Инженерно-геологическое районирование

В исходной традиции инженерно-геологического районирования, восходящей к работам И.В. Попова, тектонические структуры в явной форме использовались только для обособления наиболее крупных таксонов. Считалось, что регионы выделяются по структурно-тектоническому, области — по геоморфологическому, а районы — по литолого-генетическому признакам. При этом структурно-тектонический признак отражал наиболее существенные различия в строении верхней части земной коры, связанные с длительной историей ее формирования и выражающиеся в наборе осадочных и магматических формаций, соотношении структурных этажей и степени дислоцированности горных пород. Совершенно ясно, что многие геоморфологические и даже литолого-генетические элементы являются на самом деле структурно обусловленными. Это особенно четко проявляется в горно-складчатых областях, где практически все основные элементы рельефа обусловлены неотектоникой, т.е. являются новейшими тектоническими структурами.
Данное обстоятельство было в значительной мере учтено при разработке более дробной системы таксономических единиц инженерно-геологического районирования, включающей последовательность: регион — провинция — зона — подзона — область — район — участок. В этой системе все таксоны вплоть до подзон могли соответствовать региону первоначальной таксономической схемы. Считается также, что при среднемасштабных исследованиях (1:100 000 и мельче) выделяются подразделения до района включительно, на схемах масштаба 1:50 000 и 1:25 000 обычно удается обособить области, районы и подрайоны, а на более крупномасштабных (1:10 000 и крупнее) — районы, подрайоны и участки. Здесь области также выделяются по различиям в морфологии и генезисе рельефа, определяемым преимущественно направленностью и интенсивностью тектонических движений, т.е. по-существу новейшими тектоническими структурами.
Параллельно формируется представление о важности тектонических структур для инженерно-геологического районирования любого уровня вплоть до самого детального. В первую очередь это связано с необходимостью выявления разрывных структур, которые не только разделяют блоки с различной литологией, но и характеризуются зонами (разрывными зонами) с особыми физико-механическими свойствами пород, аномальной проницаемостью и фильтрационной способностью, часто с локализацией линейных кор выветривания, экзогенных геологических процессов и другими параметрами, важными для районирования. Как пишет Г.А. Голодковская: “геолого-структурные факторы определяют граничные условия при применении для инженерно-геологической интерпретации и других геологических методов изучения территории — формационного и литолого-фациального, историко-геологического и ландшафтно-климатического анализов. Поэтому важно, чтобы геологоструктурный анализ был не только обязательным, но и опережающим другие методы инженерно-геологического исследования”.
Существует большое число методов геотектонических исследований и районирования. Они по-разному комплексируются между собой при исследованиях различной направленности и разного масштаба. Очевидна тектоническая специфика инженерно-геологического районирования, требующая адекватной комбинации геотектонических методов.
Поскольку для инженерно-геологического районирования первостепенное значение имеет учет новейших и современных тектонических структур, может быть использован соответствующий набор основных, второстепенных и вспомогательных комплексных методов (табл. 1.2).
При этом нужно иметь в виду следующее:
— каждый комплексный метод включает ряд частных методов и их модификаций, разные наборы которых используются при решении частных задач.
— состав комплексных методов меняется по мере разработки новых частных методов и их модификаций. Отдельные частные методы иногда могут входить в разные комплексные методы.
— приведенные в табл. 1.2 комплексные методы являются наиболее распространенными. В некоторых случаях при изучении новейших структур и движений используются астрономические, гидрологические, гидрогеологические, биогеографические, историкоархеологические и др. методы. Их применение зависит от местных особенностей изученности исследуемой территории.

Каждый метод сложен и включает большое число последовательных операций. Описанию большинства методов посвящена обширная литература, к которой мы отсылаем читателя. Поэтому в данной работе лишь отмечаются наиболее перспективные направления использования каждого метода при инженерно-геологическом районировании. Но следует помнить, что практически каждый метод может эффективно использоваться при решении задач нефтяной, рудной геологии и других геологических исследованиях. При этом на первый план могут выходить иные направления в содержании перечисленных методов.

Морфоструктурный (или морфотектонический) метод предполагает выявление новейших структур, получивших прямое отражение в рельефе.
При типизации новейших структур принимается во внимание характер их соответствия древним структурам, выраженным в дислокациях толщ доновейших отложений, с разделением унаследованных, инверсионных и других типов структур.
Морфоструктурный метод обычно опирается на результаты применения других методов, в частности, картографического, анализа деформаций полигенетических поверхностей выравнивания и др. При их использовании возможно отражение изолиниями амплитуд и средних скоростей суммарных или поэтапных (например, плейстоценовых, голоценовых) обычно вертикальных тектонических движений и выявление активных разрывов, на которых целесообразно провести геодезические измерения современных разрывных смещений.
Дополнительно могут также привлекаться орографический, батиметрический частные методы и различные модификации картографического метода (анализа планового распределения различных геоморфологических элементов), которые позволяют трассировать разрывы и трещины, оконтуривать складки и блоки, выявлять структуры с новейшими, молодыми и голоценовыми движениями.
Менее распространенными модификациями морфоструктурного метода являются:
— метод изучения геоморфологии морского дна, особенно морфоструктурных особенностей строения шельфа,
— метод изучения морфоструктурных особенностей дельт, эолового рельефа и т.п.,
— метод изучения распределения эрозионных врезов и планового распределения речной сети,
— метод изучения строения речных долин, тенденций смещения русел и неравномерности строения аллювиальных толщ,
— метод изучения изменений ширины речных долин, террас, пойм, извилистости и фуркирования русел, распределения останцов древних террасовых образований,
— метод изучения размещения, морфологии и строения погребенных долин, дельт, рифов и др. образований,
— метод изучения погребенного рельефа междуречных пространств.

Аэрокосмический метод объединяет:
— непосредственные аэровизуальные и космовизуальные наблюдения;
— дешифрирование плановых и перспективных фото- и радиолокационных материалов.
К аэрокосмическим средствам получения фотоизображения относятся фотографическая, телевизионная, сканерная, тепловая инфракрасная, радиолокационная, многозональная и другие виды съемок, осуществляемые с различных носителей (искусственных спутников Земли, орбитальных станций, пилотируемых космических кораблей, самолетов, вертолетов), а также перспективные снимки разного рода, в том числе и с возвышенностей рельефа.
В современной практике наиболее широко используются панхроматические (чернобелые) снимки, имеющие более высокое разрешение, что позволяет получить детальное изображение. Многозональные съемки, выполняются одновременно в нескольких узких зонах спектра (в том числе в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах), что дает возможность при оптимальной их комбинации выбрать и изготовить наиболее контрастное синтезированное псевдоцветное изображение в условных цветах (спектрозональные снимки). Менее эффективно используются натуральные цвета.
Снимки характеризуются геометрическими и спектрально-яркостными параметрами: масштабом, разрешающей способностью, спектральным диапазоном съемки, а также обзорностью и детальностью, определяющими в комплексе уровень генерализации изображения, под которым понимается степень обобщения элементов изображения, влияющая на возможность изучения объектов и явлений разного ранга.
Выделяется пять уровней генерализации космоснимков (КС), связанных с их масштабом и информационными возможностями для решения разного круга задач (табл. 1.3).

Аэрофотоснимки (АФС) делятся по масштабу применительно к инженерным изысканиям на очень мелкие или высотные (мельче 1:100 000), мелкие (1:100 000 — 1:35 000), средние (1:35 000 — 1:12 000), крупные и очень крупные (крупнее 1:12 000).
Разномасштабные АФС обеспечивают дешифрирование большинства типов и форм рельефа, пликативных и дизъюнктивных геологических структур разного порядка, трещин и трещинных зон, ландшафтных проявлений современных геологических и инженерногеологических процессов. Это позволяет использовать АФС на разных стадиях изысканий под конкретные инженерные сооружения для выявления, а в ряде случаев — сепарации и ранжирования разрывных нарушений по степени их активности, а также для составления прогнозов с применением динамических или кинематических моделей, требующих детализации морфологии склонов, характеристик трещиноватости и других параметров.

Метод анализа мощностей, фаций и формаций новейших отложений; объемный метод, эффективны для изучения тектонических структур в областях аккумуляции, где они позволяют выявлять конседиментационные структуры (складки, флексуры, разрывы) и структурные перестройки, оценивать амплитуды и скорости суммарных и поэтапных вертикальных новейших тектонических движений.
Для применения перечисленных частных методов необходимы:
— достаточная для поэтапного анализа дробность местных стратиграфических схем;
— надежная методика стратиграфических корреляций в пределах исследуемой территории; такая корреляция особенно трудна в континентальных отложениях;
— необходимая детальность буровой или геофизической информации об изменчивости мощностей и фаций отложений.
Рассматриваемый комплексный метод тесно смыкается с другими, например:
— при густой сети бурения — с методом анализа деформаций погребенных стратиграфических уровней,
— при построении карт палеореконструкций — с палеогеографическим методом.
В отдельных случаях разрабатываются специфические модификации рассматриваемого метода. Например, применительно к аллювиальным образованием выделяются:
— метод анализа фаций, мощностей и так называемых динамических фаз аллювия,
— метод анализа соотношений между строением поймы и террас,
— метод анализа мощности и строения дельтовых отложений,
— метод анализа распространения минералогического и гранулометрического состава и мощностей аллювиальных фаций.
Сходные модификации возможны для озерных, морских и некоторых других генетических типов континентальных отложений, выполняющих седиментационные бассейны разного типа (прогибы, впадины, синеклизы и т.п.).

Метод анализа деформаций первично субгоризонтальных стратиграфических уровней позволяет:
— детально охарактеризовать морфологию погребенных новейших, четвертичных или голоценовых структур, выраженных в рельефе и сложенных новейшими отложениями,
— количественно оценить, амплитуду вертикальных, особенно относительных суммарных и поэтапных новейших движений.
Для таких построений используются разнообразные стратифицированные поверхности, особенно поверхности перерывов и несогласий, определяющие крупные структурные перестройки. Локальные несогласия могут фиксировать фазы активизации воздымания отдельных положительных структур. Поэтому нередко обособляется метод анализа перерывов и несогласий.
Поверхности стратиграфических несогласий часто служат опорными отражающими или преломляющими горизонтами, которые фиксируются различными геофизическими методами. Активно совершенствуется сейсмостратиграфический метод, особенно эффективный на мелководных акваториях.

Метод анализа деформаций геоморфологических уровней позволяет анализировать деформации первично субгоризонтальных и слабо наклонных выровненных часто полигенетических поверхностей (поверхностей выравнивания, террас), формировавшихся на земной поверхности и выраженных в современной рельефе.
Используются различные модификации данного метода, особенно изучающие:
— ярусность рельефа и закономерности строения террасовых рядов,
— гипсометрическое положение стратифицированных кор выветривания,
— продольные и поперечные к долине или берегу водоемов деформации поверхности речных (особенно кровли аллювия) и морских террас, морских и озерных береговых линий,
— деформации продольных профилей современных русел,
— неравномерность глубины эрозионных врезов и глубины залегания погребенных террас.
В перспективе рекомендуется разработка методов выявления тектонически обусловленных аномалий в строении и мощности различных по генезису (делювиальных, пролювиальных, ледниковых и др.) субаэральных и субаквальных отложений, в морфологии и мощности современных ледников.
Выявление и датировка геоморфологических уровней предусматривает:
— возрастное расчленение рельефа,
— детальную корреляцию образований террасового, бассейнового и покровного генетических, комплексов.
Эффективная методика возрастного расчленения рельефа и корреляция геоморфологических уровней, опирающаяся на составление сети водораздельных структурно-геоморфологических профилей, позволяет:
— установить морфологию орографически выраженных новейших тектонических структур и их соотношение с более древними структурами,
— оценивать амплитуды вертикальных абсолютных и относительных суммарных и поэтапных новейших тектонических движений, в том числе разрывных,
— охарактеризовать тенденции изменения скоростей тектонических движений.
В пределах палеошельфов наиболее важными геоморфологическими уровнями, используемыми для анализа, новейших структур и движений, являются древние береговые уровни. Методика их выявления и корреляции специфична.
Возрастное расчленение рельефа предусматривает привлечение материалов максимального числа разновозрастных стратотипов новейших отложений, расположенных в регионе. Поэтому на территориях перспективного освоения следует предусматривать предпроектные специализированные исследования по стратиграфии и корреляции новейших отложений различных генетических комплексов и возрастному расчленению рельефа. Эти исследования могут предварять неотектоническое и историко-тектоническое районирование или совмещаться с ним.

Палеогеографический метод позволяет характеризовать тектонические движения с помощью ряда своих модификаций, фиксирующих:
— историю перераспределения минералогических, литологических, фациальных зон, эрозионно-аккумулятивных процессов, древних береговых линий, подводных и наземных дельт, гидросети, оледенения и т.п.,
— подтвержденные историческими документами и археологическими материалами изменения уровня озер и морей, зон подтопления и осушения сельхозугодий, поселений, инженерных сооружений.

Картографический метод позволяет выявлять:
— линеаменты различной природы,
— относительно воздымающиеся и прогибающиеся структуры.
Типичными картометрическими параметрами считаются характеристики, отражающие:
— размер (протяженность, площадь, объем) и
— ориентировку (азимут, экспозицию, угол наклона) объектов.
Возможен ряд модификаций метода, характеризующих эти параметры для побережий, рек, холмогорных и других водоразделов. Применительно к речным образованиям чаще всего анализируются:
— глубины долин,
— ширина русел, пойм, террас,
— извилистость и фуркирование русел, дельтовых проток, эрозионных врезов,
— морфология и размеры долин, дельт, меандр,
— участки аномальных изгибов и спрямлений долин, русел, границ геоморфологических элементов,
— участки и зоны локализации подтопления, осушения, карста, оползнеобразования и др. процессов.
Разрывные зоны и зоны повышенной трещиноватости часто характеризуются на картах различного содержания:
— спрямлением водотоков, долин, границ зон с различными типами рельефа,
— уступами рельефа,
— цепочками карстопроявлений, останцовых возвышенностей и т.п.,
— сериями однотипных в плане резких изгибов водоразделов и долин, берегов и др. элементов рельефа.
Желательна полевая проверка материалов, полученных камеральным путем с помощью картографического метода.

Морфометрический метод позволяет камеральным путем по косвенным признакам обособлять территории, отвечающие тектоническим структурам. Метод особенно эффективен для платформенных равнин, где применение других методов затруднительно.
Обычно анализируются закономерности:
— планового распространения долин различных порядков,
— высотного положения базисных, вершинных поверхностей и других объектов, выделяемых по формальным признакам, а также реальных геоморфологических уровней.
Наиболее перспективным считается составление карг:
— интенсивности расчленения рельефа,
— изобат (т.е. морфологии базисной поверхности) и остаточного рельефа,
— уклонов гидросети,
— изодеф (т.е. отклонения реального продольного профиля русел от идеального математически рассчитанного его геометрического аналога),
— глубин вреза равновеликих (одноранговых) долин и балок,
— изолонг (т.е. изолиний длин однопорядковых долин),
— аномалий ширины пойм, долин и т.п.,
— морфоизогипс.
Выделяется три основные группы фундаментальных морфометрических показателей, характеризующих:
— форму (вытянутость, извилистость, кривизну, общие очертания),
— плотность (густоту, концентрацию, равномерность, соседство),
— расчлененность (вертикальную, горизонтальную).
Рассмотренные методы структурно-геоморфологических исследований позволяют, обнаружить разные проявления складчатых, блоковых и разрывных структур, а также разрывных тектонических смещений. Поэтому рекомендуется:
— комплексное применение перечисленных методов,
— стандартизация количественных показателей,
— математизация и автоматизация обработки результатов,
— применение, вычислительной техники и создание банков данных морфологических и морфометрических характеристик.
В последние годы все большее внимание привлекают активные разрывные структуры, смещения по которым могут повлиять на устойчивость разнообразных инженерных сооружений. Разрабатываются методики оценки опасности активных разрывных смещений для сооружений. Выявление и изучение активных тектонических структур, безусловно, необходимо на всех уровнях детальности инженерно-геологических исследований и районирования.
Суммируя вышеизложенное можно констатировать, что тектонический фактор в целом важен для любого масштабного уровня инженерно-геологического районирования. Однако значимость и характер его использования различны. Если для мелких и средних масштабов этот фактор является более или менее определяющим для ограничения большинства таксонов (по-видимому, вплоть до областей), то при крупномасштабном районировании серьезное внимание обращается на обособление и строение определенных видов тектонических структур (разломы, разрывы, зоны трещиноватости, активные структуры).
Следует, однако, отметить, что методика использования тектонического фактора даже при выделении наиболее крупных таксонов инженерно-геологического районирования — регионов — понимается не одинаково, а потому и результаты районирования могут оказаться различными. В.Т. Трофимов отметил три типичных варианта выделения регионов:
а) Г.А. Голодковская использует для этой цели возраст складчатости, т.е. время превращения геосинклинальной области в платформенную, и выделяет семь типов инженерногеологических регионов: 1) древние платформы; 2) молодые платформы (эпипалеозойские плиты); регионы с разновозрастной складчатостью: 3) байкальской, 4) каледонской, 5) герцинской, 6) мезозойской и 7) альпийской;
б) М.В. Чуринов, В.П. Лазарева и И.М. Ципина на территории бывшего СССР выделяют три типа регионов: 1) геосинклинального развития с преимущественным распространением формаций и комплексов пород с жесткими связями, проявлением устойчивых интенсивных новейших поднятий и локальных относительно интенсивных опусканий, 2) платформенного развития с преимущественным распространением формаций и комплексов рыхлых пород различного генезиса и проявлением преимущественно слабых новейших поднятий, 3) платформенного развития с преимущественным распространением формаций и комплексов рыхлых пород и проявлением опусканий.
в) С.Б. Ершова для типологического инженерно-геологического районирования не только отдельных континентов, но и всей планеты использовала классификацию новейших структур вплоть до применяющейся на карте новейшей тектоники Мира. Это районирование помимо возраста складчатости учитывает современный рельеф, созданный новейшими тектоническими движениями. В соответствующей сложной классификации выделяются планетарные структуры, классы, подклассы и типы регионов по ряду признаков: типу глубинного строения земной коры, режиму новейших тектонических движений и типам мегарельефа, тектоническому строению основания и возрасту складчатости, типу геоструктур, типу геологического строения и другим, которые последовательно усложняются и чередуются при переходе от одного ранга единиц к другому.
Из сказанного с очевидностью следуют два вывода: первый — о все большем понимании роли неотектоники в инженерно-геологическом районировании всех масштабных уровней и второй — о возрастающей необходимости изучения разрывных структур и блоковых сочленений с укрупнением масштаба районирования.