Введение к работе
Актуальность работы. Высокая техногенная нагрузка на геологическую среду в конце ХХ - начале ХХI вв. привела к активизации многих экзогенных процессов, в том числе и карста. Большинство объектов гражданского и промышленного назначения, построенных на закарстованных территориях в начале ХХ века и эксплуатируемых до наших дней, возводились без должного учета карстовых процессов. Многие закарстованные участки на территории района, считавшиеся ранее безопасными в отношении провалообразования, в настоящее время таковыми уже не являются.
Карстовые провалы на территории промышленных объектов и в жилых кварталах гг. Каменск-Уральского, Богдановича, Сухого Лога приводят к деформациям капитальных сооружений и разрывам инженерных сетей.
Наиболее уязвимыми в отношении провалообразования являются линейные сооружения – автомобильные и железные дороги, газо- и нефтепроводы. Если проектирование и строительство гражданских и промышленных объектов на закарстованных территориях с применением элементов конструктивной защиты обеспечивают нормальную эксплуатацию сооружений и в случае провала могут предотвратить полное разрушение сооружения, то железные дороги в силу их значительной протяженности защитить практически невозможно.
Железные дороги в России являются основным пассажирским перевозчиком. Кроме того, по железным дорогам перемещается большое количество грузов, в том числе опасных (БОВ, радиоактивные вещества, нефтепродукты), которые в случае схода состава могут привести к экологической катастрофе. Карстовые деформации неоднократно приводили к нарушению нормальной эксплуатации Свердловской железной дороги на Каменск-Уральской и Баженовской дистанциях пути (провалы в 1975, 1977, 1998, 2000, 2001 гг.).
Значительные экономические потери и экологический ущерб от карстовых провалов предопределяют необходимость глубокого изучения карста и выработки прогнозов его активности на этапах проектирования и эксплуатации сооружений.
Целью работы является изучение условий и особенностей развития карбонатного карста в Сухоложско-Каменском карстовом районе.
Задачи исследований: 1. Выявление закономерностей развития карбонатного карста в Сухоложско-Каменском районе. 2. Изучение особенностей распространения и морфологии поверхностных и подземных карстовых форм для оценки карстоопасности для инженерных сооружений. 3. Установление причин активизации провалообразования на участках детальных исследований.
Научная новизна работы:
- дана детальная характеристика закарстованности карбонатных массивов на территории Сухоложско-Каменского карстового района;
- установлена взаимосвязь генезиса и морфологии карстовых форм с тектоническими и гидрогеологическими условиями Сухоложско-Каменского карстового района;
- определена зависимость степени закарстованности от литолого-петрографических особенностей известняков;
- определены особенности морфологии карстовых полостей на территории Сухоложско-Каменского района;
- доказана зависимость современной активизации провалообразования от техногенных факторов.
Фактический материал, положенный в основу диссертации, включает материалы, собранные автором во время полевых исследований, и фондовые материалы.
Полевые и камеральные исследования автора включают:
- специальную карстологическую съемку М 1:500 (12,37 км2);
- изучение трещиноватости известняков в карьерах, обнажениях;
- анализ геологических данных буровых работ (216 скв.);
- изучение керна карбонатных пород и покровной толщи (около 6000 пог. м);
- анализ данных тампонажных работ (162 скв.);
- гидрогеологические наблюдения, отбор проб воды, их химический анализ и обобщение результатов;
- петрографическое описание шлифов (15 шт).
В настоящей работе использованы материалы кафедры инженерной геологии, гидрогеологии и геоэкологии УГГУ, фондовые материалы Комитета природных ресурсов по Свердловской области, Каменск-Уральского отделения УралТИСИЗа, институтов Уралгипротранс, УралгипродорНИИ, ЗАО НПЦ «КАРСТ», в том числе данные по 924 скважинам.
Методы исследований. Для обработки полученных материалов использованы дешифрирование, макро- и микроскопическое описание известняков, сравнительный анализ, графические методы, статистические методы, корреляционный анализ.
На защиту выносятся следующие научные положения:
1. Закономерности развития карста Сухоложско-Каменского района обусловлены: 1) наличием толщ карбонатных пород, перекрытых чехлом песчано-глинистых отложений переменной мощности (от 0 до 30,0 м); 2) степенью тектонической нарушенности известняков (модуль трещиноватости: от 2-3 – слаботрещиноватые известняки до >20 – зоны дробления); 3) наличием глубоковрезанных долин рек Исети, Пышмы, Каменки, Кунары, определяющих характер гидродинамических условий.
2. Литолого-петрографические особенности карбонатных пород определяют степень закарстованности массивов. Наибольшая закарстованность характерна для массивов, сложенных известняковыми брекчиями.
3. Образование открытых карстовых полостей и современная активность провалообразования в Сухоложско-Каменском районе обусловлены активизацией карстово-суффозионного процесса под влиянием техногенного нарушения фильтрационно-гидродинамического режима (интенсивный дренаж массивов в районах водозаборов, утечки из водонесущих коммуникаций, подпор поверхностного стока насыпями железных дорог) и динамических и статических нагрузок на участках интенсивного железнодорожного движения.
Практическое значение работы. Результаты исследований использованы при определении морфологии карстовых полостей для оценки их объема и прогноза эффективности мероприятий противокарстовой защиты на Каменск-Уральской и Баженовской дистанциях пути Свердловской железной дороги.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Международном симпозиуме «Инженерно-геологические проблемы урбанизированных территорий» (2001 г., Екатеринбург), Международной научно-практической конференции «Техногенная трансформация геологической среды» (2002 г., Екатеринбург), Всероссийской конференции «Экологические проблемы промышленных регионов» (2004 г., Екатеринбург), Международном симпозиуме «Карстоведение – XXI век: теоретическое и практическое значение» (2004 г., Пермь), Уральской горнопромышленной декаде (2005 г., Екатеринбург), Международном симпозиуме «Стихийные бедствия последнего времени – проблемы, стоящие перед инженерной геологией, геотехникой и гражданской защитой» (2005 г., София).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 8 статей.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав и заключения, содержит 175 стр. текста, 84 рисунка, 13 таблиц и список литературы из 133 наименований.
