CC BY
280
K.M. Мирзоев, В.П. Степанов, Н.С. Гатиятуллин, Е.А. Тарасов, Р.Н. Гатиятуллин,
П.И. Кашуркин, В.А. Кожевников
Татарское геологоразведочное управление ОАО «Татнефть», г.Казань
tgru@tatneft.ru
ГЛУБИННЫИ КАРСТ И СОВРЕМЕННЫЕ ДВИЖЕНИЯ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ В ТАТАРСТАНЕ
ний на территории г. Казани, где строится метро, и в других крупных городах Поволжья, за исключением Ромаш-кинского месторождения не фти, которые выявляют современные контрастные и разрушительные движения земной поверхности, особен- у но в зонах .АЗА, разломов и трещин.
1. Введение
Территория Татарстана расположена в центре Восточно-Европейской платформы (ВЕП), где тектоническая активность невысокая. Это связано с относительно небольшими современными тектоническими поднятиями земной коры, достигающими 1- 4 мм в год в разных районах по данным геодезических наблюдений Роскартографии России.
На территории Татарстана и соседних республик наблюдается исключительно высокая скорость проседаний земной поверхности, которые наиболее активны вдоль русел крупных рек Волги и Камы. Прежде всего, это карстовые и просадочные явления в земной коре, заметно активизировавшиеся после создания Куйбышевского водохранилища. В этих районах наблюдаются опускания до 6 мм/год, которые практически поглощают современные тектонические поднятия. Краткосрочные (2000 - 2001 гг.) геодезические измерения в г. Казани показывают, что в местах пересечения профилей с разломами относительные проседания земной поверхности достигают 30 мм в год на базе 1 км. Эти проседания и провалы связаны с растворением доломитов и сульфатов, мощность которых достигает 1,5 км, с колебаниями уровня грунтовых вод, подземными речными потоками вдоль русел рек и водохранилищ. Активные проседания способствуют разрушению зданий и сооружений.
В восточной части г. Казани на отдельных участках заметно меняется рельеф местности в течение 1 - 2 лет. Сегодня более 50% зданий и сооружений, включая новые, потеряли и теряют свою прочность в результате просадок и получения сквозных трещин. В соответствии со СНиП 22-01-95 (1996) «Геофизика опасных природных процессов», территория Казани относится к категории «Весьма опасная». Как в Татарстане, так и в других областях отсутствуют норма тивные картографические документы по карстовой опасности, особенно глубинной, в связи с чем но вые сооружения продолжают строиться без учета активных геологических процессов и становятся уязвимыми даже от относительно сла бых возможных здесь землетрясений.
Не создана сеть постоянно действующих геодезических наблюде-
и
Рис. 2. Карта районирования глубин Т
залегания карстующихся пород и по- ян верхностного проявления карстовых процессов территории Рес- ^ публики Татарстан по данныж с^Лмася^ж структурного бурения и поле- £ Ъ} выгх исследований. М 1:500000. ТГ^ (Степанов, Мирзоев). Зоныг кровли залегания карстующихся пород
на глубинах: 1) 0 - 50 м; 2) 51 - 100 м; 3) 101 - 200 м; 4) 201-300 м; 5) более 300 м. 6 - Участки отсутствия на глубинах до 300 м кровли карстующихся пород; 7 - Участки поверхностным проявлений \ карстовыгх и суффозинныгх процессов с залеганием карстующихся пород на гл. более 100 м (по данныж Югина В.В.).
научно-технический журнал
I еоресурсы 1 (18) 2006
Карабаш
Рис. 1. Карта площадного распределения величин вертикалы-ныгх движений земной поверхности на Ромашкинском геодинамическом полигоне, построенная с учетом разломной тектоники, цикл 3-2 (1993-1992 г.г.). М 1:100000. 1 - изолинии положителыныгх величин; 2- изолинии отрицателыныгх величин. Авторыг: Кашуркин П.И., Степанов В.П., Мирзоев К.М.
2. Геодезические исследования
В 1990 - 1991 гг. на Ромашкинском месторождении создана региональная высотная геодезическая сеть со средним расстоянием между пунктами наблюдений около 1 км. Общая конфигурация сети состоит из 6 региональный и 2 локальных профилей общей длиной 550 км. Нивелирные наблюдения ведутся с частотой 1 раз в год, по программе нивелирования II класса повышенной точности за счет применения элементов измерений нивелирования I класса. Средняя квадратичная случайная погрешность составляет на 1 км хода ± 0,55 мм, и средняя систематическая ошибка ± 0,17 мм. Графики вертикальных движений земной поверхности, построенные по всем профилям и парным сочетаниям последующих циклов наблюдений с 1990 по 2003 гг., показывают высокие амплитуды обратимых вертикальных движений в зонах отдельных разломов (в последние годы они стабилизировались в пределах от 1 до 10 см/год), что позволяет вывделить наиболее активные и значимые из них.
Точки перегибов на профилях сохраняют свое местоположение на всех сочетаниях и совпадают в пространстве с большинством из известных разломов, выщеленных по комплексу геолого-геофизических и сейсмологических данных трассирования групповыгх землетрясений. Четко выделяются большие и малые подвижные блоки земной коры на поверхности. Имеются устойчивые точки перегибов как с малыми амплитудами обратимыгх движений, так и с большими, что свидетельствует о динамичности отдельный разломов (Мирзоев и др., 2001).
По данным геодезических измерений на 8 профилях построены карты распределения площадных деформаций земной поверхности Ромашкинского месторождения (Рис. 1). На рис. 1 показаны активные разломы земной коры, на которых происходят наиболее контрастные скачкообразные движения земной поверхности, обнаруживаемые на геодезических профилях в зонах пересечения с этими разломами. Зоны устойчивы во времени. Контрастные движения в местах пересечения с разломами позволяют экстраполировать величину деформации по всей протяженности разломов, и таким образом, использовать разломы как дополнительные геодезические профиля, количество которых увеличивается многократно. В итоге, карта площадной деформации получается детальной и надежной.
В настоящее время составлен проект расширения высотной геодезической сети Ромашкинского геодинамического полигона. Создается плановая геодезическая сеть, которая обеспечит измерения горизонтальных движений земной поверхности с помощью спутниковой системы съемки и передачи информации. Разработан проект планово-высотной геодезической сети Казанского геодинамического полигона (площадь 500 км2), протяженностью около 400 км. По профилям, проходящим по центру города, где зафиксированы наиболее интенсивные вертикальные движения, расстояния между реперами составляет от 100 до 200 м. Созданы 22 замкнутых нивелирных контура с периметрами от 13 до 29 км. Расчеты показали, что среднеквадратичные ошибки отметок в неплотный местах сети составляет около 1,8 мм и соответствуют допустимым значениям.
В 2003 г. создана первая очередь региональной высотной сети Казанского геодинамического полигона. Для выявления величин горизонтальных движений запроектирована и создается высокоточная плановая региональная
сеты. Она включает в себя 50 пунктов, часты из которых совмещается с пунктами высотной сети. Наблюдения обеспечиваются двухчастотными спутниковыми вРБ-прием-никами типа 40008ББ, 40008в1 с исполызованием равноточный им геодезических спутниковыгх антенн.
3. Глубинное залегание и поверхностные проявления карстовых процессов. М 1:500000
Для вышвления и определения геометрии карстовыгх зон, глубины залегания верхней и нижней границ и степени за-карстованности быши изучены геологические журналы, ли-тологические колонки и материалы ГИС. Отбиваласы кровля закарстованных зон и вычислялисы глубины их залегания, по которым строилисы карты изогипс. Были исполызо-ваны материалы более 10000 скважин структурного бурения Татарстана. Из них 2527 скважин со следами карстова-ния в разрезе вышесены1 на карту. Эти данные свидетелы-ствуют о связи карстовых зон в нижнепермских отложениях с зонами разломов и дизъюнктивных нарушений фундамента, нижней и средней части осадочного чехла. Тем более, что разломы фундамента прослеживаются вверх по разрезу в осадочном чехле в виде зон тектонической тре-щиноватости (Степанов и др., 1995).
Структурные скважины, вскрывшие закарстованные породы Р нанесены на топооснову М 1:500000 и сопоставлены с картой разломов земной коры, составленной по данным аэромагнитной съемки (Степанов и др., 1995). Болы-шинство скважин совпали с зонами разломов земной коры и свидетелыствуют о том, что образование карстовых форм в сулыфатно-карбонатной толще Р1 происходит в результате активизации карстообразующей деятелыности подземных вод в зонах разрывной тектоники на контактах с водоупора-ми (Зевахин, 1999). По вышвленныш глубинам до верхней границы закарстованных пород с учетом простирания разломов земной коры составлена карта глубин залегания верхней границы закарстованных пород Р1 (Рис. 2).
Аномалыные закарстованные участки оконтурены изо-гипсами сечением в 10 м. Сопоставление карт распределения изогипс, разломов и линеаментов позволило устано-виты их связы и выявиты закономерносты расположения малых глубин залегания закарстованных пород близко к дневной поверхности в линеаментных зонах и более повышенных - к участкам пересечения бурением разломов кристаллического фундамента. Наиболее отчетливые полосовые аномалыные зоны закарстованных пород прослеживаются на участке междуречыя Вятки и Камы и др. Глубина залегания верхней границы закарстованных пород изменяется от 0 до 375 м. Выщеляются Казанский, Мамадышско-Аксубаевский, Алыметыевско-Бугулыминский, Набережно-Челнинско-Агрызский регионалыные участки закарстован-ных пород. Карстовым провалам на поверхности и местоположению аномалыных структурных скважин на глубине соответствуют разломы земной коры, которые в виде зон трещиноватости прослеживаются в верхнюю часты разреза. Это подтверждают исследования, проведенные в других регионах, например, на участках классического развития карста в Западной Боснии, где карстовые формы «вытянуты вдолы линий разломов» (Бондарчук, 1949).
Линейно выгтянугае зоны карстовыгх провалов наблюдаются даже в районах, где глубины кровли карстующихся пород находятся на уровне 200 - 300 м от поверхности
^научно-технический журнал ^кв^^н
Георесурсы ШЗЯ
земли, что, несомненно, связано с протяженными линиями углубленных разломов, вдоль которых карстовые процессы происходят более интенсивно.
4. Карта кровли карстующихся пород и разломов земной коры г. Казани. М 1:25000
Карстовые проявления в верхне- и нижнепермских образованиях, развитых на территории Среднего Поволжья и, в частности, в г.Казани, известны давно (Тихвинский, 1959).
Они приводятся в материалах бурения структурных и инженерно-геологических скважин. Карстовые образования в сульфатно-карбонатной толще нижней перми развиваются в гипсах и ангидритах. Трещины обычно выполнены доломитово-глинистым веществом, гипсами и расположены спорадически в различных направлениях. На отдельных участках этих трещин настолько много, что они, разбивая породу в многочисленные отдельности, связанные между собой с помощью заполненных веществ, придают породе брекчиевидную структуру. Эти трещины в большинстве случаев, (Юсупов, 1960), «в своем происхождении связаны с процессом гидратации ангидритов».
Общая мощность сульфатной толщи сильно варьирует. Такое резкое сокращение ее в одном месте - 9,5 м (скв.3, Аракчино, Казань) и сильное увеличение в другом - 103,9 м (скв.4, правый берег р. Волги, Верхне-Услонский район) «несомненно связано с эрозией четвертичного периода -периода образования долины р. Волги» (Юсупов, 1960).
Особенно сильные разрушения пород наблюдаются в скв. 3 (Аракчино), скв.1 (В.Услон), скв.2 (устье р. Казанки), в скв.7 (б.о. Маркиз), скв.9 (под Казанским кремлем), скв.5 (В.Услон-Студенец). Наибольшая сохранность сульфатно-карбонатных пород (103,9 м) наблюдается в скв.4 (Печи-щи). Однако и здесь в зоне контакта сакмарских образований с казанскими обнаруживается частичное разрушение пород (около 3,5 м). В некоторых местах в верхней части толщи обнаруживаются довольно большие пустоты, достигающие 2,5 - 3 м. На некоторых участках в зоне контакта толщи с нижнеказанскими отложениями породы настолько сильно разрушены, перемешаны и перебиты, что невозможно отнести их к какому-либо геологическому возрасту (Юсупов, 1960). В результате сильного выщелачивания сульфатно-карбонатных пород создались благоприятные условия для обрушения их кровли и образования значительных карстовых опусканий.
В пределах Казани и прилегающих районов пробурено 53 структурные скважины глубиной свыше 300 м, а также заложено большое количество инженерно-геологических скважин, вскрывших верхнюю границу карстопроявлений.
Казанской геофизической экспедицией в западной части Татарстана и прилегающих районах в 1959 г. проведена детальная наземная магнитная съемка с точностью ± 13,64 нТл.
Сечение изодинам может быть принято через 34,2 нТл. Составлена карта изодинам вертикальной составляющей геомагнитного поля М 1:100 000 сечением через 50 нТл., использованная для составления карты разломов земной коры территории г.Казани 1:25000. Предварительно она была подвергнута компьютерной обработке с целью составления по ней карт-трансформант (Степанов и др., 1995).
Протрассированные по различным картам-трансформантам оси положительных магнитных аномалий, соответствующие разломам, были совмещены на единой основе,
создавая каркас разломной тектоники. При создании каркаса на единую основу М 1:25000 поэтапно наносились оси северо-западного, северо-восточного простираний, затем ортогональные, меридиональные и широтные. Четко проявилась «планетарная трещиноватость» территории г. Казани, на канве которой, по С.С. Шульцу (1973), «тектоника вышивает свои узоры».
При составлении каркаса разломов кольцевые разломы по кольцевым зональностям магнитных аномалий не трассировались. Они проявились спонтанно в результате пересечения глобальной трещиноватости ортогонального и диагонального направлений и создали основные тектонические элементы структурного плана кристаллического фундамента и горизонтов осадочного чехла.
Карта разломов земной коры (Рис. 3) содержит как региональные, так и блокоразделяющие дизъюнктивные нарушения. В пределах Казани выделено 20 зон разломов земной коры, соответствующих по рангу уровням региональных и блоковых. По материалам инженерно-геологического бурения и разломной тектоники составлена карта глубин залегания верхней границы закарстованных пород территории г. Казани (Рис. 4). На карту нанесены данные глубин закарстованных пород 333 скважин. Наиболее близко кровля карстующихся пород прослеживается в районе пос. Дербышки (0,5 - 10,0 м), на набережной у Кремля (3,6 - 11,4 м), на Кремлевском Холме (9,0 - 13,0 м) и др.
Изогипсы закарстованных пород проведены через 10 м. Интервал изолиний, оконтуривающий 10 и 20 м, включает в себя глубины менее 10 м, при этом карстующие породы здесь выходят на дневную поверхность. Интервал залегания глубин до 50 м является наиболее карстоопас-ным для зон с неглубоким заложением уровня грунтовых вод или прямой проницаемости осадков.
Подтверждением разрушительных карстовых процессов на территории г. Казани явилось обследование и оценка остаточной прочности зданий и сооружений. Работа выполнена Казанским архитектурно-строительным университетом. Хотя степень повреждения всех типов сооружений связана со сроками их эксплуатации, сквозным нарушениям стен и нарушениям их покрытия подвергаются многие новые здания Казани, что свидетельствует о едином характере просадочных явлений во всех частях города. Степень износа стен 90 % эксплуатируемых зданий оказалась в пределах от 5 до 40 %. Многие строения, особенно в центре, разрушены полностью, большинство имеют трещины и в разной степени потеряли свою несущую способность из-за неравномерной просадки грунтов. Составлен каталог паспортов поврежденных зданий и сооружений, оценена их остаточная прочность, установлен характер и степень повреждения несущих конструкций в связи с активными геологическими процессами. Для полного разрушения зданий, потерявших прочность, достаточно 4- или 5- балльного землетрясения. Поэтому изучение слабой сейсмичности для Татарстана является актуальным.
По каталогу паспортов составлена карта-схема состояния абсолютной разрушенности зданий и сооружений г. Казани в масштабе 1:25000 за период эксплуатации более 100 лет, и карта-схема относительной скорости разрушения объектов, отнесенная к единице времени 1 год. Схема отражает интенсивность геологических процессов в относительных единицах от 0,1 до 10. Проявляется четкая согласованность зон наибольшего разрушения объектов с зонами раз-
•^^шзш^ научно-технический журнал
Георесурсы i
ломов земной коры. Наиболее карстоопасными являются центральная и северо-восточная части Казани . В районе Кремля глубина верхней границы закарстованных верхнепермских пород изменяется от 5 до 8 м, в районе Дербышек - от 0,5 м до 10 м. На участках сильной закарстованности отмечается расположение мощных разломов земной коры. Эти разломы - Аракчинско-Кремлевско-Самосыровский и Савиновско-Нагорнинский - являются зонами мощных тектонически трещиноватых пород. На Усмановском и Центрально-Казанском участках глубина закарстованных пород изменяется от 86 м до 4 - 8 м. Здесь простираются Аракчин-
Участки залегания карстующихся пород
(Т)- Центрально-Казанский
(2) - Дербышкинский
(3)-Усмановский (3) - Лебяжьевский
Зоны и категории карстовой опасности
Ш 1 [Ü] 4
EZ3 2 ни 5 ЕЗЭ 3
Рис. 4. Карта районирования глубин залегания карстующихся пород и поверхностного проявления карстовых процессов территории г. Казани по данныж инженерно-геологического бурения и поверхностныгх наблюдений. М 1:25000. (Мирзоев, Степанов, Югин, Галеев). Зоныг кровли залегания карстующихся пород на глубинах:1- 0-20 м, 1 категория; 2 - 21-30 м, 2 категория; 3 - 31-50 м, 3 категория; 4 - карстовыге и карсто-во-суффозионныге формыг; 5 - карстовыге озера.
Рис. 3 Карта разломов земной коры территории г.Казани по данным магнитной съемки. M 1:25000. (Степанов В.П., Степанов A.B., Мирзоев К.М.) Зоныг разломов земной корыг: I - Об-
серваторско-Раифская; II - Займищенско-Залес-ная; III - Ключищенско-Морквашкинская; IV - Пет-•ровско-Игумновско-Реплерская; V - Крутовско-Левченковско-Ново-Николаевская; VI - Ново-Сави-новско-Ново-Караваевская; VII - Сухо-реченская; VIII - Столбищенско-Лива-дийско-Дербышкинская; IX - Констан-тиновско-Березовская; X - Кабанско-Фадеевская; XI - Осиновско-Бобыгльс-кая; XII - Юдинско-Грабарско-Борисог-лебская; XIII - Аракчинско-Кремлевско-Самосы1ровская; XIV - Верхне-Услонс-кая; XV - Студенецко-Нижне-Кабанс-ко-Клыковская; XVI - Нижне-Услонская; XVII - Ново-Победиловско-Первомайс-ко-Чишмялинская; XVIII - Старо-По-бедиловско-Борисковско-Медянская; XIX - Савиновско-Нагорнинская; XX -Горкинско-Салмачинская.
ско-Кремлевско-Самосыровская и другие разломные зоны. В этих местах карстующиеся породы вскрыты большинством скважин, поскольку разломы создали в осадочном чехле мощные толщи тектонической трещиноватости.
5. Заключение
Разработана серия карт поверхностных проявлений карстовых процессов, кровли глубинного залегания карстующихся пород по данным инженерно-геологического и структурного бурения, активных разломов земной коры, абсолютной и относительной разрушенности зданий и сооружений г. Казани M 1:500000 и 1:25000, которые дают оценку геодинамической опасности территории Татарстана. Карты являются основой для составления нормативной документации по обеспечению безопасного строительства объектов от разрушительных геологических процессов. Завершается составление карт карстовой опасности территории РТ M 1:500000 и г. Казани 1:25000. Необходимо упорядочить и представить материалы по геологической опасности в виде республиканской нормативной документации.
Литература
Зевахин А.И. Типизация карстовых систем Билимбаевского района. Техногенез и экология. Екатеринбург: УГГГА, 1999. 100-103.
Мирзоев K.M., Гатиятуллин Н.С., Степанов В.П., Кашуркин П.И., Гатиятуллин Р.Н. Активные разломы земной коры Ромашкинского месторождения нефти по геолого-геофизическим и геодезическим данным. Тр. междун. мат. конф. Современная геодинамика, глубинное строение и сейсмичность платформенных территорий и сопредельных регионов. Воронеж. 2001. 126-129.
Общее сейсмическое районирование территории Российской Федерации, ОСР-97, А, В, С. Объяснит. записка. ОИФЗ РАН, М. 1999.
Степанов В.П., Баранов В.В., Степанов А.В. Геофизическое изучение кристаллического фундамента с нефтепоисковыми целями. Геоинформатика-93. N3(3). 1995. 64-68.
Тихвинский И.Н. Карстопроявления в нижнепермских отложениях Татарии. Татарская нефть. Альметьевск. N3-4, 1959. 78-81.
Шульц С.С. Планетарная трещиноватость. Изд. ЛГУ. 1973.
Юсупов Б.М. Тектоника Татарии. Тр. КФАН СССР. сер. Геол. Казань: 1960. 91-200.
Stepanov V.P., Muslimov R.Kh., Mirzoev K.M., Gatiatullin N.S. Geological and tectonic structure of the upper crystalline basement of the Central East European platform and its reflection in the upper sedimentary cover. "Georesourses". 6, 2002. Kazan University. 11-15.
1 (18) 2006
^ научно-техническим журнал
Георесурсы
