В конце 60-х годов интенсивный рост нефтяной и газовой промышленности на севере Западной Сибири вызвал необходимость изучения инженерно-геокриологических условий. С 1971 года, после того, как была доказана экономическая эффективность инженерно-геокриологических съемочных и прогнозных работ, опережающих изыскания, стали проводиться комплексные площадные инженерно-геокриологические исследования [1] и разрабатываться подробные геокриологические карты [6].
Цель исследования: проанализировать наиболее значимые исследования, в результате которых сформировалась научно-методическая база геокриологического направления в науке.
Материалы и методы исследования
Обзор литературных данных по теме исследований.
Результаты исследования и их обсуждение
Мерзлотоведение, как новая отрасль геолого-географических и геотехнических знаний, сформировалась к середине XX века. Истоками послужили результаты исследований, выполненных такими учеными как: А.Ф. Миддендорф, А.И. Воейков, Л.А. Ячевский, В.А. Обручев, Б.Б. Полынов, А.В. Львов, М.И. Сумгин, А.А. Григорьев и др. [16]. Геокриология возникла из потребностей практики, и ее развитие отражает процесс народнохозяйственного освоения Сибири, Дальнего Востока и северо-востока СССР[14].
Академик А.Ф. Миддендорф впервые установил зависимость глубины летнего протаивания мерзлых пород от их литологического состава и теплопроводности (в начале сороковых годов XIX в.). Л.А. Ячевский в 1889г. опубликовал схематическую карту распространения многолетнемерзлых пород, дал их южную границу [15] и разработал «Программу для собирания сведений о вечной мерзлой почве и ледяных слоях».
Первые карты криолитозоны (с конца XIX в. до 40-х гг. XX в.) имели одну или две схематично показанные мерзлотные характеристики и давали представление о зональном изменении многолетнемерзлых толщ (карты А.Ф. Миддендорфа, Г. Вильда, Л.А. Ячевского, В.Б. Шостаковича, А.В. Львова, М.И. Сумгина, В.Ф. Тумеля) [4].
Обобщение первоначально накопленных знаний о криолитозоне впервые было сделано М.И. Сумгиным в 1927 г. в его широко известном капитальном труде «Вечная мерзлота почвы в пределах СССР», с которым связывается становление геокриологии (мерзлотоведения) как самостоятельной отрасли знания [6].
Систематические геокриологические и гидрогеологические исследования начали проводиться Комиссией по изучению вечной мерзлоты в 30-х гг. в Восточной Сибири – в районе Братска (Баранов, 1931 – 1932), в Прибайкалье (Дурденевская, 1932; Писарев, 1935; Тумель, 1935) и в других местах. Обширные экспедиционные исследования были проведены в 1932 – 1935 гг. на Дальнем Востоке, в связи с изысканиями и проектированием Байкало-Амурской железнодорожной магистрали, которые потребовали организации и расширения экспериментальных исследований физико-механических свойств мерзлых горных пород как оснований, среды и материала сооружений [14].
В 1937 г., впервые в истории геокриологических исследований, была опубликована крупная работа Н.А. Цытовича и М.И. Сумгина – «Основания механики мерзлых грунтов». В этой работе были подведены итоги исследований физических, физико-механических свойств мерзлых грунтов и их взаимодействия с сооружениями. Обобщающей работой после книги Н.А. Цытовича и М.И. Сумгина (1937), явилась работа Н.А. Цытовича «Принципы механики мерзлых грунтов» (1952)[14].
Комитетом по вечной мерзлоте и Институтом мерзлотоведения изучались особенности залегания, распространения и температурного режима мерзлых пород и связанные с ними криогенные явления. Обобщение результатов геокриологических исследований на территории СССР и составление геокриологических карт основывались преимущественно на количественных характеристиках зон мерзлых почв и горных пород – их мощности, температуре, распространении, глубине залегания, иногда, с учетом ледяных включений в них. Принципы районирования и картирования многолетней криолитозоны мало связывались с особенностями теплообмена земной коры с атмосферой [14].
И.Я. Баранов (1938) считал необходимым учет геологических признаков для разграничения качественно однородных участков криолитозоны. Тогда же К.И. Лукашев районировал многолетнюю криолитозону, разделив область «вечной мерзлоты» на 10 крупных геолого-геоморфологических районов, отличающихся между собой не только по устройству рельефа, но и по геологическому строению (1938) [14].
В 50-е годы составлены мерзлотные карты В.А. Кудрявцева, И.Я. Баранова, А.И. Попова, А.И. Калабина, П.И. Мельникова, И.А. Некрасова и др. в масштабах 1:40 000 000 – 1:20 000 000. В 60-е годы И.Я. Барановым была составлена первая Геокриологическая карта СССР в масштабе 1:10 000 000, обобщившая накопленные сведения о распространении, мощности, составе сезонно- и многолетнемерзлых пород, их среднегодовых температурах и физико-географических явлениях [4].
П.Ф. Швецовым и В.К. Яновским в 1950 г. была предпринята попытка геокриологического районирования северо-восточной части многолетней криолитозоны по температуре, мощности, составу, строению и степени прерывистости мерзлоты. В 1954 г. В.А. Кудрявцев провел районирование криолитозоны по температурному признаку с учетом геоморфологических особенностей и выделил 47 «мерзлотно-температурных районов» [14].
А.И. Попов предложил районирование многолетней криолитозоны по историко-геологическому признаку, основой которого являются две составляющих: 1) геологическое и геотектоническое строение и 2) закономерности распределения льда в мерзлых породах, как наиболее существенный показатель историко-геологических условий их формирования (1953). На этой основе им было выделено 20 районов [14].
Значительным шагом вперед в геокриологическом картировании является вышедший в 1976 г. комплект из трех инженерно-геологических карт в масштабе 1:1 500 000 на область распространения многолетнемерзлых пород (ММП) в пределах Западно-Сибирской плиты под редакцией Е.М. Сергеева и в 1986 г. – комплект из двух карт в масштабе 1:1 000 000 под редакцией В.Т. Трофимова [4].
Большое число карт в разных масштабах было составлено на Южную Якутию, Забайкалье, Западную Сибирь, юг Средней и Восточной Сибири. В начале 70-х годов на кафедре геокриологии геологического факультета МГУ было начато и к 1985 г. закончено составление новой Геокриологической карты СССР масштаба 1:2 500 000, которая была опубликована в 1997г. под редакцией Э.Д. Ершова [4].
В 1965 – 1970 гг. в соответствии с задачами комплексного исследования природы и хозяйства Западной Сибири выполнялась программа работ по проблеме «Природные ресурсы Сибири и их народнохозяйственное использование», включавшая следующие темы:
Физико-географическое и инженерно-географическое районирование Западной Сибири для промышленных и сельскохозяйственных целей.
Оценка мерзлотных условий Западной Сибири и др. [7].
Инженерно-геологическое изучение северных районов Западной Сибири – Полуй – Надым-Пуровского междуречья и Тазовского полуострова вел В.Т. Трофимов. В районе Тазовского газового месторождения проводились мерзлотная и геоморфологическая съемки в целях выяснения условий эксплуатации газовых скважин (Н.А. Шполянская, И.Д. Данилов, А.Г. Костяев). На основе разработанных материалов выполнена карта вечной и сезонной мерзлоты на территории Ямало-Ненецкого округа для перспективного планирования градостроительства (Н.А. Шполянской, А.Г. Костяевым, И.Д. Даниловым, В.П. Евсеевым и др.). В результате комплексных мерзлотных исследований составлен ряд мерзлотных карт на территорию Западной Сибири[7].
Трофимовым В.Т. совместно с Е.М. Сергеевым и А.С. Герасимовой были составлены и изданы «Инженерно-геологическая карта Западно-Сибирской плиты», геологическая и геоморфологическая карты, карты распространения и температур многолетнемерзлых пород, генетических типов и льдистости, мощности многолетнемерзлых пород, инженерно-геологических условий на подавляющую часть районов Западно-Сибирской плиты и всю Тюменскую область[11].
Взаимосвязь динамики растительного покрова и вечной мерзлоты изучалась А.П. Тыртиковым в 1949, 1950, 1957 – 1959 гг. в Игарском районе, в 1959 г. в долине р. Хантайка, в 1961 г. в бассейне р. Ярудей, в 1965 – 1966 гг. в среднем течении р.Таз и на отдельных участках Тазовско-Пуровского и Тазовско-Енисейского междуречий. Исследовалось протаивание, промерзание и температура грунтов на участках последовательно сменяющихся растительных сообществ, после чего, Тыртиковым А.П. были установлены закономерные изменения вечной мерзлоты, обусловленные динамикой растительного покрова[12].
Исследованиями Тазовского полуострова и бассейнов рек Надым и Пур занимались: Ю.Ф. Андреев (1960, 1962), Е.Б. Белопухова (1962 и др.), Г.И. Дубиков (1962), Ж.М. Белорусова (1963). Общие региональные закономерности мерзлотных условий Западно-Сибирской плиты (территории Тазовского полуострова и бассейнов рек Пур и Надым, в частности) в общих чертах освещены в монографиях А.И. Попова (1953), В.В. Баулина и др. (1967). А.В. Груздов, В.Т. Трофимов, Н.А. Филькин на основе собранных материалов по состоянию на конец июня 1969 г. составили мерзлотную карту, отражавшую основные закономерности распространения, строения и температур многолетнемерзлых пород в зависимости от геолого-геоморфологических условий и географических особенностей территории [3].
С 1971 по 1979 г. под руководством С.Е. Гречищева и Е.С. Мельникова проводились инженерно-геокриологические комплексные исследования территории Пур-Надымского междуречья, левобережья среднего течения р. Надым и юга Тазовского полуострова. Инженерно-геокриологическое изучение данного региона проводилось на ландшафтной основе. В состав работ входили инженерно-геологическая съемка масштабов 1:25000 – 1:100000, стационарные исследования режима геокриологических условий, лабораторное изучение свойств горных пород, теоретические и методические разработки в области инженерно-геокриологического картирования и прогнозирования, аналоговое и математическое моделирование [1].
Вопросами мерзлотного районирования занимался В.В. Баулин (1967). За единицу мерзлотного районирования была взята «зона», в основу выделения которой положено устойчивое свойство мерзлой толщи, незначительно изменяющееся в пространстве и времени – строение мерзлых толщ по вертикали. В условиях Западной Сибири было выделено три мерзлотных зоны: северная, центральная и южная [2].
В 1976 г. Трофимов В.Т. в своей диссертации предложил новое определение понятия «инженерно-геологическое районирование» как совокупности теоретических положений и методических приемов, направленных на выявление в пространстве объективно существующих территориальных элементов, обладающих какими-либо общими инженерно-геологическими признаками, отграничение их от территорий, этими признаками не обладающих, их картографирование и описание[11].
В ходе многолетних комплексных инженерно-геокриологических исследований ОАО «ПНИИИС» в различных районах криолитозоны была разработана методика инженерно-геокриологического районирования и картирования, согласно которой картируемые компоненты геологической среды, набор показателей и признаков районирования дифференцируются в зависимости от стадии проектирования. Методика нашла отражение в таких нормативно-методических документах, как «Рекомендации по геокриологической съемке и районированию равнинных территорий для размещения объектов нефтяной и газовой промышленности по стадиям проектирования» 1984 года, «Рекомендации по производству опережающих исследований для строительства в районах распространения вечномерзлых грунтов» 1986 года и в СП 11–105–97 и др. [13].
В 1987 г. Л.С. Гарагуля, Э.Д. Ершов, К.А. Кондратьева, Л.Н. Хрусталев составили карту инженерно-геокриологического районирования территории СССР, на которой выделено восемь регионов с соответствующими группами областей в них. При районировании авторами карты учитывались: генетический тип микрорельефа, преобладающие формации дочетвертичных пород и генетические комплексы четвертичных отложений, среднегодовая температура и соответствующее ей распространение многолетнемерзлых толщ. Каждая выделенная область была охарактеризована типом промерзания верхнего (10–20 м) горизонта пород, мощностью многолетнемерзлых толщ, льдистостью четвертичных отложений и дочетвертичных скальных и полускальных пород, выходящих на поверхность и залегающих до глубины 10 м [5].
Л.С. Гарагуля, Э.Д. Ершов, К.А. Кондратьева, Л.Н. Хрусталев отмечают, что для выбора принципа использования многолетнемерзлых пород в качестве оснований инженерных сооружений необходима информация не только об инженерно-геокриологических условиях осваиваемого региона, но и о самих сооружениях. Отсутствие информации о сооружениях в большинстве случаев не позволяет однозначно принять решение о принципе строительства[5].
Хрусталев Л.Н. и Пустовойт Г.П. в 1987 г. разработали методику составления и применения стоимостных карт для застройки территории типовыми гражданскими зданиями. Исследования показали, что пространственную изменчивость стоимости определяют следующие параметры: грунтовый разрез, глубина залегания верхней границы ММП, температура ММП у подошвы слоя годовых теплооборотов. Эти параметры были приняты в качестве главных классификационных признаков для расчленения застраиваемой территории на участки с постоянной стоимостью освоения [5]. Методика составления стоимостной карты по Хрусталеву Л.Н. и Пустовойту Г.П. заключалась в расчленении исследуемой территории на однородные инженерно-геокриологические участки с указанными выше классификационными признаками и определении для каждого выделенного инженерно-геокриологического участка оптимальной суммарной стоимости применительно к строительству здания по принципу I и II [5].
История геокриологического исследования Западной Сибири до 1987 г. обобщена Некрасовым И.А. на основе обзора около 1500 работ. Обобщение практически всех имеющихся к тому времени данных позволило оценить общие закономерности строения криолитозоны региона, провести анализ геокриологического районирования и разномасштабных тематических карт. Одной из первоочередных задач он считал дальнейшее продолжение инженерно-геологической съемки более крупного масштаба, например 1 : 500 000 или 1: 200 000 [6].
Вопрос инженерно-геокриологического картирования актуален в настоящее время. Это подтверждают слова Шамановой И.И. о том, что «районирование и картирование территории – важная составляющая инженерно-геологических изысканий на всех стадиях проектирования» [13]. В связи с тем, что ММП характеризуются высокой степенью чувствительности к техногенным воздействиям – необходимо учитывать большое число компонентов геологической среды при выборе признаков и показателей районирования [13].
Савинцев И.А. работал над выявлением факторов формирования инженерно-геологических условий долинных областей криолитозоны ЯНАО и основных закономерностей их пространственной изменчивости (2012) и пришел к следующим выводам:
1. Инженерно-геологические условия территории долинных областей криолитозоны весьма специфичны и определяются особенностями строения четвертичных отложений, составом и свойствами горных пород, своеобразием ландшафтно-геоморфологических, гидрогеологических условий, развитием ММП, наличием деятельного слоя, развитием экзогенных геологических процессов и связанных с ними явлений [9].
2. Основными факторами, определяющими глубины слоя сезонного оттаивания и сезонного промерзания в пределах долинных областей криолитозоны, являются: климатические особенности, характер и тип растительности, геоморфологические особенности, различная мощность снежного покрова, характер развития ММП, значительная амплитуда колебаний годовых температур на поверхности, литологический состав пород и их влажность, теплофизические характеристики пород [9].
Попова А.А. занималась геоинформационным картографическим моделированием инженерно-геокриологических условий севера Тимано-Печорской нефтегазоносной провинции. Поповой А.А был проведен пространственный анализ инженерно-геокриологических условий, который позволил выделить основные типы разрезов с характерными свойствами наиболее распространенных геолого-генетических комплексов отложений и уточнить региональную шкалу типов распространения мерзлых пород с различной глубиной залегания их кровли и средними годовыми температурами [8].
Скапинцев А.Е. выполнял типизацию инженерно-геокриологических условий на территории Ванкорского месторождения на основе анализа продольных геологических профилей по трассе трубопровода и физико-механических свойств грунтов, слагающих разрез. При этом было учтено следующее:
– дифференциация участков распространения талых и многолетнемерзлых грунтов;
– распределение участков распространения сливающихся и несливающихся ММГ;
– наличие участков развития перелетков, таликов, подземных льдов;
– разделение грунтов по литологическому составу (суглинки, супеси, пески, коренные породы, торфа);
– распределение разрезов, сложенных грунтами разных степеней льдистости за счет ледяных включений, текучести, водонасыщенности и т.д.;
– наличие участков с большой мощностью торфов [10].
Заключение
Выполненный обзор теоретического материала позволяет сделать вывод о том, что с момента промышленного освоения территорий с мерзлыми породами идет непрерывный сбор данных о свойствах криолитозоны, ведутся работы по созданию геокриологических карт, районированию территории по инженерно-геокриологическим условиям и другим характеристикам. Но вместе с тем, авторами установлена недостаточная изученность данного вопроса, которая объясняется, прежде всего, отсутствием объективной оценки инженерно-геологических условий исследуемых территорий, изменением геокриологических условий в результате техногенного воздействия, отсутствием единой базы данных о проведенных геокриологических исследованиях. В методиках инженерно-геологического районирования, при типизации территории и составлении геокриологических карт чаще всего учитывались такие характеристики грунтов, как литология, плотность, льдистость, засоленность, температура – без учета таких показателей, как расчетное сопротивление мерзлого грунта под нижним концом сваи, механических характеристик деформируемости – коэффициента сжимаемости, коэффициента оттаивания и прочностных характеристик.
Результаты детализации инженерно-геологических свойств на примере перспективных нефтегазоносных районов Пур-Тазовского междуречья могут послужить основой для составления геоинформационных карт (инженерно-геологических, геокриологических, подробных стоимостных и др.) и геотехнического мониторинга. Крупномасштабная стоимостная инженерно-геокриологическая карта будет полезна для выбора планировочного решения застройки, принципа использования многолетнемерзлых грунтов в качестве оснований и способа фундаментостроения, а также для определения глубины заложения фундаментов и глубины предварительной подготовки грунтов основания.
Библиографическая ссылка
Воронова И.В., Гребенюк Г.Н. ИЗ ИСТОРИИ ФОРМИРОВАНИЯ ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКОГО НАПРАВЛЕНИЯ В НАУКЕ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2017. – № 3-2. – С. 222-227;URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=11431 (дата обращения: 21.11.2024).