Закономерности формирования инженерно-геологических условий г. Казани (стр. 1 )

На правах рукописи

Жаркова

Надежда Ивановна

Закономерности формирования инженерно-геологических условий г. Казани

Специальность 25.00.08 – Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат
диссертации на соискание учёной степени кандидата
геолого-минералогических наук

Екатеринбург – 2006

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:



Ведущая организация:
кандидат геолого-минералогических наук, доцент

доктор геолого-минералогических наук, профессор

кандидат геолого-минералогических наук

Пермский государственный университет

Защита состоится: «23» ноября 2006 г. в 1600 часов на заседании диссертационного совета К 212.280.01 при ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» по адресу: г. Екатеринбург, УГГУ, ул. Куйбышева, 30.
Факс (3;
e-mail: nadejda. *****@***ru

С диссертацией можно познакомиться в научной библиотеке УГГУ

Автореферат разослан «18» октября 2006 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В настоящее время город Казань является одним из интенсивно развивающихся промышленных и культурных центров в Поволжском регионе: увеличивается площадь городской территории, строится метрополитен, растут новые жилые и промышленные микрорайоны на ранее неосвоенных землях, происходит перепланировка и реконструкция центральной части города, вывод за её пределы промышленных предприятий, отрицательно влияющих на экологическую обстановку города. Многовековая история г. Казани свидетельствует о широком развитии на его территории техногенных отложений, опасных геологических и инженерно-геологических процессов, осложняющих хозяйственное освоение и снижающих эксплуатационную надёжность зданий и сооружений. В связи с этим необходимо дальнейшее всестороннее изучение инженерно-геологических условий (ИГУ), что впоследствии может послужить основой для прогноза их изменчивости и обоснования геологической составляющей генерального плана города.

Объект исследований: геологическая среда территории города Казани.

Предмет исследований: факторы инженерно-геологических условий, закономерности их формирования.

Цели и задачи исследований:

Целью работы явилось установление закономерностей формирования инженерно-геологических условий территории г. Казани и их исследование.

Основные задачи:

1.  Создание картографической модели инженерно-геологических условий г. Казани.

2.  Пространственно-временной анализ изменчивости инженерно-геологических условий.

3.  Установление закономерностей проявления геологических и инженерно-геологических процессов, прогноз динамики их развития.

4.  Оценка генезиса просадочных грунтов г. Казани.

5.  Выявление механизма формирования карбонатного элювия и причины изменения его состава и свойств.

Методы исследований:

Поставленные задачи решались с использованием методов полевых, лабораторных, камеральных инженерно-геологических исследований, инженерно-геологического опробования, обобщения и анализа собранных данных, обработки результатов исследований с помощью геоинформационных технологий с 2003 г. по 2006 г.

На защиту выносятся 4 научных положения:

1.  Формирование ИГУ территории г. Казани начиная с палеозоя и на современном этапе геологического развития осуществляется стадийно, что обуславливает различную естественную и техногенную направленность их изменчивости.

2.  Ведущим фактором формирования ИГУ г. Казани наряду с условиями формирования литологического состава грунтов, тектоническими и гидрогеологическими условиями является рельефообразование, обусловленное развитием речной сети. В связи с этим инженерно-геологическое районирование на территории г. Казани необходимо осуществлять по комплексу геологических и инженерно-геологических процессов.

3.  Просадочные грунты территории г. Казани сформировались в результате криогенного выветривания в условиях приледниковой пустыни при Валдайском оледенении.

4.  Формирование карбонатного элювия и изменение его физико-механических свойств в сводовой части Казанской купольной структуры происходит в настоящее время и контролируется минеральным составом материнских пород и гидрохимическими особенностями геологической среды.

Научная новизна результатов исследований:

-  Установлены основные закономерности формирования ИГУ г. Казани с учётом истории геологического развития территории, формирования современного рельефа, геологического строения и развития геологических и инженерно-геологических процессов.

-  Разработан геодинамический принцип выделения инженерно-геологических формаций для территории г. Казани.

-  Установлены закономерности формирования свойств элювиальных и просадочных грунтов.

-  Выявлены закономерности развития геологических и инженерно-геологических процессов, а также прогноз их развития при дальнейшем хозяйственном освоении территории.

Обоснованность и достоверность подтверждается достаточной детальностью (масштаб работ 1:25 000) и воспроизводимостью исследований, большим объёмом фактического материала (в основу построения карт положено более 750 разведывательных, наблюдательных, эксплуатационных и инженерно-геологических скважин, 1023 точки наблюдения, 380 км маршрутного обследования) и соответствием лабораторных исследований действующим нормативным документам.

Практическая значимость:

Результаты исследований реализованы в построении картографических моделей, на которых отражены категории сложности ИГУ, типы грунтовых толщ, участки распространения и прогноз развития геологических и инженерно-геологических процессов.

Они могут служить основой для разработки генерального плана г. Казани и обоснованием методики инженерно-геологических изысканий.

Результаты исследований явились обоснованием для постановки бюджетных исследований по теме «Создание постоянно действующей модели геологической среды для организации системы геодинамического и гидрогеологического мониторинга на территории г. Казани».

Результаты исследований используются при чтении лекций и проведении лабораторных занятий по курсам «Грунтоведение», «Инженерная геодинамика», «Инженерная геология» для студентов специальностей «гидрогеология и инженерная геология» и «геология» в Казанском государственном университете.

Исходные материалы и личный вклад автора:

В основу диссертации положены:

-  материалы, полученные автором в результате полевых и камеральных работ: данные по строению, составу и свойствам специфических грунтов, карты типов грунтовых толщ (1:25000), типов фильтрационных разрезов (1:50000), геодинамическая карта (1:25000), инженерно-геологические карты (1:25000, 1:50000), карта устойчивости геологической среды к техногенному воздействию.

-  материалы изучения геологического строения, полученные , НПО «ГУП Геоцентр РТ», , которые автором были собраны, систематизированы и изучены с целью выявления закономерностей формирования ИГУ;

-  фондовые материалы различных геологических организаций и Казанского государственного университета: геологические карты, топографическая и геоморфологическая карты, гидрогеологическая и гидрохимическая карты, а также геологические разрезы масштабов 1:25000 и 1:50000.

Апробация работы: Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: чтениях, посвящённых 170-летию (Казань, 2004 г.), научно-практической конференции «Экология города» (Казань, 2005 г.), международной конференции «Экология речных бассейнов» (Владимир, 2005 г.), итоговых научных конференциях Казанского государственного университета (2004 г., 2005 г.), на Горнопромышленной декаде (Екатеринбург, 2006 г.).

Публикации: по теме диссертации опубликовано 10 статей.

Структура, содержание и объём работы: Диссертация включает 195 страниц и состоит из Введения, 8 глав, Заключения, Списка литературы (101 наименование), иллюстрирована 44 рисунками и 16 таблицами.

Во «Введении» рассматривается актуальность темы, объект, предмет, цели и задачи исследований, сформулированы защищаемые научные положения, раскрыта научная новизна и практическая значимость результатов исследований.

В первой главе излагается состояние изученности ИГУ г. Казани, где констатируется, что исследуемая территория характеризуется хорошей структурно-геологической, гидрогеологической, инженерно-геологической изученностью, много научных исследований, посвящённых проблеме карста. Однако на данный момент отсутствует систематизация по характеру и интенсивности геологических и инженерно-геологических процессов, по составу, строению и свойствам грунтов.

Вторая глава посвящена методике исследования ИГУ, где рассмотрены методологические основы, методика исследования ИГУ и закономерностей их формирования.

В третьей главе содержится характеристика ИГУ (основные черты геологического строения, гидрогеологические и геоморфологические условия, состав и строение грунтовых толщ, геологические и инженерно-геологические процессы).

В четвёртой главе дана характеристика инженерно-геологических районов.

Пятая глава посвящена закономерностям и стадийности формирования ИГУ, выявлены причины сходства разновозрастных и различия одновозрастных инженерно-геологических формаций, обоснован геодинамический подход к выделению инженерно-геологических формаций.

Шестая глава «Закономерности формирования просадочных грунтов г. Казани» содержит характеристику особенностей распространения, состава, свойств, строения просадочных грунтов и состава обменного комплекса лессовидных грунтов; сделано заключение об их происхождении.

В седьмой главе «Закономерности формирования карбонатного элювия г. Казани» рассмотрены особенности распространения, состав и строение, а также физико-механические свойства карбонатного элювия, выявлены закономерности формирования его состава и свойств.

В восьмой главе изложены рекомендации по дальнейшему изучению ИГУ в связи с хозяйственным развитием города.

В «Заключении» приводятся основные результаты исследований по диссертационной работе.

Автор выражает благодарность за всестороннюю поддержку и помощь при разработке проблемы научному руководителю - , а также , и за помощь в сборе и систематизации материалов, которые легли в основу данной работы. Автор благодарит и за полезные рекомендации. Также автор признателен коллективам кафедры общей геологии и гидрогеологии КГУ и кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии УГГУ.

Защищаемые научные положения

Первое защищаемое положение. Формирование ИГУ территории г. Казани, начиная с палеозоя и на современном этапе геологического развития осуществляется стадийно, что обуславливает различную естественную и техногенную направленностьих изменчивости.

Территория г. Казани расположена в пределах Волжской долины и Предкамской возвышенности. Террасированная поверхность волжской долины прорезана долиной р. Казанки и её притоками. В строении верхней части осадочного чехла территории принимают участие верхнепермские карбонатно-терригенные толщи и неоген-четвертичные преимущественно аллювиальные образования. Грунтовые воды залегают на различных глубинах и представлены гидрокарбонатными кальциевыми, сульфатно-гидрокарбонатными кальциевыми, гидрокарбонатно-сульфатными кальциевыми и сульфатно-кальциевыми разностями с минерализацией от 0,2 до 2,4 г/л.

Для оценки ИГУ территории г. Казани с помощью программных средств ArcView GIS автором была создана картографическая модель ИГУ, которая представляет собой атлас параметрических, аналитических и синтетических карт, оценивающих факторы ИГУ: гидрогеологические карты (глубин залегания грунтовых вод, гидрогеохимическая), карты рельефа, типов грунтовых толщ. Для оценки геодинамических условий также были построены картографические модели различных геологических и инженерно-геологических процессов: карты поражённости карстовыми процессами, овражной эрозией и оползневыми процессами, карты распространённости гидротехнического и строительного подтопления, заболачивания, абразии и береговой эрозии речных долин.

Следующей стадией стало инженерно-геологическое районирование на базе карты четвертичных отложений. Все картографические работы проводились в масштабе 1:25000.

Проведённое районирование позволило выделить 22 района, представленных 657 участками, обладающими определёнными ИГУ: рельеф, принадлежность к тому или иному геоморфологическому элементу, генезис и свойства грунтов, тип грунтовой толщи, глубина залегания грунтовых вод, количественная характеристика геологических и инженерно-геологических процессов, степень устойчивости к техногенному воздействию (рис. 1, табл. 1). Таким образом, полученные участки стали минимальными таксонами.

Анализ столь значительной выборки показал, что по характеру распределения признаков ИГУ выделенные участки объединяются в три класса:

1.  поймы малых рек, их первые надпойменные террасы, вторые надпойменные террасы р. Волги и Казанки

2.  третья, четвёртая и пятая надпойменные террасы,

3.  коренной волжский берег.

Рис. 1. Инженерно-геологические районы в пределах территории г. Казани

Условные обозначения: ИГ районы в пределах 1 – (I) поймы, осташковской и микулинско-калининской надпойменных террас Волги, Казанки и её притоков; 2 – (II) одинцовско-московской надпойменной террасы, 3 – (III) лихвинско-днепровской надпойменной террасы; 4 – (IV) – окской надпойменной террасы; 5 – (V) коренного волжского склона

Следует отметить, что участки, которые расположены в пределах, третьей, четвёртой и пятой надпойменных террас не только имеют схожий набор признаков ИГУ, но и в рельефе между указанными районами, в которые входят указанные участки, нет чётко выраженных границ.

По-разному осуществляется и техногенное воздействие: в пределах низких террас, оказавшихся техногенно подтопленными (гидротехническое подтопление) преобладает техногенная аккумуляция (намыв песков, засыпка низин и заболоченных участков), в пределах высоких террас техногенное воздействие имеет другую

Таблица 1

Характеристика ИГУ районов, выделенных по формационно-генетическому принципу

Группа	Район	G	Sт	Нгв	Кзабол	Кг. п.	Кс. п.	Кобр	Ккарст
Низкие террасы	Приволжье	а IV, a mk+k, alpl IV, t	2,4,5,6,7,8,9,10,13,15	2-5	1,65	65,66	34,34	-	0,060
Заречье	1,2,3,4,5,6,7,8,9,10	1-4	1,12	59,77	40,23	-	0,009
Малые Дербышк.	5,6,7,8,9,10,12,13,14	1-4	-	23,28	66,72	-	0,016
Вознесение	9,12	3-5	-	33,59	54,41	-	-
Солонка	14	2-5	-	19,09	80,91	-	-
Киндери	8,13	3-6	-	23,40	61,60	-	1,000
Троицкий	3,4,5,6,7,8,9,10	1-3	0,01	56,94	35,06	-	-
В. Крутуш.	8	2-4	-	22,94	25,31	-	-
Высокие террасы	Московск.	a I, a lh+dn, a od+ms, dadl IV, tdadl IV, t	5,6,7,8,9,10,	10-15	0,08	-	40,42	0,13	0,001
	Мирный		5,6,7,8,9,11,13	15-20	0,13	-	22,92	1,54	0,647
	Ливадия		5,7,8,9,10	10-20	-	-	49,79	0,49	-
	Дербышки		5,6,7,8,9,10,12,13	15-20	-	-	47,88	0,12	0,623
	Киндер. карьер		13,15	<15	-	-	-	-	1,000
	Кадыш. теплицы		14	5-10	-	-	75,12	-	1,000
	З. Крутуш.		8	<15	0,01	-	23,62	1,07	-
	Горки		5,6,7,8,9,10,11,13,15	<20	-	-	45,56	1,85	0,065
	Караваево		7,8,9,10,11	<20	-	-	5,75	0,69	-
	Азино		6,7,8,9,10,11	<20	-	-	35,85	1,24	-
	Сух. Река		8,9,10,14,15	10-15	-	-	12,21	1,50	-
	Кадышево		5,14,15	10-20	-	-	16,48	-	1,000
Кор. берег	Аки	ed II – IV, dadl IV, tdadl IV, t	13,15		-	-	40,56	1,38	1,000
Царицыно	8,9,10,12,13		-	-	5,83	1,42	0,417

G – генетич. тип верхней части грунт. толщи (м); Sт – тип грунт. толщи: 1 – торф и заторф. грунты, подстилаемые песч.; 2 – преимущественно песч. с торфяным слоем в верхней части; 3 – переслаив. глинистых и заторф. грунтов с преобладанием последних в верхней части; 4 – преимущественно глинистые грунты с торф. слоем в верхней части; 5 – песч. грунты; 6 – песч., подстилаемые глинист; 7 – песч. и глинист., переслаиваемые с преобл. песч. в верхней части; 8 – песч. и глин., переслаиваемые с преобл. глинистых в верхней части; 9 – глинист., подстилаемые песч.; 10 – глинист. и преимущественно глинист.; 11 – просадочные подстилаемые песч. или глинист.; 12 – глинист., подстилаемые скальными; 13 – песч. и глинист. грунты, переслаиваемые с преобл. глинист. в верхней части, подстилаемые скальными; 14 – песч. грунты, подстилаемые скальными; 15 – скальные грунты; Hгв – преобл. глубины залегания грунтовых вод (м); Кзабол – поражённость терр. процессами заболачивания (%); Кг. п. - поражённость терр. гидротехническим подтоплением (%); Кс. п. – высоковероятная поражённость терр. строительным подтоплением (%); Кобр – коэффициент овражно-балочного расчленения (км/км2); Ккарст – поражённость терр. карстовыми процессами.