Карбонатный карст сухоложско-каменского района (восточный склон среднего урала)
| Вид материала | Автореферат |
- Российская федерация администрация Каменского района Алтайского края, 162.23kb.
- Российская федерация администрация Каменского района Алтайского края, 57.77kb.
- Родов Среднего Урала раскрыто в литературе с точки зрения особенностей формирования, 255.03kb.
- Стратегия социально-экономического развития Каменского муниципального района Воронежской, 2192.37kb.
- Положение о муниципальном фестивале детского творчества «Мой город» (приложение №6), 756.8kb.
- Магистратура Уральского государственного университета им. А. М. Горького Уральский, 3712.8kb.
- Публичный доклад отдела образования и молодежной политики администрации Каменского, 484.87kb.
- Решени е, 1867.85kb.
- Природно-ресурсный потенциал Республики Башкортостан, 133.52kb.
- Маслак Екатерина Николаевна, мкоу сош №2 с уиоп п. Восточный Омутнинского района, 104.6kb.
На правах рукописи
Горбова Светлана Валерьевна
КАРБОНАТНЫЙ КАРСТ
СУХОЛОЖСКО-КАМЕНСКОГО РАЙОНА
(ВОСТОЧНЫЙ СКЛОН СРЕДНЕГО УРАЛА)
Специальность 25.00.08 – «Инженерная геология,
мерзлотоведение и грунтоведение»
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата геолого-минералогических наук
Екатеринбург, 2006
Работа выполнена в Уральском государственном горном университете и в Научно-производственном центре «КАРСТ» (г. Дзержинск).
Научный руководитель - кандидат геолого-минералогических наук, доцент Афанасиади Элеонора Ильинична
Официальные оппоненты:
доктор геолого-минералогических наук, профессор Катаев Валерий Николаевич,
кандидат геолого-минералогических наук, доцент Новиков Виталий Прокопьевич
Ведущая организация – ОАО «Уральская гидрогеологическая экспедиция» (г. Екатеринбург).
Защита диссертации состоится « 29 » июня 2006 г. в 1500 час. на заседании диссертационного совета К 212.280.01. при Уральском государственном горном университете по адресу: 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30 (III уч.корпус, ауд.3335).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.
Автореферат разослан «____» мая 2006 г.
Ученый секретарь диссертационного совета
Дубейковский С.Г.
Общая характеристика работы
Актуальность работы. Высокая техногенная нагрузка на геологическую среду в конце ХХ - начале ХХI вв. привела к активизации многих экзогенных процессов, в том числе и карста. Большинство объектов гражданского и промышленного назначения, построенных на закарстованных территориях в начале ХХ века и эксплуатируемых до наших дней, возводились без должного учета карстовых процессов. Многие закарстованные участки на территории района, считавшиеся ранее безопасными в отношении провалообразования, в настоящее время таковыми уже не являются.
Карстовые провалы на территории промышленных объектов и в жилых кварталах гг. Каменск-Уральского, Богдановича, Сухого Лога приводят к деформациям капитальных сооружений и разрывам инженерных сетей.
Наиболее уязвимыми в отношении провалообразования являются линейные сооружения – автомобильные и железные дороги, газо- и нефтепроводы. Если проектирование и строительство гражданских и промышленных объектов на закарстованных территориях с применением элементов конструктивной защиты обеспечивают нормальную эксплуатацию сооружений и в случае провала могут предотвратить полное разрушение сооружения, то железные дороги в силу их значительной протяженности защитить практически невозможно.
Железные дороги в России являются основным пассажирским перевозчиком. Кроме того, по железным дорогам перемещается большое количество грузов, в том числе опасных (БОВ, радиоактивные вещества, нефтепродукты), которые в случае схода состава могут привести к экологической катастрофе. Карстовые деформации неоднократно приводили к нарушению нормальной эксплуатации Свердловской железной дороги на Каменск-Уральской и Баженовской дистанциях пути (провалы в 1975, 1977, 1998, 2000, 2001 гг.).
Значительные экономические потери и экологический ущерб от карстовых провалов предопределяют необходимость глубокого изучения карста и выработки прогнозов его активности на этапах проектирования и эксплуатации сооружений.
Целью работы является изучение условий и особенностей развития карбонатного карста в Сухоложско-Каменском карстовом районе.
Задачи исследований: 1. Выявление закономерностей развития карбонатного карста в Сухоложско-Каменском районе. 2. Изучение особенностей распространения и морфологии поверхностных и подземных карстовых форм для оценки карстоопасности для инженерных сооружений. 3. Установление причин активизации провалообразования на участках детальных исследований.
Научная новизна работы:
- дана детальная характеристика закарстованности карбонатных массивов на территории Сухоложско-Каменского карстового района;
- установлена взаимосвязь генезиса и морфологии карстовых форм с тектоническими и гидрогеологическими условиями Сухоложско-Каменского карстового района;
- определена зависимость степени закарстованности от литолого-петрографических особенностей известняков;
- определены особенности морфологии карстовых полостей на территории Сухоложско-Каменского района;
- доказана зависимость современной активизации провалообразования от техногенных факторов.
Фактический материал, положенный в основу диссертации, включает материалы, собранные автором во время полевых исследований, и фондовые материалы.
Полевые и камеральные исследования автора включают:
- специальную карстологическую съемку М 1:500 (12,37 км2);
- изучение трещиноватости известняков в карьерах, обнажениях;
- анализ геологических данных буровых работ (216 скв.);
- изучение керна карбонатных пород и покровной толщи (около 6000 пог. м);
- анализ данных тампонажных работ (162 скв.);
- гидрогеологические наблюдения, отбор проб воды, их химический анализ и обобщение результатов;
- петрографическое описание шлифов (15 шт).
В настоящей работе использованы материалы кафедры инженерной геологии, гидрогеологии и геоэкологии УГГУ, фондовые материалы Комитета природных ресурсов по Свердловской области, Каменск-Уральского отделения УралТИСИЗа, институтов Уралгипротранс, УралгипродорНИИ, ЗАО НПЦ «КАРСТ», в том числе данные по 924 скважинам.
Методы исследований. Для обработки полученных материалов использованы дешифрирование, макро- и микроскопическое описание известняков, сравнительный анализ, графические методы, статистические методы, корреляционный анализ.
На защиту выносятся следующие научные положения:
1. Закономерности развития карста Сухоложско-Каменского района обусловлены: 1) наличием толщ карбонатных пород, перекрытых чехлом песчано-глинистых отложений переменной мощности (от 0 до 30,0 м); 2) степенью тектонической нарушенности известняков (модуль трещиноватости: от 2-3 – слаботрещиноватые известняки до >20 – зоны дробления); 3) наличием глубоковрезанных долин рек Исети, Пышмы, Каменки, Кунары, определяющих характер гидродинамических условий.
2. Литолого-петрографические особенности карбонатных пород определяют степень закарстованности массивов. Наибольшая закарстованность характерна для массивов, сложенных известняковыми брекчиями.
3. Образование открытых карстовых полостей и современная активность провалообразования в Сухоложско-Каменском районе обусловлены активизацией карстово-суффозионного процесса под влиянием техногенного нарушения фильтрационно-гидродинамического режима (интенсивный дренаж массивов в районах водозаборов, утечки из водонесущих коммуникаций, подпор поверхностного стока насыпями железных дорог) и динамических и статических нагрузок на участках интенсивного железнодорожного движения.
Практическое значение работы. Результаты исследований использованы при определении морфологии карстовых полостей для оценки их объема и прогноза эффективности мероприятий противокарстовой защиты на Каменск-Уральской и Баженовской дистанциях пути Свердловской железной дороги.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Международном симпозиуме «Инженерно-геологические проблемы урбанизированных территорий» (2001 г., Екатеринбург), Международной научно-практической конференции «Техногенная трансформация геологической среды» (2002 г., Екатеринбург), Всероссийской конференции «Экологические проблемы промышленных регионов» (2004 г., Екатеринбург), Международном симпозиуме «Карстоведение – XXI век: теоретическое и практическое значение» (2004 г., Пермь), Уральской горнопромышленной декаде (2005 г., Екатеринбург), Международном симпозиуме «Стихийные бедствия последнего времени – проблемы, стоящие перед инженерной геологией, геотехникой и гражданской защитой» (2005 г., София).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 8 статей.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав и заключения, содержит 175 стр. текста, 84 рисунка, 13 таблиц и список литературы из 133 наименований.
Автор выражает благодарность научному руководителю к.г.-м.н. Афанасиади Э.И., директору ЗАО НПЦ «КАРСТ» к.г.-м.н. Нещеткину О.Б за ценные советы и помощь на всех этапах работы над диссертацией, заведующему кафедрой гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии УГГУ, проф., д.г.-м.н. Грязнову О.Н., проф., к.г.-м.н. Дубейковскому, доц., к.г.-м.н. Абатуровой И.В., Елохиной С.Н. и Парфеновой Л.П. за консультации.
Основное содержание работы
В первой главе диссертации рассмотрены основные направления инженерного карстоведения, проведен анализ материалов по геологической изученности Сухоложско-Каменского карстового района и определены задачи исследований. Приведена схема районирования Восточно-Уральской карстовой провинции Восточного склона Среднего Урала (М.И.Гевирц, 1960 г.). Хорошая геологическая и гидрогеологическая изученность района исследований не отражает в полной мере условий развития карбонатного карста.
Многочисленные исследования, проводимые на Восточном склоне Среднего Урала с XIX века, были посвящены изучению стратиграфии, геологического и гидрогеологического строения, тектонических условий, поискам полезных ископаемых. Исследования карста сводились в основном к описанию карстовых форм и пещер.
Инженерно-геологические исследования карста проводились проектными и изыскательскими организациями на отдельных объектах. Ни в одной из работ не содержится обобщающих материалов по выявлению закономерностей и особенностей развития карста в Сухоложско-Каменском районе.
Задачами настоящей работы являются:
- Выявление закономерностей развития карбонатного карста в Сухоложско-Каменском районе.
- Изучение особенностей распространения и морфологии поверхностных и подземных карстовых форм для оценки карстоопасности для инженерных сооружений.
- Установление причин активизации провалообразования на участках детальных исследований.
Во второй главе работы охарактеризованы региональные условия развития карста в Сухоложско-Каменском районе. На основе геологической изученности приведены данные по стратиграфии, геоморфологии и гидрогеологии. По работам Н.И. Архангельского (1941, 1968 гг.), И.И. Горского (1931 г.), А.А. Пронина (1960, 1965, 1981 гг.), А.П. Сигова (1968, 1984 гг.) и др. детально рассмотрены история геологического развития региона, тектоника и эпохи развития карста.
Наличие толщ растворимых карбонатных пород, перекрытых чехлом песчано-глинистых отложений, мощность которого составляет в среднем 10,0-20,0 м, является первым региональным условием развития карста и предопределяет возможность его широкого развития в пределах Сухоложско-Каменского района.
Сложное тектоническое строение, раздробленность и трещиноватость пород способствовали проникновению поверхностных вод на значительные глубины и интенсивному развитию карста в прошлые геологические эпохи. Самыми активными эпохами развития карста по масштабности проявления являются триасовая и юрско-меловая. С ними связано формирование наиболее крупных закарстованных зон, на которые происходило наложение карста в последующие эпохи. К концу кайнозоя образовавшиеся ранее карстовые полости были заполнены продуктами химических кор выветривания. Оживление карстовых процессов в конце кайнозоя связано с понижением базиса эрозии.
Обводненность массивов карбонатных пород, выровненный характер рельефа на междуречьях, препятствующий быстрому стеканию талых и дождевых вод в поверхностные водотоки и способствующий на отдельных участках полной трансформации поверхностного стока в подземный, обусловливают возможность развития карста. Расположение карбонатных пород в виде полос меридионального простирания при общем широтном направлении потока подземных и поверхностных вод способствует перехвату и аккумуляции поверхностного и подземного стока, поступающего с запада с площадей развития терригенных пород.
Таким образом, в Сухоложско-Каменском районе сочетание всех вышеназванных региональных условий обусловило интенсивное развитие карста в определенные климатически благоприятные эпохи и, как следствие, широкое распространение и разнообразие поверхностных (таких, как воронки, провалы, лога) и подземных (пещеры, погребенные полья и палеокарстовые останцы и гребни, полостями и расширенные карстом трещины) карстовых форм. Ведущей формой поверхностного карста в карстовом районе является карстовая воронка.
Широкое распространение растворимых горных пород и наличие в них древних проявлений карста и современных провалов обусловливают необходимость выявления закономерностей развития карта на детальном уровне.
В третьей главе обоснован выбор участков детальных исследований карста в пределах Сухоложско-Каменского карстового района и приведена их инженерно-геологическая характеристика. На примере Богдановичского и Каменск-Уральского участков, приуроченных к 1914 км перегона Богданович – Пышминская и к 94 км перегона Кунавино – Каменск-Уральский Свердловской железной дороги, рассмотрено влияние геоморфологических, тектонических и гидрогеологических условий на особенности развития карста, установлена взаимосвязь гипсометрического положения массивов карстующихся пород, количества и характера распределения по площади поверхностных карстовых форм.
При общих региональных условиях формирования карста на Каменск-Уральском и Богдановичском участках выявлены некоторые характерные особенности развития карста и провалообразования.
На Каменск-Уральском участке наличие растворимых пород, тектоническая нарушенность массива, 30-35 м зона вертикальной циркуляции при близком расположении дрены обусловливают возможность активного развития карста. Маломощный чехол покровных отложений, а на некоторых участках полное его отсутствие, и равнинный характер рельефа способствуют полному поглощению поверхностного стока. Высокие градиенты фильтрации в речной долине определяют возможность размыва древнего заполнителя карстовых полостей, вынос в образовавшиеся пустоты рыхлых покровных отложений и формирование на земной поверхности воронок и провалов.
На основе анализа морфометрических показателей карстовых воронок на Каменск-Уральском участке установлено, что воронки имеют преимущественно округлую или овальную форму, чашеобразное или блюдцеобразное сечение. По размерам карстовые воронки делятся на две группы: 1) диаметр до 8,0 м; 2) диаметр 9,0-18,6 м. К первой группе относится 91% всех выявленных карстовых воронок, ко второй - 9%. Распределение диаметров, глубин, объемов воронок первой группы подчиняется логнормальному закону (рис.1).
Рис. 1. Графики распределения карстовых воронок по диаметру, глубине,объему и отношению глубины к диаметру на Каменск-Уральском участке
На графиках распределения видно, что выделяется особая группа карстовых воронок, глубина которых находится в интервале 1,49-1,69 м и отношение диаметра к глубине 0,45-0,52. Это свежие провальные воронки, образование которых обусловлено техногенными факторами.
Геологическое строение Богдановичского участка благоприятствовало активному развитию карста в прошлые геологические эпохи. В настоящее время образовавшиеся ранее карстовые полости заполнены плотным глинистым или песчано-глинистым материалом. Зона вертикальной циркуляции составляет 2,0-3,0 м, что не способствует размыву древнего заполнителя, формированию открытых полостей и образованию воронок и провалов на земной поверхности.
В настоящее время на Каменск-Уральском участке сохраняются благоприятные геологические и гидрогеологические условия для развития карста и провалоообразования. На Богдановичском участке геологических предпосылок для развития провалообразования не выявлено.
Общей чертой, характерной для всего Сухоложско-Каменского карстового района, является то, что наибольшая плотность поверхностных карстовых форм отмечается в долинах рек, в тектонически ослабленных зонах, на контактах карбонатной и терригенной толщ. Аномальное увеличение плотности провальных карстовых форм на отдельных участках обусловлено влиянием техногенных факторов. Нарушение гидродинамических условий приводит к увеличению скорости размыва древнего заполнителя карстовых полостей и соответственно возрастанию количества воронок, в том числе провальных.
В четвертой главе приведены основные литолого-петрографические разновидности карбонатных пород Сухоложско-Каменского района. Карбонатные породы являются наименее растворимыми из карстуюшихся пород, но, поскольку карст в Сухоложско-Каменском районе развивается более 320 миллионов лет (начиная с каменноугольного времени), влияние литологического фактора на условия карстообразования приобретает весомое значение. В Богдановичском районе выделено более 20 разновидностей органогенных, хемогенных и обломочных известняков. На региональном уровне выявить приуроченность избирательного развития карста в какой-либо из выделенных разновидностей известняков не удалось в силу недостаточного количества данных.
На Богдановичском участке массив представлен переслаивающейся толщей всех выделенных видов известняков. Мощность прослоев составляет от 2,0 до 10,0 м. В различных стратиграфических подразделениях карбонатные породы различаются по цвету, текстурно-структурным особенностям, качеству и количеству органогенного детрита, видовому составу и соотношению органических остатков, различной интенсивности процессов доломитизации и окремнения, а также вторичных изменений (перекристаллизации, кальцитизации), что обусловливает различную подверженность их карстовым процессам. В условиях слоистой толщи при частом переслаивании небольших (2,0-10,0 м) прослоев всех разновидностей известняков количественно обосновать влияние литологического фактора на сегодняшний день не представляется возможным. Имеющийся фактический материал позволяет автору вести дальнейшие исследования в этом направлении.
В пределах Каменск-Уральского участка детальных исследований толща карстующихся пород представлена двумя разновидностями нижнекаменноугольных известняков - массивными темно-серыми известняками с неявно выраженной брекчиевидной текстурой, хорошо заметной только на выветрелых поверхностях, и известняковыми брекчиями, состоящими из остроугольных и слабоокатанных обломков, хаотически расположенных в известняковой массе. Цемент представлен карбонатной, песчано-карбонатной массой, на некоторых участках - песчано-мелкообломочной массой тех же известняков. Количество цемента составляет в среднем 20-30 %.
Граница между выделенными разновидностями хорошо прослеживается и в геоморфологическом плане, и в строении разреза. Наиболее закарстованными являются известняковые брекчии, в силу неоднородности сложения больше подверженные процессу разрушения. Для них характерно и большее количество полостей, и большие их размеры, чем для массивных известняков (табл. 1). Эта закономерность подтверждается тем фактом, что в Каменском районе большая часть железорудных месторождений, залегающих в древних карстовых впадинах, приурочена именно к площадям развития известняковых брекчий.
Таблица 1
| | Массивные известняки | Известняковые брекчии |
| Общее количество карстовых полостей | 99 | 203 |
| Количество незаполненных полостей | 46 | 102 |
| Количество заполненных полостей | 53 | 101 |
| Высота карстовых полостей | 91 % до 0,5 м 9 % – 0,5-1,4 м | 84 % до 1,5 м 15 % – 1,5-5,6 м 1 % – 8,5-9,8 м |
| Объем тампонажа скважин | 52 % до 8,0 м3 27 % – 8,0-16,0 м3 21 % – 6,0-28,0 м3 | 42 % до 28,0 м3 50 % – 28,0-84,0 м3 8 % – 84,0-98,0 м3 четыре скважины – 155,8-601,8 м3 |
Таким образом, в ходе исследований установлено, что в Богдановичском районе развитие карстовых полостей происходит по контактам разнообразных в литолого-петрографическом плане пластов известняков. Количественно обосновать влияние литологического фактора в условиях слоистой толщи на сегодняшний день не представляется возможным. В Каменском районе наиболее закарстованными в силу неоднородности сложения являются известняковые брекчии.
Пятая глава диссертации посвящена выявлению особенностей морфологии карстовых полостей. Для оценки пустотного пространства и прогноза провалообразования на участках детальных исследований изучены трещиноватость, проведена типизация геологических разрезов, изучена морфология карстовых полостей, степень эрозионного расчленения массивов. При обработке полученных материалов применялись дешифрирование, сравнительный анализ, графические методы, статистические методы, корреляционный анализ.
Изучение трещиноватости карбонатных массивов в Каменск-Уральском районе проводилось в долине р. Каменки в естественных обнажениях и в Синарском известковом карьере. Массовый замер элементов трещиноватости известняков показал, что в массиве известняков преобладают две перпендикулярные системы трещин северо-западного (240-360°) и северо-восточного (0-120°) направлений с преобладающими углами падения 70-90° – 57 % и 50-70° – 21 % (рис. 2).
Рис.2. Розы-диаграммы трещиноватости
(Каменск-Уральский участок) (Богдановичский участок)
В Богдановичском районе широко развиты тектонические нарушения в виде зон интенсивной трещиноватости. Для верхних частей разреза характерны трещины кливажа, трещины напластования и трещины отпора. Основное направление трещин – меридиональное (рис. 2.).
Выявление особенностей распределения карстовых полостей в массиве карбонатных пород проведено с помощью типизации геологических условий. На основе стратиграфического принципа в пределах Каменск-Уральского участка детальных исследований выделено 3 основных типа геологического разреза, соответствующих системам общей стратиграфической шкалы (рис. 3). Рассматривая распределение типов геологического разреза по площади исследуемого участка, следует отметить, что по мере удаления от долины р. Каменки наблюдается постепенное замещение I типа на II, а затем на III тип разреза.
Рис. 3. Типы геологического разреза на Каменск-Уральском участке
В массиве карбонатных пород Каменск-Уральского участка выявлены следующие виды подземных карстовых форм: разрушенные зоны в кровле и в толще известняков, погребенные карстовые воронки, заполненные, частично заполненные и незаполненные трещины и полости, трещиноватые зоны, промежуточные полости в покровных отложениях, карстовые ниши (рис. 4). В массиве карбонатных пород основная часть нарушений относится к видам «б» и «д».
Рис. 4. Основные виды подземных карстовых форм
на Каменск-Уральском участке:
а – трещиноватые зоны; б – погребенная карстовая воронка; в1 – трещина не заполненная; в2 – трещина заполненная; г – разрушенная зона в массиве известняков; д1 – карстовая полость заполненная; д2 – карстовая полость частично заполненная; д3 – карстовая полость незаполненная, е – карстовая ниша; ж – промежуточная полость в покровных отложениях
На основе стратиграфического принципа в пределах Богдановичского участка выделен один основной тип геологического разреза, соответствующий II типу разреза Каменск-Уральского участка. В массиве карбонатных пород Богдановичского участка выявлены следующие виды подземных карстовых форм: разрушенные зоны в кровле и в толще известняков, развивающиеся преимущественно по напластованию пород, погребенные карстовые воронки, незаполненные и заполненные трещины, трещиноватые зоны, промежуточные полости в покровных отложениях (рис. 5). Основная часть нарушений представлена видами «а», «б1» и «б2».
Рис. 5. Основные виды подземных карстовых форм
на Богдановичском участке
а – погребенная карстовая воронка; б1 – разрушенная зона в массиве известняков; б2 – карстовая полость заполненная; б3 – карстовая полость незаполненная; в – промежуточная полость в покровных отложениях
Большинство карстовых полостей, имеющих клиновидную, раскрывающуюся в кровлю карстующихся пород форму, приурочено к верхней части массива известняков до глубины 10,0 м и при активизации суффозионно-карстового процесса представляет угрозу для устойчивости инженерных сооружений.
В шестой главе рассмотрены природные и техногенные факторы, влияющие на современную активность карста Сухоложско-Каменского района. Современная активность карста карбонатных массивов Сухоложско-Каменского карстового района связана с литологией пород, тектоническими условиями, с эрозионным расчленением рельефа кровли коренных пород и рядом других факторов, в том числе и техногенных.
Карбонатные породы являются наименее растворимыми из карстующихся пород. Скорость подземной карстовой денудации определяется методами, предложенными Ж. Корбелем (1959 г.), М. Пулиной (1968 г.), А.Г. Чикишевым (1973 г.), П. Уильямсом (1963 г.).
Интенсивность подземной карстовой денудации (по формуле А.Г. Чикишева) составляет:
И = 0,0126∙0,00266∙550/1 =0,018 мм/1000 лет.
Это означает, что для развития полости шириной 1 м потребуется 55,5 млн. лет. Следовательно, при установлении причин активизации провалообразования растворением карбонатных пород можно пренебречь.
Пренебрегая растворением, можно исключить также возможность образования провала за счет обрушения кровли полости. Об объемах карстовых полостей в Сухоложско-Каменском карстовом районе можно косвенно судить по размерам пещер. Длина пещер обычно составляет 10,0-20,0 м, реже 40,0 м, ширина и высота 1,4-8,0 м. Для достижения полостью критического объема, при котором начнется обрушение свода, также необходим геологически значимый промежуток времени. При буровых работах на участках детальных исследований не отмечено следов обрушений.
Таким образом, образование провалов в районе исследований связано с разрушением древнего заполнителя карстовых полостей процессами подземной эрозии при создании критических градиентов уклона подземных вод и выносом в образовавшиеся пустоты рыхлых покровных отложений. В природных условиях этот процесс весьма медленный и образование деформаций земной поверхности чаще всего происходит в речных долинах при высоких градиентах уклона зеркала подземных вод. На закарстованных территориях, подверженных интенсивному техногенному влиянию, скорость размыва возрастает в несколько раз.
Причинами активизации провалообразования являются:
1) нарушение гидродинамических условий в результате эксплуатация трещинно-карстового водоносного горизонта;
2) утечки из городских водонесуших коммуникаций;
3) нарушение поверхностного стока и создание зон локальной инфильтрации.
На Каменск-Уральском участке при благоприятных для размыва заполнителя карстовых полостей геологических условиях нерациональная хозяйственная деятельность приводит к периодическому возникновению провалов в пределах железнодорожного полотна. На Богдановичском участке детальных исследований плотность поверхностных карстовых форм низкая, так как практически все карстовые полости заполнены плотным глинистым материалом, предпосылки для формирования провалов отсутствуют, и их образование обусловлено исключительно техногенными причинами. На участках детальных исследований установлены основные природные и техногенные факторы провалообразования (табл. 2).
В 1970-1980 гг. при районировании г. Каменска-Уральского по условиям строительства территория, на которой находится Каменск-Уральский участок детальных исследований, была отнесена к V категории устойчивости. Однако техногенное воздействие на массив привело к активизации провалообразования в пределах полотна железной дороги и вызвало необходимость применения комплекса противокарстовых мероприятий. Аналогичная ситуация сложилась на Богдановичском участке детальных исследований.
Таблица 2
| Участок | Факторы провалообразования | |
| природные | техногенные | |
| Каменск-Уральский | 1. Тектоническая нарушенность массива, наличие незаполненных карстовых полостей в массиве 2. Зона вертикальной циркуляции 30-35 м при близком расположении дрены 3. Незначительная мощность покровных проницаемых песчано-глинистых отложений | 1. Многочисленные зоны локальной инфильтрации в старых горных разработках (дудках, шурфах) 2. Сброс канализационных стоков в карьер бывшего Барабинского рудника 3. Нарушение поверхностного стока насыпью, создание зон локальной инфильтрации в резервах и динамические нагрузки от железной дороги |
| Богдановичский | - | 1. Понижение уровня воды во время эксплуатации трещинно-карстового водоносного горизонта и последовавшее в последние годы его восстановление 2. Сброс промышленных стоков Богдановичского огнеупорного завода по открытой канаве 3. Систематические утечки городского канализацион-ного коллектора 4. Нарушение поверхност-ного стока насыпью, создание зон локальной инфильтрации в резервах и динамические нагрузки от железной дороги |
Для обеспечения устойчивости земляного полотна железных дорог рекомендуется применять тампонаж карстовых полостей. Тампонаж в условиях близкого залегания кровли карстующихся пород и наличия открытых карстовых полостей является эффективным методом противокарстовой защиты и позволяет обеспечить безопасность движения поездов на закарстованных участках.
Заключение
В диссертационной работе детально рассмотрены особенности развития карбонатного карста Сухоложско-Каменского карстового района. Проведена типизация геологических условий и морфологии карстовых полостей. Установлены основные природные и техногенные факторы активизации провалообразования на локальных участках.
Основные выводы
1. Сложное геологическое и тектоническое строение и геологическая история развития Сухоложско-Каменского карстового района (наличие толщ растворимых карбонатных пород, интенсивная тектоническая нарушенность массивов, значительные колебания базиса эрозии) обусловили интенсивное развитие карста в прошлые геологические эпохи и, как следствие, широкое распространение и разнообразие поверхностных (таких, как воронки, провалы, лога) и подземных (пещеры, погребенные полья и палеокарстовые останцы и гребни, полости и расширенные карстом трещины) карстовых форм.
2. Закономерности распределения поверхностных карстовых форм обусловлены, прежде всего, гидродинамическими условиями. Наибольшая плотность поверхностных карстовых форм наблюдается: 1) в долинах глубоко врезанных рек Кунары и Каменки в связи с увеличением градиента вертикальной фильтрации, скорости движения воды и ее разрушающего воздействия на заполнитель полостей; 2) на контактах карбонатных отложений и терригенных толщ; 3) в зонах тектонических нарушений, характеризующихся сильной трещиноватостью и усиленной циркуляцией подземных вод.
Аномальное увеличение плотности провальных карстовых форм наблюдается в зонах техногенного воздействия: 1) в зоне влияния депрессионной воронки Богдановичского месторождения подземных вод; 2) в зонах комплексного техногенного влияния (утечки водонесущих коммуникаций, сосредоточенная инфильтрация, подпор поверхностного стока, динамические и статические нагрузки).
3. Карбонатные породы являются наименее растворимыми из карстующихся пород, но, поскольку карст в Сухоложско-Каменском районе развивается более 320 миллионов лет (начиная с каменноугольного времени), влияние литологического фактора на условия карстообразования приобретает весомое значение. В Богдановичском районе выявлено более 20 разновидностей карбонатных пород. В условиях слоистой толщи при частом переслаивании небольших (2,0-10,0 м) прослоев всех разновидностей известняков количественно обосновать влияние литологического фактора на сегодняшний день не представляется возможным. В Каменском районе наиболее закарстованными в силу неоднородности сложения являются известняковые брекчии.
4. Нерациональное ведение хозяйственной деятельности на закарстованных территориях Сухоложско-Каменского района приводит к активизации провалообразования. Образование провалов обусловлено, прежде всего, изменением естественных гидрогеологических условий. Изменение гидродинамических условий (интенсивная эксплуатация трещинно-карстового водоносного горизонта, нарушение поверхностного стока с массивов карстующихся пород, образование на локальных участках очагов сосредоточенной инфильтрации поверхностных вод, утечки из городских водонесущих коммуникаций) приводит к активизации карстово-суффозионного процесса. Размыв древнего заполнителя карстовых полостей и вмывание в образовавшиеся пустоты рыхлых покровных отложений приводят к образованию на поверхности земли просадок и провалов, создающих угрозу нормальной эксплуатации инженерных сооружений.
5. Морфология карстовых полостей Сухоложско-Каменского района определяется степенью тектонической нарушенности и направлением трещин. Карстовые полости приурочены к зонам повышенной трещиноватости разного генезиса, преимущественно меридионального, северо-восточного и северо-западного направлений. Большинство карстовых полостей имеет клиновидную форму и раскрывается в кровлю карстующихся пород. Для обеспечения устойчивости земляного полотна железных дорог на закарстованных территориях в условиях близкого залегания карстующихся пород и наличия открытых полостей, раскрывающихся в кровлю известняков, требуется тампонаж карстовых полостей.
Основные положения диссертации опубликованы
в следующих работах:
1. Горбова С.В. Карбонатный карст Алапаевско-Каменского синклинория (Восточный склон Урала) / Э.И. Афанасиади, О.Н. Грязнов, С.Г. Дубейковский, О.Б. Нещеткин, Н.А. Вологжанина, С.В. Горбова // Инженерно-геологические проблемы урбанизированных территорий: Материалы междунар. симп., г. Екатеринбург, Россия, 2001.- Екатеринбург, изд-во «Аква-Пресс», 2001. - С. 223-228.
2. Горбова С.В. Характеристика карбонатного карста Сухоложско-Богдановичского района Свердловской области / Э.И. Афанасиади, О.Н. Грязнов, С.Г. Дубейковский, С.В. Горбова, Н.А. Вологжанина, О.Б. Нещеткин // Техногенная трансформация геологической среды: Материалы междунар. науч-практ. конф., г. Екатеринбург, 2002. – Екатеринбург, изд-во УГГГА, 2002. - С. 70-74.
3. Горбова С.В. Изучение и оценка закарстованности карбонатных пород на 94 км железной дороги Свердловск – Курган // Техногенная трансформация геологической среды: Материалы междунар. науч-практ. конф., г. Екатеринбург, 2002. – Екатеринбург, изд-во УГГГА, 2002. - С. 80-82.
4. Горбова С.В. Геодинамика карбонатного карста Сухоложско-Богдановичского района (Восточный склон Урала) / Э.И. Афанасиади, С.В. Горбова // Известия Уральской государственной горно-геологической академии. Вып.18. Серия: Геология и геофизика. – Екатеринбург, изд-во УГГГА, 2003. - С. 220-228.
5. Горбова С.В. К вопросу изучения региональных закономерностей развития карста в Сухоложско- Каменском районе / Э.И. Афанасиади, С.В. Горбова // Карстоведение – ХХI век: теоретическое и практическое значение: Материалы междунар. симп., г. Пермь, 25-30 мая 2004. – Пермь: Пермский ун-т, 2004. - С. 104-109.
6. Горбова С.В. Карст и его аварийные проявления в Сухоложско-Каменском районе Свердловской области / Э.И. Афанасиади, С.В. Горбова // Экологические проблемы промышленных регионов: Материалы всерос. конф., г. Екатеринбург, 2004. - Екатеринбург, 2004. - С. 57-58.
7. Горбова С.В. Литолого-петрографические особенности карстующихся пород Богдановичского района Свердловской области / С.В. Горбова, Э.И. Афанасиади // Материалы Уральской горнопромышленной декады, г. Екатеринбург, 4-14 апреля 2005. - Екатеринбург, 2005. - С. 82-83.
8. Gorbova S.V. RESEARCH OF CONNEKTION КARST WITH FLOODING OF BUILDING / Elokhina S.N., Dubacovsky S.G., Afanasiadi A.I., Futoraynsky L.D., Gorbova S.V // INTERNANIONAL SYMPOSIUM ON LATEST NATURAL DISASTERS – NEW CHALLENGES FOR ENGINEERING GEOLOGY, GEOTECHNICS AND CIVIL PROTECTION. September 5-8, 2005, Sofia, Bulgaria.