Гидрогеологические особенности

Западно-Сибирская плита в гидрогеологическом отношении представляет собой крупный, сложно построенный артезиан­ский бассейн. Наиболее характерные его особенности — нали­чие большого количества водоносных горизонтов и комплексов пород, их ярусное расположение с водоупорными горизонтами в вертикальном разрезе и чрезвычайно пологое залегание слоев со слабым падением к центральным районам бассейна. В свя­зи с этим в верхней части разреза развиты подземные воды, за­ключенные в различных по возрасту и генезису породах. В от­носительно узкой полосе, прилегающей к Уралу, и в юго-вос­точных районах бассейна на условия возведения наземных ин­женерных сооружений могут оказать влияние воды юрских, ме­ловых, палеоценовых, эоценовых и более молодых отложений. На остальной территории важное инженерно-геологическое зна­чение имеют лишь подземные воды олигоцен-четвертичных отло­жений. В вертикальном разрезе Западно-Сибирского артезианско­го бассейна выделяются пять гидрогеологических комплексов, слагающих два гидрогеологических этажа. Верхний этаж объеди­няет водоносные и водоупорные отложения верхнемелового (на­чиная с туронских)—четвертичного возраста, формирующих два различных по своим особенностям гидрогеологических комп­лекса. Нижний этаж объединяет водоносные и водоупорные от­ложения верхнемелового—палеозойского возраста. В его составе выделяются три гидрогеологических комплекса. Для подземных вод верхней части разреза описываемого ре­гиона, циркулирующих в основном в зоне интенсивного во- дообмена, характерно, как показано выше, четкое закономерное зональное, широтное изменение многих параметров, определяю­щих инженерно-геологическую обстановку. Такой характер из­менчивости обусловлен тем, что эти параметры тесно связаны с характером теплообеспеченности и увлажненности территории. В пределах плиты им выделены две зоны подземных вод олигоцен-четвертичных отложений: подземные воды гумидной зоны, включающей область преиму­щественного распространения твердой фазы подземных вод и об­ласть распространения жидкой фазы подземных вод, и подземные воды аридной зоны. В пределах этих зон и областей выделены пояса подземных вод, которые существенно отличаются соче­танием различных форм воды, характером и интенсивностью процессов выщелачивания и континентального засоления, глу­бинами залегания, минерализацией, которые в пределах своих границ хорошо согласуются с гидролого-климатическими зона­ми (или их сочетаниями).

Сравнение характера широтного изменения гидрогеологи­ческих особенностей и вышеописанных закономерностей измен­чивости современного состояния пород свидетельствует, что оба эти фактора тесно связаны между собой, так как они во многом обусловлены теми же причинами.

На севере Западно-Сибирской плиты, в зоне практически сплошного распространения многолетнемерзлых пород развиты главным образом надмерзлотные воды, приуроченные к сезонноталому слою. Обычно они заключены в песках, супесях и торфе и существуют в теплое время года в течение 2—4 меся­цев. Мощность этого водоносного горизонта определяется глу­биной сезонного протаивания грунтов и даже в песках у южной границы зоны не превышает 0,7—1,0 м. Их зеркало распола­гается на глубине 0,1—0,5 м (рис. 37), поскольку глубина про­таивания песков здесь под растительным покровом обычно не превышает 0,8—1,2 м и лишь изредка составляет 1,5 м. Над-мерзлотные воды характеризуются незначительным дебитом, низ­кой минерализацией (как правило, не более 0,1—0,2 г/л), гидрокарбонатно-кальциево-магниевым или гидрокарбонатно-натриевым составом, наличием органических примесей; они проявля­ют общекислотную агрессивность к бетону (рН = 4—6), а часто и выщелачивающую агрессивность. С наличием этих вод связаны ничтожная несущая способность грунтов сезонно­го оттаивания и их тиксотропное разжижение при воздейст­вии динамических нагрузок (при бурении, движении вездеходов и др.).

Для зоны несплошного развития многолетнемерзлых по­род характерно многократное чередование сезонносуществующих надмерзлотных вод, приуроченных к участкам развития мерзлых толщ и грунтовых вод, заключенных в сквозных и несквозных таликах, сложенных четвертичными отложениями различного генезиса. В северных районах этой зоны преобла­дает первый тип подземных вод; в южных частях он играет подчиненную роль. По своим особенностям и инженерно-гео­логическому значению эти воды близки к аналогичному типу подземных вод более северных районов плиты, но здесь они существуют более длительный срок (4—6 месяцев). Кроме того, мощность водоносного горизонта (до 1 — 1,5 м) больше, что обусловлено большей глубиной сезонного протаивания много­летнемерзлых пород. Грунтовые воды талых отложений в север­ной части встречаются главным образом в песчаных аллюви­альных отложениях поймы и залесенных участков надпоймен­ных террас; в центральных и южных частях они, кроме то­го, широко развиты в супесчано-песчаных прибрежно-морских и флювиогляциальных среднечетвертичных образованиях, слагаю­щих обширные междуречные равнины. Этот тип подземных вод характеризуется неглубоким залеганием в пределах поймы и плоских, нерасчлененных участков надпойменных террас и меж­дуречий (от 0,5—1 до 2—3 м); на приречных дренированных участках у них небольшая ширина, а глубина зеркала воды опускается до 5—10 м. Мощность водоносных горизонтов из­меняется от 5—10 до 20—3,0 м. Эти воды обладают незначительной минерализацией (до 0,3—0,5 г/л), в основном гидрокарбонатно-кальциево-магниевым составом и кислой реакцией.

Южнее расположена обширная область, в пределах кото­рой породы верхней части разреза характеризуются очень вы­сокой влажностью. Здесь при определенных нарушениях при­родных условий могут формироваться многолетнемерзлые толщи. В гидрогеологическом отношении она также весьма специфич­на. O.K. Ланге в 1963 г. выделил ее в самостоятельную зону — "зону высоких вод севера", которая охватывает таежные и лист­венные леса. Грунтовые воды в ней заключены в талых и не­мерзлых различных по возрасту и генезису отложениях. В реч­ных долинах они приурочены к голоценовым и верхнечетвер­тичным аллювиальным отложениям, слагающим пойму и три надпойменные террасы. В ледниковой зоне на обширных меж­дуречьях они развиты главным образом во флювиогляциальных отложениях, а во внеледниковой зоне — в среднечетвертичных аллювиальных, озерно-аллювиальных отложениях и др. Харак­терной особенностью грунтовых вод этой зоны, несмотря на то что они заключены в разнообразных породах, слагающих раз­личные геоморфологические уровни, является их близкое зале­гание к дневной поверхности (обычно 0,5—2 м на плоских рав­нинах). И лишь по берегам глубоковрезанных рек они отме­чаются на большей глубине. Эти воды довольно однообразны по химическому составу: преобладают гидрокарбонатно-кальциево-магниевые воды, минерализация которых за­кономерно повышается от 0,2—0,5 на севере до 0,5—1,0 г/л на юге. В этом же направлении происходит изменение реакции среды воды от слабокислой до нейтральной. Практически все грунтовые воды этой зоны не обладают ни сульфатной, ни маг­незиальной агрессивностью к бетону. Однако многие их разно­сти, особенно в таежной зоне, проявляют слабую общекислот­ную агрессивность.

Гидрогеологические условия южной части Западно-Сибир­ской плиты, охватывающей лесостепную и степную зоны, где развиты умеренно увлажненные в самой верхней части разреза породы, отличаются гораздо большим разнообразием. Прежде всего первый от поверхности водоносный горизонт здесь при­урочен не только к четвертичным отложениям (как на севере), но и к более древним образованиям, причем на огромных пло­щадях. Так, грунтовые воды в северных и восточных районах этой зоны заключены в четвертичных отложениях различного генезиса (аллювиальных, озерно-аллювиальных, эоловых, озер­ных и др.), а в западных и юго-западных — преимущественно в континентальных олигоценовых, неогеновых и нижне-среднечетвертичных образованиях на междуречных и в верхнечетвертичных-голоценовых отложениях в речных долинах. Цитологический состав водовмещающих пород характеризуется невыдержанностью и большим разнооб­разием как в вертикальном разрезе, так и по площади рас­пространения. В отложениях ряда формаций и геолого-генети­ческих комплексов, содержащих грунтовые воды, особенно в степных районах, находится большое количество воднорастворимых солей. Глубина залегания грунтовых вод на рассматривае­мой территории в целом значительно выше, чем в северных частях плиты, и изменяется от 2—3 до 20—30 м, причем в большинстве районов она, как уже отмечалось, пре­вышает 5—10 м. С севера на юг происходит закономерное уве­личение величины этого показателя. В пределах Обь-Иртыш­ского междуречья (Барабинская и Кулундинская низменности) глубина залегания грунтовых вод меньше по сравнению с Ишим-Иртышской плоской равниной и Зауральским плато.

Степень минерализации и химический состав фунтовых вод рассматриваемой территории довольно разнообразны. В север­ной ее части и в расчлененных восточных районах грунтовые воды характеризуются невысокой минерализацией (0,5—3 г/л); по химическому составу они чаще всего гидрокарбонатно-кальциевые. В засушливых и полузасушливых нерасчлененных рай­онах, занимающих большую часть этой территории, широко раз­виты грунтовые воды гидрокарбонатно-натриевого (кальциево­го и кальциево-магниевого), хлоридно-натриевого, хлоридно-сульфатно-натриево-кальциевого, сульфатно-хлоридно-натриевого и других химических составов с минерализацией от Здо 50 г/л, а в отдельных районах и более. Наиболее высокоминерализо­ванные грунтовые воды хлоридно-натриевого и сульфатно-хлоридно-натриевого состава формируются на плоских, бессточных равнинах (особенно в небольших понижениях рельефа) при не­большой глубине залегания вод за счет континентального засо­ления. Столь высокая, а на многих участках пестрая минерализация грунтовых вод обусловливает их значительную агрессивность различного характера по отноше­нию к многим видам строительных материалов, что вообще не характерно для более северных районов плиты.

Приведенный краткий обзор позволяет сделать вывод о том, что горизонтальная, широтно-зональная изменчивость гидрогео­логических условий верхней части разреза Западно-Сибирской плиты является наиболее ярко выраженной особенностью про­странственной изменчивости гидрогеологической обстановки ре­гиона. В его пределах естественно обособляются четыре ши­ротные зоны, резко различающиеся по характеру подземных вод. Это выражается в различном взаимоотношении их типов и подтипов, закономерном увеличении глубины залегания, сте­пени минерализации и различии химического состава вод при движении с севера на юг, что обусловлено изменением климата, рельефа, литологического состава водовмещающих пород и их состояния, почвенного покрова и условий выветривания. В свя­зи с этим влияние этих вод как одного из факторов, опреде­ляющих инженерно-геологические условия местности, в широт­ном плане будет далеко не одинаково, и оно должно учитываться при общей оценке инженерно-геологических условий Западно-Сибирской плиты.

Изменение инженерно-геологических условий под воздействием нефтегазоносного освоения территории. Вопрос пучения грунта в связи со строительством линейных сооружений на территории Западной Сибири

Более 30 лет продолжается штурмовой характер освоения Западно-Сибирского нефтегазового комплекса. За это время из недр Земли извлечены миллиарды тонн нефти, триллионы кубических метров природного газа, более 10 млрд. тонн попутных вод; в продуктивные пласты для поддержания пластового давления закачаны миллиарды кубических метров различных природных и технических агентов заводнения — поверхностных и подземных вод различного качества, попутно добываемых и сточных вод, физико-химических агентов для повышения нефтеотдачи пластов и восстановления производительности скважин. Разработка месторождений ведется бессистемно и бесконтрольно. На всех стадиях освоения — от поисково-разведочного процесса, бурения добывающих и нагнетательных скважин, их эксплуатации, транспортировки углеводородного сырья, переработки, сооружения и эксплуатации нефтегазовых хранилищ и пр. идет колоссальное вмешательство человека в природную среду, нарушается созданное геологическими эпохами экологическое равновесие. Невиданная урбанизация северных регион привела к огромным изменениям природных условий, последствия которых трудно прогнозируемы, а порой и просто непредсказуемы.

Разработка месторождений нефти и газа сопровождается строительством трубопроводов и населенных пунктов с обширной сетью коммуникаций.

При траншейной укладке и эксплуатации в суровых климатических условиях различных коммуникаций пучение грунта считается одним из наиболее опасных мерзлотных физико-геологических явлений, обусловливающих деформацию сооружений. Аналитических зависимостей, по которым можно было бы определить выпучивание отдельных систем, располагающихся на данной глубине, находящихся в различной мерзлотно-грунтовой среде, обладающих упругими свойствами и являющихся одновременно переменными по величине и знаку источником тепла, в настоящее время не существует. Имеющиеся на этот счет формулы выражают данное явление лишь в существенно упрощенном виде. Они позволяют установить пучение грунта без учета инженерного фактора как функцию от режима промерзания, простейших физических и теплофизических характеристик отложений. Разработка более совершенных систем задерживается из-за недостатка надежных критериев в виде экспериментальных данных.

Комплексные исследования и опытные работы, которые будут рассмотрены в данной спецглаве, проводились геологическим факультетом МГУ в одном из районов Западной Сибири.

Исследования показали, чтоб область наиболее значительного проявления процессов пучения в районе, как в естественной обстановке, так и при инженерном воздействии, охватывает всю левобережную пойму реки, за исключением узкой внешней ее полосы, в пределах прибрежной отмели – берегового вала, сложенного с поверхности супесями и песками, в отличие от пылеватых суглинков, типичных для остальной территории. Суглинки повсеместно развиты на пойме не только в плане, но и разрезе активного слоя сезонного промерзания-протаивания. Грунт классифицируется как пылеватый средний суглинок. Заметное увеличение дисперсности поверхностных отложений наблюдается в пониженных участках поймы. Здесь преобладают пылеватые тяжелые суглинки сизовато-серого цвета с хорошо выраженной горизонтальной слоистостью. В суглинках четко прослеживаются прослои бурого торфа небольшой мощности.

Мерзлотные условия изученной территории отличаются рядом особенностей. Внутренние, относительно удаленные от современного русла реки учатски поймы повсеместно слагаются многолетнемерзлыми породами с температурами в подошве слоя годовых теплооборотов, изменяющимися чаще всего от -0,3 до -0,6С. Грунты при столь высокой температуре по облику своему приближаются к твердомерзлой, но не пластичномерзлой разновидности. Коэффициент водо-льдонасыщения близок к 1, в кровлемноголетнемерзлой толщи отмечаются частослоистые тонкошлировые криотекстуры, которые на глубине переходят в толстошлировые. На отдельных участках, располагающихся близ тылового шва, современные условия теплообмена приводят при том же вещественном составе и криогенном сложении порол к формированию среднегодовых температур до -1,0 -1,5С. Максимальные глубины сезонного протаивания-промерзания равны 2,0 – 2,5 м. Для внутренней части поймы обычным является разобщение слоя зимнего промерзания с многолетней мерзлотой. Роль несливающейся мерзлоты, точнее, той талой зоны, которая сохраняется в зимнее время, двояка: с одной стороны, она служит при пучении грунта своего рода поставщиком дополнительной влаги, а с другой – является амортизирующей средой, в которой расслабляются напряжения, возникающие при промерзании отложений. Конечный результат зависит от состава слагающих пород, их свойств, условий промерзания, гидрогеологического режима вод таликовой зоны.

Наиболее пестрыми и динамичными мерзлотные условия представляются в озерных котловинах. Под водоемами, характеризующими средней глубиной около 4 м и достигающими глубин 11-13 м, многолетнемерзлые толщи отсутствуют. Мелководья и участки, подтопляемые в паводок, слагаются как талыми, так и высокотемпературными мерзлыми породами, нередко связанными постепенными переходами. В отдельных случаях наблюдается тенденция увеличения площадей, занятых мерзлыми породами, за сокращения размеров таликов. Новообразования мерзлоты по материалам 3-летних режимных исследований обнаруживаются в целом ряде пунктов. Температура пород в озерных котловинах составляет около 0С, глубина промерзания-протаивания 0,7-1,7 м.

Важными компонентами природной среды, определяющими интенсивность пучения в данных климатических условиях, являются: влажность сезоннопромерзающих отложений, изменения влажности по периодам года, динамика влажностного режима поля на различных участках.

На участках, примыкающих к береговому валу и сложенных супесчаными грунтами, техногенное воздействие привело к повсеместному увлажнению грунта.

Многие показатели указывают на принадлежность отложений низкой поймы к категории пучиноопасных. Наиболее интенсивно пучение происходит на участках новообразований мерзлоты в озерных котловинах.

В результате наблюдений по строительным площадкам выявилось различие в поведении конструкции системы, что позволяет сделать выводы:

- тепловое воздействие сооружения способно привести к усилению процесса пучения примерно в 2,5 – 4,0 раза;

- приближенные формулы, по которым обычно определяется пучение грунта в естественных условиях, не могут быть признаны удовлетворительными при прогнозировании выпучивания различных заглубленных конструкций с упругими свойствами и тепловым влиянием;

- существенное различие имеется между расчетным и фактическим пучением грунта в естественных условиях на уровне модели.

Заключение

Западно-Сибирская низменность занимает площадь более 2 млн. км^г. Наиболее развитыми отраслями промышленности на территории Западной Сибири являются добывающая (добыча нефти, газа, каменного угля) и лесная. В настоящее время Западная Сибирь дает свыше 70% общероссийской добычи нефти и природного газа, около 30% добычи каменного угля, около 20% заготовляемой в стране древесины. Весь комплекс пород, слагающих Западно-Сибирскую плиту, по условиям залегания, составу и степени метаморфизма подразделяется большинством исследователей на три структурных этажа: первый (ниж­ний) — собственно фундамент, в состав которого входят тектонические элементы, прошедшие геосинклинальный цикл развития, второй — про­межуточный (парагеосинклинальный) этаж и третий — платформенный этаж, по отношению к которому образования первого и второго струк­турного этажей служат складчатым основанием — фундаментом. Неоднократная смена условий осадконакопления привела к тому, что и в разрезе и в плане наблюдается частая смена фаций пород и Западно-Сибирская эпигерцинская плита в целом характеризуется до­статочно сложным геологическим строением, в значительной мере опре­деляющим своеобразие ее гидрогеологических условий.

Список литературы

1. Геология СССР, т. XIV Западная Сибирь, М.: Недра, 1967

2. Архипов С.А. Западно-Сибирская равнина. История развития рельефа Сибири и Дальнего Востока, М.:Недра, 1970

3. Трофимов В.Т. Зональность инженерно-геологических условий континентов Земли, М.: МГУ, 2002

4. В.П. Орлов Геология и полезные ископаемые России.Западаня Сибирь. Т.2, СПб.:ВСЕГЕИ, 2000

5. А.И. Попов Природные условия Западной Сибири. Вып. 4, М.: МГУ, 1973