CC BY
59
СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА _CIVIL ENGINEERING BUILDING AND ARCHITECTURE
УДК 624.131.22: 631.432.33: 624.15 DOI: 10.17213/0321-2653-2015-2-77-81
ПРОСАДОЧНОСТЬ ЛЕССОВЫХ ПОРОД ЮГА РУССКОЙ ПЛАТФОРМЫ КАК ЗОНАЛЬНОЕ ГЕОГРАФИЧЕСКОЕ ЯВЛЕНИЕ
SUBSIDENCE OF LOESS ROCKS SOUTH RUSSIAN PLATFORM AS THE ZONAL GEOGRAPHIC PHENOMENA
© 2015 г. Ю.И. Олянский, Е.В. Щекочихина, О.Н. Осипова, Г.М. Скибин, А.Ф. Алексеев
Олянский Юрий Иванович - д-р геол.-минер. наук, профессор, кафедра «Земляные и гидротехнические сооружения», Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет, г. Волгоград, Россия. E-mail: [email protected]
Щекочихина Евгения Викторовна - канд. геол.-минер. наук, кафедра «Земляные и гидротехнические сооружения», Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет, г. Волгоград, Россия. E-mail: [email protected]
Осипова Оксана Николаевна - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Промышленное и гражданское строительство, геотехника и фундаментостроение», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: oksana. osipova9@mail. ru
Скибин Геннадий Михайлович - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Промышленное и гражданское строительство, геотехника и фундаментостроение», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: skibingm@mail. ru
Алексеев Александр Федорович - канд. геол.-минер. наук, кафедра «Гидрогеология и инженерная геология», Уральский горный институт, г. Екатеринбург, Россия. E-mail: [email protected]
Olyansky Yury Ivanovich - Doctor of Geologo-Mineralogical Sciences, professor, department «Earth and Hydraulic Engineering Constructions», Volgograd State Architectural and Construction University, Volgograd, Russia. E-mail: [email protected]
Schekochichina Evgenia Viktorovna - Candidate of Geologo-Mineralogical Sciences, department «Earth and Hydraulic Engineering Constructions», Volgograd State Architectural and Construction University, Volgograd, Russia. E-mail: olyansk@ list.ru
Osipova Oksana Nikolaevna - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Civil and Industrial Engineer Geotechnological and Foundation Engineering», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: [email protected]
Skibin Gennadi Mihailovich - Doctor of Technical Sciences, professor, department «Civil and Industrial Engineer Geotech-nological and Foundation Engineering», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: [email protected]
Alekseev Alexander Fedorovich - Candidate of Geologo-Mineralogical Sciences, department «Hydrogeology and Engineering Geology», Ural Mining Institute, Ekaterinburg, Russia. E-mail: [email protected]
Рассмотрены условия залегания, состав, физические свойства и просадочность лессовых пород в 9 опорных регионах южной части Русской платформы на территории Молдовы, Украины и РФ. Показана необходимость учета климатических факторов при инженерно-геологических прогнозах просадоч-ности. Установлено, что просадочность лессовых толщ обусловливается такими климатическими параметрами, как: температура воздуха и лессовых пород, радиационный баланс, радиационный индекс сухости, коэффициент увлажнения. Климатический фактор, определяемый коэффициентом увлажнения в современных и палеоусловиях, является наиболее общим, действующим регионально на всей площади распространения лессовых пород. Показано, что в распределении и изменении просадочности важное место занимают геоморфологические показатели, характеризующие общие закономерности увлажнения пород в различных климатических зонах, а также генетический тип и возраст лессовых пород.
Ключевые слова: просадочность; лессовые породы; физические свойства; генезис; метеоклиматические факторы.
This article analyzed conditions of occurrence, composition, physical properties and subsidence of loess rocks in 9 regions of the southern part of the Russian platform in Moldova, Ukraine and Russia. There is shown the need to take account climate factors in engineering and geological subsidence predictions. It was found that the subsidence of loess strata is caused by climatic parameters such as temperature and loess rocks,
radiation balance, radiation index of dryness, moisture factor. Climatic factor determined by the coefficients moisture in modern and ancient, is the most common operating regionally throughout the area of distribution of loess rocks It is also shown that the distribution and change of subsidence occupy an important place geo-morphological indicators describing the general laws of moisture rocks in various climatic zones, as well as genetic type and age of loess rocks.
Keywords: subsidence; loess rocks; physical properties; genesis; meteoclimatic factors.
Анализировались условия залегания, состав, физические свойства и просадочность лессовых пород в 9 опорных регионах южной части Русской платформы на территории Молдавии, Украины и РФ. Расположение лессовых массивов показано на обзорной карте (рисунок). Лессовые породы, распространенные на территории Молдавии в междуречье Прут - Днестр (массивы 1, 2, 3) и Волгоградской области (массив 4), охарактеризованы по собственным данным [1 - 4], другие - по опубликованным данным других исследователей [5 - 7]. В табл. 1 даны метеоклиматические показатели в опорных пунктах лессовых массивов. В табл. 2 приведены обобщенные значения показателей физических свойств и просадочности лессовых пород, отложившихся в позднечетвертичное время.
Основными факторами формирования просадоч-ности лессовых отложений являются геолого-географические, включающие в себя: возраст, генезис; метеоклиматические условия и геоморфологию, а также постгенетические процессы, вызванные преимущественно антропогенной деятельностью. Установлено [8, 9], что просадочность лессовых толщ обусловливается такими климатическими параметрами, как температура воздуха и лессовых пород, радиационный баланс, радиационный индекс сухости, коэффициент увлажнения.
Практически линейный характер зависимости величины максимальной просадочности от среднегодовой температуры лессовых пород в пустынной, полупустынной и сухостепной зонах выявлен в работе А.В. Минервина, В.А. Королева. Для лессовых пород Таджикистана Е.Н. Сквалецким [4] дана более сложная зависимость просадочности от температуры пород. Немаловажное значение имеет количество осадков, без знания которого нельзя достаточно обоснованно объяснить различия в просадочности пород. Более эффективными показателями являются радиационный баланс деятельной поверхности R (ккал/см2) и радиационный индекс сухости R/LA, где А - годовая сумма осадков; L - скрытая теплота испарения воды. Индекс сухости дает представление о балансе тепла и влаги, позволяет оценить тип водного питания почво-грунтов и степень увлажнения территории [10]. Изучая свойства лессовых пород, в связи с этими показателями Н.И. Кригер [8] установил, что проса-дочность может сохраняться в районах со значением R в пределах 0 - 50 (ккал/см2 в год) и радиационным индексом сухости более 1. Еще более тесная связь просадочности наблюдается с радиационным индексом сухости. Н.И. Кригер предложил следующее регрессионное уравнение:
6 „ — 0,01(5.
(5,2>/R / LA - 3,73) .
Коэффициент увлажнения Кув. Широко используется в климатологии, мелиорации и других науках. Этот показатель представляет собой отношение суммарного количества осадков А к испаряемости Ео за 1 год. Он используется при агроклиматическом районировании [9]. Многие исследователи применяют коэффициент увлажнения при изучении просадочно-сти, сохранение которой в лессовых породах зависит от проникновения и миграции влаги в зоне аэрации. Е.Н. Сквалецкий для лессовых пород Таджикистана приводит следующие регрессионные уравнения (для Кув от 0,1 до 0,9) [4]:
n = 53,8-(1,27 + Кув )3; r = 0,65;
' 1 ^
6 —
K
V ув
- 0,6; r — 0,58.
Анализируя просадочность лессовых массивов в сопоставлении с метеоклиматическими факторами (табл. 1), можно однозначно утверждать, что выводы Н.И. Кригера подтверждаются нашими исследованиями. Для всех описываемых массивов Я не превышает 50 - 55 ккал/см2. Анализ данных по просадочно-сти описываемых массивов юга платформы и радиационного индекса сухости, определенного в опорных пунктах, позволил получить следующее регрессионное уравнение:
е^ = 0,01(3,957Я / LA - 0,303); г = 0,7.
В выявленную зависимость просадочности от радиационного индекса сухости плохо вписываются лессовые породы Прикаспийской низменности. Несмотря на высокое значение индекса сухости (1,03), величина относительной просадочности здесь небольшая (0,029). Пористость пород тоже невелика (0,39), что у большинства регионов характерно для непросадочных пород. Объяснение этому заключается в следующем. Лессовые породы всех характеризуемых массивов имеют близкий генезис. Накопление мелкозема здесь происходило вследствие различных процессов в аэральных или субаэральных условиях. В результате образовались высокопористые отложения, обладающие просадочностью. Генезис лессовых пород ательского горизонта Прикаспийской низменности преимущественно аллювиальный. Просадочные свойства они могли приобрести только вследствие
разуплотнения осадка [7]. Таким образом, степень просадочности данных пород в большей мере обусловливается степенью их разуплотнения, чем метеоклиматическими факторами.
Определение коэффициента увлажнения в опорных пунктах юга платформы выполнено по количеству осадков и величины испаряемости за 1 год. Последняя рассчитывалась по формуле Н.Н. Иванова [11] с поправкой Л.А. Молчанова:
Е0 = 0,0144 (25 + )2 (100 - а),
где ^ - среднемесячная температура воздуха; а -
среднегодовая относительная влажность воздуха.
При корреляционно-регрессионном анализе из выборки также исключены данные по лессовым породам Прикаспийской низменности. Получено следующее регрегрессионное уравнение (К^ 0,63 - 0,95):
е^ = 0,01(9,311 - 7,37 К ув); г = 0,72.
Зависимость других показателей свойств лессовых пород от коэффициента увлажнения не установлена. Таким образом, распределение величины просадочности лессовых пород юга платформы в целом соответствует представлению Н.И. Кригера о зональном географическом явлении. Максимальная мощность лессовых отложений (до 35 м) наблюдается на территории Северного Причерноморья в междуречье Прут - Днестр (массив 3), территории, которая на всем протяжении четвертичного периода испытывала опускания. Сравнительно высокие мощности лессовых толщ (до 12 м) наблюдаются в Прикаспийской низменности (массив 5). Однако время опускания и формирования здесь лессовых пород ограничено только верхнечетвертичной и современной эпохами.
Максимальная мощность просадочной толщи (до 12 - 15 м) отмечается на юге Молдавии. Это обусловлено низким значением коэффициента увлажнения (0,72) и высоким показателем индекса сухости (1,12). Консервации просадочности в глубине слоя способствовала значительная расчлененность рельефа (1,0 -2,0 км/км2), а следовательно, и низкая влажность пород, характеризующихся невысокой глинистостью и преобладанием в дисперсной фракции минералов группы гидрослюд. Залегание в основании лессовой толщи хорошо проницаемых песков и суглинков также благоприятствует естественной дренированности лессовой толщи.
Близкими по инженерно-геологическим свойствам являются лессовые породы Центрально-Молдавской возвышенности (массив 2) и Приволжской возвышенности (массив 4), характеризующихся одинаковым неотектоническим режимом и суммарным положительным эффектом неотектонических движений. Эти регионы, относящиеся к области недостаточного увлажнения (полувлажная зона Кув = 0,77 - 1,0), ха-
рактеризуются близкими значениями радиационного индекса сухости (0,94 и 0,93 соответственно) и коэффициента увлажнения (0,80 и 0,78), а также одинаковым генезисом лессовых пород с преобладанием делювиального осадконакопления. Формированию одинаковой влажности способствовала также высокая эрозионная расчлененность рельефа обеих территорий и близкий механический состав лессовых пород. Величина относительной просадочности пород составляет 0,037 и 0,036 (при нагрузке 0,3 МПа). Одинаковый неотектонический режим обеих территорий способствовал накоплению лессовых толщ одинаковой мощности, преимущественно делювиального генезиса.
«Наименее» лессовидным обликом обладают лессовые породы Северной Молдавии (массив 1). Эта территория, относящаяся также к области недостаточного увлажнения (полувлажная зона), характеризуется высокой увлажненностью (Кув > 0,8) и низким значением радиационного индекса сухости (0,88). На территории, испытавшей поднятие на протяжении всего четвертичного периода, накопились в основном переотложенные делювиальные отложения невысокой мощности (5 - 6 м), залегающие на водоупорных сарматских глинах. Они характеризуются высокой дисперсностью и влажностью (до 0,24). Тем не менее существенная расчлененность рельефа (1,0 - 2,0 км/км') способствовала формированию просадочности у пород на склонах до глубины не более 4 - 5 м. Величина ее редко превышает значение 0,025. Начальное проса-дочное давление у них самое высокое - 0,140 МПа. В соответствии с гранулометрическими классификациями и числом пластичности они относятся к тяжелым суглинкам и глинами с невысокой активной (компрессионной) пористостью.
Таким образом, географо-геоморфологические условия играют важную роль в формировании и сохранении недоуплотненности лессовых пород. По масштабам и охвату территорий их можно разделить на несколько категорий (рисунок).
Рис. 1. Обзорная карта расположения лессовых массивов: 1 - Полого-увалистые равнины севера Молдовы; 2 - Центрально-Молдавская возвышенность; 3 - Полого-увалистые равнины юга Молдовы; 4 - Приволжская возвышенность; 5 - Прикаспийская низменность; 6 - Волыно-Подоль-ская возвышенность; 7 - Междуречье Днестр-Юж. Буг;
8 - Левобережье р. Днепр; 9 - Нижний Дон
Таблица 1
Метеоклиматические показатели в опорных пунктах лессовых массивов
Лессовый массив Опорный пункт t0 1ср а , % А, мм Е0, мм Кув R, ккал/см2 R/LA
Полого-увалистые равнины севера Молдавии г. Бельцы 8,7 61 509 638 0,80 45 0,88
Центрально-Молдавская возвышенность г. Кишинев 9,4 61 533 665 0,80 50 0,94
Полого-увалистые равнины юга Молдавии г. Комрат 9,7 60 489 676 0,72 55 1,12
Приволжская возвышенность г. Камышин 6,5 61 433 557 0,78 40 0,93
Прикаспийская низменность п. Эльтон 7,2 57 389 642 0,61 40 1,03
Волыно-Подольская возвышенность г. Любашовка 7,2 64 512 537 0,95 55 1,08
Междуречье Днестр - Ю.Буг г. Николаев 9,8 62 499 663 0,75 50 1,01
Левобережье Днепра г. Днепропетровск 8,3 63 450 598 0,75 50 1,11
Нижний Дон г. Ростов-на-Дону 8,7 62 393 621 0,60 - -
Примечание: г0 - среднегодовая температура; а - относительная влажность воздуха, %; А - среднегодовое количество
ср
осадков, мм; Е0 - испаряемость, мм; Кув - коэффициент увлажнения; R - радиационный баланс, ккал/см2; ШЬА - радиационный индекс сухости.
Таблица 2
Показатели свойств лессовых пород массивов южной окраины платформы
Лессовые массивы W JP n Wl Fsl Psi, МПа Hsl, м
Полого-увалистые равнины севера Молдавии 0,20 0,14 0,45 0,34 0,025 0,140 5,6
Центрально-Молдавская возвышенность 0,14 0,10 0,42 0,27 0,037 0,104 до 7
Полого-увалистые равнины юга Молдавии 0,11 0,12 0,46 0,30 0,042 0,104 15-20
Приволжская возвышенность 0,15 0,11 0,41 0,27 0,036 0,096 5-10
Прикаспийская низменность 0,15 0,10 0,39 0,26 0,029 0,136 5-8
Волыно-Подольская возвышенность по [6] 0,17 0,11 0,43 0,30 0,021 - -
Междуречье Днестр - Ю.Буг по [6] 0,16 0,15 0,44 0,34 0,038 - -
Левобережье Днепра [6] 0,09 0,11 0,47 0,28 0,050 - -
Нижний Дон по [5] 0,16 0,16 0,44 0,34 0,040 - -
Климатический фактор, определяемый коэффициентом увлажнения в современных и палеоусловиях, является наиболее общим, действующим регионально на всей площади распространения лессовых пород. От значения Кув зависит влажность лессовых пород в зоне аэрации, их глинистость, засоление, плотность, просадочность, мощность просадочного слоя. При Кув менее 0,75 влажность лессовых пород минимальная и просадочность сохраняется в наибольшей мере. По мере роста коэффициента увлажнения (Кув = 0,8 -0,95), вследствие повышения влажности пород, условия консервации просадочности ухудшаются. Для изученных регионов она снижается до 0,027 - 0,025. В связи с этим теория и практика инженерно-геологических прогнозов просадочности без учета климатических факторов - бесперспективны.
Не меньшее значение в распределении и изменении просадочности имеют геоморфологические показатели, характеризующие общие закономерности ув-
лажнения пород в различных климатических зонах, а также генетический тип и возраст лессовых пород. Так, ательские лессовые породы в силу особенностей своего генезиса обладают высокой плотностью и низкой пористостью. Эти породы в метеоклиматических условиях Нижнего Поволжья обладают просадочно-стью. В других же более увлажненных зонах лессовые породы такой плотности и пористости являются чаще всего непросадочными.
Литература
1. Богомолов А.Н., Олянский Ю.И., Шиян С.И., Тихонова Т.М., Киселева О.В. Опыт предупреждения деформаций оснований на замедленно-просадочных грунтах // Сергеевские чтения. Вып 14. Роль инженерной геологии и изысканий на предпроектных этапах строительства и освоения территории. М.: Изд-во. РУДН, 2012. С. 253 - 256.
2. Олянский Ю.И. Лессовые грунты юго-западного Причерноморья (в пределах республики Молдова). Кишинев: Штиинца, 1992. 130 с.
3. Олянский Ю.И., Богдевич О.П., Вовк В.М. Инженерно-геологические особенности лессовых пород Молдовы // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. М.: 1994. № 1. С. 65 - 75.
4. Сквалецкий Е.Н. Инженерно-геологическое прогнозирование и охрана природной среды на примере освоения лессовых территорий Таджикистана. Душанбе: Дониш, 1988. 259 с.
5. Воляник Н.В., Коптелова С.Н. Строительные свойства лессовых грунтов на Северном Кавказе. Ростов н/Д., 1960. 15 с.
6. Краев В.Ф. Инженерно-геологическая характеристика лессовой формации Украины. Киев: Наукова думка, 1971. 227 с.
7. Минервин А.В., Синяков В.Н., Комисарова Н.Н. Генезис просадочности лессовых пород ательского горизонта // Проблемы лессовых пород в сейсмических районах. Ташкент: Фан, С. 109 - 110.
8. Кригер Н.И. Лесс. Формирование просадочных свойств. М.: Наука, 1968. 133 с.
9. Шашко Д.И. Агроклиматическое районирование СССР. М.: Колос, 1967.
10. БудыкоМ.И. Глобальная экология М.: Мысль, 1977. 328 с.
11. Иванов Н.Н. Об определении величины испоряемости // Изв. ВГО. 1954. Т. 86, № 2. С. 189 - 196.
References
1. Bogomolov A.N., Olyanskij Yu.I., Shiyan S.I., Tihonova T.M., Kiseleva O.V. Opyt preduprezhdeniya deformacij osnovanij na zamedlenno-prosadochnyh gruntah [The experience of prevention deformation of the base at a slowed-subsiding soils]. Ser-geevskie chteniya. Vyp 14. Rol' inzhenernoj geologii i izyskanij na predproektnyh 'etapah stroitel'stva i osvoeniya territorii [Sergeevskie reading. No. 14. The role of geology and exploration on the pre-stages of construction and development of the territory]. Moscow, RUDN Publ., 2012, pp. 253-256.
2. Olyanskij Yu.I. Lessovye grunty yugo-zapadnogo Prichernomor'ya (v predelah respubliki Moldova) [Loess soils south-west of the Black Sea (within the Republic of Moldova)]. Kishinev, Shtiinca Publ., 1992, 130 p.
3. Olyanskij Yu.I., Bogdevich O.P., Vovk V.M. Inzhenerno-geologicheskie osobennosti lessovyh porod Moldovy [Geotechnical characteristics of loess rocks Moldova]. Geo'ekologiya. Inzhenernaya geologiya. Gidrogeologiya. Geokriologiya, 1994, no. 1, pp. 65-75.
4. Skvaleckij E.N. Inzhenerno-geologicheskoe prognozirovanie i ohrana prirodnoj sredy na primere osvoeniya lessovyh territorij Tadzhikistana [Engineering geological prediction and protection of the environment on the example of familiarization of the loess areas of Tajikistan]. Dushambe, Donish, 1988, 259 p.
5. Volyanik N.V., Koptelova S.N. Stroitel'nye svojstva lessovyh gruntov na Severnom Kavkaze [Construction properties of loess soils in the North Caucasus]. Rostov-na-Donu,1960, 15 p.
6. Kraev V.F. Inzhenerno-geologicheskaya harakteristika lessovoj formacii Ukrainy [Engineering geological characteristics of loess formation of Ukraine.]. Kiev, Naukova dumka Publ., 1971, 227 p.
7. Minervin A.V., Sinyakov V.N., Komisarova N.N. Genezis prosadochnosti lessovyh porod atel'skogo gorizonta [The genesis of subsidence of loess rocks treacherous horizon]. Problemy lessovyh porod v sejsmicheskih rajonah [Problems of loess rocks in seismic areas]. Tashkent, Fan Publ., pp. 109-110.
8. Kriger N.I. Less. Formirovanie prosadochnyh svojstv [Loess. Formation subsidence properties]. Moscow, Nauka Publ., 1968, 133 p.
9. Shashko D.I. Agroklimaticheskoe rajonirovanie SSSR [Agroclimatic zoning of the USSR]. Moscow, Kolos Publ., 1967
10. Budyko M.I. Global'naya 'ekologiya [Global Ecology]. Moscow, Mysl' Publ., 1977, 328 p.
11. Ivanov N.N. Ob opredelenii velichiny isporyaemosti [About determining the quantity of evaporability]. Izv.VGO, 1954, vol. 86, no. 2, pp.189-196.
Поступила в редакцию 12 февраля 2015 г.
