CC BY
13
_ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА_
2018 Геология Том 17, №3
ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ, МЕРЗЛОТОВЕДЕНИЕ И ГРУНТОВЕДЕНИЕ
УДК 550.8.053
Создание трехмерной карты закарстованности карбонатно-сульфатных пород на территории г. Кунгура
М.В. Богомаз
Горный институт УрО РАН, 614990, Пермь, ул. Сибирская, 78А E-mail: arc@mi-perm.ru
(Статья поступила в редакцию 26 сентября 2017 г.)
Рассмотрены проблемы развития карста на урбанизированных территориях, проведен сравнительный анализ методов расчета основных показателей подземной закарстованности территории в разных типах литологического разреза, составлена трехмерная модель подземной закарстованности.
Ключевые слова: карст, полость, литологический разрез, подземная закарсто-ванность, трехмерная модель. DOI: 10.17072/psu.geol.17.3.258
Город Кунгур расположен в области распространения карбонатно-сульфатного карста. С середины 30 - конца 40-х гг. по настоящее время выполнено множество работ по оценке карстоопасности территории г. Кунгура, опубликованы отчеты и монографии (Лукин, Ежов, 1958), (Лукин, Ежов, 1975); обобщены и систематизированы результаты инженерно-геологических изысканий и составлен ряд карт (Катаев, Кадебская, 2010). На основе обобщенных материалов защищены кандидатские диссертации. С 1948 г. сотрудниками ГИ УрО РАН ведется и пополняется по настоящее время база данных по зафиксированным провалам.
В качестве основы оценки карстоопас-ности территории города Кунгура в настоящее время согласно нормативным документам (тСН 11-301-2004, 2004), (СП 11-105-97, 2000) категория устойчивости территории определяется по интенсивности провалообразований и по их средним диаметрам. Такая инженерно-геологическая оценка карстоопасности не учитывает строение массива территории с полостями, выявленными на стадии бурения,
т.е. взаиморасположение объекта строительства и карстовых полостей.
Целью данной работы является сравнительный анализ методики расчета основных показателей подземной закарсто-ванности (ТСН 11-301-2004, 2004) и данных, полученных при помощи разработанной трехмерной модели исследуемого участка развития карбонатно-сульфатных пород.
Карта подземной закарстованности была построена автором в программе AutoCAD Civil 3D фирмы Autodesk, которая позволила автоматизировать процесс построения поверхностей при помощи новейших IT-технологий и уточнить показатели, характеризующие подземные проявления карста. В процессе обработки результатов инженерно-геологического исследования района были созданы карты поверхности и подошвы геологических слоев площади исследования. На основе этих карт была разработана трехмерная модель территории.
Для составления трехмерной карты подземной закарстованности был выбран участок города, расположенный в районе
© Богомаз М.В., 2018
Создание трехмерной карты закарстованности карбонатно-сульфатных пород ...259
Черемушки, площадью 3,5 км2. Выбор участка исследования был основан на большом объеме инженерно-геологической информации по данным бурения (102 скважины) и многолетнем ряде наблюдений за поверхностными карстовыми формами рельефа. На данной площади зафиксировано 15 провалов: 5 - суффози-онных, 10 - карстовых (рис. 1).
Условные обозначения
Рис. 1. Ситуационный план участка исследований: 1 - скважина; 2 - скважина, вскрывшая карстовые полости; 3 - провал; 4 -1-й тип литологического разреза; 5 - 2-й тип литологического разреза
Участок находится на III надпойменной террасе р. Сылвы. Превышение площади над меженным уровнем реки 3536 м. Поверхность ровная с незначительным уклоном к северо-западу, абсолютные отметки 141,5-148,1 м. На участке встречены 2 типа (Катаев, Кадебская, 2010) геологического разреза (рис.2). Они начинаются с рыхлого покрова (абсолютные отметки 119,0-129,2 м, средняя мощность 20,7 м), далее залегают коренные отложения кунгурского яруса пермской системы: породы иренского горизонта, представленные гипсами и ангидритами ледянопещерской пачки (абсолютные отметки 87,5-129,2 м, средняя мощность 30 м), а также пелитоморфными доломитами неволинской пачки (абсолютные отметки 112,5-119,0 м, средняя мощность 6,5 м). Породы иренского горизонта подстилаются доломитами филлиповского горизонта (абсолютные отметки 82,594,2 м, вскрытая мощность до 12 м).
18 скважин из 102 вскрыли 24 карстовые полости. Максимальный вертикальный размер полости - 6,3 м (табл. 1).
1-й литологический тип разреза 2-й литологический тип разреза -1 I I
Рис. 2. Сводная стратиграфическая колонка района исследований: 1 - покровные отложения; 2 - пелитоморфный доломит; 3 - гипс; 4 - ангидрит; 5 - доломит; 6 - заполненная карстовая полость; 7 - незаполненная карстовая полость; 8 - зона колебаний уровня грунтовых вод
Совмещение литологических типов разреза с уровнями вскрытых карстовых полостей и зонами колебаний уровня грунтовых вод позволили нам установить следующую зависимость.
В 1-м литологическом типе разреза полости приурочены к контакту ледянопещерской и неволинской пачек иренско-го горизонта и находятся в зоне колебания уровня грунтовых вод (рис. 2). Всего вскрыто 9 карстовых полостей, из них 90 % заполнены глинисто-щебневым материалом. На участке распространения этого типа разреза провальные явления, связанные с карстово-суффозионными процессами, за последние 50 лет не зафиксированы.
Во 2-м случае, где сульфатные отло-
жения не перекрыты неволинской пачкой, полости фиксируются по всей толще ле-дянопещерских отложений и не привязаны к зоне колебания уровня грунтовых вод. На участке вскрыто 15 карстовых полостей, 50% из них заполнены глинисто-
щебневым материалом, а 50 % не заполнены и представляют непосредственную угрозу устойчивости территории. Это подтверждают 15 зафиксированных кар-стово-суффозионных провалов на данном участке.
Таблица 1. Скважины, вскрывшие карстовые полости на выбранном участке
№ п/п № скважины Глубина скважины, м Мощность карстующих-ся пород, м Высота полости, м Абс. отм. карстовой полости, м Вид полости (характер заполнения) Абс. отм. установившегося уровня грунтовых вод, м
1 58 57.5 39.1 0.6 124.8 заполненная 112.1
4.6 118.8 незаполненная
2 63 57 36.7 0.8 125.3 незаполненная 112.1
6.3 119.0 заполненная
3 71 40 14.1 0.9 115.5 заполненная 113.5
4 422 40 19.6 2.9 114.8 заполненная 111.4
5 765 45 23.2 2.2 110.7 заполненная 110.3
6 766 46 22.4 1.4 110.7 заполненная 102.9
7 767 45 19.9 4.1 110.6 заполненная 114.6
8 768 45 20.1 2.9 113.5 заполненная 108.3
9 769 65 33.3 0.3 113.7 заполненная -
10 1099 70 29.2 0.8 118.3 незаполненная 113.4
0.6 117.7 заполненная
11 1102 70 31.9 4.2 123.8 заполненная 111.8
12 1103 70 29.2 0.8 122.6 незаполненная 111.2
1.1 121.5 заполненная
13 1107 39 13.7 2.5 114.5 заполненная 114.5
14 2097 70 37.5 1.5 94.4 незаполненная 104.9
15 2100 70 47.3 3.5 111.5 незаполненная 108.5
1 108.5 незаполненная
16 4188 61 33.9 5 111.9 заполненная 116.2
17 4189 40 20 1.8 114.1 заполненная 116.1
0.2 112.7 незаполненная
18 4193 32 7.9 2 113.8 заполненная 115.5
При 3D-моделировании была создана карта подземной закарстованности (рис. 3) участка III надпойменной террасы р. Сылва г. Кунгура, которая позволила определить количественные показатели подземной закарстованности этой территории и сравнить их с данными, полученными из ТСН 11-301-2004.
При этом значения коэффициентов
подземной закарстованности, полученные при помощи моделирования, вполне сопоставимы с данными ТСН 11-301-2004, но уточняют их в конкретных инженерно-геологических условиях локального объекта строительства.
Рассчитанные нами коэффициенты оказались на 4,8-5,2 % выше ТСН 11-3012004, что подтверждает и конкретизирует
Создание трехмерной карты закарстованности карбонатно-сульфатных пород . ..261
оценку карстоопасности исследуемой территории (рис. 4, табл. 2).
Кроме того, показатель объемной плотности карстовых полостей напрямую зависит от объема пород, вследствие чего математический расчет имеет большую погрешность.
Таблица 2. Сравнительная таблица методов подсчета коэффициентов подземной закар-стованности
Примечание. 1 - линейный коэффициент внутренней закарстованности массива, %; 2 -линейный коэффициент открытой закарстованности массива, %; 3 - линейный коэффициент общей закарстованности массива, %;
4 - линейный коэффициент поверхностной закарстованности карстующихся пород, %;
5 - коэффициент аномальности; 6 - линейная плотность карстовых полостей, шт/100 м; 7 -площадная плотность карстовых полостей, шт/104 м2; 8 - объёмная плотность карстовых полостей, шт/106 м3.
Рис. 3. Трехмерная модель подземной закарстованности участка исследований
Однако подсчет при помощи трехмерной модели позволяет получить данный коэффициент с минимальной погрешностью. В нашем случае он составил 3,27 карстовых полостей/106 м3.
б
а
ТСН 11- Карта подземной
Пока- 301-2004 закарстованности
затели 1-й тип 2-й тип 1-й тип 2-й тип
разреза разреза разреза разреза
1 10,7 11,0 11,2 11,6
2 2,1 3,4 2,2 3,6
3 54,7 56,5 57,4 59,3
4 49,2 51,1 51,7 53,6
5 0,1
6 2,86 3,01
7 0,68 0,71
8 - 3,27
Рис. 4. Сравнение коэффициентов подземной закарстованности: а) линейная плотность карстовых полостей; б) площадная плотность карстовых полостей
Выводы ную модель состояния геологической сре-
ды территории, в том числе локального Использование современных IT-техно- участка строительства, для оценки кар-логий помогает создать пространствен- стоопасности и прогнозирования развития
опасных геологических процессов. Привлечение данных физико-механических свойств вмещающих отложений, а также мониторинговые наблюдения позволяют решать прогнозные задачи по обеспечению безопасности при строительстве на территории г. Кунгура.
Библиографический список
ТСН 11-301-2004. Инженерно-геологические изыскания для строительства на закарсто-
ванных территориях Пермской области. Пермь, 2004. 122 с.
Катаев В.Н., Кадебская О.И. Геология и карст города Кунгура. Пермь, 2010. 236 с.
Лукин В.С., Ежов Ю.А. Карстовые явления и подземные воды северной части Уфимского плато. Кунгур, 1958.
Лукин В.С. , Ежов Ю.А. Карст и строительство в районе Кунгура. Пермь, 1975. 118 с.
СП 11-105-97. Инженерно-геологические изыскания для строительства. М., 2000. 45 с.
Creation of a Three-Dimensional Map of Karstic Features in Carbonate-Sulfate Rocks within the City of Kungur
M.V. Bogomaz
Mining Institute of Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, 78A Sibirskaya Str, Perm 614990, Russia E-mail: arc@mi-perm.ru
The problems of karst development in the urban areas are considered. A comparative analysis of the methods for calculating the main indicators of the underground karst occurrences in different types of lithological section was performed. As a result, a three-dimensional model of underground karst development within the Kungur urban area was compiled.
Key words: karst; sinkhole; lithological section; underground karst; three-dimensional model.
References
TSN 11-301-2004. Inzhenerno-geologicheskie izyskaniya dlya stroitelstva na zakarsto-vanykh territoriyakh Permskoy oblasti [Engineering geological surveys for construction in karstified territories of the Perm region]. Perm, 2004, p. 122. (in Russian)
Kataev V.N., Kadebskaya O.I. 2010. Geologiya i karst goroda Kungura. [Geology and karst of the city of Kungur]. Perm, p. 236. (in Russian).
Ezhov Yu.A., Lukin V.S. 1958. Karstovye yavle-
niya i podzemnye vody v severnoy chasti Ufimskogo plato. [Karst phenomena and underground waters of a northern part of the Ufimian Plateau]. Kungur.
Lukin V.S., Ezhov Yu.A. 1975. Karst i stroitelstvo v rayone g. Kungura. [Karst and construction near city of Kungur]. Perm Publ., Perm, p. 118. (in Russian).
SR 11-105-97. 2000. Ingenerno-geologicheskie iziskaniya dlya stroitelstva [Engineering and geological surveys for construction]. Moscow. (in Russian)
