Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология, 2022, № 2, стр. 488-62

ВВЕДЕНИЕ

Территории, в геологическом разрезе которых широко развиты растворимые породы, характеризуются наличием как поверхностных, так и подземных карстовых форм: воронок, карстовых полостей, поноров и т.п. В пределах Российской Федерации крупные провальные формы, в районах развития сульфатного (гипсового [5]), карбонатно-сульфатного (карбонатно-гипсового [5]) типов карста, встречаются на территории Центрально-Европейской части и в Приуралье. Одна из особенностей сульфатного карста – относительно высокая скорость растворения трещиноватых гипсов и ангидритов, в результате чего под мощной толщей нерастворимых водоупорных отложений при условии доступа агрессивных вод могут сформироваться значительные по размерам карстовые полости.

Вероятность появления карстового и/или карстово-суффозионного провала на земной поверхности как результата растворения карстующихся пород и обрушения пород сводовой части полости (при достижении критического размера) определяется геолого-гидрогеологическими условиями, структурой и напряженным состоянием массива горных пород.

Периоды интенсивного развития карстового процесса совпадают с сезонами высокой гидрогеологической активности, в то время как сухие сезоны характеризуются низким уровнем грунтовых вод, медленной скоростью их циркуляции в карстовых системах (от двух до пяти раз меньшей, чем в течение сезона высокой гидрологической активности) [25]. Большое значение имеет скорость изменения уровня воды: чем выше ее значение, тем интенсивнее может быть деформация поверхности земли, связанная с карстово-суффозионными процессами [26]. А.И. Печеркиным и В.Е. Закоптеловым [19] при рассмотрении вопроса типизации закарстованных берегов водохранилищ (в том числе Камского) отмечена активизация процесса суффозии вследствие колебания уровней подземных и поверхностных вод в результате сработки и наполнения водохранилища.

Отметим, что максимальное развитие форм подземного карста в массиве приурочено, согласно принципиальной схеме гидродинамической зональности Г.А. Максимовича [16], к зоне периодического колебания уровня карстовых вод (переходной). Эта особенность формирования полостей в растворимых породах массива подтверждена результатами наблюдений за режимом подземных вод, проведенных ВерхнекамТИСИЗом в 1971–1972 гг. (годовой цикл) на территории г. Кунгур Пермского края [6].

Еще одним фактором, влияющим на протекание карстового процесса, является литология растворимых пород. В обстановках карбонатно-сульфатного карста крупные полости, инициирующие провалообразование, часто формируются на контакте сульфатных и перекрывающих их карбонатных отложений вследствие восстановления агрессивности воды по отношению к сульфатам из-за снижения в ней концентрации сульфата кальция при растворении карбонатных пород по мере нисходящего движения воды по массиву. Большинство воронок в карстовых районах Пермского края сформировано под влиянием данного фактора [13, 18].

Вышесказанное доказывает актуальность изучения инженерно-геологических условий карстовых массивов. Невозможность наблюдения за процессом подготовки провалообразования также является одним из главных затруднений при изучении карстовых массивов, поэтому выявление закономерностей в изменении инженерно-геологических условий и состояния дисперсных перекрывающих отложений вблизи поверхностных карстовых форм может быть весьма информативным.

ХАРАКТЕРИСТИКА ИЗУЧАЕМОЙ ТЕРРИТОРИИ

Геоморфология и орогидрография. В административном отношении изучаемая территории относится к Добрянскому району Пермского края. Участок расположен в 5 км севернее Мыса Стрелка – слияния рек Чусовая и Кама. Местность представлена слабовсхолмленной равниной, наследующей структуру Верхнекамской впадины, в придолинных частях р. Кама, сильно расчлененной ее притоками. Расчлененность рельефа благоприятно сказывается на инфильтрационной способности карстового массива [24]. Основным рельефообразующим элементом является р. Кама. Долина реки консеквентная, широкая, с террасированными склонами (до 4-х надпойменных террас).

Тектоническое строение. Изучаемая территория расположена в пределах северо-восточной части Краснокамско-Полазненского вала (рис. 1). В центральной части он прослеживается по выходам кунгурских отложений, которые выделяются среди сплошного поля развития уфимских пород. Вал протягивается в северо-восточном направлении на 100 км при ширине 10–15 км. Ось вала проходит по линии населенных пунктов: пгт. Полазна – г. Краснокамск – г. Нытва (Пермский край).

Дифференцированные неотектонические движения сводово-блокового и блокового характера приурочены к плиоцен-четвертичному этапу, характеризующемуся интенсификацией тектонических движений и, как следствие, формированием новой, глубоко врезанной и разветвленной речной сети современных очертаний.

Четвертичный период характеризуется общим подъемом всего Среднего Прикамья, причем на участке Краснокамско-Полазненского вала движения были более интенсивные [15]. Активность локальных поднятий в областях положительных структур подтверждается развитостью овражной сети, приподнятостью горизонтов с наличием карстовых пустот и пещер над урезом воды [20].

В районе Краснокамско-Полазненского вала скорость поднятия локальных структурных форм уменьшается с северо-востока на юго-запад. Наибольшей активностью характеризуются группа Гайвинских, Полазненского и восточная вершина Северокамского (д. Стряпунята и окрестности) поднятий, наименьшей – Краснокамское. Западная вершина Северокамского поднятия по степени активности занимает промежуточное положение.

Геологическое строение. В пределах района работ в геологическом строении приповерхностной части принимают участие породы пермской и четвертичной систем. Сводный геологический разрез по данным архивных скважин сверху вниз следующий.

Четвертичные отложения (Q) различного литологического состава развиты повсеместно. На высоких склонах и в долинах рек встречаются элювиально-делювиальные и аллювиальные отложения; водораздельные пространства с поверхности сложены бурыми и серо-коричневыми макропористыми известковистыми суглинками, супесями, супесями, реже глинами, с редкими включениями гальки. Аллювий надпойменных террас представлен полимиктовыми алевритовыми песками (иногда с галькой и гравием), супесями, реже глинами. В основании преобладают залегающие с размывом на пермских породах разнозернистые полевошпат-кварцевые пески с редким гравием. Мощность отложений на левом берегу Камы изменяется от 14.8 м на севере участка (д. Бобки) до 31 м и более на юге (п. Пальники). На правом берегу мощность четвертичных отложений составляет от 3.3 м (д. Скобелевка) до 15.0–20.0 м (д. Заозерье).

Соликамский горизонт (P₁sl) уфимского яруса нижней перми вскрыт скважинами на обоих берегах (по архивным данным). В состав отложений соликамского горизонта входят плитчатые мергели, известняки, доломиты, песчаники, алевролиты и аргиллиты. Карбонатные породы с подчиненными прослоями терригенных встречаются преимущественно в основании горизонта, верхняя его часть представлена незакономерным чередованием песчаников, аргиллитов и алевролитов с прослоями известняков. Встречаются включения и линзы гипса и ангидрита. В кровле горизонта встречается выдержанный по простиранию пласт кристаллического гипса мощностью до 2.5 м, в восточной части с высоким содержанием примесей глины.

На левом берегу горизонт представлен глинами и мергелями мощностью 35.7 м, на правом – известняком, доломитом, мергелями мощностью от 5 до 19 м и более (д. Заозерье), и преимущественно аргиллитоподобными глинами с прослоями известняков мощностью от 9.0 м в устье р. Хохловка до 21.2–57.0 м на водораздельных частях (д. Скобелевка).

Иренский горизонт (P₁ir) кунгурского яруса нижней перми распространен повсеместно, его подстилают уфимские отложения. На левом берегу, на крутом абразионном склоне долины Камы (Чусовская Стрелка, Чусовской Мыс) встречаются обнажения пород горизонта. Иренский горизонт представлен чередованием гипсово-ангидритовых и карбонатных литологических пачек, в составе последних выделяются преимущественно доломиты с прослоями мергелей, аргиллитов и известняков. В устье Хохловки и в 0.6 км юго-западнее д. Гари вскрытый скважинами иренский горизонт представлен мощной толщей глин с редкими прослоями карбонатных и сульфатных пород. На левом берегу отложения горизонта вскрываются на глубине от 50.5 м, на правом – от 31.0 м (д. Заозерье) и от 30.2–62.0 м (д. Скобелевка); в устье р. Хохловка – на глубине от 14.6 м. Вскрытая мощность на левом берегу 49.6 м, на правом – 17.0–51.0 м.

Гидрогеологические условия. Подземные воды в элювиально-делювиальных отложениях безнапорные (грунтовые воды), распространены спорадически, на склонах логов, оврагов, реже на водоразделах. Питание горизонта осуществляется за счет атмосферных осадков, разгрузка – в тальвеговую часть логов и оврагов, карстовые воронки. Коэффициент фильтрации отложений изменяется от сотых и до десятых долей м/сут. Водообильность отложений низкая.

Трещинно-карстовый горизонт приурочен к соликамским и иренским отложениям. Отложения обводнены неравномерно: горизонт развит на крыльях Краснокамско-Полазненского вала, породы сводовой части вала обводнены локально. Водообильность горизонта непостоянная, фильтрационные свойства пород не выдержаны по площади; возможно формирование до 2–3 подгоризонтов вследствие широкого развития водоупорных прослоев. Воды развиты в трещиноватых и закарстованных сульфатах и карбонатах. Карбонатные пачки, расположенные близко к уровню местного базиса эрозии, зачастую являются водовмещающими, а подстилающие их сульфатные пачки – водоупорными.

Оценка закарстованности. Карстующимися породами на участке являются известняки, доломиты, гипсы и ангидриты пермской системы. Согласно СП 11-105-97, ч. II (п. 5.1.5)¹¹, известняки и доломиты относятся к труднорастворимым породам, гипсы и ангидриты – к среднерастворимым. По степени обнаженности карстующихся пород и характеру перекрывающей толщи в районе работ развит покрытый тип карста.

В соответствии с прил. Б.5 СП 115.13330.2016²² изучаемый участок попадает в зону распространения сульфатного, карбонатно-сульфатного карста. Согласно Карты карстовой опасности на территории России масштаба 1:10 000 000³³, территория в долинах Камы и Гайвы и на их междуречьях в отношении карста является весьма опасной (учитывая мелкий масштаб карты и возможное смещение границ категорий до 5 км).

ХАРАКТЕРИСТИКА ПОВЕРХНОСТНОЙ ЗАКАРСТОВАННОСТИ

Левый берег – участок Чусовского мыса, находится в пределах западной части Полазненского (Полазнинско-Шалашинского) карстового района, характеризующегося развитием карбонатно-сульфатного и сульфатного карста в гипсах и наличием перекрывающих сульфаты плитчатых трещиноватых известняков и доломитов кунгурского яруса общей мощностью до 50 м.

Морфология и плотность карстовых форм на участке Чусовского мыса определяются степенью трещиноватости пород, составом и мощностью покровных образований, рельефом. Наибольшая плотность карстовых форм отмечается на склонах (Чусовской) и присклоновых участках водоразделов, логов, где мощность покровных отложений уменьшается. Поверхностные карстопроявления в большинстве случаев относятся к древним, их диаметры изменяются от 9 до 20 м при глубине до 6 м. При слиянии нескольких воронок образуются котловины диаметром 100 м и более, вытянутые параллельно логам [3, 5]. К склонам приурочена бóльшая часть крупных конусообразных и чашеобразных воронок. У бровок склонов расположены наиболее глубокие, иногда сложные, воронки и котловины. Вниз по склону количество воронок и их размеры уменьшаются. Это явление объясняется тем, что в коренных склонах долин и оврагов увеличивается трещиноватость, главным образом, за счет развития трещин бортового отпора. Кроме того, в верхних частях склонов отмечается небольшая мощность и более грубый состав покровных отложений, что при наличии трещин бортового отпора усиливает фильтрацию воды. На ровной поверхности водораздела, где мощность покровных отложений увеличивается, меняются очертания карстовых форм, и снижается их плотность. В условиях равнинного рельефа вынос глинистого материала происходит в замкнутые карстовые понижения, поэтому здесь 85.6% карстовых форм представлены карстовыми блюдцами, озерами и болотами [3].

В пределах изучаемой территории участка Чусовского мыса все воронки являются древними. На космоснимках хорошо дешифрируются воронкообразные формы диаметром 35–50 м в 500–1000 м южнее изучаемого участка (д. Кулигино), часть из них заполнена водой. На рис. 2 представлено фото типовых карстовых воронок, а в табл. 1 характеристика их форм. Упоминания об образовании провальных форм вблизи изучаемого участка относятся к 1948 г. (в 3.5 км южнее участка, восточнее д. Городище [4]), а также к апрелю 1991 г. в том же населенном пункте [7, 21].

Правый берег – территория Полазненского участка [3]. Мощность гипсово-ангидритовой толщи на участке достигает 100 м и более, покровные отложения либо отсутствуют, либо имеют незначительную мощность (1–20 м), увеличивающуюся с востока на запад.

Карст типично сульфатный, его развитию способствуют значительная приподнятость территории над местным базисом эрозии и трещиноватость пород. Отличительная черта Полазненского участка – высокая закарстованность обоих берегов Камы; средняя плотность – 60 карстовых форм на км². На некоторых площадках на левом берегу она может достигать 1000 шт./км². Большая часть карстовых форм – воронки, встречаются карры, карстовые рвы, котловины, овраги, сухие речки и озера. Все воронки на правом берегу в пределах изучаемой территории Полазненского участка также являются древними. Как правило их диаметры имеют значения 2–14 м, на западе встречены единичные формы диаметром 30–67 м, развитые на территории с относительно большей мощностью водоупора.

В результате проведенного морфометрического анализа сделан вывод, что в пределах изучаемой территории карстовые формы преимущественно тяготеют к поверхностям рельефа с незначительным уклоном (рис. 3). Это объясняется тем, что в подобных условиях инфильтрация превалирует над поверхностным стоком. Большая часть карстовых форм приурочена к склонам северо-западной экспозиции (рис. 4).

ХАРАКТЕРИСТИКА ПОДЗЕМНОЙ ЗАКАРСТОВАННОСТИ

По данным опубликованных материалов о подземной закарстованности участка Чусовского мыса [4, 5, 7], можно сделать вывод, что карстующиеся породы, развитые на левом берегу Камы, характеризуются интенсивной трещиноватостью и наличием большого количества каверн диаметром 2–3 мм. В целом трещиноватость и кавернозность пород способствуют формированию единой гидравлической сети, обеспечивающей движение воды в карстовом массиве [7].

К.А. Горбуновой при описании карстового участка Чусовского мыса отмечено, что в 1949 г. под руслом р. Чусовая (около 10 км южнее участка) скважинами были вскрыты карстовые полости высотой до 8 м [5]. Кроме того, характерная полость была вскрыта при образовании Городищенского провала [4]. Формирование крупных карстовых полостей под руслами Камы и Чусовой в районе Чусовского мыса объясняется тем, что зона активного движения карстовых вод находится ниже отметок русел этих рек. Об этом свидетельствует значительная закарстованность первых террас, где воронки образуются в результате просадок и провалов рыхлых аллювиальных отложений в карстовые полости в гипсах, залегающих ниже русел рек. Под аллювиальными и делювиально-элювиальными отложениями I террасы р. Чусовая вблизи ее устья при бурении скважин обнаружены погребенные карстовые воронки и карстовые полости в гипсах иренского горизонта [4].

Интенсивная подземная закарстованность также была отмечена при проходке карстологических скважин на изучаемой территории обоих берегов Камы. Местоположение скважин, вскрывших карстовые полости, представлено на рис. 5. Высота полостей от 0.1 до 2.9 м, при среднем ее значении 0.3 м, но единичные полости имели высоту и до 5.0 м. Например, при проходке одной скважины в непосредственной близости (около 5 м) от бровки крупной карстовой воронки произошел провал инструмента, а последующий видеокаротаж подтвердил существование в сульфатных породах на глубине 18.5 м карстовой полости значительной ширины и высотой около 5 м. В той же скважине в интервале глубин 50–64 м было зафиксировано еще 6 провалов бурового инструмента.

МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗМЕНЧИВОСТИ СОСТОЯНИЯ ПОКРОВНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ

В качестве объекта исследования выбраны глинистые отложения среднего звена неоплейстоцена, слагающие с поверхности высокие (третью и четвертую) террасы Камы. Отложения развиты повсеместно на изучаемой территории, что обеспечивает достоверность статистического анализа достаточным для его проведения количеством наблюдений. Исследовались следующие свойства покровных отложений: плотность, естественная влажность, коэффициент пористости и суммарное содержание пылеватой и глинистой фракций.

Физические свойства и гранулометрический состав (в частности, содержание пылеватой и глинистой фракций) определялись посредством лабораторных испытаний монолитов грунтов, отобранных из инженерно-геологических скважин, местоположение которых представлено на рис. 5. Глубина отбора монолитов на правом берегу – от 0.2 до 15.0 м, реже до 20.0 м, на левом – 0.5–11.5 м. Шесть опробованных скважин пройдены на расстоянии 5–10 м от бровки карстовых воронок, остальные – на расстоянии от 15 м.

Цель данного анализа – оценка площадной изменчивости состояния грунтов в пределах карстовых полей на участках, напрямую не затронутых провалообразованием. Под карстовыми полями авторами понимаются участки весьма интенсивного развития поверхностных карстовых форм. Карстовые поля здесь ограничивались буферными зонами от бортов карстовых воронок на удалении в 250 м, что немного больше максимального расстояния между карстовыми формами и скважинами, вскрывшими карстовые полости.

Плотность карстовых воронок в пределах карстовых полей рассчитывалась инструментально в программе ArcGIS c применением метода Kernel Density для получения непрерывной растровой поверхности, характеризующей изменение данного параметра в пределах карстового поля (см. рис. 5). Инструмент Kernel Density вычисляет плотность точек (количество на единицу площади – шт./км²) вокруг каждой ячейки выходного растра в пределах заданного радиуса поиска, принятый в данной работе равным 250 м.

Участки высокой плотности карстовых форм представляют собой зоны интенсивной инфильтрации поверхностных вод и разгрузки грунтовых вод в трещинно-карстовый горизонт. К одной из характерных региональных гидрогеологических особенностей изучаемого участка следует отнести отсутствие напора трещинно-карстовых вод или его ограниченное наличие на локальных участках. Специфические черты (сухие русла рек, отсутствие следов заболоченности и переувлажнения на дне воронок), присущие карстовым проявлениям в пределах изучаемых районов, давно отмечены рядом пермских исследователей [5].

Опробование отложений в непосредственно в бортах самих воронок и их днищах не проводилось, поэтому в рамках данного исследования оценка их свойств не выполнялась.

Изменчивость значений изучаемых инженерно-геологических свойств отложений за пределами воронок оценивалась на основе построения и анализа двухмерных облаков точек. Каждая пара значений, характеризующих положение точки на графике, описывалась координатами: ординатой (Y) – значением изучаемого свойства суглинистых отложений в точке опробования; и абсциссой (X) – значением плотности карстовых воронок, извлеченным с растровой поверхности в этой же точке.

Все используемые числовые значения переменных приведены (табл. 2) к одинаковой области их изменения посредством нормализации по формуле:

где x_ind – нормированное значение параметра, диапазон изменения которого 0–1 (индексная оценка); x_i – реальное значение параметра, x_min – минимальное значение параметра в выборке, x_max – максимальное значение параметра в выборке.

Цель нормализации – приведение исследуемых параметров разных единиц измерения к единой шкале для совместного аналитического и графического анализа.

На рис. 6 приведены типовые графики, описывающие характер изменения значений исследуемых свойств, выраженных в индексной форме, в зависимости от плотности воронок, также выраженной в индексной форме. Результаты проведенного анализа сведены в табличную форму (табл. 3), где изменчивость состояния исследуемых грунтов в зависимости от плотности карстовых воронок описывается разницей индексных оценок изучаемых свойств на участках с максимальным и минимальным значением плотности воронок (x_ind(P_max) – x_ind(P_min)).

Результаты статистического анализа свидетельствуют о том, что в пределах карстовых полей на участках, не затронутым напрямую провалообразованием, состояние первого от поверхности грунтового слоя, представленного суглинками, с увеличением плотности карстовых форм характеризуется увеличением плотности грунта и снижением коэффициента пористости, естественной влажности и содержания тонкодисперсной фракции.

По мнению авторов, такой характер изменения свойств суглинков может быть связан с тем, что интенсивность инфильтрации на участках с повышенной плотностью карстовых форм выше, следовательно, именно к ним направлено движение фильтрационного потока, содержащего и твердую компоненту. В результате тонкодисперсный материал выносится в зоны разгрузки – карстовые воронки, а мелкий оседает в поровом пространстве покровных отложений. Влажность грунтов по мере увеличения плотности воронок снижается, что обусловлено хорошей инфильтрацией за счет развития трещин и, как следствие, хорошей проницаемостью массива, а также за счет отсутствия напоров вод трещинно-карстового горизонта, способного препятствовать нисходящей фильтрации.

Принимая во внимание древний возраст поверхностных карстовых форм и геологическое строение изучаемого участка, можно сделать вывод, что подобный характер изменчивости значений физических свойств дисперсных грунтов обусловлен длительностью процессов фильтрации грунтовых вод в направлении к областям разгрузки – участкам с высокой плотностью карстовых воронок.

Изучению изменчивости физических и физико-механических свойств грунтов, перекрывающих закарстованные породы, посвящены работы многих исследователей. Если говорить, о поведении связных и несвязных грунтов перекрывающей толщи над карстовыми полостями или иными ослабленными зонами в растворимых породах, то следует упомянуть детерминированные модели, разработанные А.В. Аникеевым. При физическом моделировании процессов провалообразования было подтверждено, что основную роль в подготовке деформаций обрушения играют растягивающие напряжения. Очевидно, что уменьшение напряжений в грунтах над сформированной карстовой полостью в массиве приводит к разуплотнению грунтов [1].

Ослабленные зоны в грунтах покровной толщи, формирование которых сопряжено с разрядкой нормальных напряжений в перекрывающих грунтах над карстовой полостью, фиксируются в разрезе при проведении статического или динамического зондирования по падению сопротивления грунтов внедрению конуса зонда. Такие зоны соответствуют участкам развития вторичных парагенетически связанных с карстом суффозионных полостей и полостей обрушения [11]. Эффективность такого подхода доказана В.С. Крашенинниковым и В.П. Хоменко на промплощадке в г. Дзержинск Нижегородской области, где зондирование проводилось в четвертичных аллювиальных грунтах, перекрывающих карбонатно-сульфатную карстующуюся толщу. В ходе зондирования была выявлена ослабленная зона, наличие которой впоследствии было подтверждено результатами бурения.

По мнению В.П. Хоменко, под разуплотненными (ослабленными) зонами в покровной толще понимаются участки, подвергшиеся частичному фильтрационному разрушению в начальной стадии развития карстово-суффозионных процессов. В.П. Хоменко экспериментально обосновал, что признаком начала формирования карстового провала может служить наличие разуплотненных зон в геологическом разрезе, где перекрывающая толща пород с бутовой текстурой подстилается трещиноватыми карстующимися породами. Поиск зон разуплотнения можно вести посредством обработки данных о гранулометрическом составе грунтов [11]. Так, В.С. Крашенинниковым и В.П. Хоменко в модельных условиях детально исследовался гранулометрический состав грунтов в разных точках перекрывающей толщи над карстовой полостью или трещиной в водоупоре. В результате ими выделено три зоны, гранулометрический состав которых различен: в зоне непосредственно над полостью заполнитель практически отсутствует и грунт отличается высокой степенью однородности [12].

При проведении инженерно-геологических изысканий на территории Москвы, где типовой разрез перекрывающей толщи представлен песчаными грунтами с подстилающим их юрским водоупором, на участках нарушения сплошности последнего происходит постепенное снизу вверх разуплотнение песчаных грунтов. Причиной тому служит вынос частиц в закарстованный массив после разрушения грунтов под действием вертикальной фильтрации через нарушение в водоупоре, обусловленной напором трещинно-карстового горизонта [8, 9, 14].

Кроме того, А.Д. Кочевым исследован характер изменчивости юрских глин и сделаны выводы, что по направлению к воронкам увеличиваются пористость, естественная влажность, в массиве и уменьшаются значения плотности грунта, что связано с вероятным формированием разуплотненной зоны в покровной толще в связи с развитием карстово-суффозионного провала. Так же автором отмечается, что такие изменения свойств наблюдаются на незначительных расстояниях от карстово-суффозионных форм: зачастую много меньших, чем расстояния между скважинами [10].

Следует обратить внимание еще на одну работу, в которой обсуждается изменчивость свойств отложений на участках развития карста. А.В. Аникеевым и др. по результатам исследования двух карстовых воронок: древней и молодой, отмечается, что плотность и влажность грунтов, отобранных в бортах древней воронки, выше, чем в ее центральной части. В центральной части отмечается более низкое, чем в бортах, содержание дисперсных частиц (пылеватых и глинистых – степень агрегированности выше). В молодой воронке авторами отмечается инверсия изучаемых свойств на крыльях карстовой формы и в центральной части, которая объясняется тем, что молодая воронка отличается интенсивной инфильтрацией поверхностных вод, которая сопровождается уплотнением пород под действием силы тяжести и вследствие заполнения их порового пространства вмытыми мелкими и тонкими частицами [2].

Принимая во внимание вышесказанное и тот факт, что практически все зафиксированные карстовые полости расположены на расстоянии 30–215 м (кроме одной, зафиксированной в скважине, пробуренной у борта карстовой воронки), можно сделать вывод о верности выдвинутой гипотезы, описывающей изменчивость состояния грунтов в пределах карстовых полей в зависимости от плотности карстовых форм.

Так, участки над карстовыми полостями испытывают разгрузку напряжений, способную привести к их разуплотнению. Дисперсный материал потоком грунтовых вод переносится из областей питания к участкам интенсивного дренирования – карстовым воронкам, и чем выше плотность последних, тем большее влияние данная область разгрузки оказывает на дренирование территории. Древний возраст форм, развитых в районе исследования, объясняет относительное повышение значений плотности (при низкой пористости) отложений и относительное понижение содержания тонкодисперсной компоненты именно их длительными постседиментационными изменениями на участках провалообразования, связанными с движением грунтовых вод в направлении к областям разгрузки.

Изменения влажности объясняются региональной особенностью территории и тем, что непосредственно район исследудования хорошо дренируется логом со значительным количеством отвершков. В бортах лога широко развиты трещины бортового отпора. Подобный характер изменения влажности покровных отложений (правда, при залегании карбонатов на незначительных глубинах) отмечается в работе Чен Х. и др. (Chen X. et al. [23]): над целиковыми зонами грунты характеризуются бóльшим увлажнением за счет слабой инфильтрации. Над выветрелыми зонами в карстующихся породах за счет развития трещин и, как следствие, хорошей проницаемости массива, влага в верхних горизонтах не задерживается и просачивается вглубь массива.

Также следует обратить внимание на консистенцию изучаемых отложений. Для твердых глинистых грунтов процесс изменения напряженно-деформированного состояния, связанный с формированием карстовых форм, будет выражаться в появлении трещин, способствующих повышению интенсивности инфильтрации и инфлюации.

Здесь уместно упомянуть исследования зарубежных коллег, касающиеся морфологии трещин в карбонатных породах и физических свойств заполнителя этих трещины. Так материал заполнителя отличается от грунтов перекрывающей толщи повышенной плотностью, приобретенной вследствие транзита дисперсного материала. Значения пористости и фильтрационных свойств грунтов перекрывающей толщи также выше, чем заполнителя трещины. Содержание песчаной фракции выше в грунтах перекрывающей толщи. Это может быть связано с тем, что тонкодисперсный материал выносится в трещины, тем самым увеличивается поровое пространство и содержание относительно крупной фракции [27].

Из-за отсутствия данных о физических свойствах отложений в пределах самих воронок (борта, дно), утверждать о характере их изменчивости в непосредственной близости к карстовым формам (до 15 м) на основании выполненных исследований невозможно. Но, согласно представлениям о состоянии грунтов на участках развития карстовых воронок и вблизи них, в них должны наблюдаться пониженные значения плотности, повышенные значения пористости и содержания тонкодисперсных частиц. Вероятно, на расстоянии первые метры до 15 м от карстовых воронок, находится граница их влияния, за пределами которой характер изменчивости свойств меняется на противоположный.

Таким образом, характер изменчивости состояния первого от поверхности слоя дисперсных отложений объясняется наличием на изучаемой территории пермского глинистого водоупора, перекрывающего интенсивно закарстованный карстовый массив. В таких условиях разгрузка подземных вод в трещинно-карстовый горизонт контролируется карстовыми воронками, причем, чем выше их плотность, тем выше интенсивность инфильтрации и, следовательно, постгенетических изменений, связанных с длительным процессом фильтрации в области движения грунтовых вод к зонам разгрузки.

ВЫВОДЫ

1. Поиск и выявление закономерностей в изменении инженерно-геологических условий и состояния дисперсных перекрывающих отложений вблизи поверхностных карстовых форм могут являться весьма информативными в условиях невозможности прямого наблюдения за процессом подготовки провалообразования.

2. Анализ инженерно-геологических условий вблизи поверхностных карстовых форм в обстановках развития карбонатно-сульфатного карста на побережье р. Кама свидетельствует, что формирование провалов здесь связано со структурно-тектоническим положением территории, обеспечивающим относительно близкое залегание карстующихся пород к поверхности. Хорошая расчлененность рельефа долины Камы ее притоками весьма благоприятствует карстовому процессу, обеспечивая хорошую инфильтрацию и инфлюацию вод, особенно по трещинам бортового отпора, развитым на эрозионных логах левого берега.

3. Поверхностные проявления карстового процесса на изучаемой территории развиты достаточно хорошо. Размеры воронок на левом берегу Камы больше, чем на правом. Это связано с относительно глубоким залеганием закарстованных сульфатных пород в геологическом разрезе левого берега и с их обнаженностью в цоколе террас (мыс Стрелка), способствующей доступу пресных вод внутрь массива. Относительно мощная толща покровных отложений позволяет сформироваться значительным полостям, разрушение которых по достижении критического размера приводит к образованию крупных провалов на поверхности.

4. Разгрузка подземных вод в трещинно-карстовый горизонт контролируется карстовыми воронками, причем, чем выше их плотность, тем выше интенсивность инфильтрации и, следовательно, постседиментационных изменений, связанных с длительным процессом фильтрации в области движения грунтовых вод к зонам разгрузки.

5. За пределами воронок изменчивость свойств первого от поверхности грунтового слоя с увеличением плотности карстовых форм характеризуется увеличением плотности грунта и снижением коэффициента пористости, естественной влажности и содержания тонкодисперсной фракции. Влажность грунтов по мере увеличения плотности воронок снижается, что обусловлено хорошей инфильтрацией и инфлюацией за счет развития трещин и, как следствие, хорошей проницаемостью массива.