CC BY
49
Памяти моего научного руководителя Л.Д.Белого посвящаю.
СОВРЕМЕННЫЕ ЭКЗОГЕННЫЕ ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ИНЖЕНЕРНО -
ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ И ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ БАРЕНЦЕВО - КАРСКОГО ШЕЛЬФОВОГО РЕГИОНА И МЕТОДИКА ИХ ИСЛЕДОВАНИЯ
Болтунов В.А.
В связи с глобальным потеплением климата (ГПК) интенсифицируются научно-исследовательские и изыскательские работы на шельфе приполярных морей в связи с намерениями арктических (и не только) держав присвоить богатейшие ресурсы шельфа Арктики и Мирового океана в целом. Великая арктическая держава - б. СССР начинала в 60-е годы двадцатого столетия бурное освоение арктических морей и их шельфов. Разворачивались широкомасштабные работы как научного, так и производственного планов, были начаты разработки единых нормативных документов, надёжных и эффективных методик и способов производства данного вида исследований. Перестроечные события в СССР задержали и значительно сократили исследования на шельфе северных морей, а все достижения советских и российских исследователей в области изучения приполярных шельфов свелись к минимуму (рис. 1,2). Этот пробел мы остро ошутили сейчас, когда вновь возник интерес к строительству приливных электростанций (ПЭС). Так, вновь обозначилась актуальность проблемы опережаюшего инженерно-геологического и геоэкологического изучения шельфа арктических морей (7) (рис. 3,4).
Автор статьи приступил к изучению шельфов северных и восточных морей, начиная с 1965 года, когда в составе экспедиций ИФЗ АН СССР, ГИН АН СССР, МГУ им. М.В.Ломоносова, Гипровуза Минвуза СССР, Гидропроекта и ОАО «НИИЭС» (совместно с НТЦ «Приливные электростанции»), побывал практически на всех островных арктических архипелагах - на Шпицбергене, в Исландии и Гренландии, на Камчатке, Чукотке и т.д., лично производил подводные исследования и отбор донных грунтов, и собственноручно выполнял комплекс лабораторных испытаний и исследований [1-6].
Наши теоретические разработки и выводы основаны на большом фактическом материале, полученном во время полевых работ в период с 1960 по 2008 гг., а также на анализе большого литературного материала и фондовых материалов различных ведомств и научных организаций. Практическая цен-
Рис. 1
Рис. 2
ность наших работ реализована в виде рекомендаций по организации и производству инженерно-геологических исследований на ряде морских полигонов и акваторий для разного рода строительства, в том числе приливных электростанций в приполярнык морях, а именно, Мезенской ПЭС в устье р. Мезень и в Северной - в губе Долгой на Кольском побережье Баренцева моря [7,14].
Автором установлены основные элементы природной обстановки шельфовых зон приполярных морей и закономерности формирования их инженерно-геологических и геоэкологических условий; разработана классификация инженерно-геологических условий шельфовых зон по степени сложности на основании полного и детального изучения факторов, их определяющих. Кроме того, нами разработан мониторинг методов и способов
МГСУ
Рис. 3
исследований различных элементов природной обстановки шельфа и геоэкологической ситуации, представленные в таблице 1.
На основании комплексных полевых и лабораторных исследований, получены и внедрены в практику изысканий новые данные об инженерно-геологических особенностях ледниково-морских отложений, что позволяет оценить роль движушегося и впадаюшего в море ледника, как в геологическом прошлом (на Кольском полуострове), так и в настояшее время (Шпицберген, Гренландия, Исландия и другие архипелаги Арктики) в формировании инженерно - геологических свойств донных терригенных образований в прибрежной зоне (рис. 3). Это позволило выделить впадаюший в море ледник в качестве самостоятельного агента литодинамики шельфа в контактной зоне ледник - море [1]. В результате инженерных изысканий под створы ПЭС на Севере европейской части России установлено повсеместное распространение ледниково-морских образований, поэтому результаты исследований стали востребованными (рис.4,5,6) [14].
Нами установлены признаки отличия моренных ледниковых и морено-подобных ледниково-морских отложений, как по структуре и текстуре осадков, так и по физико-механическим, прочностным и деформационным свойствам, что важно при назначении фильтрационных и прочностных параметров донной толши грунтов как основания разного рода сооружений, например, дамбы отсечной плотины ПЭС (рис.4,6,7,8) [1,14]. Нами также установлены основные элементы и факторы морских природных подводных геоландшафтов, в том числе и современные экзогенные геологические процессы, обусловливаюшие степень сложности инженерно-геологических условий шельфа, что позволило нам предложить инженерно-геологическую классификацию зон «подводной полки»[7].
Выполнена обшая оценка инженерно-геологических условий Баренцево - Карского шельфового региона, что позволило определить задачи после-
4/2008_М|ВЕСТНИК
Таблица 1. МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИХ И ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХУСЛОВИЙ ШЕЛЬФА
№ п/п Инженерно- геологический фактор Способы и методы его изучения
1 Рельеф, геоморфология, литодинамика Эхолотирование, топосъёмка, (батиметрия), фотографирование дна, подводное телевидение, аквалангирование или из подводных аппаратов, дешифрирование аэрофото- и космоснимков. Информацию по динамике развития процесса дают многократные (многолетние) работы.
2 Геологическое строение массива Бурение, сбор донного каменного материала драгированием или дночерпанием, с помощью подводных аппаратов или с помощью водолазов; непрерывное сейсмическое профилирование (НСП), боковая геолокация, комплекс геофизических методов, геологическое изучение прибрежной суши и островов как геологических реперов (или маяков), пенетрация (статическое и динамическое зондирование).
3 Характер тектоники Непрерывное сейсмическое профилирование (НСП), анализ донных галаценовых фаций по материалам геологических съёмок и по данным бурения с целью изучения современных вертикальных тектонических движений и их количественной оценки; анализ батиметрических и топокарт прилегающей суши с целью выявления признаков тектонических структур, комплексных геофизических методов, инфракрасная съёмка, тепловая съёмка, изучение газов и органических соединений в донных осадках.
4 Гидрогеологические условия Изучение поддонных вод в буровых скважинах, тепловая съёмка, инфракрасная съёмка, аэро- и космосъёмка, позволяющие определить выходы пресных вод на шельфе; аквалангирование, из подводных аппаратов, подводное фото- и телевидение, химический анализ поровых вод в донных осадках.
5 Гидробиология и физико-химические свойства среды «морская вода -донный грунт» I. «In situ»: изучение фауны и флоры обрастаний сверлящих моллюсков, древо- и камнеточцев, ионопоглощающих бактерий, увеличивающих коррозийную активность морской среды; исследование физико-химических свойств морской воды и донных осадков. П. Отбор проб для изучения в лабораторных условиях.
6 Геокриологические условия Бурение, пенетрация, тепловая съёмка, инфракрасная съёмка, электро-зодирование.
7 Физико-механические свойства донных осадков и пород I. «In situ»: бурение, пенетрация, оценка плотности по данным сейсмопрофилирования, сейсмологическим данным, по материалам электрозондирования и изучения теплопроводности, гамма-каротаж, забивка и выдёргивание свай, их статические и динамические испытания, штампы в скважинах. П. Лабораторные методы: изучение свойств грунтов по образцам и монолитам.
8 Гидрометеорологический режим акватории Стандартные гидрологические и метеорологические наблюдения, изучение течений, штормов, приливов и отливов, высоты волн, химические анализы придонных вод и всего разреза водной толщи.
Рис.5.
1SS
Рис. 6
дующих исследований и мониторинг их осуществления. Разработаны рекомендации по организации разведки и разработки залежей полезных ископаемых в арктических зонах шельфа[6].
На примере истории формирования инженерно-геологических условий Баренцево - Карского шельфа показана взаимосвязь всех элементов природной обстановки подводных геоландшафтов [7].
Предложена классификация современных экзогенных геологических процессов и явлений в области шельфа [2].
Следует отметить, что многие понятия, связанные с шельфом, дискуссионны, также как и само понятие «шельф» - «полка». Показано, что методическая сущность вопроса требует включения в поле деятельности морской инженерной геологии и береговой зоны, подвергающейся воздействию морских волн во время прилива, так как во время отлива (верхняя граница шельфа - !) осушаются значительные территории морского дна (ватты, бенч, косы, отмели, бары и пр.), не входящие в область шельфа по его принятому ныне определению. При этом следует выщелять в пределах шельфа субак-вальную и субаэральную его части (рис.1,3).
Напомним, что прилив - полный цикл приливных колебаний, включая прилив (подъём уровня) и отлив (падение уровня). Волна прилива заливает огромные пространства и поднимается на высоту от нескольких сантиметров во внутренних морях (Чёрное, Балтийское, Средиземное и др.) до многих метров в вершинах воронкообразных заливов, открытых в сторону океана. В России наибольший прилив происходит в Мезенском заливе Белого моря в устье реки Кулой (10м), в Пенжинской губе Охотского моря, мыс Водопадный (13,4 м).
При больших амплитудах прилива его волна, заходя в устья многоводных рек, поворачивает вспять их течение. На некоторых реках свободная поверхность приливной волны при высоких приливах, обычно в начале прилива, сопрягается с зеркалом речного потока в форме «прыжка», высота которого достигает значения от 1 м (эстуарии реки Северн - Великобритания) и р. Кулой в Мезенском заливе (Россия), до 2 м (р. Сома - Франция) и даже 9 м (р. Кугли, Бенгальский залив, Индия). Этот водяной вал обыгчно распространяет-
ся в устье реки вместе с приливной волной. Такое явление называется бора.
Удельную потенциальную энергию на 1 квадратный километр можно назвать энергетическим потенциалом приливного бассейна, который пропорционален квадрату средней величины прилива [9]. Таким образом, целесообразнее принимать за верхнюю границу шельфа границу морской акватории во время прилива [2,7,12].
Энергия океанских приливов создаётся в результате работы, совершаемой приливообразуюшими силами, и теряется за счёт диссипации, обусловленной силами трения, а также в результате энергообмена с твёрдым телом Земли и атмосферой. Обшее количество приливной энергии в Мировом океане (глобальное энергосодержание) можно выразить в виде: Е = Е кин + Е пот, где Е кин и Е пот - соответственно кинетическая и потенциальная энергии.
Перспективными с точки зрения промышленного использования приливной энергии в России являются заливы Пенженский, Тугурский, Мезенский, а также многие, глубоко врезавшиеся в сушу, губы Кольского побережья Баренцева моря [10,11].
Часть обшей приливной энергии затрачивается на современные экзогенные геологические процессы [15]. Для каждого приливного бассейна свойственны индивидуальные режимные особенности приливной энергии [10]. По этой причине развитие современных экзогенных геологических процессов (СЭГП) для каждого отсечного бассейна является чисто индивидуальным процессом. С созданием дамб отсечных плотин ПЭС резко изменяется картина размешения СЭПГ. Участки аккумуляции до возведения дамб становятся денудационными, и наоборот (рис.1). Сооружение плотины и отсечение части акватории морского бассейна при строительстве ПЭС, а также работа агрегатов электростанции могут приводить к сушественной трансформации приливных колебаний. Поэтому оценка эксплуатационных характеристик проектируемой ПЭС и оптимального режима её работы, а также объёма необходимых строительных работ, и возможных экологических последствий, должна опираться не на «природные» данные о приливных колебаниях, сушествую-ших до начала строительства, а на расчётные данные прогноза с учётом возможной трансформации приливного режима [14,15 ].
При сооружении ПЭС акватория залива делится на две более или менее изолированные друг от друга части: внешнюю акваторию и отсечённый бассейн (рис.4-8). Характер трансформации колебаний в каждой из этих частей будет различным. Строго говоря, понятие трансформации можно относить только к внешней акватории, потому что характер колебаний в отсечённом бассейне полностью определяется действием агрегатов ПЭС, т.е. эти колебания имеют искусственное происхождение и не могут считаться частью природного приливного процесса. Колебания во внешней акватории продолжают оставаться частью природного процесса, хотя и трансформированного. Трансформационные эффекты во внешней части акватории вызываются: 1) наличием дамбы 2) действием агрегатов ПЭС [10].
4/2008
ВЕСТНИК
МГСУ
К первой группе относятся следующие основные эффекты: изменение места отражения приливной волны; изменения диссипативных свойств бассейна; изменение геометрии и резонансной настройки бассейна.
Ко второй группе относятся: ослабление отражательной способности дамбы при работе агрегатов ПЭС, обусловленное отбором полезной энергии турбинами; передачей части энергии в отсечённый бассейн и дополнительной диссипацией при протекании воды через турбины и водопроводные отверстия, а также возмущения, вносимые работой агрегатов ПЭС (рис.4,8).
Как видим, перечисленные эффекты могут быть весьма значительными, что указывает на необходимость их предварительной оценки и учёта при разработке проектов ПЭС. Таким образом, масштабы трансформационных эффектов могут иметь экологические последствия. Отсюда следует необходимость прогностической оценки таких эффектов, непосредственно влияющих на развитие современных экзогенных процессов. В настоящее время наиболее эффективным и рациональным методом прогностической оценки таких эффектов является математическое (гидродинамическое) моделирование. При моделировании приливных явлений в реальных морских
Рис. 8
Рис. 8
бассейнах сложных очертаний и с неоднородным рельефом дна (рис.4,6,8) решение исходных уравнений геофизической гидродинамики может быть получено только численными методами с использованием, как правило, конечно-разностных вычислительных схем. Применение математического моделирования для расчёта прогностической картины развития современных экзогенных геологических процессов в береговой зоне приполярных морей становится настоятельной необходимостью [7,15].
Установлено, что инженерно - геологические условия Баренцево - Карского шельфового региона в высшей степени неоднородны, что в первую очередь определяется неоднородностью рельефа в его пределах, сложным характером тектоники, обусловившим разнообразие геологического разреза в верхней части региона [7].
Сложность и разнообразие инженерно - геологических условий шельфа северных морей, в особенности их прибрежных зон, обусловлены сложным гетерогенным литолого- фациальным строением грунтовых толщ различного состава, состояния и свойств, наличием криолитозоны, широким развитием современных экзогенных геологических процессов и явлений, климатическими особенностями, что, в свою очередь, обусловливает возникновение целого комплекса неблагоприятных инженерно-геологических явлений в процессе строительства и эксплуатации разного рода сооружений на шельфе [7,8].
Общая особенность инженерно - геологических условий Баренцево -Карского шельфа заключается в наличии в его пределах 2-х инженерно-геологических провинций: распространение грунтовых толщ преимущественно с жёсткими связями и преимущественного распространения грунтов без жёстких структурных связей. В обеих провинциях выделяются: зоны пре-
4/2008_М|^^ТИК
имушественного распространения многолетнемёрзлых пород (дисперсных и скальных) и зона распространения талых и немёрзлых грунтов [5,7].
Комплексы инженерно - геологических условий шельфовых зон рассматриваемого региона принципиально различны. Поэтому сушествование инженерно - геологических зон и подзон на шельфе является объективным фактом, а правомерность их выделения при районировании территории Баренцево - Карского шельфового региона можно считать достаточно обоснованной [1 - 7].
Основными элементами природной обстановки подводных геоландшафтов, контролируюшими формирование инженерно- геологических условий шельфовых зон, являются: геологическое строение массива, геоморфологические условия, характер тектоники, геокриологические и гидрогеологические условия, гидрометеорологический режим акватории и её географическое положение, как факторы, определяюшие фазовое состояние влаги в породах и в океане, и климатическую зональность процесса осадкообразования. Эти факторы могут быть положены в основу инженерно - геологической классификации шельфовых зон [7].
Исследованиями последних лет установлено более широкое, чем считалось ранее, распространение как на шельфе северных морей, так и их побережий, весьма специфичных ледниково - морских отложений, изученных нами и описанных на архипелаге Шпицберген [1,2,3]. Изученные грунты данного комплекса позволяют сделать вывод о том, что при сохранении естественной структуры рассматриваемые образования могут служить в качестве достаточно надёжного основания для различного рода сооружений, причём степень благоприятности пород возрастает в зависимости от степени их литификации. Кроме того, описанные образования могут вовлекаться в народохозяйственную деятельность как вмешаюший материал и как строительный, по своему естественному механическому составу близкий к оптимальной смеси [1]. В качестве природного строительного материала этот вид грунта рекомендован к укладке в тело дамбы отсечной плотины Ме-зеньской ПЭС в пакетах из геотекстиля [14].
С точки зрения изучения литодинамических процессов, имеюших место на шельфе приполярных зон, большой научный и практический интерес представляет описание механизма формирования ледниково - морских отложений в контактной зоне ледник-море, а также изучение их физико-механических свойств, структуры и текстуры, впервые выполненное нами [1-4]. Изыскания, выполненные под створы ПЭС, указывают на широкое их распространение на территории России, что свидетельствует о грандиозных масштабах ледово - морского процесса осадкообразования в недавнем геологическом прошлом на севере России, а на архипелагах северных морей осушествляет-ся и по-ныне (рис.1,2,3) [1, 14]. К примеру, в горловинах губ Кольского побережья Баренцева моря, где разведаны створы проектируемых отсечных плотин ПЭС, имеют распространение эти грунты (рис.6). Это позволило автору
впервые выделить геологическую деятельность движущегося ледника, впадающего в море, в качестве самостоятельного агента литодинамики.
В заключение заметим, что беспорядочное накопление разрозненных результатов, очевидно, не может привести с желаемой быстротой к целостному представлению обо всей совокупности основных черт строения, истории развития инженерно-геологических и геоэклогических условий на различных участках шельфа, поэтому необходимо их целенаправленное изучение. В таблице 1 приведены современные методы исследования шельфа приполярных морей, отвечающие требованиям практики. Отсюда вытекает настоятельная необходимость оснащения морских геологов современными техническими средствами.
В мире общее число действующих, проектируемых, исследуемых и предложенных приливных электростанций (ПЭС) в России (6), во Франции (4), в Великобритании и Ирландии (11), Канаде (13), США (9), Южной Корее (9), Австралии (5), Испании (2) составляет 119 в 13 странах мира, что свидетельствует о намерении широкомасштабного использования энергии приливов[10].
Изучение инженерно-геологических и геоэкологических условий вышеназванных ПЭС позволяет поставить и проблему «типизации» инженерно-геологических и геоэкологических условий ПЭС.
В условиях нынешнего вялотекущего, но прогрессирующего, процесса глобального потепления климата (ГПК) планеты уже выдвигаются новые проблемы. Так, на примере створа Мезенской ПЭС, становятся заметными изменения инженерно-геологических условий, происходящие на глазах одного поколения, а именно, западное примыкание отсечной плотины дамбы ПЭС, ранее входящее в зону островного распространения вечной мерзлоты, теряет её, здесь начинает развиваться солифлюкция, а в грунтовой толще формируется постоянный горизонт грунтовых вод. В свою очередь, восточное примыкание плотины ПЭС из зоны вечной мерзлоты переходит в зону островной.
И, наконец, несколько слов о понятии «шельф». Следует отметить, что многие понятия, связанные с шельфом, дискуссионны, также как и само понятие «шельф». На примерах использования энергии приливов посредством ПЭС видно, что методологическая сущность требует включения в поле деятельности морской инженерной геологии и береговой зоны во время прилива, ибо потенциальная энергия отсечного водоёма ПЭС подсчитывается с учётом сигизийного прилива, вызванного совместным влиянием Солнца и Луны. Во время прилива штормовые и нагонные волны воздействуют на берег на высоту прилива [1,7,10,13,14].
А во время отлива (ныне считающегося верхней границей шельфа) осушаются значительные территории морского дна (ватты, бенч, косы, отмели, бары и другие), не входящие в область шельфа, по его принятому ныне определению. При этом следует выделять в пределах шельфа и субаквальную, и субаэральную его части [2,3,5,8].
4/2008_М|ВЕСТНИК
Литература
1. Болтунов В.А. О некоторых признаках, отличающих моренные ледниковые и мо-реноподобные ледниково-морские отложения (на примере Шпицбергена). Вестник МГУ им. М.В.Ломоносова, сер. геология, №4, М., 1969.
2. Болтунов В.А. Методика полевых подводных инженерно-геологических исследований. Всесоюзный институт научной и технической информации АН СССР. Депонент №1291-75, 12.о5.1975.
3. Болтунов В.А. Процессы осадкообразования в прибрежной зоне (цоколе) приполярных островов. ВИНИТИ АН СССР, депонент № 2993-75, 14.10.1975.
4. Болтунов В.А. Особенности формирования физико-механических свойств прибрежных отложений Шпицбергена. В сб. статей «инженерно-строительные изыскания», Стройиздат, М., 1975.
5. Болтунов В.А. Методика построения инженерно-геологических карт шельфа морей. ВИНИТИ АН СССР, депонент № 304-77 от 25.01.1977.
6. Болтунов В.А. О кондиционности инженерно-геологических исследований на шельфе. ВИНИТИ АН СССР, депонент № 4314-77 от 18.11.1977.
7. Болтунов В.А. Автореферат кандидатской диссертации на тему: «Инженерно-геологические условия шельфа северных морей и методика их исследования ( на примере Баренцево - Карского шельфа). Изд. МГУ, М., 1979
8. Усачёв И.Н., Дьяконов П.Ю., Болтунов В.А. Некоторые вопросы проектирования Северной ПЭС в губе Долгой. «Малая энергетика», изд. Энергия, М., 2008.
9. Болтунов В.А. Современные экзогенные геологические процессы в приполярных морях. «Вестник МГСУ», М., 2008.
10. Приливные электростанции. Под ред. Академика РАН Л.Б.Бернштейна. Книга 1 и 2., АО «Институт Гидропроект», М., 1994.
11. Кольская опытно-промышленная приливная электростанция в губе Долгая - Восточная. ТЭР, ч. 2, Природные условия. Раздел 2, Топографо-геодезическое обоснование и инженерно-геологические условия (1460-3т), Гидропроект, М., 1991.
12. Усачёв И.Н., Микоц Л.М. Экологическая безопасность проектируемой Мезенской ПЭС. «Безопасность энергетических сооружений», вып. 4, М., 1999.
13. Болтунов В.А. Приливные электростанции на Африканском континенте и современные экзогенные геологические процессы. В сб. Института Африки РАН, М., 2008.
14. Усачёв И.Н., Болтунов В.А., Дьяконов П.Ю. Приливные электростанции и современные экзогенные геологические процессы. Тр. Междун. Науч. конф. «Многообразие современных геологических процессов и их инженерно-геологическая оценка». МГУ им. М.В.Ломоносова, янв., 2009
15. Трофимов В.Т. Геоэкология. Изд. МГУ, М., 20
Ключевые слова: шельф, инженерно-геологические условия, гидродинамика, экзогенные процессы, тектоника, геокривлогия.
Рецензент: профессор, н.г.-м.н П.А. Кашперюк (МГСУ)
