Вклад докайнозойского карбонатного карста в развитие современный присадочных процессов в г. Москве

Краткое описание

Содержание
Введение...3

Глава!. Карбонатный карст западного Нечерноземья...10

¦ Карст Прибалтийской карстовой области...12

¦ Центрально-Русская карстовая область...16

Глава 2. Особенности протекания карстовых процессов под антропогенным

прессингом на примере г. Москвы...34

2.1. Развитие карстовых процессов на урбанизированных территориях . . . . 34

¦ Особенности геологического строения Москвы как фактор

развития карстовых процессов...36

¦ Антропогенные изменения гидрогеологической среды

и современная активизация карстово-суффозионных процессов...50

¦ Значение сохранности юрских глин в свете развития карстово-суффозионных процессов...68

2.2 Опыт районирования, зонирования, прогноза развития карстовых карстово-суффозионных процессов по степени их опасности для инженерных сооружений...76

Глава 3. Тропический карст и его реликты во внетропической зоне...83

3.1. Морфология и географическое распространение современного тропического карста...84

3.2. Реликты тропического палеокарста во внетропических обстановках ... 96

Глава 4. Карст центра Русской равнины конца палеозоя - начала мезозоя...104

4.1. Бокситы как индикаторы климатических условий, благоприятных для развития тропического карста. Эпохи бокситообразования на

Восточно-Европейской платформе...106

4.2. Палеокарст в г. Москве...118

Глава 5. Принципы зонирования территории г. Москвы по степени карстово-суффозионной опасности...124

Заключение...143

Список литературы...147
Введение

3 ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В последние годы в связи с ростом объемов капитального строительства в г. Москве обострилась проблема его инженерно-геоморфологического и инженерно-геологического обеспечения. Внимание проектных и изыскательских организаций приковано к проявлениям неблагоприятных рельефообразующих процессов с целью их изучения и определения степени природного риска. Одним из негативных факторов, с которым приходится считаться при строительстве в столице, является развитие карстово-суффозионных процессов.

Москва расположена на северной границе ареала распространения современных карстовых процессов в пределах Московской синеклизы. В естественном состоянии территория города не подвержена их воздействию, что связано с залеганием закарстованных известняков под толщей нерастворимых пород, мощностью в несколько десятков метров. Среди последних присутствует региональный водоупор — юрские глины. Маскирует карстово-суффозионную опасность и неагрессивность подземных вод. Но внешняя безопасность в условиях крупного города оказывается ложной.

Интенсивные и длительные, начиная с конца 19в., водозаборы, снизившие пьезометрические уровни подземных вод на несколько десятков метров (касимовского водоносного горизонта до 30м, подольско-мячковского до70-80м), вызывают нисходящую фильтрацию подземных вод, охватывающую всю систему "растворимые породы -перекрывающая толща". На участках эрозионных окон в толще юрских глин благодаря гидрогеологической связи осуществляется суффозионный вынос материала, которому сопутствует образование провалов и оседаний земной поверхности, сосредоточенных, главным образом, на северо-западе города - в Хорошеве.

В центре Русской равнины карбонатный карст развивался унаследованно, по крайней мере, с додевонского времени, и современный карст является лишь новейшим

4 звеном в карстовой истории региона. Таким образом, изучение особенностей протекания

карстовых процессов на предыдущих этапах развития территории, реконструкция карстового палеорельефа, выделение участков, подвергшихся максимально сильному закарстовыванию, являются крайне важными при исследовании современного карста и, более того, необходимыми при работах, связанных с районированием карста.

Однако в условиях покрытого карста выделение участков с разной степенью закарстованности известняков представляет известные трудности. Карстующиеся породы зачастую недоступны прямому наблюдению. Основной источник знания об условиях залегания и свойствах последних - данные бурения. И для успешной их интерпретации важно установить закономерности в характере закарстованности пород. Другими словами, необходимо проведение палеогеоморфологических исследований, нацеленных на изучение древних карстовых ландшафтов, в которых происходило формирование древней закарстованности. Для этого требуется привлечение материалов (обнажения, скважины) по геологическому строению карбонатного массива, изучение структурных особенностей района. Одним из самых важных условий успешного проведения подобного рода реконструкций является учет палеоклиматических обстановок, т.к. характер протекания геоморфологических процессов и особенности формирования рельефа теснейшим образом связаны с палеоклиматом территории. Показателями существования того или иного климата является геологический и палеонтологический материал.

На выбор нами региона исследований (г. Москва) прежде всего повлияли актуальность проблемы и предыдущие исследования, сосредоточенные в Москве, поставившее нас перед необходимостью более подробного изучения рельефа поверхности каменноугольных отложений. Решение городских проблем, естественно, возможно лишь на базе сравнительно-географического анализа. Вокруг Москвы, в западном Нечерноземье широко развиты самые разнообразные формы карстового рельефа. Район этот достаточно изучен, что обеспечивает принципиальную решаемость вопроса о

5 палеогеоморфологических реконструкциях. Значительная хозяйственная освоенность

региона дает интересный материал о развитии карстовых процессов под антропогенном прессингом.

Цель и задачи работы. Целью работы является обоснование принципов крупномасштабной схемы зонирования территории г. Москвы по степени карстово-суффозионной опасности. Зонирование опирается на изучение разновозрастного погребенного рельефа, учитывающее как особенности закарстованности карбонатного массива, так и характер перекрывающей неоднородной нерастворимой толщи. В соответствии с выбранной целью в работе поставлены следующие задачи:

Оценка распространения погребенного карста и унаследованности карста Западного Нечерноземья.

Оценка условий и факторов активизации древнего карста на территориях интенсивного хозяйственного освоения поверхности и недр г. Москвы.

Обобщение опыта зонирования и прогноза степени опасности карстово-суффозионых процессов в регионах с интенсивной антропогенной нагрузкой.

Обобщение данных по особенностям распространения экспонированных и погребенных реликтов тропического карста в средних и высоких широтах с учетом специфики современных карстовых процессов в условиях влажного климата низких широт.

Палеогеографические реконструкции обстановок формирования древнего тропического карста на территории Европейской части России (с использованием данных по распространению теплолюбивой морской фауны и по бокситонакоплениям).

Реконструкция докелловейского палеорельефа г. Москвы на основе бурового материала.

6

Выделение потенциально наиболее опасных участков и подходов к зонированию

территории на основе изучения палеогеоморфологических условий и строения городских недр.

Фактический материал. В основу работы положены личные исследования автора автора - в том числе - в составе полевых партий Мосгоргеотреста в период с 1998 по 2005 гг., фондовые материалы Московского Городского Треста Геолого-Геодезических и Картографических работ, а также многочисленные опубликованные материалы по исследуемой проблеме. А именно:

1. Работы по общему карстоведению, в том числе - исследования особенностей протекания карстовых процессов в тропиках.

2. Региональные исследования карста Русской равнины.

3. Работы, посвященные активизации карстовых и карстово-суффозионных процессов в крупных городах (в первую очередь — в Москве).

4. Работы, посвященные развитию карстовых процессов в условиях низких широт и распространению реликтов тропического карста во внетропической зоне.

5. Литература о платформенных бокситах, о специфике бокситонакопления.

К фондовым материалам относятся прежде всего описания буровых скважин, пробуренных в Москве в ходе инженерно-геологических изысканий. Фундаментом ряда разработок явились также отчеты об инженерно-геологических условиях и о развитии карстовых процессов в Москве.

Методика. Основным методом, использованным автором, было изучение архивных материалов, в первую очередь буровых журналов скважин, пробуренных в разные годы с последующим их сопоставлением. В документации ряда скважин автор принимал личное участие в 1998-2005 гг. Для изучения палеогеморфологических особенностей территории

7 были построены геолого-геоморфологические разрезы и карта погребенного рельефа

доюрского возраста.

С целью изучения современного карстового рельефа автором проводились маршрутные наблюдения на территории г. Москвы и Подмосковья с описанием и фотодокументацией карстовых форм.

Научная новизна работы. В результате проведенных исследований на основе обобщения опубликованных и авторских материалов было предложено:

Интерпретация доюрского рельефа территории современной Москвы как тропического карстового.

Зонирование территории г.Москвы на основе изучения особенностей погребенного и современного рельефа.

Практическое значение. Методические рекомендации по зонированию территории г.Москвы по степени опасности суффозионно-карстовых процессов важны при принятии научно-практических решений в свете инженерного освоения городской среды. Результаты проведенных исследований могут быть полезны: учреждениям и организациям, как непосредственно связанным с инженерно-геоморфологической и инженерно-геологической проблематикой, решением задач экологической безопасности, мониторингом, так и работающим в смежных областях знаний и практической деятельности. Материалы диссертации нашли отражение в учебном процессе по спецкурсу «Карст» для студентов кафедры геоморфологии и палеогеографии географического факультета МГУ.

Апробация работы и результатов исследований. Основные положения работы были доложены на Международных конференциях студентов и аспирантов (Москва, 1998,

8 1999), на заседании комиссии по карсту и спелеологии Русского Географического

Общества (Москва, 1999), на Иркутском геоморфологическом семинаре (Иркутск, 2004). По теме диссертации опубликовано семь работ.

Структура и объем работы. В соответствии с поставленными задачами предложена следующая структура работы. Работа состоит из трех блоков. Первый блок посвящен описанию современного карста Нечерноземья.

1.1. Естественное течение карстовых процессов, условия (тектонические, геологические, физико-географические) их развития, морфология современных карстовых форм и распространение древнего разновозрастного погребенного описаны в первой главе: "Карбонатный карст западного Нечерноземья".

1.2. Развитие карстовых процессов на урбанизированных территориях под антропогенным прессингом в г.Москве (как крупнейшем городе, для территории которого современный карст не характерен), опыт районирования, зонирования, прогноза развития карстовых и суффозионно-карстовых процессов по степени их опасности для инженерных сооружений рассмотрены во второй главе: "Особенности протекания карстовых процессов под антропогенным прессингом на примере г. Москвы".

Второй блок включает в себя материал, связанный с палеогеоморфологическими исследованиями.

2.1. Особенности современного карстового рельефа тропиков и реликты тропического карста во внетропической зоне описаны в третьей главе "Тропический карст и его реликты во внетропической зоне".

2.2. Реконструкции палеоклиматических обстановок и рассмотрению вопросов, связанных с применением принципа актуализма при изучении древних карстовых ландшафтов посвящена четвертая глава "Карст центра Русской равнины конца

9

палеозоя — начала мезозоя", где описаны морфогенетические особенности

"восстановленного" палеорельефа.

К третьему блоку отнесены вопросы, касающиеся создания обновленного принципа зонирования территории по степени карстово-суффозионной опасности, проведенного на основе изучения современного и древнего рельефа. Палеогеоморфологические условия рассматриваются как интегральный признак, с которым тесно связаны закарстованность карбонатного массива, строение покрывающей толщи. Этот вопрос рассмотрен в пятой главе "Принципы зонирования территории г. Москвы по степени карстово-суффозионной ности".

Полученные выводы приведены в Заключении.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературных источников (117 наименований) и 5 графических приложений. Работа содержит 155 страниц, куда входят 41 иллюстрация, 10 таблиц.

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю профессору А.А. Лукашову, профессорам Ю.Г. Симонову, Г.А. Сафьянову, Г.И. Рычагову, Г.С. Ананьеву, СИ. Болысову, д.г.н. В.П. Чичагову, к.г.н. В.И. Мысливцу, к.г.н. Т.Ю. Симоновой, а также коллективам кафедры геоморфологии и палеогеографии МГУ и лаборатории геоморфологии ИГРАН за поддержку и помощь в процессе работы. В ходе работы автор пользовался консультациями д.г.н. Э.А. Лихачевой, д.г-м.н. В.М. Кутепова,

к.г.н. Л.Г. Бондарева, к.г.-м.н. Л.Г. Черткова, к.г.-м.н. [И.Л. Зайонца|, которым автор глубоко признателен. Автор благодарен коллективу 2-го отдела Мосгоргеотреста за предоставленную возможность работы в фондах и участие в полевых исследованиях на территории г. Москвы.

10 ГЛАВА 1. КАРБОНАТНЫЙ КАРСТ ЗАПАДНОГО НЕЧЕРНОЗЕМЬЯ

Сложная история развития Нечерноземья, эпейрогенические колебания Русской платформы и сопутствующие им смены морских и континентальных эпох, изменения климата явились причиной существования здесь нескольких циклов рельефообразования. А в связи с широким распространением в геологическом разрезе растворимых пород заметную роль в формировании рельефа играли карстовые процессы. В пределах описываемой территории выделяются додевонская, доугленосная (соответствующий концу турнейского века — началу визейского), доверейская (рубежа раннего и среднего карбона), доюрская, доледниковая и современная карстовые эпохи. При этом на отдельных участках Русской равнины "несомненно имеет место наложение нескольких карстовых циклов друг на друга." [Якушова, 1949, с. 107]. Часто современный карст является своего рода проекцией более древнего. Особенно это характерно для карбонатного карста, скорости развития которого относительно невелики. Неслучайно в таких случаях "главное внимание обращено на существующие карстовые формы" [Сергеев, 1978, с.200], их размеры, закономерности размещения в пространстве. А в "изучении истории развития карста разных районов и изучении палеокарста" карстоведы [Гвоздецкий, Лаптева и др., 1974, с.23] видят одну из первостепенных задач изучения карста европейской части России.

В Нечерноземье карбонатный карст преобладает в западной половине изучаемой территории, тогда как в восточной шире развит гипсовый карст, приуроченный к сульфатно-доломитовым и сульфатным отложениям пермской системы. Основную роль в развитии карста играют породы платформенного чехла, причем наиболее распространены палеозойские карстующиеся толщи.

Климатические и общие физико-географические условия развития карста изменяются здесь в соответствии с горизонтальной зональностью. Так, с северо-запада на юго-восток наблюдается снижение количества атмосферных осадков, увеличивается

11

испаряемость, что естественно затрудняет карстообразование. Однако, основной особенностью развития карста как Нечерноземья, так и Русской равнины в целом является то, что "типы карста связаны в первую очередь с историей развития региона, а не с климатическими особенностями и различиями" [Гвоздецкий, 1981, с. 19]. Так, четвертичная история предопределила развитие здесь покрытого карста. На северо-западе и севере Русской равнины, в области плейстоценовых покровных оледенений, карстующиеся толщи перекрыты плащом ледниковых образований - морен, водноледниковых толщ и т.п., а во внеледниковой - эллювиально-деллювиальными образованиямими. Известны случаи развития карста (г. Москва) под сложным полигенетическим покровом из коренных пород, связанных с древними морскими трансгрессиями, и четвертичных отложений. Покрытый карст получил столь широкое развитие на Русской равнине и столь характерен для ее ландшафтов, что Г.А. Максимович [1963] назвал этот тип карста "русским".

На фоне наиболее распространенного в Нечерноземье покрытого карста встречаются и локально развитые участки голого карста (с зачаточными каррами или небольшими карровыми польями) и задернованного карста. Широко развит и древний погребенный (ископаемый) карст, играющий в ряде районов заметную роль в развитии современных карстовых процессов.

Карстовые процессы протекают в самых разнообразных стратиграфических горизонтах. Так, к югу от Санкт-Петербурга карст приурочен к карбонатным толщам ордовика. В южной части южного крыла Московской синеклизы, в районах Новосильском (северо-восток Орловской области), Ефремовском, Чернском (юг Тульской области) он связан с верхнедевонскими карбонатными породами. В более северных районах южного крыла Московской синеклизы - в Щекинском, Товарковском, Новомосковском районах Тульской области карстовые явления протекают в упинских известняках, подстилающих угленосную толщу. Еще далее к северу, в районах Алексинском, Веневском Тульской и

12 Михайловском Рязанской областей - они приурочены к отложениям окской свиты. А в

Тарусском (Калужская область), Серпуховском, Каширском (Московская область) связаны с известняками серпуховской свиты. И, наконец, в Коломенском и Подольском районах Московской области карстопроявления можно наблюдать в подольском горизонте и нижней части мячковского горизонта среднего карбона. В пределах северозападного крыла Московской синеклизы карст широко распространен в Новгородской области, в Валдайском, Боровическом, Любытинском районах, в Тихвинском районе Ленинградской области. Далее к северу карстопроявления отмечены в Вытегорском районе Вологодской области. Здесь карстуются, главным образом, серпуховские известняки, слагающие карбоновый уступ и прилегающее к нему с востока карбоновое плато. К серпуховским и частично среднекаменноугольным известнякам приурочены формы карстового рельефа Белозерско-Онежского водораздела. Далее к северу выделяется район Онежско-Двинского водораздела, где карст связан с верхнекаменноугольными известняками. Карст в известняках позднего карбона описан также в пределах Окско-Цнинского вала.

Вопросы районирования карста Русской равнины стали привлекать внимание исследователей в первой половине XX в., первые опыты районирования принадлежат М.А. Зубащенко. С наибольшей полнотой районирование карста Русской равнины было разработано Н.А. Гвоздецким и А.Г. Чикишевым. В дальнейшем при описании карбонатного карста Нечерноземья мы будем придерживаться этой классификации на уровне карстовых областей.

Карст Прибалтийской карстовой области приурочен, главным образом, к южному обрамлению Балтийского щита. Здесь карстуются карбонатные породы ордовика, силура, ограниченное распространение имеют отложения девона (на юге и фрагментарно в долине р. Плюссы). Широкое распространение карбонатных пород, влажный и умеренно

13 прохладный климат благоприятно сказываются на протекании карстовых процессов. Для

региона характерна разреженная гидрографическая сеть. Так, на Ижорской возвышенности реки полностью отсутствуют. Наиболее крупные реки региона Нарва, Луга, Волхов.

Хорошо изучен карст низовьев р. Плюссы в окрестностях деревень Гостицы, Боровки, Омут и г. Сланцы. Здесь развиты такие типичные для Русской равнины формы, как воронки, свежие провалы, суходолы. Плотность воронок по А.Г. Чикишеву [1978] достигает 0,2 на 1 км2. Особенно крупная воронка - Гостицкая яма, расположенная в 1,5км к западу от одноименной деревни, достигает в диаметре 18 м. Глубина ее составляет 15м, на дне воронки отмечаются шесть крупных поноров. В воронку впадают четыре ручья, долины которых хорошо выражены в рельефе. Не менее выразительны суходолы. Так, ручей Сибирский, поглощаемый понорами, через 0,2 км выходит на поверхность многочисленными источниками. Один из них вытекает из пещеры с гротом, высота и ширина которого равны 1 м, а длина достигает 5 м. Дебет источников подвержен резким сезонным колебаниям, достигая весной и осенью 200 л/сек.

Интересен карст Ижорской возвышенности, расположенной на западе Ленинградской области, северные и западные склоны которой представляют собой часть Балтийско-Ладожского уступа — Глинта. Структурные особенности этой территории предопределили наличие здесь трех отчетливо выраженных морфологических элементов (рис. 1):

1. Предглинтовая равнина представляет собой пониженную полосу, абсолютные высоты которой на значительном протяжении не превышают 50 м.

2. Глинт (уступ), превышение которого над предглинтовой равниной изменяется от 27 до 50 м. Предглинтовая равнина и подножье уступа сложены мощным комплексом кембрийских образований, представленных толщей синих глин мощностью 200 м и

14 нижнесилурийских образований, сложенных в основании песками, песчаниками и

сланцами.

Рис. 1. Схематическая гипсометрическая карта Ленинградской, Новгородской и Псковской областей [Геология СССР, т.1, 1971]

Абсолютные высоты: 1 - 0-100 м; 2 - 100-200 м; 3 - 200-300 м; 4 - границы региона; 5 -границы орографический районов: I- Север Кольского перешейка, II — Прибалтийская низменность, Ш - Валдайская возвышенность, А - Вуоксинская низина, Б - Центральная возвышенность Карельского перешейка, В - Предглинтовая низменность, Г -Ордовикское плато, Д - Девонская равнина, 6 - Балтийско-Ладожский (Ордовикский глинт) и Валдайско-Онежский (Карбоновый) уступ.

3. Плато, расположенное южнее предглинтовой равнины, представляет собой ровную поверхность с абсолютными отметками от 80 до 150 и более метров. К северу ордовикское плато на многих участках обрывается крутым уступом (собственно глинтом), местами склон замаскирован ледниковыми отложениями. В западном

15 направлении наблюдается более пологий спуск к широкой и низкой долине рек Луги и

Нарвы. Ордовикское плато сложено комплексом карбонатных пород - известняками, доломитизированными известняками и доломитами. Общая мощность карбонатных пород колеблется от 12 м (у глинта) до 48 м (на плато), а к югу, в Гдовском районе, достигает 130 м [Якушова, 1949]. В пределах плато карбонатные породы сильно трещиноваты, поверхность их сильно расчленена.

Коренные образования кембрия и ордовика повсеместно перекрыты четвертичными ледниковыми отложениями различной мощности. Здесь отмечается интенсивное развитие карстовых процессов при мощности покрывающего валунного суглинка свыше 5 м.

Гидрогеологические особенности тесно связаны с морфологическими особенностями района, наличием здесь глинта, являющегося основной областью дренажа подземных вод, циркулирующих в закарстованных доломитах ордовика. Основным источником их питания служат атмосферные воды. Территория характеризуется полным отсутствием рек и открытых водоемов, приуроченных исключительно к предглинтовой полосе и северному приглинтовому краю плато. Подземные воды в пределах плато нигде не выходят на поверхность и вскрываются только сетью колодцев. Мощные выходы вод в виде многочисленных групп источников наблюдаются вдоль глинта (в северной краевой части плато), где они дают начало ручьям и речкам. Расходы одиночных источников изменяются от 50 до 100 л/сек, групп - достигают 400 л/сек [Чикишев, 1978]. Дебеты источников подвержены резким колебаниям по отдельным годам и сезонам. Здесь получили развитие травертиновые накопления, развитые вдоль глинта, что говорит о современной активности карста.

Карст Ижорской возвышенности представлен многочисленными воронками и редкими долинами-суходолами. Характерно практически полное отсутствие котловин, оврагов, нет карстовых озер. Распространенные на плато воронки в большинстве случаев имеют глубину от долей метра до 10 м, местами (близ д. Клясино) она увеличивается до

16

15 м. Плотность воронок, по А.Г. Чикишеву, составляет 2 на 1 км2. Суходолы, на дне которых широко развиты карстовые воронки, наследуют доледниковым долинам, перекрытым в плейстоцене толщей ледниковых отложений.

Развит здесь и ископаемый карст, представленный как открытыми полостями, так и карстовыми "мешками", заполненными пестроцветными глинами. При разработке доломитов в стенках карьеров вскрывались также сильно раздробленные зоны и прослои доломитов, разрушенных до состояния щебня и муки [Якушова, 1949]. Возраст ископаемого карста относится к додевонскому времени. В этой связи огромный интерес представляет примыкающее к северной части плато обширное понижение предположительно эрозионного происхождения, образовавшееся в додевонское время, что подтверждается несогласным залеганием девонских отложений на ордовикских в области склона ордовикского плато, ограничивающего это понижение с востока. Древние проявления карста на плато видимо связаны с этой депрессией, которая служила базисом денудации (глубина закарстованности известняков опускается на несколько десятков метров ниже современного уровня Балтийского моря), и следовательно, их можно считать одновозрастными. Характерно также уменьшение глубины закарстованности при удаленнии от депрессии вглубь массива.

Немногочисленные карстопроявления известны по южному берегу Ладожского озера, в районе озера Ильмень.

Центрально-Русская карстовая область приурочена к южной половине Московской синеклизы. В пределах этой обширной и разнообразной по природным условиям территории можно выделить несколько самостоятельных районов.

Широкое распространение получил карст в пределах Валдайской возвышенности (Валдайская карстовая провинция по А.Г. Чикишеву), в структурном отношении расположенной в пределах западного склона Московской синеклизы. Это - один из

Список литературы