Ранжирование и структуризация литосистем прибрежной зоны шельфа при инженерно-геоэкологических изысканиях

В. Г. Зайончек, В. А. Усов

РАНЖИРОВАНИЕ И СТРУКТУРИЗАЦИЯ ЛИТОСИСТЕМ ПРИБРЕЖНОЙ ЗОНЫ ШЕЛЬФА

ПРИ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИХ ИЗЫСКАНИЯХ

Инженерно-геоэкологический прогноз предполагает такую оценку литосистемы (ЛС), которая дает возможность оценить риск возникновения или обострения опасных инженерно-геологических процессов при взаимодействии сооружения со всеми зонами, слоями, в общем виде — геологическими телами, слагающими систему. Под инженерно-геологическими процессами понимаются экзогеодинамические процессы, вызванные техногенным воздействием. Прогноз включает три стадии исследований: создание модели (карты, разреза) ЛС, ранжирование сходных моделей по сложности и степени устойчивости к техногенному воздействию и выделение наиболее чувствительных элементов ЛС — слоев, площадей или физических характеристик (влажности, пористости, прочности и др.) [1]. В прибрежной зоне моря, в области развития осадков волнового поля, лагунных, бухтовых и ваттовых фаций эта задача приобретает своеобразные черты и предъявляет повышенные требования к исследователю, особенно в области вечной мерзлоты или на приливных берегах гляциальных шельфов, где авторами проводились инженерно-геологические изыскания.

Ранжирование литосистем первого уровня должно производиться по генетическим признакам. Однако уже и здесь необходимо учитывать риски и устойчивость их к техногенным воздействиям. Берега делятся на аккумулятивные и абразионные. Для каждой группы существует свой набор рисков и методов прогноза. В свою очередь, аккумулятивные берега делятся на дельтовые, лагунно-бухтовые, ровные и ваттовые, приливные. При этом следует учитывать, что три последние градации могут в физическом времени переходить друг в друга, так что в теоретическом плане целесообразно рассматривать инженерно-геологический разрез ваттового берега как последнюю стадию лагунно-бухтового, то есть перевести ранжирование из пространственного во временной план. Это тем более уместно, что именно в физическом времени формируются все инженерно-геологические особенности морских отложений (расчетные показатели).

Расчетные показатели — физико-механические характеристики грунтов — наиболее существенно реагируют на внешние воздействия. Ранжирование по генезису предполагает двухуровневую классификацию — на стадиях седиментогенеза и диагенеза (или катагенеза). Для разных типов берегов (рангов на генетическом уровне) именно последние этапы являются определяющими. Они позволяют перейти к следующей операции — структуризации ЛТС, к конкретизации последствий ее контакта о сооружением.

На это генетическое ранжирование и структуризацию накладывается зональное формирование ЛС на постседиментационной стадии, которое принципиально различается в криолитозоне и за ее пределами. Расчетные показатели мерзлых грунтов формируются на стадии криодиагенеза, криогипергенеза, то есть в процессе син-, диа- или эпигенетического многолетнего промерзания горных пород. Отсюда и их специфическое взаимодействие с техническими объектами, и на порядок более высокая чувстви-

© В. Г. Зайончек, В. А. Усов, 2010

тельность к внешним воздействиям, и принципиально иной набор расчетных показателей. Главными факторами чувствительности мерзлых ЛС являются подземный лед и температурные поля.

Уже на первом уровне ранжирования обнаруживаются принципиальные различия в оценке рисков ЛС при техногенном воздействии. Прогноз развития абразионного берега определяется, во-первых, не столько его строением, сколько внешними факторами — скоростью накопления бронирующих отмелей за счет вдольбереговых течений, гидрологическими особенностями бассейна. Во-вторых, возведение почти любого берегового сооружения — причальной стенки, мола, нефтеналивного терминала — автоматически укрепляет подводный склон и клиф, так что прогноз скорее будет положительным. Проблемы возникают на аккумулятивных берегах, сложенных разнообразными песчано-глинистыми породами, служащими основанием фундаментов. Здесь мы рассмотрим наиболее характерный для наших северных морей тип лагунно-бухтового берега, закономерно переходящий в ваттовый.

Переход этот осуществляется за счет ускоренного неотектонического поднятия, которому подвержены берега морей Западного сектора Арктики. В Белом и Баренцевом морях оно составляет 3-4 мм в год. Обмеление бухт и узких проливов усугубляется интенсивным осадконакоплением за счет приливов и ледового разноса. В результате формируется двухъярусный разрез: основание сложено субаквальными тонкодисперсными осадками внутренних халистаз, перекрытыми субаэральными отложениями приливных равнин или на пляжах — фацией волнового поля. Лагунные и бухто-вые фации представлены суглинками и глинами, ваттовые — линзовидным переслаиванием супесей, суглинков и песков. Мощность последних редко превышает двух метров.

Формирование и особенности инженерно-геологического разреза ваттового берега подробно описаны в нашей работе [2], где для субаквальных отложений, перекрытых ваттовыми, предложено наименование «чаш диагенетической консервации». В термине отражен процесс быстрого захоронения слаболитифицированных, переувлажненных глинистых осадков, сохраняющих и после обмеления берега неустойчивые молекулярно-коллоидные связи и структуру, близкую к ячеистой, что сказывается на их прочностных характеристиках. Перекрывающие их ваттовые осадки, подверженные интенсивным процессам субаэрального диагенеза, представляют собой своеобразную «корку» с существенно иными физико-механическими характеристиками. Контраст нагляднее всего оценивается по перепадам влажности, плотности и сопротивлению сдвигу. Если влажность «корки» не превышает 25% (за исключением, разумеется, верхнего наилка в периоды приливов), а коррелирующая с нею прочность (общее сопротивление сдвигу) достигает 0,12-0,14 МПа, то соответствующие характеристики лагунно-бухтовых осадков «чаши» составляют 40-55% и 0,03-0,05 МПа. Иными словами, в ЛС ваттового берега, если рассматривать его в парагенетической связи с лагунно-бухтовой основой, отчетливо выделяются два структурных элемента с резко различными физико-механическими свойствами. Третьим — является коренное ложе, представленное комплексом метаморфических и интрузивных пород — в нашем случае серых гнейсов и грани-тоидов.

Рассматривая эту трехчленную структуру во взаимодействии с инженерными сооружениями, глинистые отложения «чаши» нельзя считать пригодными в качестве основания любых фундаментов, с самой незначительной нагрузкой. Ваттовые осадки — слабосжимаемые пески и супеси, уплотненные субаэральным диагенезом, могли бы работать в этом качестве, если бы не их положение в разрезе. Заглубление любого фунда-

мента определяется расчетной глубиной сезонного промерзания. На побережье Белого моря нормативная глубина сезонно-мерзлого слоя (СМС) составляет 1,7—2,0 метра. Его расчетная мощность больше нормативной в 1,2—1,3 раза, что заведомо превышает мощность «корки».

Геоэкологическое исследование ЛС на заключительном этапе требует выявления тех ее наиболее динамичных свойств, которые угрожают нарушением равновесия при взаимодействии с сооружением. Как видно из приведенного примера, в прибрежной зоне шельфа эти свойства (расчетные показатели) формируются на стадии диагенеза. Существенно, в каком реальном времени, на какой стадии начнется это взаимодействие.

В области вечной мерзлоты лагунные и бухтовые отложения подвергаются многолетнему промерзанию — криодиагенезу. Этот процесс достаточно изучен [3] и сводится к двум этапам: а) образованию бара и лагуны, в которой накапливаются глинистые осадки, подстилаемые водонасыщенными песками, и б) всестороннему промерзанию замкнутого подлагунного талика, в результате чего вода внедряется в лагунные отложения и формируется инъекционный лед. Он образует атакситовые криотекстуры, влажность грунта достигает 70-100% (к сухой навеске), иногда лед в породе преобладает. В разрезе берега эти сильнольдистые отложения представляют собой линзы мощностью 2-4 и более метров, до сотни метров в поперечнике, залегающие среди песчаных отложений массивной криотекстуры с влажностью не более 25%.

Сильнольдистые грунты обладают двумя особыми свойствами. Во-первых, несмотря на наличие кристаллизационных связей, лед под влиянием нагрузки теряет прочность, «подплавляется», и грунт приобретает пластические свойства, «релаксирует», вплоть до полной потери прочности. Во-вторых, при оттаивании (под зданием-тепло-выделителем, на контакте с «горячим» трубопроводом) в нем возникают опасные осадки. Поэтому высокая льдистость, продукт криодиагенеза, выступает здесь тем главным элементом ЛС, который наиболее существенно влияет на ее динамику. Именно эти сильнольдистые слои и линзы необходимо вычленять в первую очередь при структуризации ЛС — в разрезах и на карте.

При промерзании «чаш диагенетической консервации», строение которое описано выше, высокая суммарная влажность — до 40-50% — обусловлена начальной влажностью породы в немерзлом состоянии, с последующим перераспределением влаги под влиянием напорной и пленочной миграции (инъекционно-сегрегационный лед). И здесь в зоне взаимодействия с проектируемым сооружением главную роль играет не столько прочность грунта, сколько опасность его неравномерных осадок при оттаивании. Последние зависят в основном от разности между суммарной влажностью и влажностью минеральных прослоев.

В каждой из генетических разновидностей прибрежно-морских отложений должен выделяться свой специфический показатель, наиболее существенно влияющий на взаимодействие с сооружением. Но выделяться он может только после того, как определена зона взаимодействия (ЗВ), ограниченная определенной глубиной и редко включающая поверхностные слои. В разрезах почти всех типов аккумулятивных берегов она совпадает с отложениями внутренних халистаз. Их свойства зависят от стадии и типа диагенеза, совпадающих со временем возведения сооружения или изысканий. В области вечной мерзлоты характеристика ЗВ определяется соотношением времени промерзания и седиментации (син-, диа- или эпикриогенный тип ММП). Генетический подход, с главенством фациального анализа, принятый в так называемом «формационном» принципе инженерно-геологической съемки, оказывается ведущим и при инженерно-

геоэкологических исследованиях. Однако, в понятие генезиса и фации, с учетом требований инженерной геологии, следует включать и те постседиментационные преобразования, которые формируют физико-механические свойства (расчетные показатели) грунтов. Они играют не менее существенную роль, чем сам процесс седиментации.

Литература

1. Бондарик Г. К., Ярг Л. А. Инженерно-геологические изыскания. М., 2007.

2. Зайончек В. Г., Усов В. А. К вопросу о диагенетическом промерзании прибрежно-морских отложений // Вестник СПбГУ, 2003. Вып. 3.

3. Дроздова Л.М., Зайончек В. Г., Усов В. А. Инженерно-геологическая характеристика приливного берега //В сб. «Морские инженерно-геологические исследования», ВНИИОкеан-геология, СПбГУ, 2004.

Статья поступила в редакцию 5 октября 2009 г.