Основные обозначения и сокращения
В диссертационной работе приняты следующие условные обозначения и сокращения:
ОГП — опасные геологические процессы
KB — кора выветривания
ГИС - геоинформационные системы
ОГЯ — опасные геологические явления
ЭЦК — электронно-цифровые карты
ПО - программное обеспечение
БД - база данных
5 ВВЕДЕНИЕ
Интенсивное строительное освоение территории Юга России, его Черноморского побережья, строительство тоннелей и других транспортных сооружений привело к активизации опасных геологических процессов. Строительство новой автомобильной дороги в районе Красной Поляны повлекло за собой необходимость проходки большого количества скальных горных пород и строительство четырех тоннелей. Кроме того, начаты работы по прокладки автомобильной дороги, соединяющей г.Белореченск и Туапсин-ский район через Михайловский перевал, которая позволит сократить путь на Черноморское побережье с шести до трех часов. При составлении проекта и проведении инженерно-геологических исследований было выяснено, что большая часть горных пород, в которых планируется проведение строительных работ составляют аргиллиты юрского и мелового периодов, а также алевролиты. Геологическая особенность аргиллитов состоит в их поведении и изменении физических и механических свойств после вскрытия, т.к. высокопрочные горные породы после начала действия агентов выветривания на верхние слои начинают быстро терять сплошность и разрушаться. Разрушение верхнего слоя толщиной до 0.5-1.1 метра происходит уже в первые часы и дни после вскрытия, что затрудняет процесс строительства и эксплуатации транспортных сооружений и наносит значительный материальный ущерб хозяйству.
Исходя из анализа факторов выветривания, воздействию которых подвергаются горные породы при проведении строительных и буро-взрывных проходческих работ в районе города Б.Сочи и Туапсинском районе, можно сделать вывод о преобладании физического выветривания над химическим и биологическим, хотя действие химических реакций, проходящих внутри породы и расклинивающее действие корней растений необходимо учитывать
6
при прогнозировании развития скорости и направленности процесса выветривания.
Также развитие и активизация экзогенных процессов в том числе и выветривания в рассматриваемом районе может быть связана с современным движением земной коры, высокой сейсмичностью, повышенной солнечной радиацией, а также резким охлаждением пород ночью. В результате образуются значительные по мощности скопления мелкообломочного материала и мощные зоны элювия. Мощность коры выветривания достигает 50 метров. Скорость разрушения и последующего плоскостного сноса со склонов при крутизне 22-25° достигает 4.5 см/год, при крутизне 9-10° достигает 2 см/год, на более пологих склонах 1-2 см/год.
В процессе выветривания заметно уменьшается плотность скелета, увеличивается коэффициент пористости, уменьшается сцепление грунта. На свежих незащищенных поверхностях мелкообломочная зона образуется через 3-4 часа после вскрытия, через 3-4 дня глубина зоны выветривания составляет 1.0 метр. Резко понижаются физико-механические свойства, что способствует развитию других экзогенных процессов, ведет к потере устойчивости береговых откосов, рабочих бортов карьеров и отвалов, приводит к разрушению искусственных сооружений. Этими обстоятельствами объясняется большое внимание, которое уделяется изучению закономерностей выветривания при инженерно-геологических изысканиях и разработке схем инженерной защиты территорий городов и населенных пунктов.
Для обоснования эффективных мероприятий защиты территории от негативных последствий процесса выветривания необходимо знать закономерности распространения и развития процесса. Изучение режима процесса выветривания — это получение исходных данных для выявления закономерностей и прогноза этих процессов под воздействием природных и техногенных факторов.
7 Настоящая работа посвящена экспериментальному изучению процесса
выветривания, выявлению закономерностей изменения свойств горных пород под его влиянием, а также физическому и математическому моделированию с целью прогноза развития этого процесса во времени и пространстве.
Актуальность работы - установление закономерностей изменения физических свойств аргиллитов во времени и пространстве от действия основных агентов физического выветривания позволяет дать обоснованный прогноз развития этого опасного геологического процесса и разработать комплекс мероприятий для своевременного предотвращения его дальнейшего разрушающего действия. Это позволит подойти к прогнозу ОГП, возникновение которых связано с продуктами выветривания, накапливающимися на склонах (сели, оползни и обвалы).
Объекты исследования - горные породы - аргиллиты мелового и юрского периодов.
Предмет исследования - изменение физико-механических характеристик горных пород под действием процесса выветривания.
Цель исследования - выявление закономерностей изменения свойств юрских аргиллитов под влиянием процесса выветривания и разработка технологии прогнозирования развития опасных геологических процессов с использованием геоинформационных систем.
Задачи исследования:
- анализ современного состояния проблемы изучения процесса выветривания и его моделирования во времени;
- выявление связи и установление зависимости между скоростью выветривания аргиллитов в естественных условиях и продолжительностью их испытаний в лаборатории;
- выделение природных агентов выветривания наиболее значимых для развития процесса в районе г. Большое Сочи;
- картографическое описание выделенных факторов;
8 • - зонирование части территории города по опасности возникновения и
развития процесса выветривания путем картирования его факторов с использованием геоинформационных систем;
- разработка рекомендаций по созданию прогнозных карт развития процесса выветривания для предотвращения возникновения опасных геологических процессов и обоснования выбора районов под строительство.
Практическая значимость: начальные наработки территориального банка инженерно-геологических данных, станут ядром в системе планирования и выполнения инженерных изысканий для строительства с возможностью прогнозирования влияния строящихся объектов на изменение инженерно-геологических условий района и развития опасных геологических процессов в зависимости от климатических, техногенных и геологических факторов, и дают возможность, опираясь на закономерности изменения физических характеристик аргиллитов, принять необходимые проектные реше-т ния для обеспечения функционирования инженерных сооружений.
Научная новизна представленных исследований состоит в:
- получены математические зависимости, описывающие изменение физических свойств юрских аргиллитов в процессе выветривания;
- получены математические зависимости, связывающие время протекания процесса выветривания юрских аргиллитов в естественных условиях и продолжительность лабораторных испытаний;
- разработаны рекомендации по картографическому прогнозированию возникновения процесса выветривания с использованием ГИС;
- построена карта зонирования участка территории г.Б.Сочи по возможности возникновения процесса выветривания.
Защищаемые положения:
На защиту автором выносятся следующие основные положения:
9
- закономерности изменения коэффициентов пористости, фильтрации
и неоднородности, эффективного диаметра и плотности скелета грунта юрских аргиллитов в процессе выветривания от комплекса факторов;
- длительность испытаний в лаборатории для получения материалов, выветривание которых происходило в природных условиях в течение определенного промежутка времени;
- возможность построения прогнозной карты процесса выветривания путем комплексного послойного пространственного анализа картографического описания агентов выветривания с использованием ГИС;
- рекомендации по прогнозированию развития процесса выветривания с использованием ГИС;
- карта участка территории г.Б.Сочи с ранжированием по опасности интенсификации процесса выветривания в результате действия природных факторов, созданная с использованием разработанных рекомендаций.
Апробация результатов исследования: различные этапы исследований и концептуальные подходы докладывались и были представлены на конференциях (1995-2004гг) в г.С.-Петербурге («Интеллектуальный потенциал России-в XXI век»), г.Томске («Проблемы геологии и освоения недр», «Геоинформатика 2000»), , г.Краснодаре («Повышение надежности и долговечности автомобильных дорог и искусственных сооружений»), г.Самаре («Актуальные проблемы современной науки»), г.Москве («Международный форум по проблемам науки, техники и образования»), г. Новочеркасске («Проблемы геологии, полезных ископаемых и рационального недропользования»), г.Пензе («Проблемы строительства, инженерного обеспечения и экологии городов»), на научном семинаре в ЮРГТУ г.Новочеркасск.
Публикации: по материалам исследований опубликовано 14 печатных работ.
Объем и структура работы: Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованных источников и рекоменда-
10
ций по созданию прогнозных карт возникновения и развития процесса выветривания горных пород в виде приложения. Работа изложена на 154 страницах, включает 22 таблицы, 58 рисунков, список использованных источников содержит 110 наименований.
Работа выполнена в процессе обучения в очной аспирантуре на кафедре кадастра и геоинженерии Кубанского Государственного Технологического Университета.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю, к.г.-м.н., доценту Е.Д.Осенней. Автор искренне признателен профессорам В.Н.Синякову и С.В.Кузнецовой, которые ознакомились с рукописью и сделали необходимые замечания.
11
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ИЗУЧЕНИЯ ПРОЦЕССА ВЫВЕТРИВАНИЯ И ЕГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ВО ВРЕМЕНИ
1.1 Общие сведения о природе и сущности процесса выветривания горных пород
Выветривание — это экзогенный геологический процесс, наиболее широко развитый на Земле. Его продуктом являются породы элювиального генезиса, служащие исходным материалом для многих осадочных пород, в том числе и руд.
При вскрытии горной породы при строительстве на нее начинают действовать температура, влажность, солнечная радиация и- другие агенты выветривания, что влечет за собой образование трещин. До этого напряжение в породе имело свое определенное значение (бытовое напряжение). После вскрытия же направленные навстречу друг другу трещины создают напряженное состояние, не поддающееся простому описанию, так как монолит начинает испытывать напряжение уже не как монолит, а как отдельности. По образовавшемся трещинам вода и другие агенты выветривания проникают внутрь и разрушение продолжается вглубь. Поначалу процесс идет очень интенсивно, а затем постепенно затухает, поскольку продукты выветривания, образующиеся на поверхности, затрудняют проникновение агентов выветривания в глубь массива пород.
При сохранении одной и той же климатической обстановки интенсивность выветривания пород имеет тенденцию к снижению до некоторой определенной величины, что свидетельствует о наступлении стадии относительной стабилизации процесса выветривания. В связи с этим процесс выветривания горных пород можно разделить на две стадии: неустановившегося выветривания и его относительной стабилизации.
Первая стадия характеризуется постепенным снижением ин-
12 тенсивности выветривания пород до определенного уровня и образованием
защитной толщи из продуктов выветривания верхней зоны с определенными закономерностями в изменчивости физико-механических показателей. Такой процесс выветривания протекает в современных условиях. Вторая стадия характеризуется более или менее постоянной интенсивностью выветривания и более или менее устойчивой во времени изменчивостью физико-механических показателей зон выветривания по вертикальному разрезу коры выветривания. Эта стадия присуща древним корам выветривания.
Кора выветривания — это комплекс горных пород, образовавшихся в результате физического и химического изменения исходных («материнских») горных пород верхней части литосферы, стремящихся к равновесному состоянию в приповерхностных термодинамических условиях. Данные, получаемые при изучении кор выветривания, нередко служат основой анализа, позволяющего воссоздать физико-географическую обстановку прошлого, климат и характер тектонических движений. [23]
Пространственное положение (контакт между литосферой, с одной стороны, атмосферой, поверхностной гидросферой и биосферой — с другой), а также практическое использование кор выветривания обусловили разнообразные аспекты их изучения. Они являются объектом исследований геологов, геохимиков, почвоведов, гидрогеологов, гидрогеохимиков, инженеров-геологов и других специалистов.[20J
К настоящему времени наибольшие успехи достигнуты в изучении минералогии и геохимии элювиальных образований. Работами В.И. Вернадского, А.Е. Ферсмана, Б.Б. Полынова, И.И. Гинзбурга, К.И. Лукашева, В.П. Петрова, А.И. Штельмана, М.А. Глазовской, В.Н. Разумова, Н А. Ли-сициной, В.П Казаринова выявлены степень устойчивости различных минералов, стадийность их разложения, особенности формирующихся продуктов на разных этапах развития процесса, а также роль климатических факторов и живых организмов.
13 Существуют работы, обобщающие данные регионального изучения
кор выветривания. Для отдельных территорий составлены специальные карты и схемы, на которых получили отражение стратиграфия кор выветривания, их связь с тектоническими движениями и геоморфологическим строением. Существуют региональные исследования по корам выветривания Урала (А.П Сигов), Зауралья и Северного Казахстана (Ли и Певзнер), Украинского щита (В.Ю. Кондратюк, М.Д. Эльянов, А.Д. Дадатко), Восточной Сибири, Приморья и Северного Кавказа. Детально исследуются почвы, являющиеся верхним горизонтом кор выветривания и описанные в отечественной и зарубежной литературе. К работам, наиболее тесно связанным с проблемой изменения минерального состава, структуры и текстуры горных пород в процессе почвообразования, относятся классические труды К.Д. Глинки, В.Р. Вильямса, A.A. Роде и Б. Б. Полынова. Большой интерес для познания характера изменения горных пород в почвах представляют работы М.А. Глазовской и В.В. Пономаревой [12,20,22,23,24].
Проблема изучения процесса выветривания является одной из важнейших в инженерной геологии. Развитие современных геологических процессов — эрозии, абразии, оползней, селей, обвалов, переработки берегов водохранилищ связано с процессом выветривания. Глубина заложения, конструкции фундаментов наземных сооружений, производство работ, сечение, способы возведения подземных сооружений, конфигурация и углы заложения откосов и карьеров зависят от состава и свойств выветрелых пород. Специфика инженерно-геологического изучения процесса выветривания состоит в том, что в ходе исследования необходимо получить количественную оценку свойств, степени и скорости выветривания различных по минеральному составу и происхождению горных пород, находящихся в различных климатических зонах [44,48,49].
Разнообразный характер выветривания и не идентичность интересов, проявляемых при его изучении представителями разных научных направ-
14
лений, обусловили неодинаковое толкование многих понятий. Само понятие „кора выветривания" трактуется по-разному. Определение его дают В.И.Вернадский, А.Е.Ферсман, Б.Б.Полынов, И.И.Гинзбург, А.И.Перель-ман, В.П.Петров, Л.Б.Рухин, Н.М. Страхов, Е.В. Шанцер и др.. Одни из них (К.И. Лукашев, Б.Б. Полынов) рассматривают кору выветривания широко, относя к ней все образования верхней оболочки литосферы, включая и чехол осадочных пород. Н.М. Страхов, В.П. Петров и А.И. Перельман обозначают этим термином собственно элювий, непосредственно связанный с почвенным покровом. И.И. Гинзбург к коре выветривания относит не только элювий, но и частично делювиальные и пролювиальные накопления [15].
Мощности коры выветривания зависит от глубины проникновения агентов выветривания. Как правило, влияние этих факторов с глубиной уменьшается и поэтому глубина зон выветривания ограничена. [23]
В инженерной геологии схемы расчленения кор выветривания на зоны предложены Г.С. Золотаревым (1948, 1963, 1971), Н.В. Коломенским (1952), В.Б. Швецом (1970), Ю.Д. Матвеевым (1970), Э.А. Джавахишвили (1962), Г.К Бондариком (1963), A.A. Скибой (1978), Л.А. Ярг (1974, 1985). Частично они представлены в таблице 1.1.
Мощности кор выветривания определяются глубинами проникновения агентов выветривания. С глубиной проникновение интенсивность воздействия агентов выветривания на породы уменьшается, чем объясняется образование в толще коры выветривания зон, отличающихся по степени разрушения пород и другим инженерно-геологическим свойствам. Установлено, что мощности молодых кор выветривания, как правило, не превышают мощности слоя годовых колебаний температур (10—15 м), в пределах которого породы подвергаются физической дезинтеграции.
15
Таблица 1.1— Схемы зонирования коры выветривания
Автор Год Породы Зоны выветри- Горизонт
вания
Г.С.Золотарев 1948 Глины I - дисперсная
Поволжья II - обломочная А Б R
III - трещинная Х-> Г
Н.Е.Коломенский 1952 Глины и пес- IV —тонкого дробления
чаники апше- III - зернистая или мелко-
С.В.Дроздов 1957 ронского яруса щебенистая
II - глыбовая
I - монолитная
З.А.Макеев 1955 Глины Май- V - рыхлой листовой ще-
копского яруса бенки
Северного Кав- IV - учащенно-
каза трещиноватая мелкощебе-
нистая
III - крупно-щебенистая,
среднетрещиноватая
II - редкотрещиноватая
I — очень редкотрещинова-
тая
Э.А.Джавахишвили 1962 Глины майкоп- М — Мелкого дробления и
1967 ского яруса выщелачивания
1970 Щ - щебенистая и полного
окисления
Г - глыбовая и линейного
окисления
СТ - скрытотрещиноватая
и сернокислого выветри-
вания
16
Окончание таблицы 1.1
Автор Год Породы Зоны выветривания Горизонт
В.Д.Ломтадзе 1970 Полускальные горные породы I - зернистая древесно-песчаная II — мелкообломочная -щебенистая III — разборной скалы — глыбовая - грубообломоч-ная IV - монолитные породы
Ю.Д.Матвеев 1970 Алевролиты IV- ежегодное протаивание и промерзание, интенсивное почвообразование, гидратация, выщелачивание. III — ежегодное промерзание - протаивание окисление, гидратации, выщелачивание. II — споратическое промерзание I - годовые колебания, начало гидратации 0 — вековые колебания
По действующим на горную породу факторам, выделяют три типа выветривания. Проявление всех типов выветривания происходит одновременно, но напряженность и преобладание того или иного типа всецело зависят от климатических условий данной местности.
Первая из форм проявления выветривания - механическое дробление горных пород без существенного изменения их химических свойств - носит название физического выветривания. Именно эта форма выветривания наиболее распространена в рассматриваемом районе благодаря особенностям климата и рельефа.
Вторая форма - химическое изменение вещества, приводящее к превращению исходных минералов в новые, не похожие на них, - называется
17 •* химическим выветриванием. Природная вода способна вызвать изменение
химического состава первичного минерала, его кристаллической решетки и его строение. Но в природной воде всегда содержатся растворенные атмосферные газы: азот, кислород и углекислый газ. Большое значение в химическом выветривании минералов и горных пород играют два последних: кислород и углекислый газ. Растворяясь в воде, они образуют ионы Н и НСО3 и таким образом, неизбежно повышается число диссоциированных
Я)
молекул. Процессы гидролиза приводят к разрушению или разрыхлению кристаллической решетки с помощью водородного иона и гидрооксила, которые внедряются в нее и заменяют там катионы оснований, находящиеся на поверхности кристаллов. Процессу разрыхления кристаллической решетки способствуют процессы окисления.
Химическое выветривание слабо проявляется на первых стадиях течения процесса, но постепенно усиливается по мере дробления и измельче-*' ния породы в процессе физического выветривания, так как при этом увели-
чивается суммарная поверхность частиц породы, что способствует активизации коллоидно-химических процессов.
Минералы и горные породы физически и главным образом химически изменяются также под воздействием жизнедеятельности организмов и органического вещества, образующегося при их разложении. Этот процесс рассматривают как третью форму выветривания - органогенного. Оно производит весьма заметные видоизменения в минералах и горных породах Активную деятельность для этого вида выветривания осуществляют различные живые организмы (черви, жуки, личинки, кроты, мыши, суслики и хомяки). Они проделывают незначительные по диаметру, но многочисленные и длинные подземные ходы, способствуя проникновению в глубь почвы атмосферного воздуха, содержащего влагу и углекислый газ — мощные факторы химического выветривания [42] |
