши [1,4,6]. Мировой опыт эксплуатации и проектирования ПЭС и морских нефте- газопромыслов указывает на необходимость стадийности опережающих инженерно-геологических исследований.

Все факторы природной обстановки, определяющие инженерно-геологические и геоэкологические условия различных зон шельфа, можно под-

разделить на три группы: а)-динамические факторы, заключающие в себя характеристики разнообразных процессов: климатических, гидродинамических, приливов-отливов, землетрясений, гляциодинамических, гидрогеологических и иных современных экзогенных и эндогенных геологических процессов, способствующих мобилизации обломочного материала, его транспортировке и аккумуляции, б)- пространственно- морфологические-структурно-тектонические, морфоструктурные и геоморфологические показатели, конкретные характеристики форм донного рельефа, береговой зоны и т.п., рассматриваемые с геоисторических позиций, в)- вещественные, обусловленные и конкретизируемые формационными, литологическими, минералогическими и геохимическими показателями, с присущими им вещественными особенностями, составом, строением и физико-механическими свойствами рыхлых и скальных отложений [1,4,13].

Такое подразделение факторов, определяющих инженерно-геологические условия шельфа, не является произвольным и ни в коей мере не расходится с мнением ведущих специалистов в области инженерно-геологического картирования, а лишь даёт возможность обосновать стадийность инженерно- игеоэкологических исследований на шельфе, а, следовательно, и массштабы инженерно- и геоэкологических карт, ибо «...масштаб карт- это единственный критерий степени её детальности» (Л.Д.Белый, 1964).

Литература

1. Болтунов В.А. Особенности формирования физико-механических свойств прибрежных отложений Шпицбергена. Инж.- стройизыскания, Сб. статей, Стройиздат, М., 1975.

2. Болтунов В.А. Методика полевых подводных инженерно-геологических исследований. Рукопись деп. В ВИНИТИ, 12 мая 1975.

3. Инструкция по составлению унифицированных основных инженерно-геологических карт. М., 1966.

4. Болтунов В.А. Методика построения инженерно-геологических карт шельфов морей. ВИНИТИ АНСССР, № 304-77 деп, М., 1977.

5. Белый Л.Д. Теоретические основы инженерно-геологического картирования. Изд. «Наука», М., 1964.

6. Леонтьев О.К. Дно океана. Изд. «Мысль», М., 1968.

7. Мес. Чериус Дж. Что нужно знать нефтяникам о состоянии дна моря «Наука», М.,1966.

8. Инструкция по составлению унифицированных основных инженрно- геологических карт. М., 1966.

9. Методические рекомендации по геологической съёмке в мелком и среднем масштабе шельфа Советской Арктики., Изд. НИИГА, Л., 19975.

10. Неизвестнов Я.В. и др. Инженерно-геологическое описание Баренцево-Карской плиты с предновоземельским прогибом и северной части Восточно-Европейской платформы в пределах шельфов и островов Белого, Баренцева и Печорского морей. Фонды НИИГА, Л., 1974.

11. Рекомендации по методике регионального инженерно-геологического изучения шельфа морей ( на примере Балтийского моря). «Знатне», Рига, 1975.

12. Сергеев Е.М., Герасимова A.C., Трофимов В.Т. Принципиальные вопросы методики инженерно-геологического картирования Западно-Сибирской плиты. В кн. Проблемы инженерно-геологического картирования. Изд. МГУ, М., 1975.

13. Суздальский О.В. Литодинамика мелководья Белого, Баренцева и Карского морей. В кн. «Геология моря», вып. 3, Л., 1974.

14. Трофимов В.Т. Автореферат докторской диссертации. МГУ, М., 1976.

15. Неизвестнов Я.В. Содержание, структура и задачи инженерной геологии морского дна - ВНИИ «Океанология», в Сб. тр. Межд. Науч. конф. «Инженерная геология сегодня и завтра», 5-7 фев. 1996г. МГУ, М., 1996.

16. Трофимов В.Т. Содержание, структура и современные задачи инженерной геологии. В сб. тр. Межд. Науч. конф. «Инженерная геология сегодня и завтра», 5-7 фев. 1996г. МГУ М., 1996.

17. Трофимов В.Т., Зилинг Д.Г. Инженерная геология, экологическая геология геоэкология - соотношение содержания, объектов, предмета и задач - МГУ В сб. тр. Межд. науч. конф. «Инженерная геология сегодня и завтра», 5-7 фев. 1996 г., МГУ, М., 1996.

18. Осипов В.И. Задачи инженерной геологии в решении геоэкологических проблем - ИГЦ РАН. В сб. тр. Ежд. Науч. конф. «Инженерная геология сегодня и завтра» 5-7 фев. 1996г., МГУ, М., 1996.

19. Иванов В.Л., Бордуков Ю.К., Неизвестнов Я.В. Геоэкология и инженерная геология - ВНИИ Океанология, НПА «Севморгео». В сб. тр. Межд. науч. конф. «Инженерная геология сегодня и завтра» 5-7 фев. 1996 г. МГУ М., 1996.

20. Губин В.Н., Коркин В.Д., Эколого-геодинамическое картографирование : содержание и роль в инженерной геологии- БелНИГРИ, ПО «Беларусьгеология», Минск. В сб. науч. тр. Межд. науч. конф. 5-7 фев. 1996г. МГУ, М., 1996.

21. Трофимов В.Т., Зилинг Д.Г. Экологическая геология. М., 2002.

Ключевые слова: шельф, инженерно-геологическое картирование, геоэкологическая карта, криолитозона, литодинамика, аккумуляция, абразия, зона шельфа. Рецензент: Потапов Александр Дмитриевич, д.т.н., проф., академик РАЕН