Определение ослабленных зон с позиций инженерной геологии и гидрогеологии

В последние десятилетия термин «ослабленная зона» получил широкое распространение в различных науках о Земле. Он широко используется в геологии, горном деле, геомеханике, тектонике, геодинамике, сейсмологии.

К ослабленным зонам приурочивается развитие рудоносных провинций гидротермального типа, где на участках повышенной тектонической активности по многочисленным мелким трещинам из окружающей среды поступают рудоносные растворы [11].

Установлено, что над месторождениями (залежами) углеводородов имеются обширные субвертикальные ослабленные зоны различных наложенных друг на друга систем трещиноватости, по которым осуществляется интенсивная вертикальная миграция углеводородов к земной поверхности [2].

К этому можно добавить, что установленным является факт приуроченности месторождений указанных генетических типов к структурам, сформированным так называемыми магистральными разломами.

По данным камчатских ученых анализ пространственного размещения вулканов показывает, что если они формируются в зонах разломов, то группируются в ослабленных зонах, которые являются узлами пересечения разнонаправленных разломов.

Известно, что при освоении месторождений подземным способом в горных выработках почти сразу выявляются ослабленные зоны, где горный массив является подвижным или квазиустойчивым. Отдельные области массива в местах пересечения подвижных зон с выработками становятся водопроницаемыми и неустойчивыми. Возникновение трещин обусловлено различного рода напряжениями, возникающими при движении земной коры. Поскольку ослабленные зоны легко поддаются воздействию выветривания, не вызывает сомнения, что они, как и разломы и трещины, играют важную роль в формировании рельефа и гидрографической сети [7][8].

Очевидно, что для выделения таких зон применимы все методы дистанционного и не дистанционного зондирования (дешифрирование космо- и аэрофотоснимков, структурно-морфологические, геологические, геофизические, гидрогеологические и инженерно-геологические методы). В то же время ослабленные зоны занимают определенное место в иерархии уровней, используемых, к примеру, при структурно-геоморфологическом анализе (локальные, региональные и глобальные).

Считается, что наиболее чувствительным к тектоническим движениям экзогенным процессом является водная эрозия. Поэтому любые ослабленные зоны, например зоны повышенной трещиноватости, подвергаются эрозии в первую очередь, на них закрепляется гидросеть и они обнаруживают себя в рельефе в виде эрозионных ложбин разной масштабности.

Не вызывает сомнения, что такие зоны весьма интересны с позиций гидрогеологии и инженерной геологии. Для ослабленных зон, как уже отмечалось, характерна повышенная трещиноватость, дезинтеграция и водонасыщенность пород. Вдоль них активно развивается карст, наблюдаются интенсивные водоперетоки, устанавливается гидравлическая связь поверхностных и подземных вод. В результате всех этих явлений в зонах влияния разрывных нарушений наблюдается разуплотнение и оседание вышележащих грунтов, инфильтрация поверхностных загрязнителей в водоносные горизонты питьевого назначения, формирование ландшафтных аномалий с высокими концентрациями химических элементов и веществ различных классов опасности на геохимических барьерах. В зонах влияния разломов часто наблюдаются деформации земной поверхности, приводящие к нарушениям целостности зданий, сооружений, дорог, трубопроводов, формирование аномалий радиоактивного газа радона в покровных отложениях над разломами и т.д. [1].

Инженерами-геологами и гидрогеологами тер- мин «ослабленная зона» также используется на протяжении последних десятилетий и часто ассоциируется с зонами разуплотнения, пониженных прочностных и деформационных характеристик грунтов, развития экзогенных процессов, зон повышенной пористости и проницаемости.

В литературе, посвященной решению гидрогеологических и инженерно-геологических задач, вопросы повышенной проницаемости, миграции, развития различных экзогенных процессов всегда увязывались с тектоническими условиями, геодинамическим режимом, напряженно-деформированным состоянием грунтового массива (Гольдберг В.М., 1984, 1987; В.А. Мироненко, Румынин В.Г., 1998, 1999, 2020; Сергеев Е.М., Варга А.А., Бондарик Г.К., Зиангиров Р.С, Голодковская Г.А., Золотарев Г.С., Осипов В.И. и др., 1985; Кац Я.Г., Кутепов В.М., 1986; Хоменко В.П., 1987; Пашкин Е.М., Панкратов А.В., 2002; Несмеянов С.А., 2004, и др.).

Ослабленные зоны как объект исследований

Из всего сказанного следует, что понятие «ослабленные зоны» используется в науках о Земле применительно к достаточно широкому спектру структур и состояний горных массивов и грунтов. К ослабленным зонам причисляют:

• тектонически нарушенные зоны,
• зоны субпараллельного расщепления разломов,
• зоны трещиноватости,
• узлы пересечения разломов,
• узлы пересечения трещин,
• зоны разуплотнения пород и грунтов,
• зоны дилатансии,
• зоны влияния разрывных нарушений, вызывающие разуплотнение и оседание перекрывающих грунтов, часто служащих несущим основанием различных объектов,
• подвижные, квазиустойчивые, неустойчивые зоны горного массива и пр.

Отсюда следует, что ослабленные зоны могут рассматриваться и трактоваться в довольно широком диапазоне, начиная от крупных разломных зон, включая зоны дилатансии (в основном скальные и слабо литифицированные дисперсные грунты), до зон с резко или довольно заметно изменяющимися физико-механическими свойствами (дисперсные грунты). Зоны дилатансии, как уже упоминалось, это приразрывные зоны разгрузки напряжений, сопровождающиеся изменениями в физико-механических характеристиках слагающих их пород. При этом цель изучения и учета таких зон также меняется, в том числе и от масштаба исследований [8].

Несмотря на достаточно широкое использование термина «ослабленная зона», в литературе довольно редко встречаются его определения. Вот некоторые из них, используемые в инженерной геологии.

Ослабленная зона (при рассмотрении карстово-суффозионных процессов) — зона в покровных отложениях, соответствующая зоне деформаций (обрушения) этих отложений и их ослабления вокруг зоны деформаций (обрушения) [10].

Ослабленная зона — это локальный участок в зоне техносферного влияния, где может происходить или уже произошло аномальное снижение несущих свойств грунтов по сравнению с окружающими грунтами того же типа с последующим негативным проявлением этих свойств по отношению к зданиям и инженерным сооружениям [3].

Оба определения используются применительно к определенным объектам исследования в инженерной геологии и по этой причине не могут быть универсальными. Наиболее приемлемой представляется такая формулировка: ослабленная зона — это область грунта (породы), где имеет место закономерное пространственно-временное изменение его инженерно-геологических и гидрогеологических характеристик по направлению от зон со слабо выраженными изменениями до зон максимальных изменений или границ распространения (разрывы сплошности массива, скрытые и открытые гидрогеологические границы). Классификации ослабленных зон на сегодня не существует.

Ослабленные зоны часто увязываются со структурно-тектоническими построениями на рассматриваемой территории. Это не совсем корректно, т.к. такие зоны могут также развиваться на границе сред вследствие геолого-литологических неоднородностей и пространственно-временной изменчивости характеристик грунтового массива. При этом необходимо также учитывать корректность таких построений и информативность результатов инженерно-геологических изысканий.

В зависимости от масштаба исследований и слагающего субстрата такие зоны так же, как структурно-тектонические, геоморфологические, геоэкологические объекты, обладают соответствующей иерархией и соподчиненностью.

Соответствующими рангу таких структур и их активности оказываются и масштабы их влияния на различные инженерные сооружения и объекты. Поэтому не вызывает сомнения роль таких структур при оценке инженерно-геологических условий территории и необходимость их изучения на всех этапах инженерно-геологических изысканий [9].

В таких зонах более интенсивно проявляется пространственно-временная изменчивость геологической среды и характеристик геологического поля. Пространственная изменчивость характеристик обусловлена распределением сил, вызывающих разуплотнение или упрочнение, а временная — изменением их величины и направленности во времени. Ослабленные зоны, в свою очередь, являясь следствием процессов разуплотнения (дилатансии), представляются структурами, в объеме которых плотностные и прочностные характеристики горных пород и грунтов ниже, чем в окружающем их массиве. Соответственно, пористость, трещиноватость и проницаемость в них увеличиваются.

Нельзя также обойти вопрос об «активности» таких структур. В том случае, когда они отожествляются с тектоническими нарушениями и разломами, это понятие, несмотря на множество нерешенных вопросов, достаточно устоялось. Оно, в частности, ассоциируется с сейсмической и геодинамической активностью, ролью тектонических нарушений в энерго- и массопереносе и связанными с этим ландшафтными аномалиями, экологическими проблемами, проявлением экзогенных и инженерно-геологических процессов.

Что касается «активности» таких зон в дисперсных и слабопроницаемых грунтах, то она проявляется в первую очередь в увеличении в ее пределах инфильтрации воды и других флюидов, а следовательно, в локализации экологических (к примеру, проникновения и накопления радона), экзогенных и инженерно-геологических процессов: деформаций земной поверхности, суффозии, образования просадочных воронок, оврагообразования и в конечном счете деформации и/или разрушения зданий. Отсюда следует, что если такая ослабленная зона не выделена, к примеру, на момент изысканий на основе общепринятых методик (СП, ГОСТ и пр.), то в последующем под воздействием природных и техногенных факторов характеристики грунтов в пределах этой зоны могут ухудшиться. С определенного момента она может стать фактором геологического риска и сыграть негативную роль при строительстве и эксплуатации объекта.

С другой стороны, признавая связь таких зон с указанными явлениями и процессами, подчас не удается ответить на простой вопрос: почему тот или иной процесс происходит именно здесь, а не в другом месте, проследить направление и масштабы его развития, спрогнозировать возможные объемы охвата и время развития. Причина, вероятно, в том, что математический аппарат, позволяющий моделировать и прогнозировать различные процессы в инженерной геологии и гидрогеологии, применяется в основном при работе с уже имеющими место и достаточно хорошо изученными событиями, без учета возможности наличия ослабленных зон, их масштаба и пороговых характеристик. В то же время при всей очевидности в необходимости выделения таких зон методически это не отработано. Но если на основе принятых методик такие зоны выделить не получается, то резонно встает вопрос — как это делать? На самом деле проблема лежит не в плоскости отсутствия методики как таковой, а в более осмысленном применении тех знаний, которые уже достигнуты в науках о Земле, но на качественно новом уровне, в придании этому процессу упорядоченного и законченного алгоритма. Требуется и некоторое изменение правил, к примеру, опробования грунтов. Связано это, очевидно, с отсутствием четкого определения и классификации таких зон и их места в пантеоне геологических объектов, а также геометрических и физических границ их определения.

Когда речь идет об ослабленных зонах — зонах разуплотнения скальных и полускальных грунтов, залегающих с поверхности земли или перекрываемых дисперсными грунтами небольшой мощности, то такие зоны часто ассоциируются с зонами разрыва сплошности, в роли которых выступают разрывные нарушения разного ранга или их ассоциации, а также связанные с ними зоны дилатансии.

Под разрывами сплошности в данном случае понимается весь ряд нарушений тектонического и нетектонического характера. Существует ряд шкал, ранжирующих разрывные, в основном тектонические, нарушения. Например, шкала Кайе — Пиотровского, используемая в основном при выделении зон вероятных очагов землетрясений (ВОЗ) при оценке территорий размещения объектов использования атомной энергии (ОИАЭ) (табл. 1) [11].

В соответствии с ней земную кору и верхнюю мантию рекомендуется рассматривать как дискретно-иерархическую структуру, каждый блок которой состоит из более мелких блоков и сам, в свою очередь, является частью более крупного блока. Переход от блоков одного порядка к следующему выражается чередованием отношений их максимальных размеров, кратных 3,3 и 3. Сразу следует отметить, что с уменьшением размеров блоков указанный коэффициент может уменьшаться.

Наиболее интересными для рассматриваемой проблемы являются нарушения, отвечающие примерно IX—XII рангам по указанной шкале. Почему интересны именно IX—XII ранги? Причина заключается в том, что при инженерных изысканиях, особенно для крупных и промышленно опасных объектов, к которым, в частности, относятся ОИАЭ, ранги с X по XVI и более изучаются достаточно пристально, с использованием аэро-космофотоснимков, геологических и геофизических методов. Ранги IX—XII, как правило, если и попадают в поле зрения исследователей, то им практически не уделяется внимания с точки зрения изучения ослабленных зон. Не зря в РБ-019-18 эта шкала дана в усеченном виде, начиная с X ранга. Ранги с I по VIII также представляют интерес, но могут исследоваться только в составе специальных работ, выполняемых в ограниченных объемах (котлованы, шурфы, канавы и пр.) или в лабораторных условиях, т.к. затрагивают детальный уровень вплоть до размеров кристалла.

Совсем по-другому обстоят дела при оценке изменчивости геологического параметра дисперсных и слабопроницаемых грунтов. Здесь в первую очередь необходимо учитывать то, что не все характеристики практически могут быть оценены с достаточной точностью. Это касается в основном механических характеристик грунтов и объясняется большим влиянием случайных составляющих при их определении. Поэтому необходимо выделить те характеристики, которые играют ведущую роль при формировании параметров и характеристик, участвующих, к примеру, в расчетах деформации основания и устойчивости сооружения [6].

В этом смысле согласно [5] наиболее удобными, не очень зависимыми от точности определения и в то же время находящимися в тесной связи с другими характеристиками, часто определяя их величину, являются пористость и плотность сухого грунта. При этом, как уже отмечалось, пористость является также миграционным параметром, определяющим корректность процесса схематизации гидрогеологических условий. Другим положительным качеством этих характеристик является возможность получения достаточного количества их определений, позволяющего производить корректную статистическую обработку, предписанную [4].

В пункте 4.6 [4] указано, что статистическую обработку результатов испытаний выполняют для выделения инженерно-геологического элемента (ИГЭ) или расчетного геологического элемента (РГЭ). За ИГЭ принимают некоторый объем грунта одного и того же происхождения, подвида или разновидности (см. ГОСТ 25100) при условии, что значения характеристик грунта изменяются в пределах элемента случайно (незакономерно) либо наблюдающаяся закономерность такова, что ею можно пренебречь. В случае выявления закономерности должны выполняться требования 5.5 [4]. ИГЭ наделяют постоянными нормативными и расчетными значениями характеристик. Комплекс ИГЭ используют при создании инженерно-геологической модели объекта.

В пункте 5.5 [4] указано, что при наличии закономерного изменения характеристик грунтов в каком-либо направлении следует решить вопрос о необходимости разделения предварительно выделенного ИГЭ на два или несколько новых ИГЭ.

Дополнительное разделение ИГЭ не проводят, если выполняется условие

V < V_доп, (1)

где V — коэффициент вариации, вычисляемый по п. 6.4; V_доп — допустимое значение, принимаемое равным для физических характеристик 0,15, для механических, а также для параметров зондирования 0,30.

Если коэффициенты вариации превышают указанные значения, дальнейшее разделение ИГЭ проводят так, чтобы для вновь выделенных ИГЭ выполнялось условие (1).

К сожалению, на практике указанные рекомендации часто не выполняются. Нарушается требование выборки только из генеральной совокупности рассматриваемой характеристики. Более того, значения определений, не попадающие в диапазон 3-х сигм (σ), просто отбрасываются, а причина их появления не анализируется. Указанный документ [4] также способствует ситуации, когда наблюдающаяся закономерность такова, что ею можно пренебречь, а не пытаться понять причины.

К этому часто добавляется игнорирование предписанных нормативными документами работ, обязательных к выполнению и способствующих выделению ослабленных зон (изучение материалов прошлых лет, структурно-тектоно-геоморфологические исследования, инженерно-геологическая и гидрогеологическая съемка, геофизические работы). Изъятие этих работ из номенклатуры предписанных и такая статистическая обработка, не позволяющая корректно показать пространственную изменчивость характеристик грунтов, повышают вероятность пропуска ослабленных зон. Это не значит, что игнорирование таких зон может пройти бесследно для объекта. И если они не проявляются в течение первых 30—50 лет, то могут проявить себя спустя длительное время. Примеры тому можно найти при оценке эксплуатационной пригодности памятников архитектуры. Но бывают проявления и в более короткое время.

Ключом для количественной оценки характеристик ослабленных зон является оценка пространственной, а в случае наличия временных срезов, пространственно-временной изменчивости характеристик пород и грунтов. Для этого она требует более точной пространственной оценки характеристик и должна опираться на использование статистики при оценке изменчивости по вертикальной координате и на ее основе построения карт изменчивости. В этом случае для дисперсных, и в частности глинистых, грунтов, кор выветривания необходимо менять методику опробования в плане увеличения количества точек опробования и их пространственной равномерности.

В процессе инженерно-геологических работ распределение точек опробования в плане несравнимо мало по отношению к точкам топографической съемки. Поэтому важно располагать такие точки с учетом рабочей гипотезы возможного проявления ослабленных зон, основанной на результатах указанных выше исследований. На площадках размещения объектов, если это возможно, наиболее оптимальной является разведка по сетке, при необходимости со сгущением на участках посадки зданий и сооружений.

При гидрогеологических исследованиях картина усугубляется еще более ограниченным числом определений проницаемости или коэффициента фильтрации (К_ф), которые весьма редко позволяют проводить статистическую обработку, не говоря о том, что точность определений гидрогеологических параметров достаточно низкая. Поэтому на участках детальной инженерно-геологической разведки лучше опираться на результаты оценки пространственной изменчивости пористости грунтов, установления корреляций между этими двумя характеристиками и построения на этой основе карт проницаемости.

Заключение

Рассмотрены структуры, которые в науках о Земле получили термин «ослабленная зона», используемый применительно к достаточно широкому спектру структур и состояний горных массивов и грунтов. Такие зоны весьма интересны с позиций гидрогеологии и инженерной геологии. Для ослабленных зон характерна повышенная трещиноватость, дезинтеграция и водонасыщенность пород. Вдоль них активно развивается карст, наблюдаются интенсивные водоперетоки, устанавливается гидравлическая связь поверхностных и подземных вод. В результате всех этих явлений в зонах влияния разрывных нарушений наблюдается разуплотнение и оседание вышележащих грунтов, инфильтрация поверхностных загрязнителей в водоносные горизонты питьевого назначения, формирование ландшафтных аномалий с высокими концентрациями химических элементов и веществ различных классов опасности на геохимических барьерах. В зонах влияния разломов часто наблюдаются деформации земной поверхности, приводящие к нарушениям целостности зданий, сооружений, дорог, трубопроводов, формирование аномалий радиоактивного газа радона в покровных отложениях над разломами и т.д.

Показано, что зоны ослабления формируются вокруг разрывов сплошности геологической среды, которыми выступают трещины и разломы разных рангов. Такие зоны «просвечивают» через перекрывающие их рыхлые отложения, вызывая ослабление последних. Одним из результатов возникновения таких зон является пространственно-временная изменчивость физико-механических свойств грунтов и пород, повышение проницаемости, улучшающее миграцию различных флюидов, включая подземные воды. В совокупности такие явления получили термин «ослабленные зоны».

В зависимости от целей и масштаба исследований, слагающего субстрата, ранга и активности таких структур показаны основные направления и возможности изучения слабых зон. Отмечено, что при детальных изысканиях ключом к количественной оценке характеристик слабых зон в дисперсных грунтах является корректная оценка пространственной изменчивости параметров грунтов, главным образом плотности сухого грунта и пористости.