Zoning the territory in the northwest of Moscow according to the degree of karst and suffosion hazard

全文:

Введение

Один из наиболее актуальных вопросов при производстве инженерно-геологических изысканий на территории Москвы — оценка опасности территории в отношении развития “карстовых деформаций”. При этом в соответствии с требованиями нормативов к карстовым деформациям относят и проявления карста, и проявления, образованные в результате совместного протекания карстового и суффозионного процессов (которое исследователи называют “карстово-суффозионным” процессом [1]), а иногда и только суффозионного. В соответствии с СП 22.13330.2016 “Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*”: “к закарстованным относятся территории, в пределах которых распространены водорастворимые породы”. Территория Москвы полностью относится к области распространения карбонатных отложений, которые хотя и очень медленно, но растворяются. Однако скорость их растворения такова, что в масштабах срока службы сооружения увеличение размера карстовой полости не играет значительной роли в подготовке и протекании процесса провалообразования и выходе провала на земную поверхность [1, 21]. Гораздо существеннее то, что карбонатные породы каменноугольного возраста длительное время испытывали денудационное воздействие, находясь на поверхности земли (или в непосредственной близости от нее) с конца палеозоя и до середины мезозоя, а также большую часть кайнозоя. В то время карстовый процесс развивался очень активно, в результате чего в настоящее время имеется достаточно большое количество проявлений карста в каменноугольных породах, погребенных под относительно мощной толщей преимущественно дисперсных мезо-кайнозойских отложений, в которых развито несколько водоносных горизонтов (в том числе напорных).

Новые проявления карстово-суффозионного процесса на территории Москвы не фиксируются уже более 25 лет. Несмотря на это, при изменении инженерно-геологических условий, возможна активизация процесса [20]. Важно отметить, что отнесение территории к той или иной категории опасности в карстово-суффозионном отношении влечет за собой как изменение объемов инженерно-геологических изысканий, так и затрат на проектирование и реализацию противокарстовых мероприятий. Очевидно, что это в значительной степени влияет на стоимость проекта в целом.

Провалообразование на территории Москвы

На территории Москвы подземные проявления карста были установлены еще в первой четверти прошлого века в процессе бурения скважин. В начале 1930-х годов многочисленные подземные проявления карста также встречались при прокладке первых линий метрополитена и иных сооружений. При освоении подземного пространства города инженер-геологами и строителями были обнаружены разрушенные зоны в карбонатных массивах, многочисленные трещины, мелкие карстовые полости, каналы, воронки и котловины на поверхности каменноугольных отложений [16]. Однако все зафиксированные проявления карста были лишь подземными.

Карст на территории города связан с наличием в разрезе мощной толщи карбонатных отложений каменноугольного возраста, которые повсеместно перекрыты породами мезозойской и кайнозойской эры. История геологического развития, а именно длительность континентальных перерывов в осадконакоплении в пермское, триасовое и раннеюрское время, а также в палеогене и неогене привели к тому, что практически вся толща каменноугольных карбонатных отложений неравномерно закарстована.

До середины прошлого века при изучении экзогенных геологических процессов карстово-суффозионному процессу не придавалось большого значения. В 1930-е годы были задокументированы первые поверхностные проявления карста, а в 1960-х на северо-западе города начали регулярно возникать провалы и локальные оседания земной поверхности. Высокая интенсивность провалообразования стала диктовать новые условия для безопасного освоения территории и, следовательно, привела к необходимости изучения причин, условий и факторов развития этих явлений.

Принято считать, что к концу прошлого века на территории города зафиксировано 42 поверхностных проявления карстово-суффозионного процесса [1, 2, 11, 12]. Однако в их число входит также 3 понижения земной поверхности неустановленного генезиса [10] (рис. 1). Из 42 проявлений комплексом инженерно-геологических (включая бурение) и геофизических методов изучено 14, на участках их формирования были построены геолого-гидрогеологические разрезы [11]. Провалы зафиксированы вдоль Хорошевского шоссе, около улиц 3-й Хорошевской, Куусинена, Зорге, Берзарина, Маршала Тухачевского и Народного ополчения. Образование некоторых провалов на территории жилой застройки привело к аварийным ситуациям и необходимости проведения мероприятий по ликвидации последствий. Например, в октябре 1969 г. в центре и под южной стеной жилого 5-этажного здания, расположенного по адресу Хорошевское шоссе, д. 35, к. 2, образовались два провала диаметрами 4.5 и 4 м и глубиной 3.5 и 3 м соответственно, что привело к выселению жителей дома, необходимости обеспечения их жильем, сносу дома и рекультивации площадки [3].

 

Рис. 1. Схема расположения скважин с подземными проявлениями карста.

 

В результате всестороннего анализа в 1984 г. главными причинами, способствующими активизации карстово-суффозионных процессов, были названы [8]:

• усиленные откачки подземных вод из закарстованных известняков в промышленных целях, в результате которых на территории Москвы создалась большая депрессионная воронка, изменившая гидрогеологический режим;
• отсутствие или недостаточная мощность водоупорного слоя юрских глин, отделяющего водонасыщенные четвертичные отложения от закарстованных известняков, вследствие чего возникает вертикальная фильтрация подземных вод в закарстованные горизонты известняков;
• значительные скорости фильтрации подземных вод эксплуатируемых водоносных горизонтов и др.;
• вскрытые полости в отложениях каменноугольной системы.

В начале прошлого века пьезометрическая поверхность трещинно-карстовых вод вблизи Москвы-реки почти совпадала с уровнем грунтовых вод, а к концу 1950-х годов откачки привели к снижению напора на 20–30 м в районе Магистральных улиц, Звенигородского шоссе и на 30–40 м в районе Хорошевского и Ленинградского шоссе. К середине 1960-х режим стабилизировался [2], однако провалообразование прекратилось только к концу века. Согласно исследованиям, проведенным при изучении условий образования карстово-суффозионных явлений в районе Хорошевского шоссе инженерно-геологической оползневой партией гидрорежимной экспедиции в составе С.И. Парфенова, В.В. Данилова, И.В. Батуриновской и др., на 1975 г. суммарный водоотбор из нижнекаменноугольного водоносного горизонта составил 10 800 м³/сут (водозабор “Октябрьское поле”), из среднекаменноугольного водоносного горизонта — 28 000 м³/сут, а из верхнекаменноугольного водоносного горизонта — 1000 м³/сут, причем большинство водозаборных скважин работали в весенне-летнее время.

С момента возникновения потенциальной опасности для инфраструктуры, жизни и здоровья населения появились работы по изучению механизма провалообразования, причин и условий появления провалов, районированию территории по степени карстовой опасности [2, 3, 11–13, 15], вносились изменения в существующую нормативную базу. В 1984 г. территорию города по степени опасности поделили на опасную, потенциально опасную и неопасную по таким признакам, как наличие подземных и поверхностных проявлений, степень закарстованности и трещиноватости, мощность водоупора, градиент вертикальной фильтрации, наличие древних погребенных и доледниковых долин, наличие в разрезе переотложенных более молодых отложений, состояние и свойства песчано-глинистых четвертичных отложений [8]. Однако карта районирования территории Москвы, основанная на вышеперечисленных признаках, не была составлена.

Последняя крупная работа по районированию (она же первая и единственная на сегодняшний день карта районирования), используемая всеми без исключения московскими инженерами-геологами — Карта опасности древних карстовых форм и современных карстово-суффозионных процессов (М. 1 : 10 000), составлена была в 2012 г. Институтом геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН совместно с ГБУ Мосгоргеотрест [9]. На ней территория города поделена на опасную, потенциально опасную и неопасную по “опасности древних карстовых и современных карстово-суффозионных форм”. Критериями для выделения категории опасности современных карстово-суффозионных процессов послужили: наличие/отсутствие на земной поверхности проявлений в виде воронок и мульд оседания; приуроченность к доледниковым и современным речным долинам; отсутствие, прерывистость и мощность слабопроницаемого слоя глинистых пород, разделяющего грунтовые и трещинно-карстовый водоносные горизонты. Согласно этой карте, практически вся территория города относится к неопасной или потенциально опасной категориям, к опасной отнесен лишь небольшой участок площадью 4.9 км², в пределах которого и образовались все поверхностные проявления. С 2012 г. новых масштабных работ по составлению карт районирования не проводилось, а имеющаяся карта не актуализировалась, несмотря на увеличение количества скважин в базах данных организаций, участвовавших в ее создании.

Все теоретические предложения по районированию территории города по степени карстово-суффозионной опасности включают критерии, большинство из которых практически невозможно определить при стандартном наборе инженерно-геологических исследований. Авторы карты считают, при “районировании территории по опасности современных карстово-суффозионных процессов на опасных и потенциально опасных участках при формировании градиента вертикальной фильтрации 3 и более возможна активизация карстово-суффозионных процессов” [9], однако сам градиент в районировании не был учтен.

Для построения карты районирования всего города необходимо использовать критерии, которые можно получить из архивных материалов без проведения дополнительных исследований. Среди предложенных критериев районирования наиболее легко оцениваемым без дополнительных изысканий является, бесспорно, мощность глинистых отложений, перекрывающих закарстованный горизонт. При этом граничные значения мощности для каждой категории опасности — вопрос до сих пор дискуссионный.

Первый и наиболее известный подход к районированию территории по степени карстово-суффозионной опасности с учетом мощности глинистых отложений, перекрывающих закарстованный горизонт, описан в “Инструкции по проектированию зданий и сооружений в районах г. Москвы с проявлением карстово-суффозионных процессов” [8]. Согласно этой методике, к опасным следует относить территории с мощностью перекрывающих глинистых отложений менее 3 м, к потенциально опасным — территории с мощностью 3–10 м, к неопасным — с мощностью более 10 м. До изменений №4 от 27.12.2021 в СП 22.13330.2016 использовалась аналогичная градация.

Второй подход к районированию, учитывающий мощность глинистых перекрывающих отложений, предложен А.Д. Кочевым, Л.Г. Чертковым и И.Л. Зайонцем в статье “Карстово-суффозионные процессы на территории г. Москвы и проблемы оценки их опасности” [13]. Авторы указанной работы после детального анализа условий образования поверхностных проявлений карста и упомянутых выше методик районирования предложили к опасным относить территории с мощностью перекрывающих глинистых отложений менее 5 м, к потенциально опасным — с мощностью 5–12 м, к неопасным — с мощностью более 12 м.

Целями данного исследования являются разработка нового подхода к районированию территорий по степени карстово-суффозионной опасности и уточнение карты районирования участка на северо-западе Москвы, ранее отнесенного к опасному по степени карстово-суффозионной опасности.

Природные условия территории

При выполнении настоящей работы авторы использовали данные об инженерно-геологических условиях участка, который при масштабе исследований 1 : 10 000 по степени опасности современных карстово-суффозионных процессов, полностью относится к опасной категории [9].

Исследуемая территория находится на западе города и имеет площадь 4.9 км². В геоморфологическом отношении территория располагается преимущественно в пределах III (ходынской) надпойменной террасы Москвы-реки. Кроме того, в пределах этого участка выделяется крупная погребенная дочетвертичная долина, в которой мезозойские отложения локально размыты.

В геологическом строении принимают участие отложения четвертичной, юрской и каменноугольной систем. Четвертичные отложения распространены повсеместно и представлены техногенными грунтами, аллювиальными отложениями II (мневниковской) и III надпойменных террас и высокой поймы, ледниковыми отложениями московского горизонта. Отложения четвертичной системы представлены связными и несвязными грунтами суммарной мощностью от 20 до 50 м. Отложения юрской системы распространены на большей части территории и представлены глинистыми грунтами. Каменноугольная система представлена отложениями верхнего и среднего отделов. Верхний отдел представлен не выдержанным по площади и мощности чередованием карбонатных пород (известняками и изредка доломитами) и глин, а средний отдел — карбонатными отложениями.

На территории развиты надморенный и надъюрский водоносные комплексы, а также водоносные горизонты в отложениях каменноугольной системы. Надморенный водоносный комплекс распространен локально, абсолютные отметки уровня составляют 137–142 м, горизонт безнапорный. Надъюрский водоносный комплекс распространен практически повсеместно, абсолютные отметки уровня изменяются от 128 до 140 м, горизонт напорно-безнапорный, в местах отсутствия водоупора, отделяющего его от вод каменноугольных отложений, происходит объединение этих водоносных горизонтов. Водоносные горизонты каменноугольной системы приурочены к перхуровским, ратмировским и подольско-мячковским отложениям.

Методика и результаты исследования

В базе данных инженерно-геологических скважин ИГЭ РАН в границах зоны, определенной как опасная с позиций оценки опасности современных карстово-суффозионных процессов [9], содержится информация о 589 скважинах, среди них 229 вскрыли кровлю отложений каменноугольной системы. Данные большинства этих скважин использовались при построении карты [9]. В базе данных ГБУ “Мосгоргеотрест” под данным на 2024 г. в границах исследуемого участка имеется 395 скважин, вскрывших закарстованный горизонт. При этом 176 скважин дублируются в двух базах, 53 скважины есть только в базе данных ИГЭ РАН, 219 скважины есть только в базе данных ГБУ “Мосгоргеотрест”. Таким образом, в анализе используются данные по 448 скважинам, вскрывшим первый от поверхности закарстованный горизонт. При площади участка 4.9 км² плотность данных составляет 91 выработку на 1 км².

Так как, согласно СП 446.1325800.2019 “Инженерно-геологические изыскания для строительства. Общие правила производства работ” (таблица 6.1), такая плотность горных выработок при III категории сложности инженерно-геологических условий (именно III категория сложности присвоена исследуемому участку из-за наличия поверхностных проявлений карстово-суффозионного процесса) дальнейшие картографические построения проводились в масштабе инженерно-геологической съемки 1 : 5 000.

Для анализа были использованы буровые журналы и колонки 448 скважин, расположенных в границах исследуемой зоны, и 215 скважин, вскрывших первый от поверхности закарстованный горизонт в пределах зоны 250 м за ее границами. Скважины за пределами исследуемого участка использовались для более точной интерполяции у границ исследуемой территории.

Исследователи сходятся во мнении, что на территории Москвы образовалось минимум 39 карстово-суффозионных поверхностных проявлений. Авторами настоящей статьи были проанализированные отчеты о региональном изучении карстовых проявлений на территории Москвы, составленные С.И. Парфеновым, Н.Н. Лебковым, Н.Т. Калмыковым и др., содержащие информацию о местоположении проявлений, в соответствии с ней проявления были нанесены на карту. Из архивных отчетов была получена информация о дате образования (дате первого упоминания в архивных источниках), длине, ширине и глубине каждого проявления. На основании этих данных было выяснено, что три понижения неустановленного генезиса (см. рис. 1) имеют диаметры 250, 150 и 80–30 м (понижение овальной формы), при этом самые большие диаметры проявлений карстово-суффозионного генезиса составляют 53, 40 и 38 м. Два из трех понижений неустановленного происхождения закартированы Е.Г. Качугиным в 1932 г., информация о третьем получена благодаря архивному топографическому плану масштаба 1 : 2 000, построенному по данным 1947 г. Другой задокументированной информации об этих формах рельефа нет. Учитывая их большой размер в плане, не свойственный данной инженерно-геологической обстановке, авторы склоняются к тому, что их происхождение вряд ли связано с карстово-суффозионным процессом.

Буровой журнал или колонка каждой скважины изучались, необходимая информация заносилась в базу атрибутивных данных, которая в процессе исследования пополнялась новыми показателями строения и состояния геологической среды.

В начале авторы попытались определить приуроченность поверхностных проявлений к какому-то определенному диапазону характеристик строения закарстованного горизонта и перекрывающей его толщи. В качестве характеристик для анализа были выбраны данные о состоянии первого от поверхности слоя карбонатных отложений, мощности экранирующего глинистого слабопроницаемого слоя, а также количество водоупоров в перекрывающей толще.

Одно из условий развития карстово-суффозионного процесса — наличие полостей, в которые бы мог быть вынесен дисперсный материал. Такими полостями в условиях Москвы могут служить трещины и пустоты в известняках и доломитах каменноугольного возраста. На рис. 1 показаны скважины, в которых при бурении были вскрыты незаполненные полости.

В границах исследуемой зоны зафиксировано 39 полостей: 5 — в отложениях среднего отдела каменноугольной системы с высотой от 0.2 до 1.2 м (в среднем 0.66 м); 34 обнаружены в отложениях среднего отдела каменноугольной системы, их высота изменяется от 0.1 до 1.2 м (в среднем 0.51 м). На рис. 2 приведена гистограмма высот пустот. Полости вскрыты в 38 скважинах (в одной из скважин вскрыты полости в отложениях обоих отделов каменноугольной системы).

 

Рис. 2. Гистограмма высот пустот.

 

Для установления приуроченности поверхностных проявлений к типу строения толщи грунтов, покрывающих закарстованный горизонт, а именно количеству водоупоров, залегающих над первым от поверхности слоем карбонатных отложений, авторами выполнено районирование территории по типу разреза. Для районирования использовали данные 448 скважин, расположенных в границах исследуемого участка. Идея о проведении подобного районирования пришла авторам исследования после изучения публикации А.В. Аникеева, А.Л. Рагозина и В.Н. Селезнева [4].

В настоящем исследовании районирование было выполнено по двум показателям:

• наличию в толще экранирующего глинистого горизонта, залегающего над первым от поверхности слоем карбонатных (закарстованных) отложений;
• наличию глинистого слоя в перекрывающей песчаной толще.

В результате было выделено 4 района, характеризующихся следующими особенностями строения (рис. 3), когда на карбонатных отложениях залегают:

• несвязные (песчаные) отложения (тип 1);
• несвязные (песчаные) отложения, однако в их толще присутствуют связные (глинистые) отложения (тип 2);
• связные (глинистые) отложения, а все отложения выше по разрезу представлены несвязными породами (тип 3);
• связные (глинистые), однако в толще несвязных (песчаных) вышележащих отложений встречается еще один слой слабопроницаемых пород (тип 4).

 

Рис. 3. Типы строения толщи грунтов, залегающей над первым от поверхности слоем карбонатных отложений.

 

Граница участков с 1 и 2 типом разрезов является примерной границей литологических окон в водоупоре, отделяющем каменноугольный водоносный горизонт от надъюрского водоносного комплекса.

Результатом стала карта районирования территории по типу строения перекрывающей толщи (рис. 4). Территории с первым типом разреза занимают 8.3%, с вторым — 3.6%, с третьим — 34.6%, с четвертым — 53.5% от площади исследуемого участка.

 

Рис. 4. Карта районирования территории по типу строения перекрывающей толщи.

 

На участках с 1 и 2 типом разреза не зафиксировано ни одного карстово-суффозионного проявления, на участках с 3 типом — 22 проявления (12.88 шт/км²), с 4 типом — 17 проявлений (6.42 шт/км²). Отсутствие проявлений на участках с 1 и 2 типами разрезов можно объяснить кольматацией трещин в карбонатных отложениях песчаным и глинистым материалом [14]. Наивысшая плотность провалов на участках с 3 типом строения перекрывающей толщи — она почти в 2 раза выше плотности на участках с 4 типом строения. Это свидетельствует, что наличие в перекрывающей толще связных отложений второго водоупорного слоя может являться фактором, уменьшающим вероятность образования на земной поверхности замкнутого локального понижения карстово-суффозионного происхождения.

Авторами была составлена карта районирования территории по преобладающей степени трещиноватости первого от поверхности слоя карбонатных отложений (рис. 5). Для этого в каждой скважине, вскрывшей подошву первого от поверхности слоя карбонатных отложений (любого возраста), было определено соотношение мощностей прослоев различной степени трещиноватости (монолитных, слаботрещиноватых, среднетрещиноватых, сильнотрещиноватых и разрушенных до муки и щебня) к мощности всего первого от поверхности слоя карбонатных отложений. Трещиноватость прослоев определена по данным буровых журналов и колонок скважин. Полученные точечные данные классифицировались в зависимости от преобладающей степени трещиноватости в анализируемом слое карбонатных отложений. Для построения карты использованы данные буровых журналов 119 скважин, расположенных в границах исследуемого участка.

 

Рис. 5. Карта районирования территории по преобладающей степени трещиноватости первого от поверхности слоя карбонатных отложений.

 

Территории с монолитным и слаботрещиноватым первым от поверхности слоем известняка занимают по 0.6%, территории с трещиноватым — 25.2%, с сильнотрещиноватым — 73.6% от площади всей исследуемой территории. На первых двух типах участков располагается по одному карстово-суффозионному поверхностному проявлению. На участке, где в разрезе первого от поверхности слоя карбонатных отложений преобладают трещиноватые грунты, расположены 17 проявлений (13.68 шт/км²), где сильно трещиноватые и разрушенные — 20 проявлений (5.44 шт/км²). Из этого можно заключить, что степень трещиноватости первого от поверхности слоя карбонатных отложений также влияет на вероятность поверхностного проявления: чем слой более трещиноватый, тем вероятность больше, однако она значительно меньше, если первый от поверхности слой закарстованных отложений представлен преимущественно сильно трещиноватыми отложениями.

Районирование территории по степени карстово-суффозионной опасности

Принимая во внимание инженерно-геологические условия исследуемого участка и минимальные скорости растворения карбонатных отложений, при районировании территории по степени опасности необходимо учитывать опасность именно карстово-суффозионного процесса, т.е. опасность деформирования и разрушения перекрывающей толщи и образование поверхностных проявлений (воронок, провалов и мульд оседания).

Перед тем, как переходить к районированию территории по степени карстово-суффозионной опасности, следует обосновать возможность/невозможность использования некоторых критериев, предлагаемых в работе [8], а именно: величины градиента вертикальной фильтрации, данных о физических и физико-механических свойствах грунтов и приуроченность к доледниковым долинам.

Для определения градиента вертикальной фильтрации необходимы данные об уровнях карстовых и надкарстовых подземных вод и мощности разделяющего их водоупора. Так как гидрогеологические условия антропогенно-освоенных территорий меняются очень быстро, использование архивных данных весьма проблематично. В пределах исследуемой территории на 2024 г. размещены 5 действующих наблюдательных гидрогеологических скважин (ГПБУ “Мосэкомониторинг”), 3 из них расположены кустом и позволяют наблюдать уровни донско-московского (водовмещающие породы — несвязные отложения $f,lgId{s}^3-II m{s}^1$), подольско-мячковского (водовмещающие породы — карбонатные отложения $C_{2}pd-mc$) и каширского (водовмещающие породы — карбонатные отложения $C_{2}ks$) водоносных горизонтов. Две другие скважины оборудованы для мониторинга донско-московского и алексинско-протвинского (водовмещающие карбонатные отложения $C_{1}al-pr$) водоносных горизонтов. К сожалению, по данным существующих в настоящий момент наблюдательных скважин районирование территории по величине градиента вертикальной фильтрации не представляется возможным.

Согласно п. 6.1.7. СП 47.13330.2016, срок давности данных о физических и физико-механических свойствах грунтов на застроенных территориях составляет 2 года, что также делает невозможным и их использование при районировании.

Приуроченность к доледниковым долинам на участке исследования следует определять не по положению их тальвега, а по расположению долин в плане, однако такие долины опасны меньшими (или нулевыми) значениями мощности юрских отложений, что учитывается при построении карты мощности связных отложений, залегающих над первым от поверхности закарстованным горизонтом.

Таким образом, основным (достоверным) параметром при районировании территории Москвы по степени карстово-суффозионной опасности, как уже говорилось выше, является мощность глинистых отложений, залегающих над первым от поверхности слоем карбонатных отложений. Это связано, в первую очередь, с их экранирующей функцией: они затрудняют доступ поверхностных вод (часто агрессивных к карбонату кальция) к известнякам каменноугольной системы и препятствуют развитию суффозии [7]. По этим причинам повышенная мощность экранирующих отложений может служить препятствием для образования провала, воронки или мульды оседания. Несомненным преимуществом является доступность получения этой информации при бурении. Поэтому, вслед за ведущими работами, в качестве основного параметра для районирования территории авторы использовали мощность экранирующих глинистых отложений, перекрывающих первый от поверхности слой известняка.

Авторами настоящего исследования была построена карта мощности экранирующих глинистых отложений (рис. 6). При ее построении вслед за авторами Карты [9], учитывалась общая мощность связных грунтов, залегающих над первым от поверхности слоем карбонатных отложений. Мощность экранирующих глинистых отложений определялась путем суммирования мощностей разновозрастных связных отложений. Суммирование проводилось от кровли карбонатных отложений до подошвы первого встреченного в разрезе слоя несвязных грунтов. При построении карты использовались данные 448 скважин, расположенных в границах изучаемой территории.

 

Рис. 6. Карта мощности экранирующих глинистых отложений, перекрывающих первый от поверхности слой карбонатных отложений (известняка).

 

В пределах исследуемого участка [9] общая мощность экранирующих глинистых отложений, перекрывающих первый от поверхности слой карбонатных отложений (известняка), изменяется от 0 до 19 м. Экранирующие глинистые отложения отсутствуют на 0.59 км² территории, что составляет 11.9% его площади.

На основе представленной карты (см. рис. 6) было проведено районирование территории по мощности экранирующих глинистых отложений с использованием двух наборов граничных значений (рис. 7). При смещении границы, отделяющей участки опасной категории от участков потенциально опасной категории, с изопахиты 3 до 5 м площадь участка, который можно определить как опасный, увеличивается на 1.19 км² (24.1%), а площадь неопасного участка при смещении изопахиты районирования, отделяющей неопасную категорию от потенциально опасной, с 10 до 12 м уменьшается на 0.21 км² (4.3%) (табл. 1).

 

Рис. 7. Карты районирования территории по мощности глинистых отложений, перекрывающих первый от поверхности слой карбонатных отложений (известняка), по изопахитам: а - 3 и 10 м, б - 5 и 12 м.

 

Таблица 1. Площадь участков при районировании территории по мощности глинистых отложений по изопахитам 3 и 10 м и 5 и 12 м

Мощность экранирующих глинистых отложений, м	Площадь, км2	Мощность экранирующих глинистых отложений, м	Площадь, км2
<3	2.28	<5	3.47
от 3 до 10	2.35	от 5 до 12	1.37
>10	0.30	12 и более	0.09

 

С помощью геоинформационной системы было автоматически извлечено значение мощности глинистых отложений, перекрывающих закарстованный горизонт (см. рис. 6), в местах известных провалов. Из 42 провалов два образовались на участках с мощностью экранирующих глинистых отложений 10< h <12 м. Поэтому в дальнейшем при районировании границей между потенциально опасной и безопасной категориями была выбрана изопахита экранирующих глинистых отложений 12 м. В качестве значения мощности экранирующих глинистых отложений, являющегося границей между опасной и потенциально опасной категориями, авторы данного исследования использовали мощность 3 м, придерживаясь работы [8].

Таким образом, первым параметром районирования территории по степени карстово-суффозионной опасности авторы настоящей статьи использовали мощность глинистых отложений, перекрывающих закарстованный горизонт. К опасной территории предлагается относить участки с мощностью экранирующих глинистых отложений, перекрывающих закарстованный горизонт, менее 3 м, к потенциально опасным — 3–12 м, к неопасным — территории с мощностью экранирующих глинистых отложений более 12 м (рис. 8а).

 

Рис. 8. Карта районирования территории: а - по изопахитам глинистых отложений 3 и 12 м, б — по удаленности от ближайшего поверхностного проявления карстово-суффозионного процесса.

 

Учитывая, что за последние 25 лет на данной территории не зарегистрировано ни одного понижения земной поверхности природного генезиса, так как откачки подземных вод стали более умеренными и не привели к понижениям их уровней до отметок второй половины XX в., авторы сделали вывод о весьма низкой вероятности образования новых поверхностных проявлений карстово-суффозионного процесса в условиях сохранения уровней подземных вод на современных отметках.

Однако возможность повторной активизации проявлений во второй половине XX в. и образования на небольшом удалении от них новых проявлений при незначительном изменении гидрогеологического режима исключать не стоит. Полое пространство растворимых пород в процессе провалообразования заполняется частицами вышележащих грунтов, но предположить полную кольматацию всех трещин карбонатных отложений можно только в случае прекращения провалообразования по естественным причинам.

В Москве же провалообразование активизировалось по причине сильного антропогенного понижения уровня подземных вод и остановилось после прекращения бесконтрольных откачек. Поэтому быть уверенными, что пустоты в карбонатных отложениях в зоне выноса материала заполнились полностью в прошлом веке и остались заполненными до сегодняшнего дня, нельзя. Нельзя однозначно утверждать, что увеличение градиента вертикальной фильтрации не приведет к продолжению выноса несвязных грунтов в трещины и полости карбонатных отложений на участках уже известных проявлений. Так как осуществляющие строительство компании не передают информацию об объемах откачек ни в одну государственную организацию, осуществляющую гидрогеологический мониторинг на территории города, отслеживать изменение величины градиента вертикальной фильтрации не представляется возможным. Исходя из этого, использование градиента вертикальной фильтрации для своевременного определения опасных и потенциально опасных участков авторы считают неприемлемым.

Комплексом инженерно-геологических методов изучено всего 14 проявлений. И все проведенные на сегодняшний день многочисленные исследования по определению причин активизации провалообразования не смогли ответить на основные вопросы: “Почему провалы образовались именно на этих местах? Почему при идентичных условиях на двух участках, провал образовался только на одном из них?”. Поэтому утверждать, что карстово-суффозионный процесс на территории города полностью изучен и понятен, тоже нельзя.

Из всего вышесказанного напрашивается вывод: есть какой-то фактор провалообразования, который на существующем этапе исследования установить не удалось. Так как геологическая среда неоднородна и в плане, и в разрезе, и, допуская, что места образования всех известных проявлений являются областями с наличием какого-то определенного, достоверно неустановленного набора характеристик этой среды, авторы выдвигают предположение, что при изменении существующей гидрогеологической обстановки участки известных проявлений и наиболее приближенные к ним территории с наибольшей вероятностью могут подвергнуться процессу провалообразования.

Этот довод, в совокупности с невозможностью оценки величины градиента вертикальной фильтрации и использования физических и механических свойств четвертичных и юрских отложений при районировании территории по степени карстово-суффозионной опасности, наводит на мысль о допустимости использования метода районирования по удаленности от ближайшего известного поверхностного проявления.

Основоположник метода районирования территории по удаленности от поверхностных проявлений карста — И.А. Саваренский [18]. Суть метода заключается в построении карт изолиний равной удаленности от известных поверхностных проявлений. И.А. Саваренский в работе [17] отмечал, что поверхностные карстовые формы локализуются в пределах некоторых областей (карстовых полей) и число их проявлений на единицу площади уменьшается по мере увеличения удаленности от известных форм, следовательно, уменьшается и степень опасности. Опираясь на его труды, ряд авторов выполнил прогнозирование устойчивости закарстованных территорий по удаленности от карстовых проявлений [19]. Метод зонирования территории по мере удаленности от карстовых форм был включен во вторую часть СП 11-105-97. Метод удаленности от ближайшего карстового проявления позволяет установить степень подверженности района образованию поверхностных проявлений, и он активно используется вместе с другими методами и методиками оценки опасности [5, 6]

В зависимости от масштаба карты и поставленных задач отсчет расстояния можно вести как от центра проявления, так и от его края. Если воронка в масштабе карты отображена площадным знаком (размер воронки отображается в масштабе карты), то И.А. Саваренский предлагает строить изолинии удаленности от краев проявлений. Масштаб картирования в данном исследовании составляет 1 : 5 000, диаметры проявлений карстово-суффозионного генезиса изменяются от 1.5 до 53 м (на карте 0.3–10.6 мм), их средний диаметр составляет 12 м (на карте 3.0 мм), поэтому районирование территории по удаленности проведено авторами от центра проявлений. Круглую форму в плане имеют 27 из 39 проявлений карстово-суффозионного происхождения. Диаметр изометричных понижений изменяется от 1.5 до 53 м (в среднем 10.47 м). Отношения длины к ширине у овальных проявлений изменяется от 1.25 до 3.0, самое больше овальное понижение имеет размеры 40 $\times$ 25 м, самое маленькое — 4.5 $\times$ 3.0 м, для определения граничных значений районирования по удаленности для овальных понижений был взят средний диаметр (среднее арифметическое между длиной и шириной проявления).

Для определения внешней границы опасной категории, отделяющей ее от потенциально опасной, авторы приняли расстояние от центра провала равное 2.5R (где R — радиус провала); для отделения территории потенциально опасной от неопасной — 5R. При наложении кругов одной и той же категории опасности вокруг разных проявлений они объединялись в единый контур. В противном случае территория районируется отдельными окружностями.

Для технического упрощения проведения районирования проявления в зависимости от диаметра были поделены на 4 группы. Для каждой группы определены расстояния от центров провалов до границ категорий районирования территории по удаленности от ближайшего проявления (табл. 2). Несмотря на то, что генезис 3 понижений не определен, авторы все равно учитывали их при последующем районировании.

 

Таблица 2. Границы районирования территории по удаленности от известных поверхностных карстово-суффозионных проявлений

Диаметр провалов, м	Расстояние от центра проявления, определяющее границу:
	опасного участка, м	потенциально опасного участка, м
<10	12.5	от 12.5 до 25
10–20	25	от 25 до 50
20–30	37.5	от 37.5 до 75
>30	50	от 50 до 100

 

Результатом стала карта районирования территории по удаленности от известных поверхностных карстово-суффозионных проявлений (рис. 8б).

На основе карт районирования по мощности экранирующих глинистых отложений и удаленности от ближайшего карстово-суффозионного проявления путем наложения одной карты на другую была построена результирующая карта районирования территории по степени карстово-суффозионной опасности (рис. 9). Каждый участок такой синтетической карты имеет две характеристики: мощность глинистых перекрывающих отложений и удаленность от ближайшего поверхностного карстово-суффозионного проявления. В зависимости от их сочетания участку присваивалась категория опасности в соответствии с табл. 3.

 

Рис. 9. Карта районирования участка, ранее полностью отнесенного к опасной категории по по степени карстово-суффозионной опасности [9]: а – обзорная, б — фрагмент карты в масштабе 1 : 5 000.

 

Таблица 3. Районирование территории по степени карстово-суффозионной опасности

Мощность перекрывающих глинистых отложений, м	Расстояние от ближайшего проявления
	<2.5R	2.5R–5.0R	>5R
<3	весьма опасная	опасная	опасная
от 3 до 12	опасная	опасная	потенциально опасная
>12	опасная	неопасная	неопасная

 

Выделено 4 категории опасности, и кроме трех общеиспользуемых введена категория “весьма опасная” для участков, наиболее приближенных к местам известных провалов с мощностью экранирующих глинистых отложений <3 м. При этом участками неопасной категории предлагается считать удаленные от провалов на расстояние более 2.5R и с мощностью глинистых отложений >12 м.

Авторами построена карта районирования в масштабе 1 : 5 000 по степени карстово-суффозионной опасности участка площадью 4.9 км² на территории Москвы, ранее полностью отнесенного к опасной категории по проявлению современных карстово-суффозионных процессов [9] (см. рис. 9б).

На основе новых данных о геологическом строении территории построена более детальная карта мощности глинистых отложений, перекрывающих закарстованный горизонт, на этом участке. Это позволило точнее провести границу между участками различной категории опасности. В результате введения второго критерия — удаленности от известного карстово-суффозионного поверхностного проявления, авторам удалось учесть при районировании участка и этот параметр, ранее не использовавшийся на территории г. Москва.

Выводы

В пределах области, полностью определяемой в настоящее время как опасная [9], согласно предложенному подходу к районированию, а именно использование двух параметров: мощности глинистых перекрывающих отложений и удаленности от ближайшего поверхностного карстово-суффозионного проявления, были выделены неопасные участки площадью 0.09 км² (1.83%), потенциально опасные — 2.31 км² (46.86%), опасные — 2.50 км² (50.70%) и весьма опасные — 0.03 км² (0.61%). Это позволит снизить объемы проводимых в данном районе инженерно-геологических изысканий за счет понижения категории сложности инженерно-геологических условий территории.

Для более качественного анализа реальной карстово-суффозионной опасности необходимо организовать постоянно действующую сеть гидрогеологических скважин для регулярных наблюдений за режимом подземных вод (карстовых и надкарстовых водоносных горизонтов). Это позволит установить величину градиента вертикальной фильтрации и использовать данный критерий при районировании. Количество пунктов наблюдения должно обеспечивать возможность построения карт в масштабе хотя бы 1 : 10 000 (согласно таблице 6.1 СП.446.1325800.2019 для III категории сложности инженерно-геологических условий плотность данных для масштаба съемки 1 : 10 000 должна составлять 16 выработок на 1 км²). Таким образом, на исследуемом участке площадью 4.9 км² должно находиться минимум 79 точек наблюдения за уровнями подземных вод. Кроме того, необходимо расширить сеть геодезического мониторинга за осадками зданий и сооружений.

Корреляция данных позволит сделать верифицированную оценку карстово-суффозионной опасности исследуемой территории.

Статья подготовлена в рамках выполнения государственного задания и плана НИР ИГЭ РАН по теме № FMWM-2022-0010.

作者简介

E. Romanova

Sergeev Institute of Environmental Geoscience, Russian Academy of Sciences; National Research Moscow State University of Civil Engineering

编辑信件的主要联系方式.
Email: romanova.elizaveta.r@yandex.ru
俄罗斯联邦, Ulanskii per. 13, str. 2, Moscow, 101000; Yaroslavskoe Shosse 26, Moscow, 129337

F. Bufeev

Sergeev Institute of Environmental Geoscience, Russian Academy of Sciences; S.Ordzhonikidze Russian State University for Geological Prospecting

Email: fbufeev@mail.ru
俄罗斯联邦, Ulanskii per. 13, str. 2, Moscow, 101000; ul. Miklukho-Maklaya 23, Moscow, 117997

参考

补充文件