Инженерно-геологические изыскания при обустройстве нефтяных и газовых месторождений. Учебное пособие

распространение, мощность и глубину залегания толщи полезного ископаемого;

состав и мощность перекрывающих пород;

местоположение пройденных подземных горных выработок;

границы мульды сдвижения и ожидаемые деформации земной поверхности;

изменение инженерно-геологических условий подработанной территории – провалы, мульды сдвижения, суффозионные воронки и оседания земной поверхности;

нарушение стока поверхностных вод, обмеление, исчезновение и образование новых водотоков и водоемов поверхностных вод;

повышение или понижение уровня подземных вод, исчезновение существующих и образование новых подземных горизонтов, формирование депрессионной воронки;

изменение свойств грунтов в зонах сдвижения, оседания и разрыхления пород, возникновение и развитие геологических и инженерногеологических процессов;

прогноз изменений инженерно-геологических условий на подрабатываемых территориях.

41

4. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗЫСКАНИЯ ПРИ ОБУСТРОЙСТВЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ НЕФТИ И ГАЗА ЗАПАДНОЙ СИБИРИ

4.1. Инженерно-геологическая характеристика Западно-Сибирской равнины

Описание инженерно-геологических условий Западной Сибири приведено по следующим изданиям:

П.П. Ипатов, Л.А. Строкова «Общая инженерная геология» , 2012 г. В.Т. Трофимов «Закономерности пространственной изменчивости

инженерно-геологических условий Западно-Сибирской плиты», 1977 г. Инженерная геология СССР. В 8-ми томах. Том 2. Западная Сибирь /

Под редакцией Е.М.Сергеева, 1976 г.

Западно-Сибирская равнина – одна из самых обширных аккумулятивных низменных равнин земного шара (её площадь составляет около 3,5 млн км2). На севере равнины простирается арктическая тундра, на крайнем юге – сухие степи; больший участок равнины занят заболоченной тайгой. В инже- нерно-геологическом отношении Западно-Сибирская равнина представляет собой единый инженерно-геологический регион. Его западная, южная и восточная границы проводятся по линии выклинивания платформенных формаций мезозойско-казнозойского чехла и выходов на дневную поверхность палеозойских дислоцированных пород, слагающих обрамляющие складчатые

иплатформенные сооружения. Во многих районах эта граница чётко фиксируется хорошо выраженным уступом восточного склона Урала («палеозойский уступ»), уступом вдоль северо-восточной границы Казахской складчатой страны, Алтая, западного склона Енисейского кряжа и др. Юго-западная

исеверо-восточная границы региона ввиду отсутствия ясно выраженной границы между Западно-Сибирской геосинеклизой, Тургайским и Предтаймырским прогибами проводятся условно [4].

Формирование Западно-Сибирской геосинеклизы в мезокайнозойское время обусловило сложные и существенно неодинаковые в разных районах региона инженерно-геологические условия. Особое значение при инженер- но-геологическом районировании Западной Сибири имеет позднеплиоцен – четвертичный этап: в результате возникновения в позднеплиоцен – четвертичное время (вплоть до среднечетвертичного времени) большой области прогибания в южной и центральной частях Западно-Сибирской геосинеклизы, являющейся областью аккумуляции континентальных осадков, преимущественно аллювиальных, озерных и озерно-аллювиальных, возникли две Инженерно-геологические области первого порядка:

-область денудационных равнин, сложенных преимущественно дочетвертичными, более литифицированными и, поэтому, более прочными образованиями;

42

- область аккумулятивных и денудационно-аккумулятивных равнин, сложенных преимущественно озерно-аллювиальными верхне- плиоцен-нижнечетвертичными отложениями, менее литифицированными и, поэтому, менее прочными.

Область денудационных равнин занимает юго-восточную и югоза- падную части Западно-Сибирского региона. В юго-восточной части Западной Сибири залегают близко к поверхности нижнемеловые и юрские отложения. Меловые отложения относятся к двум формациям: терригеннокарбонатной и сероцветной угленосной. Юрские отложения представлены угленоснойформацией.

Воды, заключенные в юрских и меловых отложениях (восточная и юго-восточная части), гидравлически связаны с водами перекрывающих их более молодых отложений. По немногочисленным данным воды обладают небольшим дебитом, порядка 0,1–1,8 л/с•м. Минерализация вод не превышает 0,5–0,8 г/л, состав гидрокарбонатно-кальциевый. В зависимости от условий дренажа, глубины залегания вод изменяются и составляют в центральных участках водоразделов – 5-10 м, на склонах долин и в предгорных районах – более 10 м.

На склонах, сложенных юрскими и нижнемеловыми породами (по Енисею, Чулыму и их притокам), распространены оползневые процессы, основной причиной возникновения которых является несоответствие высоты склона и прочностных характеристик пород.

На юге и юго-западе территории большое значение имеют отложения верхнемелового – нижнеолигоценового возраста. Они представлены осадками различных формаций. Отложения терригенной формации выходят на дневную поверхность в бортах озёр и долинах рек. Их мощность изменяется от десятков до сотен метров и более. На западе региона довольно часто выходят на поверхность или залегают близко от неё (на глубине 1,5–12 м; бассейны рек Исети, Пышмы и Ницы) отложения кремни- сто-терригенной формации. Мощность их достигает 100 м и более. В югозападной части равнины первый водоносный горизонт приурочен к олигоценовым континентальным песчано-алевритовым отложениям и залегает на глубине 2–10 м и более. Воды преимущественно безнапорные, пёстрого химического состава, солоноватые, реже солёные, с минерализацией до 10 г/л. По мере погружения вод в северном направлении они приобретают напорный характер, их пьезометрические уровни устанавливаются на глубинах от 15 до 20 м. Воды этого водоносного горизонта на севере пресные гидрокарбонатно-кальциевые и натриевые.

Процессы выветривания, интенсивно развивающиеся в бортах карьеров, вскрывающих опоки и диатомиты, приводят к накоплению щебнистого материала, который образует у подножия склона осыпи [3,4,7].

Область аккумулятивных и денудационно-аккумулятивных равнин занимает центральную часть Западной Сибири. К югу от широт-

43

ного отрезка Оби чрезвычайно широкое распространение имеют верхне- плиоцен-нижнечетвертичные, нижне-среднечетвертичные и средневерхнечетвертичные, преимущественно аллювиально-озерные, реже субаэральные и аллювиальные отложения. Мощность этих отложений составляет в среднем 30–50 м, в отдельных случаях достигает 100 м и более (Приобское плато), а в других – существенно сокращается до 10 м (на участках близкого залегания дочетвертичных отложений, в основном палеогеновых и неогеновых). Преобладающие озерно-аллювиальные отложения, как правило имеют двучленное строение: в верхней части (имеющей большую мощность) преобладают глинистые породы, в нижней – песчаные.

Минеральный состав глинистой фракции представлен монтмориллонитом, гидрослюдами, смешанослойными минералами, каолинитом, присутствуют хлорит и дисперсный кварц. Близкий гранулометрический состав и близкие физико-механические свойства обусловлены однообразием минерального состава развитых в пределах региона отложений. Изменение свойств этих отложений происходит в зависимости от ихсостояния. Среди глинистых пород встречаются глины, суглинки и супеси. При этом преобладают тяжелые суглинки, легкие и средние глины. В более древних, плиоценнижнечетвертичных отложениях встречаются наиболее тяжелые разновидности глинистых пород. В молодых верхнечетвертичных отложениях распространены более легкие разновидности глинистых пород, с характерным для них разнообразиемсостава.

Впределах лесостепи и степи породы, залегающие непосредственно с поверхности, представлены лёссовидными суглинками и глинами мощностью 10–20 м и более, обладающими просадочными свойствами. Лёссовые породы встречаются и в пределах тайги, на хорошо дренированных приречных участках, но здесь они не обладают просадочными свойствами, так как имеют значительнуюестественнуювлажность.

Развитые в зоне тайги глинистые породы имеют повышенную влажность, обычно превышающую 0,7–0,8 полной влагоемкости. Эта особенность глинистых пород в сочетании со значительным содержанием пылеватых частиц и с большой глубиной сезонного промерзания является причиной пучинообразования, повсеместно проявляющегося на дорогах и при строительствезданий.

Среди песчаных отложений встречаются различные по дисперсности разновидности – от песков грубых до пылеватых при преобладании мелких

ипылеватых. При определённых гидродинамических условиях пылеватые пески проявляют плывунные свойства.

Вуказанных отложениях подземные воды залегают на глубине от 0,05 до 5 м. По составу воды гидрокарбонатные кальциевые или магниевые. По отношению к строительным материалам агрессивными свойствами не обладают. На юге Западной Сибири подземные воды залегают на боль-

44

ших глубинах (5–10 м и более, часто до 30 м). Минерализация вод колеблется от 1,0 до 3,0 г/л. Около соленых озер и в крупных понижениях минерализация увеличивается до 5,0 г/л, здесь же отмечается сульфатная агрессивностьподземныхвод.

Заболачивание, явления плывунности, эрозионные процессы, характерные для озерно-аллювиальных отложений в центральной части Западной Сибири, при движении к югу сменяются суффозионно-просадочными, эоловыми и процессами засоления пород.

Процессы механической суффозии развиваются на поверхности водораздельных равнин, вблизи крутых подмываемых склонов. Особо следует отметить процессы механической суффозии, происходящие в лёссовых породах, так как они протекают катастрофически быстро и приводят к значительным деформациям склонов и присклоновых частей водораздельных равнининадпойменныхтеррас.

Эоловые процессы наиболее развиты на юге, в пределах Кулундинской степи, где площади, подверженные развеванию, могут достигать значительных размеров. Плывуны встречаются на различной глубине от поверхности (от 2 до 30 м) и имеют различную мощность.

Основные причины широкого развития явления плывунности:

-литологические особенности песчаных и глинистых среднечет- вертичных и плиоцен-нижнечетвертичных пород, развитых с поверхности (пылеватый состав, гумусированность, сильная диспергация пород в естественном залегании);

-близкое залегание от поверхности подземных вод (преимущественно 0–5 м).

Свойства и непредсказуемое поведение плывунов значительно затрудняют строительство сооружений, проходку горных выработок, а также ведут к удорожанию работ.

Процесс заболачивания ведёт к образованию болотных отложений, состав и свойства которых достаточно хорошо выдержаны и колеблются в зависимости от того, к какой фации они относятся. Ниже приведена характеристика торфов, общая для всего региона.

Наиболее высокая степень разложения и зольность присущи торфам низинного типа (торфы лесной и лесотопяной групп). Степень разложения их доходит до 40–55 %, зольность – до 30 % и более. Для торфяных отложений верхового типа характерны слабая степень разложения (5–20 %) и более низкие показатели зольности (4–7 %). Плотность увеличивается с уменьшением степени разложения торфа в пределах от 1,34 до 1,66 г/см3. Естественная влажность торфяных отложений верхового типа наибольшая, достигает 1500 %, а у торфов низинного типа редко превышает 500 %. Объёмная усадка – важная характеристика торфов. Наибольшая объёмная усадка свойственна максимально влажным торфам топяных видов, особенно верхового типа (составляет 25–82 %). Низкая плотность и своеобра-

45

зие строения и состава торфяных отложений обусловливают чрезвычайно высокую их сжимаемость (11,8–3,2 МПа).

В ранне-среднечетвертичное время произошла перестройка струк- турно-тектонического плана Западно-Сибирской геосинеклизы: южная часть платформы приобрела устойчивое поднятие, а северная часть платформы испытывала погружение. Это привело к трансгрессии моря на севере, которая совпала с континентальными оледенениями. Морской бассейн существовал до широты Сибирскихувалов.

Самаровский и Тазовский ледники, распространявшиеся с Урала и двигавшиеся с северо-востока, частично спускались в морской бассейн, на некоторых участках перекрыли сушу и оставили после себя плотную морену и водно-ледниковые отложения, представленные преимущественно песками. В результате этого образовалась область денудационно-аккумулятивных равнин, сложенных в основном ледниковыми и водно-ледниковыми среднечетвертичными и в меньшей степени верхнечетвертичными отложениями. Их мощность в большинстве районов составляет несколько десятков метров, а

впонижениях древнего рельефа достигает 100 м и немного больше. Лишь

врайонах высокого залегания меловых (в Приуральской и Приенисейской частях) и палеогеновых пород она обычно сокращается до 10–15 м. В северных районах развития этих отложений (левобережье Оби севернее долины Северной Сосьвы, междуречье Казыма и Куновата, северные склоны Сибирских увалов и др.) моренные и флювиогляциальные среднечетвертичные образования часто переслаиваются с морскими, ледниковоморскими и прибрежно – морскими отложениями. Но и здесь в разрезах преобладают моренные и флювиогляциальные отложения, слагающие верхнюю часть разреза развитых здесь аккумулятивных равнин. Отложения ледникового комплекса представлены достаточно разнообразными породами – от гравийно-галечных образований до суглинков и глин, содержащих различное количество грубообломочного материала. Во многих районах области моренные и флювиогляциальные отложения перекрыты торфом, мощность которого нередко достигает 5–6 м.

Вбольшинстве случаев морена и флювиогляциальные отложения находятся в многолетнемерзлом состоянии. Воды сезонно-талого слоя и воды несквозных таликов залегают на очень небольшой глубине и проявляют общекислотную агрессивность к бетону, что существенноосложняет инженерно-геологическуюобстановку.

Наличие многолетнемёрзлых пород обусловливает специфичный комплекс современных экзогенных геологических процессов:

сезонное промерзание;

протаивание пород;

термоабразия по берегам озёр;

термоэрозионная деятельность постоянных и временных водото-

ков;

46

солифлюкация;

морозное пучение;

термокарст;

процессы прогрессивного роста озёр и заболачивания территории на участках начального развития термокарста.

Сильная заболоченность внушительных площадей при отсутствии многолетней мерзлоты вызывает наибольшие сложности в период изысканий, строительства и эксплуатации сооружений. Развитие оползней в этих районах (особенно по правому берегу Оби) также сопряжено с определенными сложностями. По берегам рек развиты эрозионные процессы, но в естественных условиях скорость их протекания невелика.

В позднечетвертичное время произошло поднятие всей Западной Сибири, в результате чего на дневную поверхность на севере были выведены молодые слаболитифицированные морские отложения. В процессе своего формирования они часто испытывали сингенетическое промерзание

ивследствие этого содержащие большое количество ледяных прослоев. Такие ледяные прослои («залежи пластовых льдов») характерны для

области аккумулятивных равнин, сложенных преимущественно морскими средне- и верхнечетвертичными отложениями. Последнее поднятие способствовало также возникновению и формированию современных речных долин. Крупные речные долины, представленные аллювиальными верхнечетвертичными отложениями, имеющие широкую пойму и хорошо выраженные речные террасы (Обь, Иртыш, Надым, Пур, Таз, Енисей и их притоки), играют большую роль при оценке инженерно-геологических условий всей территории Западной Сибири.

На самом севере Западной Сибири находится область аккумулятивных равнин, сложенных преимущественно морскими средне – и верхнечетвертичными отложениями.

В верхней части разреза чрезвычайно широко распространены средне- и верхнечетвертичные и современные морские, прибрежноморские и лагунно-морские отложения; мощность их достигает 200–300 м. Все остальные генетические типы отложений (аллювиальные, озерноаллювиальные, озёрные и др.), за исключением болотных, имеют резко подчинённоезначение.

Морские четвертичные отложения представлены различными по дисперсности образованиями сот гравия и гравелистых песков до тяжёлых глин. Но преобладающим типом пород являются суглинки, лёгкие глины, супеси и пылеватые пески. При этом роль глинистых грунтов увеличивается вниз по разрезу даже в северных районах региона, где они часто существенно засолены. В верхней части толщ (до глубины 2–5 м на севере и до 10 м и более на юге) часто преобладают пылеватые и мелкие пески и супеси (прибрежно-морские образования и отложения регрессивной фазы развития морского бассейна на каждом этапе его развития).

47

Территория, где распространены морские отложения, характеризуется чрезвычайно широким развитием многолетней мерзлоты, что обусловливает специфичные особенности инженерно-геологической обстановки. Талые породы, сильно увлажнённые, занимают не более 15 % этой территории и лишь в южных районах площадьих развитиявозрастает до 40–50 % [3,4,7].

Широкий разброс показателей инженерно-геологических свойств пород, характерный для рассматриваемой территории, обусловлен:

-существенно неодинаковыми дисперсностью и особенно льдистостью развитых здесь отложений;

-различным их современным состоянием и среднегодовой температурой пород.

В разрезах всех стратиграфо-генетических комплексов по своим свойствам резко выделяются глинистые породы и песчаные породы, что связано с их различной льдистостью.

Среди глинистых пород можно выделить три обширные группы:

-сингенетически промерзшие морские верхнечетвертичные и голоценовые глинистые образования, характеризующиеся очень высокой шлировой льдистостью, вследствие которой размах показателей их свойств наиболее велик;

-верхнечетвертичные и голоценовые морские и лагунно-морские глинистые породы, характеризующиеся несколько меньшей льдистостью и меньшим диапазоном изменения показателей свойств;

-глинистые отложения салехардской свиты, характеризующиеся невысокой льдистостью и меньшимразбросомпоказателейсвойств.

Широкое распространение многолетнемёрзлых породобусловливает весьма специфичный комплекс криогенных геологических процессов, развитых в толще морских отложений.

Для северных районов характерны:

-морозобойное трещинообразование;

-промерзание формирующихся осадков;

-термоабразионное разрушение берегов моря и озёр;

-солифлюкционное течение грунтов на склонах южной экспозиции. Южнее наиболее важную роль играет термокарст, приводящий к

формированию отрицательных заболоченных форм рельефа, что усложняет инженерно-геологические условия.

Высокая заболоченность и заозерность характерны для всей территории, где распространены морские отложения [3,4,7] .

Область крупных речных долин. Общие закономерности строения речных долин обусловлены всей историей развития долин, и, прежде всего, палео- и современными климатическими условиями и неотектоническими движениями.

Мощность аллювиальных отложений составляет: для поймы 5–10 м (в верховьях) и 25–30 м (в среднем и нижнем течении), для первой

48

надпойменной террасы – соответственно 5 и 25 м, для второй террасы – 10

и30 м, третьей – 10 и 35 м. В разрезах поймы и первой надпойменной террасы преобладают пески (наиболее развиты мелкие и пылеватые разновидности).

Суглинки, супеси и торф залегают в виде прослоев и линз в верхней 5–10-метровой толще в среднем и нижнем течении. В разрезах второй и третьей надпойменных террас песчаные и глинистые разновидностивстречаются примерно в равных соотношениях. В верхней 10–15-метровой части преобладают глины и суглинки (средние и тяжелые). В нижней части залегают песчаные породы (пылеватые и мелкие разновидности). Средне-

икрупнозернистые пески встречаются очень редко, преимущественно в основании разреза террас в верховьях рек. Мощность отложений четвертой надпойменной террасы 30–60 м и более.

Восновании разреза (мощность 1–15 м) залегают пески крупные и гравелистые с линзами гравия и галечников, которые выше сменяются песками мелкими и средними, с редкими прослоями супесей и легких суглинков; в верхней части разреза преобладают супеси и суглинки лёссовидные, с редкими прослоями песков.

По долинам крупных рек четко прослеживается зональность в проявлении различных современных экзогенных процессов. В южной части долины наиболее широко развиты процессы облёссования пылеватых глинистых пород, засоления пород и эоловые процессы; в таежной зоне широко развиты процессы заболачивания поверхности надпойменных террас и поймы, а также явления плывунности; в тундре и лесотундре интенсивно развиваются процессы термокарста, бугры и площади пучения; на склонах надпойменных террас наблюдаются солифлюкционные процессы; в речных долинах наиболее развиты оползневые и эрозионно – аккумулятивные процессы[3,4] .

Свойства позднекайнозойских пород зависят от их состояния, которое определяется широтной климатической зональностью. Широтная зональность является одной из инженерно – геологических особенностей За- падно-Сибирской равнины. Большая протяженность Западной Сибири с севера на юг и её рельеф, представляющий собой сочетание плоских слаборасчлененных аккумулятивных и денудационно-аккумулятивных равнин и плато денудационного характера, сама история развития ЗападноСибирской геосинеклизы в четвертичное время и её современные климатические условия – все это способствовало и способствует проявлению широтной зональности на её территории.

В пределах Западно-Сибирской плиты выделяют четыре широтно – ориентированные зоны с резко различной современной инженерногеологической обстановкой [7]:

Северная зона (зона практически сплошного распространения многолетнемёрзлых пород);

49

Центральная северная зона (зона несплошного – прерывистого – распространения многолетнемёрзлых пород);

Центральная южная зона (зона распространения сильноувлажненных практически незаселенных пород);

Южная зона (зона распространения умеренно и слабоувлажненных, часто сильно засоленных пород).

Северная зона (тундра и северную лесотундра), характеризуется сплошным распространением низкотемпературных сильнольдистых многолетнемёрзлых морских, прибрежно-морских, ледниково-морских, лагун- но-морских, аллювиальных и в меньшей степени ледниковых и водноледниковых песчано-глинистых и озерно-болотных торфяных отложений, сезонным существованием надмерзлотных вод и очень широким развитием криогенных геологических процессов и соответствующих им криогенных форм рельефа. Многолетнемерзлые породы имеют сплошное распространение, низкие температуры (от минус 3 до минус 10 °С), значительную мощность (до 300 – 400 м, местами более) и монолитное строение по разрезу. В этих районах развиты в основном льдистые и сильнольдистые сингенетические (в северной половине Ямальского, Гыданского и Тазовского полуостровов) и эпигенетические (на остальной территории) мерзлые толщи, преобладают устойчивые и длительно устойчивые преимущественно континентальные типы мелкого сезонного протаивания. Ввиду сложности инженерно-геологических условий типы и конструкции сооружений должны быть надлежащим образом приспособлены к условиям природной обстановки.

Центральная северная зона (большая часть лесотундры, северная и некоторые районы средней тайги) характеризуется сложным взаимным пространственным распространением песчаных, глинистых и торфяных многолетнемёрзлых и талых отложений различного генезиса, которые слагают различные генетические типы рельефа. Территория зоны сильно заболочена и заозерена. В её пределах активно протекают посткриогенные процессы. Надмерзлотные воды и грунтовые воды талых отложений залегают на небольшой глубине. Инженерно-геологические условия этой зоны отличаютсянаибольшейсложностьюинаибольшимразнообразием.

Центральная южная зона (средняя и южная тайга и лиственные леса), характеризуется развитием талых сильноувлажненных ледниковых, водно-ледниковых, озерно-аллювиальных, аллювиальных, песчаноглинистых, лёссовых и озерно-болотных торфяных отложений, чрезвычайно сильной заболоченностью и заозеренностью и линейным характером развития эрозионных и склоновых процессов. Условия проведения изысканий и строительства здесь разнообразны и достаточно сложны.

Южная зона (лесостепи и степи), характеризуется развитием песчаных, глинистых и лёссовых олигоценовых, неогеновых и четвертичных отложений различного генезиса и аллювиальных образований современных

50