Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния проблемы 16
Глава 2. Геология четвертичных отложений верхнего Приобья 31
Глава 3. Литологическая основа природных экосистем верхнего Приобья 38
3.1. Генетические типы четвертичных покровных отложений 38
3.2. Минералогия лессовых пород 61
3.3. Структура и текстура лессовых пород 83
3.4. Литогенез лессовых пород 102
Глава 4. Классификация и номенклатура лессовых пород 131
Глава 5. Экологические функции покровных отложений верхнего Приобья 140
5.1. Ресурсный экологический потенциал 141
5.2. Геодинамический экологический потенциал 162
5.3. Биогеохимический экологический потенциал 178
Глава 6. Экосистемы верхнего Приобья . 181
Глава 7. Закономерности распределения экологических функций литосферы на территории верхнего Приобья 194
Заключение 202
Литература 205
Приложения 224
- Геология четвертичных отложений верхнего Приобья
- Генетические типы четвертичных покровных отложений
- Ресурсный экологический потенциал
- Экосистемы верхнего Приобья
Введение к работе
В последние десятилетия на территории нашей страны, особенно в районах интенсивного промышленного и сельскохозяйственного развития с использованием несовершенных технологий, недостаточным соблюдением элементарных мероприятий по охране окружающей среды происходит ускоренная деградация биосферы, сферы существования жизни, ведущая к экологическому бедствию и непредсказуемым техногенным катастрофам. По данным на 1994 г. 34 % территории России занимают площади с высокой экологической напряженностью и только 17 % с низкой, соответствующей малозаселенным районам севера, Сибири и Дальнего Востока [46,196].
Преобразующее воздействие человеческой деятельности на природу есть закономерное явление, оно неизбежно и усиливается по мере роста численности населения, распространения процессов урбанизации, научно-технического прогресса, увеличения числа и объема веществ, а также расширения пространств, вовлекаемых в хозяйственный оборот. С каждым годом взаимодействие между человеком и природой становится все более интенсивным. Наибольшим экологическим преобразованиям подвергается самая верхняя часть литосферы- главного составляющего и функционального компонента окружающей среды. Человек, вступая во взаимодействие с литосферой, изменяет и нарушает ее первичное равновесное состояние, затем сам испытывает обратную, большей частью негативную, реакцию этой геологической среды. Им созданы искусственные и им же управляемые природно-технические системы, существенно перестраивающие природную обстановку. Появление новых технологий и технических средств только увеличивают последствия техногенеза, вследствие чего противоречия во взаимоотношениях между обществом и природой достигли уровня, когда нарушение окружающей среды превышает предел выносливости биосферы, ее экологической емкости и приобрели такие большие масштабы, близкие к критическим отметкам и представляют собой реальную угрозу экологических бедствий. Это еще раз подтверждает мнение В. И. Вернадского, высказанное им еще в 1904 г., что человеческая деятельность превратилась в мощную преобразующую Землю силу, сопоставимую с геологическими процессами [39]. Из чего следует, что сохранение высоких темпов эксплуатации природной среды ускорит трансформацию природных экосистем, разрушение установившихся естественных связей, которые ведут к нежелательным последствиям. Быстрая деградация биосферы под техногенным воздейст-
виєм делает реальностью глобальные природные катастрофы в недалеком будущем, если не будут приняты соответствующие меры по их предотвращению.
Существующая экологическая обстановка требует повышенного внимания к проблеме охраны окружающей среды, разработке ресурсосберегающих и безотходных технологий производства и рациональному использованию природных ресурсов с минимальным уроном для естественной среды. Осознание необходимости решения задач по сохранению биосферы привело в последние десятилетия к быстрой экологизации многих естественных и неестественных наук, а прикладная экология фактически вошла в новую науку- геоэкологию, объединяющую целый ряд дисциплин, изучающих биосферу и связанных с нею процессы. Одной из них является экологическая геология, представляющая новое направление в геологии, которая исследует закономерности формирования и пространственно-временного изменения экологического качества верхней оболочки литосферы и ее экологических функций, т. е. познание экологических качеств и свойств верхних горизонтов земной коры как одного из основных абиотических компонентов биосферы со своими многофакторными условиями развития- разнообразным минеральным составом, геохимическим и гидрохимическим режимами, физико-механическими показателями, газовыми и температурными характеристиками, влияющими на существование жизни и преобразующимися под воздействием природных сил и техногенеза.
Постановка таких геоэкологических исследований на территории Верхнего Приобья, одном из самого развитого в промышленном и сельскохозяйственном отношении региона, имеет важное и актуальное научное и практическое значение. Полученные результаты исследований составляют фактологическую основу теории и методов оценки устойчивости приповерхностной части литосферы к природным и техногенным воздействиям, прогнозирования состояния и динамики изменений экологических функций литосферы под влиянием тех же факторов, обоснования инженерной защиты территорий от природных и антропогенных геологических процессов, могущих ухудшить экологическую обстановку, а также обеспечения принципами научно-аргументированного рационального использования природных ресурсов, размещения промышленных и сельскохозяйственных объектов, геоэкологического картирования, выделения природных и природно-техногенных экосистем, разработки критериев районирования территории, паспортизации и кадастра.
%
Территория Верхнего Приобья расположена на самой заселенной части юго-востока Западной Сибири, где сконцентрировано более 58 % ее населения. Здесь сосредоточены важные промышленные объекты, побочные продукты производства которых сильно загрязняют атмосферу, гидросферу и литосферу, приводят к гибели биоценозов и наносят сильный вред здоровью человека. С другой стороны экстенсивное землепользование способствует разрушению плодородного почвенного слоя, усилению эрозии и оврагообразования.
Поверхностные четвертичные отложения в этом регионе представлены преимущественно лессом и лессовидными накоплениями, образующие мощные покровы на равнинных плато, плоскогривных междуречьях и занимают обширные площади прилегающих к ним равнин. Они являются главным объектом эксплуатации в форме промышленного развития региона и интенсивной сельскохозяйственной деятельности человека. На них стоят такие крупные города как Новосибирск, Барнаул и др. По ним пролегают большинство дорог, и воздвигнуты многие другие элементы инфраструктуры-Лессовые карьеры - основной источник сырья для многочисленных кирпичных заводов. Лесс и подобные породы составляют наиболее благоприятный почвообра-зующий субстрат, от которого зависят плодородие полей и продуктивность лугов и пастбищ. Некоторые виды лесса успешно применяются в качестве биостимулирую-щих минеральных добавок в рационе сельскохозяйственных животных для повышения экономической эффективности их разведения. По лессовым отложениям проложили свои русла все реки этого региона, они же служат ложем большинства степных озер. Такая огромная природоформирующая роль сочетается с очень сильной неустойчивостью лессовых пород к внешним воздействиям, обусловленной генетическими структурными особенностями. Они обладают наибольшей пористостью и проса-дочностью.
»
Из вышеизложенного ясно, что четвертичные покровные отложения Верхнего Приобья являются главным абиотическим функциональным компонентом биосферы этого региона, вещественной основой природных экосистем и носителем инженерно-геологических и других свойств, в детальном изучении которых заключается решение рассматриваемых научных и практических геоэкологических проблем.
Установление закономерностей формирования экологических функций четвертичных покровных отложений, формы их проявления и влияния на окружающую ере-
%
ду, образования природных и природно-техногенных экосистем является основными задачами проведенных исследований. Подобные научные работы со всесторонним геоэкологическим анализом проводятся для рассматриваемого региона впервые.
Рассматриваемая в диссертации территория Верхнего Приобья охватывает бассейн Верхней Оби от точки слияния рек Бии и Катуни до г. Колывани. В административном отношении эта территория входит в состав юго-востока Новосибирской области и степной части Алтайского края.
#
%
^ ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ
Как научное направление, имеющее теоретическую основу, определенный объект и собственные методы исследований, геоэкология является очень молодой отраслью знаний, быстрое и разносторонне развитие которой началось только в конце прошлого столетия и связано с нарастающим ухудшением экологического состояния окружающей среды под воздействием антропогенных факторов. В настоящее время геоэкологические проблемы приобретают глобальный характер и нарастает по мере усиления и расширения техногенеза и его влияния на окружающую среду через добычу полезных ископаемых, интенсификацию сельскохозяйственного производства, урбанизацию и возведение различных зданий и сооружений, а также через освоение новых территорий.
Это естественно-научное направление исследований возникло не на пустом
месте. Особое место в заложении теоретических основ геоэкологических исследова
ний в науках о Земле принадлежит выдающемуся ученому прошлого столетия, акаде
мику В. И. Вернадскому, создавшему учение о биосфере- земной оболочке сущест
вования жизни, взаимодействия живого и костного вещества [39]. Он подчеркнул
важность изучения процессов взаимосвязи живого вещества с атмосферой, гидросфе
рой и литосферой, без знания которых невозможно понять жизнь биосферы, ее зако
ны и эволюцию. В.И.Вернадский предсказал возрастающее воздействие человека на
природу через химические преобразования состава природных вод, использование
ресурсов земной коры, изменения рельефа. В своей работе о химическом строении
Jb, биосферы он обратил особое внимание на роль в ней костного вещества. Он пишет:
«... химический состав биосферы не является одинаковым во всем лике Земли, но резко меняется как функция литологического состава и климатических зон в разных местах биосферы в связи с литологией верхней части планеты» [40, стр. 65]. По его мнению?с научно-техническим прогрессом произойдет перестройка биосферы в ноосферу, высшую стадию развития биосферы, которая связана с возникновением и становлением в ней цивилизованного человечества, когда разумная человеческая деятельность становится определяющим фактором развития на Земле. Характер и масштаб влияния этой деятельности на природу будет зависеть от степени научного познания и научного мировозрения общества.
%
Учение о биосфере и огромная природоформирующая роль человека стала главенствующим положением в естествознании, в геоэкологии и родственных им научных дисциплинах. В настоящее время именно геоэкологические науки продолжают учение о биосфере и ноосфере, приняв главные принципы учения В. И. Вернадского за основу.
Некоторые вопросы формирования и развития живых сообществ и растительных организмов во взаимосвязи с их средой обитания - уже составляли объект интересов палеонтологии, палеоботаники, исторической геологии и собственно экологии, которые применялись при восстановлении последовательности геологических событий, характера их эволюции во времени и распространения в пространстве. Актуальность проблемы подчеркивалась также появлением таких специальных публикаций, как монографии Э.А. Новикова «Человек и литосфера» [109] и Ф.В.Котлова «Изменение геологической среды под влиянием деятельности человека» [79] и другие работы, посвященные в основном охране окружающей среды [53, 74, 75, 124, 134, 136, 150, 152].
С другой стороны, вопросы, рассматриваемые геоэкологией, всегда входили в общую проблему инженерной геологии. Эти науки имеют один объект и аналогичные методы исследований [149, 163, 164]. Еще в сороковых годах прошлого столетия академик Ф. П. Саваренский, формулируя общие задачи инженерной геологии отмечал, что перед инженерной геологией стоит задача устранить разрыв между геологией и механикой грунтов и использовать методику исследований физико-механических свойств грунтов для объяснения некоторых геологических явлений. Он предлагал рассматривать инженерную геологию как специальную отрасль геологических наук применительно к требованиям строительства. Этой же точки зрения придерживались В. А. Приклонсикй, И. В. Попов и др. Такая специализация в настоящее время входит в компетенцию экологической геологии [162, 165, 195] и архитектурно-строительной геоэкологии [117]. В подтверждение вышеизложенному особенно выразителен перечень докладов, сделанных в Москве на секции «Инженерной геологии» 27-го Международного геологического конгресса в 1984 г.:
М.Арну (Франция). Теоретические основы взаимодействия человека и геологической среды.
%
Е.М.Сергеев (СССР). Теоретические основы и проблемы инженерной геологии. В этом докладе автор указал, что современная инженерная геология, начиная с 1979 г., превращается в науку о геологической среде.
В.С.Ковальский (Польша). История изменений инженерно-геологических условий под влиянием деятельности человека.
В.ДЛомтадзе, Д.В.Чхеидзе (СССР). Инженерно-геологические основы рационального использования геологической среды и ее охраны при разработке месторождений полезных ископаемых.
Р.Оливейра (Португалия). Изменения геологической среды при гидротехническом строительстве.
Все доклады этой секции в той или иной степени касались разных сторон геоэкологии. Именно здесь была принята Декларация, призывающая ученых и специалистов, которые работают в инженерной геологии, взять на себя ответственность за охрану и рациональное использование геологической среды. Под геологической средой подразумевалось та часть литосферы, в которой осуществляется инженерно-хозяйственная деятельность человека и возникают антропогенные геологические процессы.
Создание теоретических и методологических основ для решения задач по этой новой проблеме выразилось в экологизации многих естественных и других наук и зарождении геоэкологического направления исследований. Поскольку дальнейшее развитие геоэкологии невозможно без подготовленных специалистов, почти во всех университетах страны открылись кафедры геоэкологии, в большинстве случаев совмещенные с существовавшими кафедрами инженерной геологии, геохимии, гидрогеологии и др. Этот процесс коснулся и научно-исследовательских институтов. В середине 90-х годов в Сибирском научно-исследовательском институте геологии, геофизики и минерального сырья (СНИИГГИМС, Новосибирск) создан отдел геоэкологии, преобразованный затем в отдел экогеологии, который занимался геоэкологическими проблемами Сибири. В этом подразделении института диссертант занимался исследованием биологических свойств различных пород, особенно из поверхностных отложений, поисками природных сорбентов и ионообменников и новых видов минерального сырья природоохранного и сельскохозяйственного назначения [11-14, 24, 27, 34, 63, 113,119].
В современном понимании геоэкология является междисциплинарной наукой о Земле, изучающей экосистемы высоких иерархических уровней - до биосферы включительно [125, 126, 4]. Изначально корневое слово «экология», впервые употребленное в 1866 г. Э.Геккелем, относилось больше к биологии, которая изучала взаимоотношения животных, растении и микроорганизмов между собой и средой их обитания. Более широкое толкование этот термин получил в последние десятилетия 20 века, когда экология распалась на ряд научных отраслей и дисциплин, занимающихся анализом изменения геосфер под влиянием природных и техногенных факторов, рациональным использованием и охраной природных ресурсов, а также предотвращением и снижением потерь для окружающей среды от природных и техногенных катастроф и обеспечением безопасности людей.
В 1979 г. по предложению академиков А.В.Сидоренко и Е.М.Сергеева был создан Институт литосферы Академии наук СССР, научной ориентацией которого стало изучение взаимоотношений между литосферой, гидросферой, атмосферой и биосферой и эволюции этих взаимоотношений на протяжении геологической истории Земли. Исследования, проведенные этим институтом в последующие годы под руководством Е.М.Сергеева и В.И.Осипова, были тесно связаны со становлением нового направления геологической науки- геологии окружающей среды. По определению Е.М.Сергеева "...под геологической средой следует понимать любые горные породы и почвы, слагающие верхнюю часть литосферы, которые рассматривается как многокомпонентные системы, находящиеся под воздействием инженерно-хозяйственной деятельности человека, что приводит к изменению природных геологических процессов, преобразующих инженерно-геологические условия определенных территорий» [149]. На Международных геологических конгрессах 1980 г. в Париже и 1984 в Москве Е.М.Сергеев призвал мировое научное сообщество к расширению дальнейших исследований геологической среды, сформулировал фундаментальные задачи в этом направлении, требующие своего решения, а также поставил задачи рационального освоения новых территорий. Институтом выполнен большой объем научных исследований, нацеленных на разработку методов оценки и прогнозирования техногенных изменений геологической среды, в зонах, различающихся по характеру природных условий и особенностям техногенеза.
v^1 Новым этапом в становлении геоэкологии является открытие в 1991 г. по ини-
циативе Е.М.Сергеева и В.И.Осипова Инженерно-геологического и геоэкологического центра, основным направлением исследований которого стала разработка научных основ рационального использования территорий городских и промышленных агломераций, геологической концепции размещения на территории страны промышленных объектов повышенной экологической опасности, безопасность населения и народнохозяйственных объектов с учетом риска возникновения природных и техногенных катастроф, глобального изменения климата и природной среды. Научные результаты ИЩ РАН легли в основу расширяющихся геоэкологических исследований и конкретизация самой науки - геоэкологии.
В связи с обострением природоохранных проблем к числу важнейших задач геоэкологии отнесены анализ изменения геосфер под влиянием природных и техногенных факторов, рациональное использование водных, земельных, минеральных и энергетических ресурсов Земли и снижение ущерба окружающей среде и обеспечение безопасности людей.
В 1993 г. и 1997 г. в журнале «Геоэкология» академиком В.И.Осиповым опубликованы статьи, в которых впервые рассмотрены принципиальные основы современной геоэкологии- сформулирована концепция этой новой науки, определены объект и предмет ее изучения, а также намечены задачи и приоритетные направления дальнейших научных исследований [125,126].
Пионерский вклад внесли в становление геоэкологии ученые Московского го-
ij,, сударственного университета во главе с профессором В.Т.Трофимовым, обосновав-
шие создание ее новой дисциплины- экологической геологии. В многочисленных публикациях, начиная с 1994 г. В.Т.Трофимов, Д.Г.Зилинг определили назначение и место экологической геологии в системе геологических наук, установили ее структуру, сформулировали содержание. Под словосочетанием «экологическая геология» ими предложено понимать "... новое направление в геологии, изучающее приповерхностную часть литосферы как одну из основных компонент экосистем высокого уровня организации от биогеоценоза и выше" [165]. В другой редакции этих же авторов: экологическая геология - это новое направление геологических наук, изучающее экологические функции литосферы, закономерности их формирования и временно-пространственного изменения экологического качества [195]. Под экологическими
%
функциями авторами предложено воспринимать биологическую роль и значение литосферы для живой природы и в первую очередь для жизни человека. Все многообразие взаимоотношений между литосферой и биотой сведены к трем комплексным' функциям: ресурсной, геодинамической и геофизико-геохимической. По мнению диссертанта последнюю функцию следовало бы разделить так, как сами авторы приводят в своей схеме положения экологическорй геологии и ее разделов в системе геологических наук на дв отдельных подразделения - геохимическую и геофизическую - из-за совершенно разных форм проявлений и методов их исследований.
В 1997 г. в Санкт-Петербургском государственном университете состоялась Международная научная конференция «Экологическая геология и рациональное недропользование. Становление научного направления и образования», на которой впервые на таком уровне обсуждалось создание нового научного направления и которая стала учредительной для этой науки. По программе конференции рассматривались четыре темы:
Экологическая геология и ее место в системе наук о Земле. Содержание, структура, задачи и методы исследований.
Экологические проблемы недропользования. Принципы рационального использования природных ресурсов.
Экологическая опасность антропогенного влияния и риск воздействия геологических процессов.
Проблемы становления образовательной специальности «Экологическая геология» в высшей школе: организация учебного процесса, опыт преподавания.
В своем решении участники конференции подчеркнули важность и актуальность проблем, рассматриваемых экологической геологией, и наметили задачи дальнейших организационных действий, научных исследований и в первую очередь создание работ по фундаментальным основам этого нового направления в системе геологических наук и его разделам. Одним из ответов на это решение- опубликование В.Т.Трофимовым, Д.Г.Зилингом, Т.А.Барабошкиной и др. капитального труда «Экологические функции литосферы», в котором рассмотрены все основополагающие вопросы этой новой науки и пути ее дальнейшего развития [195]. Тем самым эта книга стала первой теоретико-методологической основой исследований в экологической геологии.
ч
Большое развитие экологические исследования получили в Сибири, где интенсивная разработка месторождений полезных ископаемых в пределах Кузнецкого угольного бассейна, Канско-Ачинского промышленного комплекса, нефтепромыслов Западной Сибири и других регионов, возрастающая урбанизация ее территорий привели к существенным изменениям ландшафта, климата, загрязнению водной и воздушной среды, а также смене их динамического режима, преобразованию напряженно-деформационного состояния породных массивов и связанных с ними грунтов, к развитию опасных техногенно-природных процессов, которые грозят возникновением чрезвычайных и катастрофических ситуаций, вредных для природной среды, целостности зданий, сооружений и жизни людей.
, Одним из центров по решению этих проблем стал г. Томск со своими извест-
ными университетами. Возглавил эти работы при Томском архитектурно-строительном университете (ТГАСУ) профессор В.Е.Ольховатенко, защитивший в 1981 г. докторскую диссертацию «Закономерности формирования инженерно-геологических условий крупных угленосных провинций и устойчивость бортов глубоких карьеров», посвященную проблеме образования инженерно-геологической устойчивости горных пород на территориях угленосных бассейнов [114-115]. Были впервые установлены закономерности возникновения и пространственного изменения физико-механических свойств горных пород при разных условиях и стадиях литогенеза, природа их прочности, особенности развития в них инженерно-геологических процессов. Разработан метод прогнозной оценки условий строительства и устойчиво-
j_, сти бортов глубоких карьеров. В последующие годы подобными исследованиями бы-
ли охвачена вся территория Сибири [192,194]. Результаты этих работ стали теоретической основой региональной геоэкологии.
В последние десятилетия 20 века преобладали научные публикации по проблеме охраны окружающей среды применительно к инженерной геологии, гидрогеологии, геохимии и др. Итоги этих исследований в были оглашены на Международной конференции «Геоэкологические проблемы урбанизированных территорий», состоявшей з 1999 г. в г. Томске и организованной ТГАСУ [52].
В выступлениях участников конференции показано состояние геоэкологической науки в настоящее время. Констатировано, что геоэкология выделилась как одна из ведущих научных дисциплин. В докладе В.Е.Ольховатенко дан анализ современ-
Ф>у ного толкования терминов и понятий, используемых в геоэкологии [117]. Им сделан
вывод, что по своему содержанию инженерная геология и экологическая геология близки по объекту и методам исследований, но различаются по направлениям в системе геологических наук. Рассмотрены методы решения проблем урбанизированных территорий на примере г. Томска, связанных с активным развитием опасных природных и техногенных процессов, которые представляют угрозу разрушений зданий и сооружений, а также жизни людей. Охарактеризованы основные геологические и гидрогеологические факторы, создающие благоприятные условия для развития оползневых явлений, и техногенные факторы, ослабляющие устойчивость склонов из-за строительства объектов вблизи бровки склона, утечки из водонесущих коммуникаций, отсутствия поверхностного стока, влияния интенсивного движения транспорта. По результатам проведенных исследований разработан комплекс противооползневых мероприятий и намечены необходимые меры по инженерной защите территории и устранения недоделок по неисполненному проекту.
Главным в докладе В.Е.Ольховатенко стоял вопрос о создании новой специализированной дисциплины в геоэкологии- архитектурно-строительной геоэкологии, объектом исследований которой являются природно-технические системы, зависимые от состояния природной среды со своим основным функциональным компонентом -геологической средой. Предмет этой новой отрасли геоэкологии является познание структуры (архитектурные и конструктивные особенности) природно-технических систем, взаимосвязь геологической среды с сооружениями, а также изменение при-
І-, родно-технических систем под воздействием природных и техногенных факторов. В
компетенцию архитектурно-строительной геоэкологии вошли решение таких практических задач:
1. Проведение комплексных геоэкологических исследований урбанизирован
ных территорий и разработка мероприятий по их инженерной защите.
Оценка рисков в строительстве.
Оценка состояния и устойчивости инженерно-технических систем.
Разработка геоэкологических моделей урбанизированных территорий.
Проектирование и строительство объектов инженерной защиты.
Эксплуатация систем и объектов инженерной защиты.
Организация мониторинга природно-технических систем.
В.Е.Ольховатенко и ГХ.Щербак с соавторами огласили результаты комплексных исследований развития природно-технических систем под влиянием опасных геологических процессов таких, как образование оползней, оврагов, провалов, подтоплений и т.п. [116]. Обсуждалась роль физико-географических факторов- атмосферные осадки, климат, промерзание и др. в развитии процессов деградации геологической среды.
Г.М.Роговым и В.Е.Ольховатенко для решения геоэкологических проблем Кузнецкого угольного бассейна разработаны теоретические основы и методы изучения сложных многокомпонентных гидрогеологических систем, научные критерии мониторинга с целью гидрогеологического прогнозирования изменений качества и ресурсов подземных вод под влиянием естественных и техногенных процессов [142]. Авторами рассмотрены вопросы охраны водных ресурсов, оптимизации водопользования, оценки экологической емкости территории и определены безопасные пределы техногенного воздействия на окружающую среду. Не остались без внимания проблемы воздействия горно-добывающей промышленности на изменение ландшафта, трансформацию напряженно-деформационного состояния грунтовых массивов, на создание эколого-экономических ресурсосберегающих технологий.
Г.М.Рогов опубликовал в 2000 г. монографию под названием «Гидрогеология и геоэкология Кузбасса», в которой рассмотрел гидрогеологические и экологические условия, особенности формирования водных ресурсов и различных типов подземных вод, катагенетические преобразования осадочных пород и их роль в образовании геохимического облика подземных вод [143]. Изложенные в монографии научные сведения имеют важное значение для решения геоэкологических проблем, связанных с гидрогеологией. Они составляют теоретическую гидрогеологическую основу геоэкологических исследований.
Кафедра геохимии и геоэкологии Томского политехнического университета сообразно своему профилю специализировалась по экологической геохимии. Исследования ЛЛ.Рихванова и его коллег посвящены геохимическому состоянию окружающей среды, влиянию радиоактивных элементов на здоровье населения, проблеме обращения с радиоактивными отходами и организации радиационного контроля. Результаты исследований по проблемам радиационной безопасности и радиоэкологии изложены в книге ЛЛ.Рихванова и М.М.Рихвановой «Введение в радиоэкологию»
[140] и в фундаментальном труде ЛЛ.Рихванова «Общие и региональные проблемы радиоэкологии» [139]. Опубликованная в 2000 г. монография С.И.Арбузова, В.В.Ершова, А.А.Поцелуева, Л.П.Рихванова «Редкие элементы в углях Кузбасса» имеет опосредованное значение к геоэкологии как техногенный фактор вредного воздействия на окружающую среду через продукты сгорания угля, насыщенные разными элементами [137]. Из анализа состояния проблемы геоэкологии видно, что эта сравнительно молодая наука находится на стадии ускоренного развития и поисков новых направлений исследований с целью выявления всех факторов естественных и техногенных воздействий на биосферу и, в частности, на человеческое общество. В решении проблем геоэкологии большие успехи отмечаются именно в охране окружающей среды, в разработке мер инженерно-геологической защиты различных зданий и сооружений, прогнозирования устойчивости грунтовых массивов, по рациональному использованию водных ресурсов и много других востребованных практикой задач.
Между тем теоретическим основам и общим вопросам геоэкологии, без решения которых дальнейшее развитие прикладной геоэкологии невозможно, уделено недостаточно внимания из-за молодости этой науки. Одной из попыток геоэкологического системного анализа в Сибири была сделана в СНИИГГиМСе В.И.Бгатовым и Н.АЛизалеком в 1992 г. В своей работе «Опыт изучения азональных эколого-геологических систем (на примере платформенных областей Сибири)» они провели изучение распределения растительных комплексов, состоящих из древесных растений разных видов, в зависимости от геологической среды [118, 132]. В этой работе авторы установили важные закономерности формирования природных экосистем и роль в этой взаимосвязи геологической среды.
Проблемы экологической геологии рассматривались в основном применительно к инженерной геологии или косвенно с решением других смежных вопросов, и научные работы в этом направлении находятся на начальной стадии. Для решения региональных проблем экологической геологии объектом исследований выбраны четвертичные покровные отложения Верхнего Приобья, познание которых имеют важное научное и прикладное значения, так как именно эти отложения слагают здесь поверхностный слой литосферы, являются главным абиотическим компонентом биосферы и основным носителем экологических функций. Как уже было сказано, они представлены лессом и лессовидными накоплениями, характеризующимися малой
устойчивостью к внешним природным и техногенным воздействиям. Особенно в этом отношении выделяется типичный лесс, обладающий повышенной по сравнению с другими рыхлыми породами пористостью и просадочностью, которые влияют на формирование деформационных и других свойств, определяющих проявление им экологических функций. Поэтому исследованию лесса и подобных ему пород, их физико-механических, минералогических, геохимических и других особенностей уделено особое внимание.
Интерес к геологии лессовых отложений возник еще в начале XIX века в Центральной Европе. Одним из первых исследователей лесса в России был академик В.А. Обручев, создавший основу лессоведения [ПО, 111]..
До определенного периода увлечение лессом не выходило за рамки их качественного анализа, который способствовал расширению знаний об его происхождении и возможности использования. Знание закономерностей образования лессовых отложений становится необходимым при освоении новых территорий для рационального их применения. В условиях интенсивного промышленного и сельскохозяйственного развития такие знания приобретают все более прикладной характер. Они оказываются востребованными для специалистов самых различных профилей - геологии, геоэкологии, инженерной геологии и др.
Первые общие ознакомительные сведения по изучению лессовых и лессовидных отложений Верхнего Приобья появились в начале прошлого века, но планомерные их исследования были начаты с середины того же столетия, что отражено в работах Р.СИльина [69, 70], П.А.Православлева [131], ИЛ.Герасимова [54], Б.ФЛетрова [128], А.И.Москвитина [99, 100], М.ПЛагорского [101, 102], В.ВДдовина [38], АЛ.Матвеевской [92], А.М.Малолетко [86-88] и многих других. В этих трудах большое значение придавали роли оледенения в формировании этих отложений. Поэтому в этот период существовали два главных направления - А.И.Москвитин, И.А. Волков и другие относили лессовые толщи юга Западной Сибири к эоловым накоплениям, а П.А.Православлев, И.П.Герасимов, Р.СИльин, Ф.А.Никитенко, А.В.Минервин и другие считали лесс полигенетическими осадками, в формировании которых принимали участие процессы почвообразования и выветривания.
Особый вклад внесли в изучение геологии четвертичных отложений Верхнего Приобья и сопредельных территорий В.А.Мартынов |#5], С.М.Адаменко [2, 3] И.А.Волков [43-45], С.А.Архипов [10], В.С.Зыкина и др. [68].
Были сделаны большие обобщающие работы по стратиграфии, палеогеографии и тектонике в виде монографий С.А.Архипова «Четвертичный период в Западной Сибири», О.М.Адаменко «Мезозой и кайнозой Степного Алтая», «Предалтайская впадина и проблемы формирования предгорных опусканий», И.А. Волкова «Позднечет-вертичная субаэральная формация» И.А.Волкова и др. «Покровные лессовидные отложения и палеогеография», В.С.Зыкиной и др. «Верхнечетвертичные отложения и ископаемые почвы Новосибирского Приобья». Следует отметить, что именно в работах И.А.Волкова с соавторами наиболее глубоко и детально были рассмотрены основные проблемы литологии - вопросы происхождения лесса и лессовидных отложений и обстановок их формирования, результаты которых легли в обоснование выделения позднечетвертичной субаэральной формации и доказательства эолового происхождения лесса юга Западной Сибири.
Примерно в это же время развернулись исследования по вопросам инженерной геологии, которые способствовали выяснению многих особенностей строения плейстоценовых и голоценовых отложений, а также физико-механических свойств слагающих их пород. Результаты этих работ изложены в публикациях А.В.Минервина [94-97], Ф.А.Никитенко [103-107], Е.Ф.Тофанюка [157-159], Я.Е.Шаевича [178-180], В.САрефьева [7-9], Г.А.Сулакшиной [155,156], В.С.Храпова [170-173], СИЛерноусова [49,176,177], Г.И.Швецова [184-189] и многих других.
В работах А.В.Минервина и Ф.А.Никитенко приводится материал по изучению минерального состава и физико-механических свойств лессовых и лессовидных пород. А.В.Минервин полагал, что лессовые породы являются продуктами выветривания пород разного возраста и генезиса, а Ф.А.Никитенко считал специфические признаки лессовых пород следствием гипергенных и диагенетических изменений высокодисперсного мелкозема. В книге СИЛерноусова, В.САрефьева, В.С.Осьмушкина и др. «Географические и инженерно-геологические условия Степного Алтая» [49] сделана сводка по инжененрой геологии Алтайского края на основании комплексного анализа тектонического, геологического и геоморфологического строений. Она сделана на большом фактическом материале и располагает сведениями, позволяющими
использовать их при решении вопросов рационального размещения объектов промышленности и сельского хозяйства, при проектировании и составлении программ инженерно-геологических и геоэкологических изысканий.
Рассматриваемому вопросу посвящена монография Г.И.Швецова [188], в которой изложены результаты комплексного изучения и оценки структурно-текстурных особенностей лессовых грунтов и закономерности их деформирования под влиянием внешних воздействий.
Из вышеизложенного выясняется, что большинство работ посвящалось общегеологическим проблемам - условиям накопления лессовых и лессовидных отложений, стратиграфии, в меньшей степени тектонике и геоморфологии, а вопросы литологии рассматривались большей частью попутно при решении других задач и часто на локальном уровне. При этом большинство минералогических исследований по степ^ниточности, детальности и полноте характеристики уже не отвечают современным требованиям научного анализа и не могут быть использованными в полной мере для установления закономерностей литогенеза.
Решение актуальных проблем геоэкологии и инженерной геологии- установление закономерностей формирования разных свойств лесса и лессовидных пород под воздействием природных факторов- невозможно без описания их детальной ли-толого-минералогической и физико-механической особенностей, которые являются главными критериями, определяющими их экологические функции. По свидетельству Г.И.Швецова и Е.И.Вяткиной до настоящего времени на долю лессовых грунтов все еще падает значительное количество проявлений деформаций оснований зданий и сооружений, приносящих большие экономические убытки [189], что говорит о том, что проблема лесса далеко не решена. До сих пор нет единого мнения даже по таким основным вопросам, кшутр^шсхождение лессаji природа его повышенной просадочно-сти. Существует много мнений о механизме образования просадочности, которые в большинстве своем находят реальное подтверждение в природных процессах. Однако чаще всего они связаны со вторичными явлениями.
Различные аспекты взаимосвязи вещественного состава лесса и лессовидных пород и их физико-механических свойств уже освещались в работах Е.М. Сергеева [148, 151], А.К. Ларионова [83], В.И. Осипова [123], Н.И. Кригера [80, 81], А.В. Ми-нервина [94, 97], Г.И. Швецова [185], В.Т. Трофимова [160,161, 167, 168], Т.Г. Рящен-
ко [145, 146], Б.Ф. Галая [48], В.П. Ананьева и В.И. Коробкина [5] и многих других ученых на примерах разных регионов Советского Союза и России. В работе Н.И. Кригера «Состояние вопроса об оценке просадочных свойств лессовых грунтов» приведены результаты специальных разработок по методам установления степени проса-дочности, данные о наиболее благоприятных условиях для уплотнения грунта, признаки просадочных свойств, данные исследований связи между просадочностью грунтов и их пористостью.
Наиболее полно всесторонний анализ просадочности лессовых пород отражен в работах В.Т. Трофимова, в которых рассматриваются теоретические основы исследований этого явления, происхождение и закономерности ее проявления. В его монографии «Генезис просадочности лессовых пород" [166] обсуждаются вопросы классификации лессовых грунтов по степени их просадочности, и предлагается схема, которая состоит из шести разновидностей просадочных грунтов. Он выделяет лессовые породы по инженерно-геологическим показателям и относит к ним континентальные пылевато-глинистые образования различного генезиса, содержащие больше 50 % пы-леватых частиц 0,05-0,005 мм и проявляющие при замачивании просадочные свойства (относительная просадочность больше или равна 0,01) при природных давлениях и дополнительных нагрузках.
Большой вклад в развитие генетического принципа исследований при оценке инженерно-геологических особенностей рыхлых пород внесен Т.Г.Рященко на примере четвертичных отложений Восточной Сибири и Монголии, которая одной из первых в полной мере применила литологические методы, положив за основу изучение процессов литогенеза - литолого-формационный анализ.
Из литературы известно о существовании различных точек зрения на происхождение просадочных свойств лессовых грунтов. Наибольшее количество исследователей придерживаются суждения о возникновении просадочности под влиянием гипергенных процессов и явления криогенеза. Несмотря на многочисленность научных трудов no^np^^eMejiecca остается еще^ног^іерешеннж^опросов. Но тем не менее важность проблемы лесса становится еще более значимой на фоне расширения геоэкологических исследований для обеспечения решения существующих задач и растущего масштаба хозяйственного освоения рассматриваемой территории.
Исходя из состояния рассматриваемой проблемы, в этой работе автор на основе собственных литологических исследований применительно к решению экологических вопросов с использованием современных методов научного и лабораторного анализов, а также имеющихся опубликованных работ по проблемам геоэкологии, литологии лесса и лессовидных отложений установит* закономерности формирования четвертичных покровных отложений и факторы, определяющие экологические функции, особенности их проявлений в разных природных экосистемах.
^ Глава 2. ГЕОЛОГИЯ ЧЕТВЕРТИЧНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ВЕРХНЕГО ПРИОБЬЯ
(Краткий обзор)
Верхнее Приобье находится на юго-востоке Западно-Сибирской равнины и является одним из основных массивов распространения лессовых отложений. Составляющие его Приобская возвышенная равнина, Предсалаирская и Предалтайская предгорные равнины, восточные части Кулундинской и Барабинской равнин покрыты чехлом четвертичных отложений, формирование которых происходило во внеледни-ковой зоне. Эти покровные субаэральные образования расчленяются на ранне-среднечетвертичную краснодубровскую свиту, переходящую к Барабинской равнине в свой возрастной аналог- федосовскую свиту, перекрытую позднечетвертичными и современными осадками [2, 51]. За стратиграфическую основу расчленения четвер-тичных отложений в книге принята схема, постоянно используемая в настоящее время в научных работах и публикациях по инженерной геологии этого региона (рис. 2.1).
Краснодубровская свита представляет собой сложную по составу субаэральную
толщу, слагающую обширные по площади предгорные (предалтайский и предсалаир-
ский) шлейфы, образованные перемежающимися пачками суглинков, супесей, реже
песков, и горизонты погребенных почв. Свита слагается отложениями самого различ
ного генезиса - эоловыми, делювиальными, пролювиальными, аллювиальными, озер
ными и местами элювиальными. Она имеет циклическое строение, которое образова
но четырьмя циклотемами. Покровные отложения свиты подверглись глубокому эро-
1 ... знойному расчленению и денудации, поэтому типичный лесс наиболее сохранился -
только на плоских возвышенных водоразделах. С другими геоморфологическими элементами большей частью связаны лессовидные образования, сложенные переотложенным эоловым материалом в смеси с другими осадками, встречающимися на путях транспортировки. Мощность свиты из-за глубокой эрозии колеблется в весьма широких пределах, достигая максимума в 100-110 м на плоских водоразделах Приобского плато. Принятый стратиграфический объем краснодубровской свиты - нижний-средний плейстоцен.
*
—200
rt У л У н & V н См а я в п о дин а Алтай и
_ > ВивгЧумышсгюе Солаир
»рибс«е плтто плато и свосрмые г
Дреамяя лоогсбина 'Долина рем Оби, предеорья Алтая
Нулундинская аллн>- стогш-^ ВиииПатуни
І - палеозойский фундамент; 2 - разрывные нарушения; 3 - песчано-гравийные аллювиальный отложения; 4 - алевритовые и глинистые отложения озерно-аллювиальных равнин; 5 - глинистые отложения морских прибрежных равнин; 6 - субаэральные лессовые и лессовидные суглинки, реже супеси.
Рисунок 2.1 - Широтный геологический разрез мезозойско-кайнозойских отложений Верхнего Приобья (по О.М. Адаменко [1])
Федосовская свита - это иловато-суглинистая толща с прослоями супесей, иногда с горизонтами погребенных почв. Мощность федосовской свиты варьирует от 60-70 до 20-30 м. Свита перекрыта верхнечетвертичными покровными образованиями [51].
Нерасчлененные отложения среднего-верхнего плейстоцена залегают в древних ложбинах стока, в погребенных озерных котловинах и на пониженных участках равнины. Они выделяются в пределах Кулундинского Приобья в касмалинскую и кара-сукскую свиты.
Касмалинская свита сложена песчаным и супесчаным аллювием ложбин древнего стока. В пределах Новосибирского Приобья в составе аллювия присутствуют лессовидные суглинки. Русловые отложения врезаются в подстилающую краснодуб-ровскую и иногда даже в нижележащую кочковскую свиту. Мощность касмалинской свиты 20-30 м.
Карасукская свита слагается отложениями речных и озерных разливов на выходах из ложбин стока и в виде озерно-аллювиальных отложений занимает обширные площади низменных равнин. Это - суглинки, супеси и пески, достигающие мощности 40-50 м.
Верхнечетвертичные отложения в долине р. Обь и ее крупных притоков состоят преимущественно из аллювиальных накоплений надпойменных террас, мощность которых колеблется от 10 до 40 м. Террасы обычно имеют двучленное строение: внизу более грубые пески и супеси русловых фаций, вверху- суглинки и глины пойменных фаций. Выделяются террасы у крупных озер, которые образованы суглинками,. часто илистыми, мощностью от нескольких до 10 м.
В южных районах, в частности, на территории Кулундинской низменной равнины, позднечетвертичные отложения, представленные преимущественно супесями и песками, формируют гривный рельеф. Здесь распространены также полигенетические суглинки, большей частью эолового происхождения, мощностью до 10 и более метров.
Современные отложения сложены генетически разнообразными осадками - аллювий пойменных террас, делювиальные, озерные, болотно-озерные и эоловые накопления. По ним формируются различные геоморфологические элементы ландшафта. Аллювиальные отложения р.Оби и ее притоков сложены песчаными русловыми и
глинистыми пойменными фациями. Озерные отложения распространены в степных районах Барабы и Кулунды, где на дне многочисленных водоемов разных размеров залегают илистые осадки, иногда с примесью песчаного материала, а на юге часто засоленные до садки солей. Делювиальные накопления отмечаются в предгорных районах Предсалаирской и Предалтайской равнин с сильно расчлененным рельефом. Эоловые отложения представлены суглинками и супесями, образующими маломощные (12 м) прослои среди озерно-аллювиальных и аллювиальных отложений, и песками, местами формирующими дюнный рельеф. Мощность песков до 10 м. Следует отметить, что в настоящее время имеется более детальная схема стратиграфического расчленения верхнечетвертичных отложений по горизонтам палеопочв [68].
В тектоническом плане территория Верхнего Приобья располагается в юго-восточной части Западно-Сибирской плиты. На карте новейшей тектоники она выделяется как Кулундинско-Барабинская крупная впадина, разделенная Прикаменским структурным мостом на Чановскую впадину (восточную часть более крупной Омской впадины) и Кулундинскую впадину более низкого порядка. Границей, разделяющей впадины, является позднегерцинский структурный выступ, относящийся к Колывань-Томской складчатой зоне. Для рассматриваемой территории характерна ступенчатость рельефа, коррелируемая аналогичным строением складчатого фундамента. Наиболее приподнятая ступень занимает почти всю левобережную часть Верхнего Приобья и известна под названием Приобского плато. Все структурные элементы разделены разломами (сбросами, надвигами или крупными флексурами). Эти линейные нарушения проявлялись активно в неоген-четвертичное время, свидетельством чего служит землетрясение в 1965 г. в районе г. Камень-на-Оби силой 6-7 баллов по шкале Рихтера со смещением блоков по линии разлома на 2 м [37].
По характеру современного рельефа, истории его развития и геологическому строению исследуемая территория (рис. 2.2) подразделяется на семь геоморфологических структурных элементов [2,49, 188].
1. Приобское плато расположено между долиной р.Оби и Кулундинской низменностью и представляет собой возвышенную плоскую равнину, расчлененную на пологовершинные увалы ложбинами древнего стока. Характеризуется наибольшей мощностью лессовых накоплений- до 50 м. Покровные отложения представлены
субаэральной краснодубровской свитой Q1-2 и верхнечетвертичными эоловыми отложениями Q3.
БАРАБИНСКАЯ/^7 РАВНИНА ^
ГОРНЫЙ АЛТАЙ
Рисунок 2.2 - Схематическая карта геоморфологического районирования территории Верхнего Приобья
2. Предсалаирская наклонная равнина (Предсалаирье или Заобье) занимает
правобережную часть Верхнего Приобья от Прикаменского выступа на север. Это глубоко рассеченная предгорная равнина, сложенная лессовыми и лессовидными отложениями краснодубровской свиты с фрагментарными выходами псевдолессовых пород над корами выветривания палеозойских пород. Покровные отложения имеют мощность более 10 м.
3. Обь-Чумышская озерно-аллювиальная равнина располагается на территории
правобережья Оби на юг от Прикаменского выступа. На востоке она примыкает к
Обь-Чумышскому плато. Поверхность равнины имеет слабый уклон к р. Оби и рас
членена многочисленными малыми реками, логами, ложбинами. Центральная часть
равнины характеризуется четко выраженным ложбинным рельефом с многочислен
ными бессточными западинами- "степными блюдцами". Покровные отложения
представлены преимущественно озерно-аллювиальными и аллювиальными образованиями монастырской и болынереченской свит среднего плейстоцена. Мощность отложений от 15 до 55 м.
Обь-Чумышское плато примыкает с юга к Салаирскому кряжу и вытянуто по простиранию в северо-западном направлении. Оно отличается полого-увалистым рельефом и широким развитием густой сети оврагов, долин с узкими водоразделами, имеющих форму вытянутых увалов и холмов. Дно долин плоское и часто заболоченное. С поверхности плато покрыто субаэральными отложениями верхней краснодуб-poвcкoЙJюдавитыгJIpeдcтaвлeннoй суглинками и супесями преимущественно эолового происхождения. Максимальная мощность этих отложений 20-30 м.
Предалтайская наклонная равнина занята покровными отложениями красно-дубровской свиты, представленными лессовыми и лессовидными суглинками. В суглинках часто встречаются конкреции карбонатов размерами от 1-2 до 4-5 см. В толще лессовидных отложений встречаются небольшие прослои и линзы супеси и песка. В генетическом отношении эти накопления состоят из делювиальных, пролювиаль-ных и эоловых образований. Мощность этих отложений достигает 8 ми уменьшается в юго-западном направлении.
Кулундинская низменная равнина располагается западнее Приобского плато, от которого отделяется четко выраженным в рельефе флексурным перегибом, осложненным сухими дельтами долин древнего стока. В центральной наиболее пониженной части впадины располагаются многочисленные озера, имеющие низкие террасы с отметками около 100 м. Территория низменности характеризуется плоским и слабоволнистым гривно-западинным рельефом с абсолютными отметками 130-160 ми сложным пятнистым распределением аллювиальных и озерно-аллювиальных отложений средне-верхнечетвертичных касмалинской и карасукской свит. Мощности свит изменяются в.широких пределах от 6-15 до 50 м.
Долина реки Оби врезана в подстилающие отложения до глубины 4-60 м при ширине 5-20 км. Она асимметрична - с крутым левым и пологим правым берегом - и имеет хорошо выраженную пойму. Русло Оби характеризуется многочисленными рукавами. Ложе реки песчаное, на плесах заиленное. Много песчано-галечниковых перекатов. В Обь впадает большое количество притоков. Пойма шириной от 8 до 20 км делится на высокую и низкую с превышением над уровнем воды р. Оби 1,0-1,5 м и
3,0-5,0 м. Пойма сильно изрезана старыми руслами, и местами наблюдается гривный рельеф. Много старичных озер и заболоченных участков. Долину Оби обрамляют четыре надпойменные террасы, сложенные самыми различными осадками от песков и супесей до суглинков и глин. Аллювиальные отложения третьей надпойменной террасы вложены в четвертую, а по левому берегу они залегают на отложениях красно-дубровской свиты. Мощность аллювия этой террасы 18-25 м.
#
*9
Геология четвертичных отложений верхнего Приобья
Верхнее Приобье находится на юго-востоке Западно-Сибирской равнины и является одним из основных массивов распространения лессовых отложений. Составляющие его Приобская возвышенная равнина, Предсалаирская и Предалтайская предгорные равнины, восточные части Кулундинской и Барабинской равнин покрыты чехлом четвертичных отложений, формирование которых происходило во внеледни-ковой зоне. Эти покровные субаэральные образования расчленяются на ранне-среднечетвертичную краснодубровскую свиту, переходящую к Барабинской равнине в свой возрастной аналог- федосовскую свиту, перекрытую позднечетвертичными и современными осадками [2, 51]. За стратиграфическую основу расчленения четвер-тичных отложений в книге принята схема, постоянно используемая в настоящее время в научных работах и публикациях по инженерной геологии этого региона (рис. 2.1).
Краснодубровская свита представляет собой сложную по составу субаэральную толщу, слагающую обширные по площади предгорные (предалтайский и предсалаир ский) шлейфы, образованные перемежающимися пачками суглинков, супесей, реже песков, и горизонты погребенных почв. Свита слагается отложениями самого различ ного генезиса - эоловыми, делювиальными, пролювиальными, аллювиальными, озер ными и местами элювиальными. Она имеет циклическое строение, которое образова но четырьмя циклотемами. Покровные отложения свиты подверглись глубокому эро 1 ... знойному расчленению и денудации, поэтому типичный лесс наиболее сохранился только на плоских возвышенных водоразделах. С другими геоморфологическими элементами большей частью связаны лессовидные образования, сложенные переотложенным эоловым материалом в смеси с другими осадками, встречающимися на путях транспортировки. Мощность свиты из-за глубокой эрозии колеблется в весьма широких пределах, достигая максимума в 100-110 м на плоских водоразделах палеозойский фундамент; 2 - разрывные нарушения; 3 - песчано-гравийные аллювиальный отложения; 4 - алевритовые и глинистые отложения озерно-аллювиальных равнин; 5 - глинистые отложения морских прибрежных равнин; 6 - субаэральные лессовые и лессовидные суглинки, реже супеси.
Рисунок 2.1 - Широтный геологический разрез мезозойско-кайнозойских отложений Верхнего Приобья (по О.М. Адаменко [1]) Федосовская свита - это иловато-суглинистая толща с прослоями супесей, иногда с горизонтами погребенных почв. Мощность федосовской свиты варьирует от 60-70 до 20-30 м. Свита перекрыта верхнечетвертичными покровными образованиями [51].
Нерасчлененные отложения среднего-верхнего плейстоцена залегают в древних ложбинах стока, в погребенных озерных котловинах и на пониженных участках равнины. Они выделяются в пределах Кулундинского Приобья в касмалинскую и кара-сукскую свиты.
Касмалинская свита сложена песчаным и супесчаным аллювием ложбин древнего стока. В пределах Новосибирского Приобья в составе аллювия присутствуют лессовидные суглинки. Русловые отложения врезаются в подстилающую краснодуб-ровскую и иногда даже в нижележащую кочковскую свиту. Мощность касмалинской свиты 20-30 м.
Карасукская свита слагается отложениями речных и озерных разливов на выходах из ложбин стока и в виде озерно-аллювиальных отложений занимает обширные площади низменных равнин. Это - суглинки, супеси и пески, достигающие мощности 40-50 м.
Верхнечетвертичные отложения в долине р. Обь и ее крупных притоков состоят преимущественно из аллювиальных накоплений надпойменных террас, мощность которых колеблется от 10 до 40 м. Террасы обычно имеют двучленное строение: внизу более грубые пески и супеси русловых фаций, вверху- суглинки и глины пойменных фаций. Выделяются террасы у крупных озер, которые образованы суглинками,. часто илистыми, мощностью от нескольких до 10 м.
В южных районах, в частности, на территории Кулундинской низменной равнины, позднечетвертичные отложения, представленные преимущественно супесями и песками, формируют гривный рельеф. Здесь распространены также полигенетические суглинки, большей частью эолового происхождения, мощностью до 10 и более метров.
Современные отложения сложены генетически разнообразными осадками - аллювий пойменных террас, делювиальные, озерные, болотно-озерные и эоловые накопления. По ним формируются различные геоморфологические элементы ландшафта. Аллювиальные отложения р.Оби и ее притоков сложены песчаными русловыми и глинистыми пойменными фациями. Озерные отложения распространены в степных районах Барабы и Кулунды, где на дне многочисленных водоемов разных размеров залегают илистые осадки, иногда с примесью песчаного материала, а на юге часто засоленные до садки солей. Делювиальные накопления отмечаются в предгорных районах Предсалаирской и Предалтайской равнин с сильно расчлененным рельефом. Эоловые отложения представлены суглинками и супесями, образующими маломощные (12 м) прослои среди озерно-аллювиальных и аллювиальных отложений, и песками, местами формирующими дюнный рельеф. Мощность песков до 10 м. Следует отметить, что в настоящее время имеется более детальная схема стратиграфического расчленения верхнечетвертичных отложений по горизонтам палеопочв [68].
В тектоническом плане территория Верхнего Приобья располагается в юго-восточной части Западно-Сибирской плиты. На карте новейшей тектоники она выделяется как Кулундинско-Барабинская крупная впадина, разделенная Прикаменским структурным мостом на Чановскую впадину (восточную часть более крупной Омской впадины) и Кулундинскую впадину более низкого порядка. Границей, разделяющей впадины, является позднегерцинский структурный выступ, относящийся к Колывань-Томской складчатой зоне. Для рассматриваемой территории характерна ступенчатость рельефа, коррелируемая аналогичным строением складчатого фундамента. Наиболее приподнятая ступень занимает почти всю левобережную часть Верхнего Приобья и известна под названием Приобского плато. Все структурные элементы разделены разломами (сбросами, надвигами или крупными флексурами). Эти линейные нарушения проявлялись активно в неоген-четвертичное время, свидетельством чего служит землетрясение в 1965 г. в районе г. Камень-на-Оби силой 6-7 баллов по шкале Рихтера со смещением блоков по линии разлома на 2 м [37].
Генетические типы четвертичных покровных отложений
Четвертичные отложения Верхнего Приобья представлены континентальными отложениями самого разного происхождения, изучение которых имеет важное значение для выявления их функциональных особенностей, так как именно условия формирования определяют минеральный состав, структуру и текстуру пород, которые, в свою очередь, контролируют физико-механические и другие свойства, а также характер последующих преобразований.
Еще в середине прошлого столетия известные ученые отечественной инженерной геологии М.М. Филатов, В.А. Приклонский, И.В. Попов, Е.М. Сергеев, А.К. Лавров и другие провозгласили генетический принцип исследований различных свойств горных пород. Это положение применительно и к геоэкологическим исследованиям -установлению закономерностей формирования экологических функций рассматриваемых отложений.
Анализ имеющихся на сегодняшний день материалов и публикаций по этому вопросу подтверждает вывод о том, что наиболее эффективным критерием для про гноза и определения экологических свойств пород является установление их происхождения и условий накопления, т..е. выявление их генетических типов. На территории Верхнего Приобья в составе четвертичных, субаэральных отложений выделяются пять основных литофациальных комплексов или генетических типов отложений - эоловый, делювиальный, пролювиальный, аллювиальный и озерный, каждый из которых приурочен к конкретной геоморфологической структуре, свидетельствуя об их тесной взаимосвязи. Эоловый генетический тип относится к континентальным осадочным накопле ниям, в формировании которого главную роль играет ветер, его скорость, плотность атмосферы и принесенная пыль. Этот тип отложений существовал на поверхности планеты со времени ее образования [121]. Породы, сложенные эоловым материалом, были названы первыми их исследователями лессом. Типичный лесс на территории Верхнего Приобья распространен преимущественно на возвышенных плато, плоских водоразделах и на прилегающих к ним пологих склонах, где отсутствует плоскостной снос, и слагающий его Материал не подвергался заметному перемещению, а также образует сравнительно мощные (15-50 м) плащеобразные покровы, часто расчлененные речными долинами и глубокими оврагами с крутыми бортами-уступами, почти всегда со столбчатой отдельностью. Значительная часть накоплений, отложенных ветром на склонах, речных террасах и других наклонных поверхностях, размывается и переотлагается водой или же перемещается под воздействием сил гравитации. Наибольшим массивом, образованным покровными лессовыми отложениями, является Приобское плато, а на территории Обь-Чумышкого плато, а также на Предсалаирской и Предал-тайской наклонных равнинах они присутствуют в виде останцов, окруженных пролю-виальными и озерно-аллювиальными осадками. Типичный лесс, благодаря способу своего формирования с участием ветровой сепарации, обладает характерными особенностями - однородностью минерального и гранулометрического составов, отсутствием видимой слоистости и высокой первичной недоуплотненности.
Лессовые отложения Верхнего Приобья представляют собой отдаленную фацию от источника эолового материала. Гранулометрическое распределение принесенных ветром обломочных частиц, сложенных алевритовой (пылеватой) и пелитовой (глинистой) фракциями, свидетельствует о значительном расстоянии до площадей дефляции, которое может насчитывать от нескольких до тысячи километров, соизмеримых с дальностью разноса вулканических пеплов [32,22]. Из анализа минерального состава обломочных зерен, представленных кварцем, калиевыми полевыми шпатами, кислыми и в меньшей степени более основными плагиоклазами, обыкновенной роговой обманкой, слюдами и характерными для гранитов акцессориями, можно сделать вывод об эоловой денудации территории с широким развитием гранитоидов. Инородная примесь состоит из весьма незначительного количества обломков различных пород- кварцитов, слюдистых кварцитов и измененных эффузивов. Если предположить, что в эпоху накопления лессового материала преобладало такое же юго-западное или западное направление ветров, то наиболее достоверным его источником для Верхнего Приобья нужно считать Казахстанский мелкосопочник с многочисленными выходами гранитов, так как известно, что состав обломочного материала в эоловых осадках полностью отражает минеральную ассоциацию развеваемых коренных пород. Как указывал Н.М. Страхов [154], унаследование эоловым материалом минералогического состава исходных материнских отложений - есть главная черта их минералогии, так как видоизменения исследуемых частиц ограничены. В этом направлении происходит огрубление лессовых осадков, увеличение количества и размеров зерен песчаной составляющей их обломочного материала. По данным И.А. Волкова [44, 45], к зоне накопления грубого песчаного наноса относятся многие районы Ишим-Тобольского и Ишим-Иртышского междуречий, а также западные районы Ба-рабы и Кулунды с признаками перевевания в виде древних дефляционных понижений и эолово-акуумулятивных форм рельефа. Субаэральные отложения здесь имеют наибольшую и сильно изменчивую мощность и состоят из разнозернистого песка, местами с примесью гравийных обломков. Песчинки в эоловых накоплениях характеризуются шершавой матовой поверхностью [45]. Развитые в этом районе эоловые осадки представляют собой фацию ближнего перевевания обломочного материала, находящегося от источника его поступления не далее нескольких сотен километров. На Северный Казахстан, как области дефляции, указывал также АЛ. Швецов [182, 183] и др.
Гранит- это кварцево-полевошпатовая порода. При содержании Si02, равном 68 %, в породе будет такое соотношение породобразующих минералов: ортоклаза 20 %, альбита 34 %, анортита 11 %, кварца 28 %, цветных минералов (роговой обманки, биотита, очень редко мусковита) 12 %. Акцессорные примеси представлены цирконом, апатитом, титанитом, магнетитом, ильменитом, гематитом и иногда более редкими минералами. Учитывая эффект соударений и истирания обломочного материала при переносе, происходит сильное обеднение эолового материала неустойчивыми минералами. Если учесть, что при ветровой транспортировке разрушение кла-стики в 1000 раз сильнее, чем при перемещении их в водной среде, то это безусловно отразиться на составе обломков. В лессовых и особенно лессовидных отложениях отмечается значительное, двух-трехкратное увеличение количественного содержания кварца, как наиболее устойчивого компонента осадка. Что касается состава минералов лессовых пород Верхнего Приобья и минерального состава гранитов Казахстанского мелкосопочника, исключая их количественное соотношение, то они идентичны.
Ресурсный экологический потенциал
Во всем мире наблюдается тенденция постоянно растущей добычи и потребления минерального сырья. В первую очередь это относится к неметаллическим полезным ископаемым, объем разработки которых в два и более раз превышает объем производства металлических видов продукции и достигают нескольких десятков миллиардов тонн в год. Суммарная стоимость неметаллических ископаемых, извлекаемых из недр в развитых странах в 3-10 раз превышает стоимость металлов, добываемых на той же территории. В стоимостном выражении продукция неметаллов уступает лишь топливным видам сырья [46].
Этот рост особенно заметен по нарастающей добыче стройматериалов и увеличению использования природных минеральных сорбентов и ионообменников в связи с активизацией мероприятий по решению проблем экологии и охраны окружающей среды, а также расширению сфер их применения в промышленности, сельском хозяйстве, медицине и др.
Для обеспечения растущей потребности необходимо беспрерывное наращивание ресурсов минерального сырья. Одним из путей умножения объема минерально-сырьевой базы является повышение эффективности освоения новых видов мине-рального сырья как за счет расширения сфер применения известных полезных ис V y копаемых, так и за счет нахождения новых среди ныне не используемых минералов и горных пород, но более распространенных и доступных для эксплуатации [11,25, 27].
Широкое распространение лесса, лессовидных суглинков, супесей и глин в рассматриваемых отложениях предопределило высокую перспективу для нахождения месторождений сырья для производства кирпича, максимально приближенных к потребителям. При этом качественная характеристика пород и условия их залегания существенно снижает вероятность открытия крупных месторождений на западе и северо-западе региона из-за близкого залегания грунтовых вод с повышенной минерализацией, выделяющейся в породах в виде карбонатных стяжений и цемента, а также в виде поровых инкрустаций гипса.
Новосибирскими геологами учтены 166 разведанных месторождений кирпичного сырья с суммарными запасами 50,9 млн м3. Ежегодно извлекаемые запасы составляют 0,5-0,6 млн м3. Наиболее крупные месторождения приурочены к Приобскому и Обь-Чумышскому плато. Полезное ископаемое представлено нижне-среднечетвертичными желто-бурыми рыхлыми, слабо известковистыми, в разной степени ожелезненными, легкими лессовыми суглинками. Залежи пластовой формы, мощностью от 2,7 м до 17,1 м [51].
Кроме того в Новосибирской области имеются восемь месторождений керам-зито-аглопоритового сырья, полезное ископаемое которых состоит из четвертич-ных лессовидных суглинков. Балансовые запасы этих суглинков 8,0 млн м . Месторождения керамзитовых глин разведано только в западных районах в пределах Ба-рабинской равнины. По составу глины полиминеральные - монтмориллонит, гидрослюда и примесь каолинита, присутствует хлорит. По гранулометрическому составу глины дисперсные (пелитовые) и алевритовые. Некоторые заводы керамзито-бетонных изделий работают на сырье кирпичных заводов. Так, на заводе в г.Куйбышеве Новосибирской области ежегодно перерабатывается 3-4 тыс. м3 верхнечетвертичных покровных суглинков.
Русловые и пойменные отложения р.Оби и р.Берди являются поставщиками песчано-гравийных смесей, используемых для производства тяжелых, обычных и ячеистых бетонов, штукатурных и кладочных растворов, силикатных изделий и асфальтобетонных смесей. Полезным ископаемым служат аллювиальные осадки пойменной террасы Оби. Средняя мощность полезной толщи 15,3 м. Месторожде ние комплексное: верх разреза сложен мелкозернистыми олигомиктовыми песками, нижняя часть представлена гравийно-песчаными осадками. Полезные толщи пластообразной формы, невыдержанные по строению, мощности и качеству. Другое месторождение песчано-гравийной смеси находится в 50 км ниже г.Новосибирска. Здесь русло р. Оби резко меняет направление, что способствует изменению скорости течения и накапливанию грубых осадков. Наибольшее скопление песчано-гравийных осадков наблюдается у устьев правых притоков р.Оби. Общие запасы полезного ископаемого составляют по категории Сі - 4,1 млн м3, С2- 2,28 млн м3 при соотношении песков с песчано-гравийной смесью 40:60. С этими же русловыми и пойменными, реже надпойменными отложениями связано месторождения строительных песков. Они характеризуются олигомиктовым соста вом, от мелко- до среднезернистых, реже в террасовых отложениях до крупнозернистых с прослоями мелкогалечникового материала. Залежи пластовые, линзообразные протяженностью от нескольких сотен до нескольких тысяч метров при мощности 0,5-1,0 до 15,0-16,0 м. Строительные пески используются в производстве силикатных изделий, кладочных и штукатурных растворов, бетонов и асфальтобетонов, для отсыпки дорожных подушек. Балансовый запас 13 месторождений составляет 111,4 млн м3. Четыре месторождения с суммарными запасами 56,8 млн м3 эксплуатируются в настоящее время.
В Западной Сибири 53,1 % или 10,5 млн.га пахотных земель требует известкования. Потребность в химических известковых мелиорантах только для кислых и среднекислых почв ориентировочно определяется в 10-12 млн т. Фактически эта потребность удовлетворяется только на 10 %, поэтому кислотность почв и площади, занятые кислыми почвами, только с каждым годом возрастают. Спрос на это сырье восполнялся привозной известковой мукой и порошком из известняков местных месторождений.
Известняки широко используются в различных отраслях производственного хозяйства как после термической и механической обработки, так и в природном виде. На территории Верхнего Приобья они связаны с четвертичными отложениями в районах выходов палеозойского фундамента Присалаирья. Известняки образуют скальные выходы. Наиболее крупным его потребителем является производство строительных материалов - цемента, извести и щебня. Значительное количество известняка идет на промышленное изготовление мелиорантов для раскисления почв, минеральной подкормки сельскохозяйственных животных и птиц, а также для добавки в комбикорма. Кроме того, известняк добавляется в уголь для связывания серы при сгорании и предотвращения выброса серы с дымом и образования серной кислоты в атмосфере [11,25].
Экосистемы верхнего Приобья
Приобское плато является базисным прототипом элементарной экосистемы этого региона, представляющей собой саморазвивающееся образование с закономерными взаимосвязями между составляющими ее компонентами. Оно расположено между долиной р. Оби и Кулундинской низменностью и имеет вид возвышенной плоской равнины, расчлененной на параллельные вытянутые с северо-востока на юго-запад пологовершинные увалы широкими и глубокими ложбинами древнего стока и современной речной сетью. Ширина ложбин изменяется в пределах от 5 до 25 км, а глубина- от 40 до 80 и даже 100 м. Днища ложбин выстланы песком, поверхность которых под воздействием ветра принимает бугристо-грядовый характер.
Наивысшая точка плато 307-325 м находится на увале между Касмалинской и Кулундинской долинами.
В тектоническом отношении Приобское плато соответствует Барнаульской структурной террасе. Граница с Кулундинской впадиной проходит по сглаженному флексурному выступу высотой 50-75 м.
Покровные отложения представлены лессом и лессовидными породами. Характеризуется наибольшей общей мощностью лессовых накоплений, достигающей 50 м. Лессовые суглинки сильно пористые и просадочные, твердой и полутвердой консистенции, залегают под почвенным слоем. Мощность отдельных прослоев лесса от 3-4 до 10-12 м. С глубиной увеличивается количество прослоев и линз мелкозернистого песка и лессовых супесей.
Являясь благоприятным почвообразующим субстратом, лесс обеспечил образование мощного до 0,7-0,8 ми плодородного слоя типичного и обыкновенного чернозема, что стало причиной полной распаханности всех пригодного для этого площадей. Степень распаханности на Приобском плато превышает 51 %, от всех имеющихся пахотных земель. По всем признакам функциональной связи эта территория является местом существования агросистемы.
Рыхлое строение, высокая пористость лессовых пород (48-60 %) и сильная просадочность представляет серьезную проблему для проектирования оснований фундаментов зданий и различных сооружений, а также способствует интенсивному развитию эрозионных процессов. Именно в пределах этой морфоструктуры за последние годы усилился такой опасный вид эрозии, как овражный, приводящий к образованию овражно-балочной системы. Из общей площади земель в 6,5 млн га более 0,52 млн га или 18 % приходится на овраги.
Гидрогеологические условия Приобского плато характеризуется широким распространением верховодки. Глубина ее залегания колеблется от 0,5 до 3,0 м в пониженных местах рельефа, и от 3,0 до 5,0 м на водоразделах и их склонах. Грун товые воды отмечаются на глубинах от 10 до 20 м. Они приурочены к линзам и прослоям песков краснодубровской свиты. Воды преимущественно гидрокарбо-натно-кальциевые и гидрокарбонатные кальциево-магниевые. Они пресные, минерализация до 1 мг/л.
Приобское плато расположено в зоне лесостепи. В понижениях рельефа встречаются березовые и смешанные березово-осинновые колки. На возвышенных песчаных гривах террас р. Оби располагаются сосновые боры.
Обь-Чумышская экосистема занимает территорию одноименного возвышенного равнинного плато, примыкающее с юга к Салаирскому кряжу и вытянуто по простиранию в северо-западном направлении. В тектоническом плане плато является одной из структурных террас-ступеней на юго-востоке Бийско-Барнаульской впадины. Плато характеризуется полого-увалистым рельефом с абсолютными отметками 200-300 м на севере и 300-400 м на юге. Самая высокая часть равнинного плато сильно расчленена глубокой и разветвленной эрозионной сетью. Глубина вреза р. Оби и р. Чумыша достигает 150 м. Долины рек второго порядка имеют глубину 80-90 м, а балок и оврагов 40-60 м. Юго-западная часть Обь-Чумышского плато менее расчлененный и его рельеф становится ровным со значительными плоскими поверхностями на междуречьях. На северо-западе ровные участки в рельефе полностью отсутствуют. Общая площадь, занятая оврагами, составляет 13 %. Густая сеть балок и долин с узкими водоразделами, имеющими удлиненную форму, придала местности гривный вид. Дно долин часто заболочено.
С поверхности плато покрыто субаэральными отложениями верхней красно дубровской подсвиты, представленными лессом и лессовой супесью общей мощностью до 20-30 м. Характер залегания лессовый облик и почти полное отсутствие слоистости свидетельствует в пользу эолового происхождения этих отложений. Лессовые суглинки обладают большой пористостью (до 50-55 %) и сильной проса-дочностью. Мощность почвообразующего субстрата 8-Ю м с увеличением на склонах увалов. Развитый по ним слой черноземной почвы имеет мощность 0,7-0,8 м. Степень распаханности территории достигает более 40 %.
Здесь в толще краснодубровской свиты залегаю два водоносных горизонта. Они связаны с линзами и маломощными прослоями мелко- и среднезернистых песков, имеющих подчиненное значение в толще лессовидных суглинков. Наиболее \ \мощные и выдержанные прослои приурочены к основанию разреза и прослежива-ются на больших площадях. Воды напорные, иногда дающие самоизлив при разбу-ривании водоносных прослоев. Они выходят на поверхность в виде многочисленных родников по долинам рек. По составу воды преимущественно гидрокарбонат-но-кальциевые. Верховодка встречается в понижениях рельефа, образует местную заболоченность.
Растительный покров типично лесостепной, переходящий на восток и северо-восток в таежную зону.
Предалтайская экосистема занимает территорию предгорной наклонной равнины на юге Бийско-Барнаульской впадины. В геоморфологическом отношении это положительная морфоструктура - предгорная тектоническая ступень с абсо-лютными отметками 200-500 м, протягивающаяся вдоль северного фаса Алтайских гор и отделенная от них серией глубинных разломов. Ширина ступени 40-80 км. В настоящее время рельеф имеет увалисто-долинный облик - водораздельные увалы в виде узких и длинных грив, разрезаны глубокими логами, либо разобщены на отдельные холмы. Одиночные сопки и увалы, выделяющиеся на равнинной лесостепи, достигают высоты 300-500 м. Эта зона распространения пролювиальных, делювиальных и в меньшей степени аллювиальных отложений, сложенных в основном лессовидными породами. Количество прослоев и мощность типичного лесса увеличивается в сторону Обь-Чумышского плато.
Лессовые породы Предалтайской равнины представлены двумя типами -среднепросадочным и среднепористым (пористость 40-45 %) лессовым суглинком и деградированными мало- и слабопросадочными лессовидными суглинками и супесью. В суглинках встречаются конкреции карбонатов размером от 1 до 5 см. Наиболее сильная карбонатизация достигает глубины 5-6 м. Повсеместно отмечается макропористость пород с диаметром пор до 3 мм, встречающаяся до глубины 4-5 м, ниже которой количество пор и их диаметр сокращаются. Мощность слоев просадочных лессовых суглинков достигает 8 м в северо-восточной части предгорной равнины и уменьшается до 1-2 м в юго-западном направлении.