CC BY
77
Серия «Науки о Земле»
2008. Т. 1, № 1. С. 22-32
Онлайн-доступ к журналу: М1р:/^и. га/1гуе811а
И З В Е С Т И Я Иркутского государственного университета
УДК 624. 131. 1 (571. 5)
Геоэкологические проблемы города Иркутска*
Акулова В. В. (akulova@crust.irk.ru), Грудинин М. И. Рященко Т. Г. (ryashenk@crust.irk.ru), Демьянович Н. И.
Аннотация. В статье рассмотрены условия, природные и техногенные факторы формирования и развития неблагоприятных геологических процессов на территории города Иркутска. Особое внимание уделено инженерно-геологической оценке лессовых грунтов и техногенных образований, как наиболее чувствительным компонентам геологической среды. Установлено, что активизация суффозионно-просадочных деформаций на территории города связана с повсеместным дополнительным увлажнением грунтов, в основном, за счет техногенного подтопления и образованием насыпных и искусственно измененных грунтов. Установлены типы риска природно-техногенных процессов и выполнена оценка геоэкологической опасности территории по типу риска и характеру распространения процессов.
Ключевые слова: геоэкологические проблемы, город, водохранилище, риск, природно-техногенные процессы.
Введение
История города Иркутска насчитывает почти 350 лет. В результате достаточно длительного и сложного взаимодействия природной среды и техногенных воздействий возникли геоэкологические проблемы, связанные, прежде всего, с развитием природно-техногенных геологических процессов. Характер их развития обусловлен, в первую очередь, особенностями строения и состава пород, режимом увлажнения, сейсмичностью и техногенными воздействиями [6]. Среди техногенных факторов существенное место занимают промышленно-городская застройка и эксплуатация зданий, различных сооружений и коммуникаций, а также создание и эксплуатация Иркутской ГЭС и прилегающего к ней водохранилища.
Методические подходы
С целью геоэкологической оценки современного состояния геологической среды г. Иркутска выполнялось детальное обследование отдельных
*
Исследования проведены при финансовой поддержке РФФИ - грант № 0705-01061.
участков городской территории. В результате зафиксированы довольно разнообразные проявления природно-техногенных геологических процессов. Для уточнения инженерно-геологических условий района привлечены архивные материалы отчета по сейсмическому микрорайонированию (СМР) территорий перспективной застройки г. Иркутска (ВостСибТИСИЗ, 1988 г.), технических отчетов по инженерно-геологическим изысканиям на отдельных площадках в различных микрорайонах города (Институт «Гражданпроект», ВостСибТИСИЗ, 1965-1999 гг.), а также результаты комплексных лабораторных исследований состава, микроструктуры, физико-химических, физических и деформационно-прочностных свойств дисперсных грунтов по опорным разрезам в Иркутске, выполненных группой грунтоведения Института земной коры СО РАН (1987-1998 гг.) Определение степени геоэкологической опасности природно-техногенных процессов осуществлено на основе экспертных оценок [7].
Объект исследований
Город Иркутск расположен на террасах и склонах долины Ангары и ее больших и малых притоков. Основанием практически всех городских построек является довольно пестрая толща юрских отложений, представленных преимущественно песчаниками, конгломератами, алевролитами и аргиллитами с растительными отпечатками и пропластками каменного угля. Особое значение в оценке устойчивости массива пород имеют прослои аргиллитов и алевролитов, которые в условиях природного или техногенного замачивания размягчаются, становятся пластичными и набухаемыми. Преобладающие в разрезе песчаники различаются по степени зернистости, составу цемента (глинистый, карбонатный, кремнистый), а также прочности. Выделены особые виды грунтов: слаболитифицированные песчаники без жестких структурных связей (сцепление 0,23 МПа) и глины агрегированные, разнопластичные, с пониженной прочностью (сцепление 0,06 МПа). Кроме этого, в юрских породах выделяются разновозрастные и разнонаправленные тектонические нарушения: разломы и зоны повышенной трещиноватости. Наиболее значительной разломной структурой регионального ранга, рассекающей территорию Иркутска в северо-западном направлении, является Ангарский разлом, который в районе устья Иркута рассекается фрагментом тоже крупного регионального Иркутного разлома восток-северо-восточного простирания, смещающего Ангарский разлом. Эта система разломов образует четыре крупных тектонических мегаблока: Новоленинский, Топкинский, Правобережный и Левобережный [2].
Четвертичные отложения представлены разновозрастным аллювиальным (aQ2-4), поздневерхнечетвертичным делювиальным (dQ33), нерасчле-ненными делювиальным (dQ), элювиальным (eQ), делювиально-пролю-виальным (dpQ), современными болотным (hQ4) и техногенным (^4) гео-лого-генетическими комплексами. Мощность всех этих образований не превышает 20 м.
Наиболее широко развиты лессовидные отложения, которые в виде покрова толщиной от 3-4 до 20 м залегают в пределах второй-четвертой надпойменных террас р. Ангары и нижних частей склонов. Это лессовидные супеси и суглинки, обладающие «опасными» свойствами, к числу которых относятся просадочность (коэффициент относительной просадоч-ности при вертикальной нагрузке 0,3 МПа изменяется от 0 до 0,185), набухание (до 12-16 %), способность к тиксотропному разупрочнению (при вибрационных испытаниях в лабораторных условиях коэффициент разупрочнения составил 0,3-0,8) и ползучести (при длительном деформировании происходит уменьшение сцепления на 80-90 %). Широкий спектр природно-техногенных геологических процессов, развивающихся в этих отложениях (просадочные, эрозионные, суффозионно-просадочные и оползневые), объясняется, в первую очередь, их структурной неустойчивостью, которая делает их наиболее чувствительными к техногенным воздействиям.
На территории города развиты следующие природно-техногенные процессы и формы их проявления: линейная эрозия, абразия, криогенно-суффозионно-просадочные палеопроцессы (бугристо-западинный микрорельеф), заболачивание, подтопление, формирование техногенного водоносного горизонта, образование плывунов, суффозионно-просадочные процессы (воронки, провалы, ваннообразные понижения), возможное разжижение лессовых грунтов при вибрации (землетрясении), просадочность лессовых толщ при дополнительном давлении, оползни, сплывы, осыпи; отмечается глубокое (до 3,5 м) сезонное промерзание грунтов и связанные с ним солифлюкция, морозное пучение и наледеобразование.
Разнообразные техногенные воздействия вызвали локальную активизацию естественных проявлений геологических процессов, формирование их техногенных аналогов и новых разновидностей, предопределивших сложную геоэкологическую ситуацию.
Острейшей геоэкологической проблемой для города оказалось подтопление отдельных участков его территории - результат техногенного воздействия на грунтовый поток (рис. 1). В пределах центральной части г. Иркутска выявлено девять участков подтопления, в основном в пределах высокой поймы, первой и второй надпойменных террас. Установлено, что подтоплено 47 % площади центральной части Кировского района. Выделены категории подтопляемых площадей (постоянно, сезонно, эпизодически и аварийно). Установлены основные причины и факторы подтопления, среди которых ведущее место занимают утечки из водонесущих коммуникаций [10]. Участки подтопления выявлены также в других районах города: пос. Ново-Ленино, Жилкино, Селиваниха и др.
Болота и заболоченные земли представляют практически повсеместную принадлежность ландшафта широких речных долин - Иркута, Каи и Ушаковки. Заболачивание представляет почти всегда естественный процесс, связанный с неотектоническим режимом формирования кайнозой-
ских депрессий, высоким положением уровня грунтовых вод, слабой дре-нированностью, местами слабой проницаемостью глинистых отложений. Состав и свойства грунтов во многом предопределяют их поведение при увлажнении. Так, состояние глинистых заторфованных грунтов пойменной фации (увлажненность и недоуплотненность) способствует их уплотнению при минимальных вертикальных нагрузках и возникновению локальных преград (барражей) на пути движения подземного водного потока. Такие участки наблюдаются на правобережье в районе ул. Верхняя Набережная и бульвара Постышева, где вдоль основания дорожной насыпи формируются заболоченные участки.
Рис. 1. Подтопление частных домов по ул. Верхняя Набережная
Суффозионные явления в виде мелких, периодически появляющихся провалов фиксируются практически повсеместно в городской черте, особенно по трассам водонесущих коммуникаций и массивам искусственных насыпей, грунты которых часто недоуплотнены (рис. 2). Нередко суффо-зионно-просадочные деформации на приречных склонах служат толчком для развития эрозионных и оползневых процессов, а иногда они выступают в качестве механизма их активизации. Оврагообразование по суффози-онно-просадочно-эрозионному типу - один из основных факторов роста эрозионной пораженности территории. Так, например, концентрация поверхностного стока приводит к формированию временных водотоков, провоцирующих появление суффозинно-просадочных форм небольших размеров, образующих цепочки близко расположенных воронок, что в
свою очередь активизирует развитие эрозии. Крупные овраги зафиксированы в предместьях Марата и Рабочем, в окрестностях пос. Ново-Ленино и других местах. Иногда суффозионно-провальные формы развиваются по «старым» оползневым рвам, разрушая оползневые ступени, сложенные лессовидными супесями и суглинками, и способствуют переувлажнению грунтов оползневого тела, что, естественно, активизирует оползневые деформации.
Рис. 2. Суффозионно-просадочные провалы в техногенных отложениях по ул. Ленина (центральная часть г. Иркутска)
Глубокое сезонное промерзание грунтов при наличии миграции влаги к фронту промерзания способствует возникновению условий, благоприятных для их пучения. В днищах падей и нижних частях склонов - в местах выклинивания грунтового водоносного горизонта наблюдается сезонное наледеобразование (ул. Верхняя Набережная).
Известны достаточно крупные оползневые формы в юрских породах, в частности на левобережье Иркутского водохранилища (Ершовский оползень), а также на правом борту долины р. Иркут (территория санатория «Ангара»). Реликтовые формы оползневых деформаций обнаружены на левобережье пади Мал. Топка. Современные техногенные оползни в четвертичных отложениях отмечаются на склонах старых карьеров (завод стеновых материалов в Ново-Ленино) и откосах искусственных насыпей (роща Звездочка).
Одним из основных видов воздействия человека на геологическую среду в пределах города является формирование техногенных отложений. Отличительная особенность этих образований заключается в значительной изменчивости их состава, структуры и свойств как в плане, так и по разрезу. Кроме этого, с ними связано развитие целого ряда экзогенных процессов, определяющих геоэкологическое состояние городской территории. Среди техногенных грунтов территории г. Иркутска выделяются: 1) природно-техногенные образования - отложения, измененные в условиях естественного залегания при физическом и физико-химическом воздействии (уплотненные, увлажненные, укрепленные цементацией и т. п.); 2) техногенные образования: а) природные перемещенные (насыпные);
б) антропогенные образования (бытовые, строительные и промышленные отходы). Мощность их изменяется от 1-3 до 40 м.
Наиболее широким распространением характеризуются техногенные грунты как природные образования, измененные в условиях естественного залегания. Нарушение напряженного состояния грунтовых массивов вызвано действием статических нагрузок, создаваемых жилыми зданиями, промышленными сооружениями, насыпями, изъятием грунтов из массива, а также динамическими нагрузками от транспорта и изменением уровня подземных вод.
Значительные площади перемещенных грунтов сосредоточены в пойме р. Иркут, освоение которой предполагает возведение дополнительных насыпей до 5-8 м. Для грунтов этой категории характерно недоуплотненное и часто переувлажненное состояние, что в свою очередь способствует развитию различных поверхностных деформаций (воронки, провалы, сплывы, промоины и др.), особенно в районах водонесущих коммуникаций.
Максимальные мощности техногенных грунтов как перемещенных образований отмечаются в пределах земляной плотины Иркутской ГЭС, которая находится в черте города. Она имеет высоту по гребню 42 м и общую длину 2350 м. Тело плотины сложено песчано-гравийно-галечным материалом с суглинистым ядром. Проблема безопасной и надежной эксплуатации плотины имеет особую важность, в связи с нахождением в сфере ее влияния одного из крупнейших по численности населения городов Сибири - Иркутска. В рамках реконструкции пьезометрической сети плотины Иркутской ГЭС проведена детальная оценка состава, структуры и свойств грунтов основания и техногенных отложений тела плотины, позволившая выявить характер трансформации их состояния. Ранее нами [1] определены изменения лессовых грунтов в районе застройки, заключающиеся, прежде всего, в их увлажнении и уплотнении. Сопоставление состава и свойств природных отложений, природно-техногенных (измененных в зоне техногенеза) и техногенных (природных перемещенных) позволило уточнить характер изменений грунтов в ядре плотины. Так, наличие зон с меньшими, чем проектные, значениями плотности скелета можно рассматривать как зоны разуплотнения, которые в свою очередь представляют со-
бой закономерный процесс эволюции техногенных грунтов в нестандартных условиях функционирования. Эти зоны, располагаясь в призме подпора, отличаются повышенной влажностью и, как правило, примыкают к интервалам, обогащенным песчаным или гравийным материалом, что может быть объяснено расклинивающим действием напоров вод [4].
В Иркутске ежегодно образуется около 250 тыс. м3 антропогенных образований в качестве бытовых и промышленных отходов жизнедеятельности города, которые вывозятся муниципальными предприятиями на специальные полигоны - свалки [9]. Между тем в пригородной черте наблюдается значительное количество несанкционированных свалок. Особенно много таких свалок находится по дорогам, ведущим к дачным поселкам (Ново-Грудининский тракт). Они, несомненно, ухудшают геоэкологическую обстановку города и его окрестностей.
Проведенные комплексные инженерно-геологические исследования состава, структуры и свойств техногенных грунтов позволяют отнести их к сложным динамичным литосистемам, находящимся часто в структурнонеустойчивом состоянии. Это подтверждается тем, что техногенные отложения часто выступают в качестве среды развития эрозионных, суффози-онно-эрозионных, суффозионно-просадочных и оползневых процессов. Формы этих процессов на территории города, как правило, невелики по размерам, но главная их неприятность связана с неожиданностью их проявления, деформациями инженерных сооружений и возникновением аварийных ситуаций (рис. 3).
Рис. 3. Аварийная ситуация на дороге, возникшая в результате образования провала в техногенных грунтах дорожной насыпи (ул. Лермонтова, Студгородок)
Берега Иркутского водохранилища до сих пор достаточно сильно размываются. Абразии подвергаются, главным образом, берега, сложенные песчано-галечным аллювием и перекрывающими их лессовидными суглинками, в меньшей степени - берега, сложенные породами терригенно-угленосной формации нижней юры. Максимальные величины размыва за период эксплуатации водохранилища достигают 100-150 м в районе пос. Разводная и на участке строительства коттеджей в районе 42 км (садоводство «Иркутянин»). На берегах, сложенных юрскими породами, суммарные величины размыва находятся в пределах 10-30 м [8]. С целью исследования механизма разрушения пород правобережной части водохранилища (микрорайон Солнечный) проведено детальное обследование и опробование берегового профиля (абразионный уступ, осыпь и пляж). Комплексные лабораторные исследования грунтов позволили установить характер изменения их состава по профилю: на фоне сокращения количества песчаных частиц наблюдается резкое увеличение содержания пылеватого материала, а в химическом составе отмечается рост количества полуторных оксидов. Таким образом, в результате абразии происходит не только механическое перераспределение материала, но и трансформация состава структуроформирующих компонентов грунтов.
В настоящее время имеются разработки Р. М. Лобацкой по оценке устойчивости геологической среды города Иркутска к сейсмическим и техногенным воздействиям, А. А. Кадетовой по историческому анализу развития городской агломерации с позиций формирования техногенных факторов активизации геологических процессов [3, 5]. Авторами на основе анализа условий формирования природно-техногенных процессов и конкретных примеров негативного влияния на существующие и прогнозируемые сооружения установлены критерии оценки геоэкологической опасности процессов [7]. Выделены типы геоэкологического риска (постоянный, переменный, скрытый (потенциальный) и незначительный) и характер распространения процессов (площадной, линейный, полосообразный, линейно-площадной, островной (по площади) и разнородный (в разрезе). Использован метод экспертных оценок: для типов риска принят интервал 1-6 условных индексов, по характеру распространения - 2-6. Общая сумма индексов (по типу риска и характеру распространения) отражает степень геоэкологической опасности территории и изменяется от 4 до 12 индексов (табл.).
Согласно принятой схеме оценки, заболачивание, подтопление и суф-фозионно-просадочные процессы относятся к постоянному типу геоэкологического риска с площадным характером распространения (общая сумма индексов 9-12). Плывунность отнесена к процессу, который характеризуется скрытым риском с малой степенью вероятности реализации и островным характером распространения (10). Потенциал риска достаточно высок, но условия для его реализации часто могут не наступать долгое время. Оползни и абразия представляют собой объекты скрытого и постоянного
геоэкологического риска с полосообразным характером распространения (8-9). Тип риска линейной эрозии переменный, а характер распространения - линейно-площадной (6). Криогенно-суффозионно-просадочные палеопроцессы характеризуются незначительным геоэкологическим риском и полосообразным характером распространения (4).
Таблица
Степень геоэкологической опасности природных и природно-техногенных процессов
Природные и природно -техногенные процессы Тип риска (индекс) Характер распространения (индекс) Степень опасности (сумма индексов)
Криогенно-суффозионно-просадочные палеопроцессы Незначительный (1) Полосообразный (3) 4
Линейная эрозия Переменный (3) Линейноплощадной (3) 6
Просадочность лессовых грунтов при дополнительном давлении Постоянный (4) Разнородный (в разрезе)* (5) 9
Абразия Постоянный (4) Полосообразный (5) 9
Заболачивание Постоянный (4) Площадной (6) 10
Формирование техногенного водоносного горизонта; разжижение грунтов при вибрации Скрытый (5) Островной (5) 10
Оползневые деформации Скрытый (5) Островной (5) 10
Подтопление Катасрофи-ческий (6) Площадной (6) 12
Примечание: * выделяются четыре типа лессовых толщ по просадочности: преимущественно непросадочный с аномальными зонами проявления этого свойства; двухзональный - просадочной может быть верхняя (до 6-7 м) или нижняя (7-12 м) зоны; преимущественно просадочный; разнородный по величине коэффициента относительной просадочности
Выводы
Наиболее опасными для территории города Иркутска являются такие природно-техногенные геологические процессы, как подтопление, заболачивание, формирование техногенного водоносного горизонта и связанные с ним плывунность и разжижение грунтов, а также проявление на поверхности суффозионно-просадочных форм, разнородная просадочность лессовых толщ при дополнительном давлении, абразия (разрушение берегов
Иркутского водохранилища) и древние оползни. Наименее опасными оказались криогенно-суффозионно-просадочные палеопроцессы и дефляция, выраженные в виде бугристо-западинного микрорельефа.
Следует также отметить, что результаты проведенных исследований геоэкологической опасности природно-техногенных геологических процессов по типу риска и характеру распространения на территории города и его окрестностей могут служить основой для разработки конкретных практических рекомендаций по повышению надежности и безопасности существующих и будущих сооружений как в г. Иркутске, так и в его окрестностях, особенно по берегам Иркутского водохранилища, где в последние годы происходит интенсивное индивидуальное строительство, часто бесконтрольное.
Список литературы
1. Акулова В. В. Эволюция лессовых грунтов Приангарья в зоне техногенеза // Инженерно-геологические проблемы урбанизированных территорий : материалы Междунар. симпозиума. - Екатеринбург, 2001. - Т. 1. - С. 208-212.
2. Лобацкая Р. М. Характер раздробленности территории города как один из факторов оценки устойчивости геологической среды / Р. М. Лобацкая, Т. А. Котлобаева, Н. К. Биктимирова // Город: прошлое, настоящее и будущее : сб. науч. тр. - Иркутск, 2000. - С. 128-132.
3. Лобацкая Р. М. Модели поведения геологической среды урбанизированных территорий для оценки приемлемого риска формирования природных и природно-техногенных чрезвычайных ситуаций // Инженерно-геологические проблемы урбанизированных территорий : материалы Междунар. симпозиума. -Екатеринбург, 2001. - Т. 1. - С. 287-292.
4. Демьянович Н. И. Современное состояние грунтов плотины Иркутской ГЭС (по материалам опорного бурения) / Н. И. Демьянович, В. В. Акулова // Геология, поиски и разведка полезных ископаемых и методы геологических исследований : сб. избр. тр. науч.-техн. конф. - Иркутск, 2004. - С. 147-152.
5. Кадетова А. В. Инженерно-геодинамическая обстановка территории г. Иркутска как результат взаимодействия природных и техногенных факторов / А. В. Кадетова, А. А. Рыбченко // Третьи Яншинские чтения : материалы молодежной конф. - М., 2003. - С. 405-408.
6. Литвин В. М. Эколого-геодинамическая оценка города Иркутска / В. М. Литвин, К. Г. Леви // Инженерно-геологические проблемы урбанизированных территорий : материалы Междунар. симпозиума. - Екатеринбург, 2001. - Т. 1. - С. 269-275.
7. Макаров С. А. Геоэкологический анализ территорий распространения природно-техногенных процессов в неоген-четвертичных отложениях Прибайкалья / С. А. Макаров, Т. Г. Рященко, В. В. Акулова. - Новосибирск : Наука, 2000. - 160 с.
8. Абразионно-аккумулятивные процессы в береговой зоне водохранилищ на примере Южного Приангарья и Силезской возвышенности / Г. И. Овчинников [и др.]. - Иркутск : ИЗК СО РАН, 2002. - 102 с.
9. Тимофеева С. С. Управление отходами Байкальского региона: «Индустриальный метаболизм» // Город: прошлое, настоящее и будущее : тр. науч.-техн. конф. - Иркутск, 1998. - С. 143-146.
10. Шенькман Б. М. Эволюция гидрогеологических условий на территории Большого Иркутска / Б. М. Шенькман, И. Б. Шенькман // Проблемы оценки и прогноза устойчивости геологической среды : сб. тр. науч.-практ. конф. -Иркутск, 1997. - С. 39-43.
Akulova V. V., Grudinin M. I., Ryashchenko T. G. and Demjanovich N. I.
Geoecological problems of Irkutsk city
Abstract. Considered in article are the conditions, natural and technogenous technoge-nous technogenous factors for the formation and the development of unfavorable geological processes on the territory of Irkutsk. The special attention is given to the engineering-geological estimation of loessial soils and technogenous formations as an unstable components of the geological environment. The intensification of suffosional-collapsible processes on the urban territory was detected to be caused by the general additional humidification of soils, mainly due to the technogenous flooding, and the formation of man-made and artificially modified soils. The types of risk of natural-technogenous processes are identified, and the geological hazard of the territory is evaluated from the type of risk and the character of occurrence of the processes.
Key words: geoecological problems, city, reservoir, risk, engineering-geological estimation.
Акулова Варвара Викторовна канд. геол.-минерал.наук, доцент Иркутский государственный университет
664003, Иркутск, ул. К. Маркса, 1 доц. каф. динамической геологии тел.: (395-2) 42-61-33,
Грудинин Мефодий Иванович д-р геол.-минерал. наук, профессор Иркутский государственный университет
664003, Иркутск, ул. К. Маркса, 1 проф. кафедры динамической геологии тел.: (395-2) 20-16-39
Рященко Тамара Гурьевна д-р геол.-минерал. наук, профессор Институт земной коры СО РАН 664033, Иркутск, ул. Лермонтова, 128 ведущий научный сотрудник Аналитического центра тел.: (395-2) 42-61-33
Демьянович Нина Ивановна
канд. геол.-минерал. наук
Институт земной коры СО РАН,
664033, Иркутск,
ул. Лермонтова, 128
ст. науч. сотрудник лаборатории
гидрогеологии
тел.: (395-2) 42-97-59
