Инженерно-геологические условия формирования подводных оползней в отложениях шельфа Чёрного моря: между мысом Мал. Утриш и бухтой Хоста тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.08, кандидат наук Ионов, Всеволод Юрьевич

• Ионов, Всеволод Юрьевич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Ионов, Всеволод Юрьевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПОДВОДНЫХ ГРАВИТАЦИОННЫХ СКЛОНОВЫХ ПРОЦЕССАХ И ИХ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

1.1. Опыт исследования подводных гравитационных процессов для обоснования строительства морских нефтегазовых сооружений

1.2. Классификации подводных гравитационных процессов

1.3. Распространение подводных гравитационных процессов на дне Мирового океана и их характерные морфометрические особенности

1.4. Методы исследования подводных гравитационных процессов

ГЛАВА 2. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ШЕЛЬФА И

ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ ФОРМИРОВАНИЯ ОПОЛЗНЕЙ В РАССМАТРИВАЕМОМ РЕГИОНЕ

2.1. Инженерно-геологические условия района I, расположенного между бухтами Джубга и Хоста

2.2. Инженерно-геологические условия района II, расположенного вблизи бухты Вулан

2.3. Инженерно-геологические условия района III, расположенного между мысом мал. Утриш и бухтой Дюрсо

2.4. Подводные гравитационные потоки и их механизмы

2.5. Факторы и условия формирования подводных гравитационных процессов в северо-восточном секторе Чёрного моря

2.6. Типизация подводных гравитационных процессов в рассматриваемом регионе

ГЛАВА 3. ОБОСНОВАНИЕ РАСЧЁТНОЙ СХЕМЫ УСТОЙЧИВОСТИ ОТЛОЖЕНИЙ ШЕЛЬФА И УЧЁТ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

3.1. Обоснование расчётной схемы оценки устойчивости подводных склонов

3.2. Методика расчёта устойчивости подводных склонов

3.3. Выбор прочностных свойств грунтов для расчёта устойчивости подводных склонов

3.4. Учёт сейсмического воздействия при расчёте устойчивости склонов

3.5. Учёт воздействия штормовых волн при расчёте устойчивости подводных склонов

ГЛАВА 4. ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ ОТЛОЖЕНИЙ, СЛАГАЮЩИХ ШЕЛЬФ ЧЁРНОГО МОРЯ, ПРИ ДЕЙСТВИИ ТОЛЬКО

ГРАВИТАЦИОННОЙ СИЛЫ

ГЛАВА 5. ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ ОТЛОЖЕНИЙ, СЛАГАЮЩИХ ШЕЛЬФ ЧЁРНОГО МОРЯ, С УЧЁТОМ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

5.1. Результаты оценки устойчивости подводных склонов с учётом сейсмического воздействия

5.2. Результаты оценки устойчивости подводных склонов с учётом воздействия штормовых волн

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Инженерно-геологические условия формирования подводных оползней в отложениях шельфа Чёрного моря: между мысом Мал. Утриш и бухтой Хоста»

ВВЕДЕНИЕ

При проектировании подводных трубопроводов и сооружений нефте- и газодобывающего комплекса необходимо подробно исследовать геологические и инженерно-геологические процессы [Трофимов, Аверкина, 2009]. Эти процессы могут представлять опасность для целостности подводных сооружений, и, в отличии от субаэральных условий, для подводных практически невозможно разработать мероприятия инженерной защиты от их воздействий. Для областей шельфов, континентальных склонов и их подножий наиболее характерными являются процессы, связанные с мобилизацией и транспортировкой осадочного вещества. Они относятся к экзогенным геологическим процессам, которые обусловлены действием силы тяжести, и формируют группу подводных гравитационных процессов. В настоящей работе под гравитационными понимаются склоновые процессы, связанные с действием гравитационной силы.

Актуальность работы. Интенсивное освоение шельфа Чёрного моря в связи со строительством подводных газопроводов, таких как: «Голубой поток», «Джубга-Лазаревское-Сочи» и «Южный Поток», обусловливает необходимость исследования подводных гравитационных процессов.

Гравитационные процессы на подводных склонах распространены так же широко, как и на склонах дневной поверхности [Hampton et al., 1996]. Подводные склоны Чёрного моря не являются исключением - отложения гравитационных процессов были обнаружены здесь ещё в первой половине XX в. [Архангельский, 1930; Архангельский, Страхов, 1938]. Многочисленные геофизические и гидрографические исследования континентального склона Чёрного моря, примыкающего к Западному Кавказу, указывают на повсеместное развитие подводных оползней и потоков в массивах грунтов, слагающих его поверхность [Сафьянов и др., 2001; Сорокин, Лукша, 2002; Вержбицкий и др., 2005; Москаленко, Шимкус, 2005; Москаленко и др., 2006; Евсюков, 2009; Есина, Хворощ, 2009]. По данным эхолотных промеров, более 50% поверхности континентального склона подвержено воздействию подводных потоков и оползней [Евсюков, 2009].

Подводные гравитационные процессы в Чёрном море исследовались преимущественно учёными литологами и седиментологами. Исследования учёных по этим научным направлениям заключаются в изучении донных отложений и условий их формирования. Интерес инженер-геологов к подводным гравитационным процессам в Чёрном море обусловлен необходимостью инженерной оценки условий строительства

подводных газопроводов, кабелей связи, а также освоением нефтегазовых месторождений в последние десятилетия и заключается в изучении механизма, условий, факторов формирования этих процессов и составления прогноза их развития.

По мнению H.A. Айбулатова [Айбулатов, 2002] и A.C. Фёдорова [Фёдоров и др., 2009] в отложениях, слагающих поверхность Черноморского шельфа, примыкающего к Западному Кавказу, оползневые процессы встречаются крайне ограничено и не представляют опасности для подводных инженерных сооружений. Результаты изысканий для обоснования строительства подводных газопроводов, выполненных за последние 15 лет, позволили выявить широкое распространение оползневых процессов не только в отложениях, слагающих континентальный склон, но и в отложениях, слагающих шельф Чёрного моря, примыкающий к Западному Кавказу. Накопленный материал позволил сделать выводы о механизме и факторах формирования подводных оползней в рассматриваемом регионе и разработать расчётную схему оценки устойчивости подводных массивов для дальнейшего выполнения моделирования развития оползней на начальной стадии их формирования. Проявление подводных оползней на дне акваторий может приводить к деформациям оснований и разрушению сооружений нефте- и газодобывающего комплекса [Prior, Coleman, 1982], что может привести к негативным экологическим последствиям и экономическому ущербу. Поэтому результаты моделирования оползневого процесса представляют большой интерес для проектирования подводных инженерных сооружений на шельфе и континентальном склоне Чёрного моря, в чём и заключается актуальность настоящей диссертационной работы.

Цель работы. Выявление закономерностей формирования подводных оползней в отложениях шельфа Чёрного моря, примыкающего к Западному Кавказу, на участке между мысом Мал. Утриш и бухтой Хоста и моделирование этих процессов. Для достижения поставленной цели в настоящей работе решались следующие основные задачи:

1) сбор и обработка литературных и фондовых данных о подводных гравитационных процессах в Мировом океане и Чёрном море с целью обобщения и критического анализа современных представлений об их типах, факторах формирования, механизмах, а также методах составления прогноза их развития;

2) характеристика инженерно-геологических условий рассматриваемого участка шельфа Чёрного моря;

3) выявление основных типов подводных оползней, развитых в отложениях шельфа Чёрного моря, а также факторов и условий их формирования;

4) составление и обоснование расчётной схемы оценки устойчивости массивов, слагающих подводные склоны рассматриваемого участка шельфа, в соответствии с особенностями инженерно-геологических условий, с целью моделирования развития подводных оползней на начальной стадии их формирования;

5) оценка устойчивости шельфа Чёрного моря и количественная оценка ведущих факторов формирования подводных оползней в массивах рассматриваемого региона;

6) разработка рекомендаций по методике исследования подводных гравитационных процессов для обоснования строительства нефтегазовых сооружений на континентальных окраинах морей и океанов.

Объект исследования. Различные подводные гравитационные процессы, широко развитые на дне Мирового океана и Чёрного моря в частности. Предметом исследования являются преимущественно подводные оползни, распространённые в массивах дисперсных грунтов, слагающих шельф Чёрного моря, примыкающий к Западному Кавказу, на участке между мысом Мал. Утриш и бухтой Хоста. Также в работе рассматриваются различные типы подводных гравитационных потоков, отложения которых широко распространены в области Черноморского континентального склона в пределах рассматриваемого региона.

Фактический материал. При подготовке настоящей работы были использованы новые данные опробования донных грунтов в Чёрном море, полученные при участии автора настоящей работы в ходе рейсов на НИС «Профессор Штокман» и НИС «Академик Голицын» в 2011 г. Также в работе были использованы данные бурения и опробования, полученные в ходе рейсов на НИС «Диорит», данные геофизических, гидрографических и геотехнических работ, полученные на НИС «Акванавт» в 2008 г., НИС «Профессор Штокман», НИС «Академик Голицын», НИС «Хезер Си» и НИС «Борей» в период с 2009 по 2011 гг. В работе были задействованы архивные данные ООО «Питер Газ», которые были критически рассмотрены и глубоко проанализированы автором. Также были использованы материалы, собранные автором в ФГУНПП «Росгеолфонд», которые представляют собой результаты площадных исследований, выполненных для составления государственных геологических карт масштабов 1:50 000 (листы L-37-XXVI-III-A, Б, В, Г; 112 - В, Г; 123 - Б, Г; 124 - А, Б, Г; 125 - А, В), 1:200 000 (листы K-37-III, L-37-XXXIII, L-37-XXXIV), 1:1 000 000 (листы L-37, К-37) в период с 1983 по 2008 гг. Все материалы, представленные в настоящей работе, были подготовлены автором, либо при непосредственном участии автора.

Методика работы. Для выявления и картирования отложений подводных гравитационных процессов на дне Чёрного моря были использованы результаты геофизических исследований, которые анализировались с помощью современных программных пакетов Global Mapper, Kingdom и ArcGis. Методы разведочных работ были использованы для изучения геологического разреза и отбора проб донных грунтов, которые затем подвергались испытаниям в судовых и стационарных лабораториях для определения их физических и физико-механических характеристик. Физические и физико-механические свойства донных грунтов затем использовались в расчётно-теоретических исследованиях, которые заключались в моделировании развития подводных гравитационных процессов на начальной стадии их формирования. Математическое моделирование проводилось посредством расчётов устойчивости подводных склонов в одномерной постановке по оригинальной методике, предложенной автором, с использованием разработок, представленных в следующих работах [Калинин, 2006; Lee, Edwards, 1986; Hampton et al., 1996; Seed, Rahman, 1978; Hance, 2003; Stability modeling with SLOPE/W 2007..., 2008]. Также расчёты устойчивости выполнялись на двухмерных моделях с использованием методов предельного равновесия на программных комплексах GeoStudio 2007 (GEO-SLOPE International, Ltd.) и Slide 5.0 (Rockscience inc.).

Научная новизна работы.

1) Впервые охарактеризованы инженерно-геологические условия континентальной окраины Чёрного моря.

2) Детально исследованы оползневые явления на шельфе Черного моря, подробно охарактеризованы их морфометрические особенности, состав, факторы формирования, механизм и динамика.

3) Разработана новая расчётная схема оценки устойчивости подводных склонов (в одномерной постановке) в соответствии с выявленным механизмом оползневых процессов.

4) Выполнены расчёты устойчивости подводных склонов с учётом особенностей подводного рельефа, состава, строения, состояния и свойств грунтов, а также дополнительных сейсмических и штормовых воздействий.

Теоретическая значимость и прикладная ценность. Полученные данные о

подводных оползнях в отложениях шельфа и бровки континентального склона Чёрного

моря, примыкающего к Западному Кавказу, могут быть использованы при проведении

проектно-изыскательских работ в рассматриваемом регионе. В акватории Чёрного моря

существует ряд перспективных нефтегазоносных структур [Роджерс, 2010]. Часть из них

7

расположены в пределах подножия континентального склона, например Туапсинский прогиб, вследствие чего нефтегазоносные территории могут находиться под воздействием подводных гравитационных процессов и оползней в частности. Этот факт приведет к значительному ухудшению условий освоения месторождений - их проблематичной разработке и эксплуатации. Полученные результаты помогут оценить возможную опасность от воздействия этих процессов.

Защищаемые положения.

1. В массивах дисперсных грунтов внешнего и внутреннего шельфа Чёрного моря при наклонах поверхности от 0.4° и более формируются оползни скольжения. Во внутреннем шельфе для них характерен песчаный состав смещаемых отложений и мощности не более 1 м, а во внешнем шельфе - глинистый состав и мощности до 6 м.

2. Разработанная одномерная модель позволяет количественно оценивать устойчивость подводных оползней скольжения на стадии начала их формирования.

Модель учитывает особенности механизма оползневого процесса и предполагает оценку устойчивости фрагмента массива грунта, опирающегося на расчётную поверхность скольжения единичной длины, а также позволяет выявлять критические соотношения между наклонами поверхности и мощностями смещаемых отложений с учётом их состава.

3. Вблизи бровки континентального склона, где наклон поверхности дна достигает 2° и более, а мощность глинистых грунтов 20 и более метров, исключительно под действием силы тяжести могут формироваться оползни, захватывающие массив дисперсных грунтов почти на всю мощность.

4. При уклонах поверхности шельфа менее 2°, возникновение оползней возможно только при действии дополнительных нагрузок: 1) сейсмических с интенсивностями 7 и 9 баллов для массивов, сложенных глинистыми и песчаными грунтами, соответственно; 2) воздействии штормовых волн для массивов, сложенных глинистыми грунтами, при экстремальных характеристиках волнения с периодами повторяемости 100 лет при обеспеченности 0.1%, массивы же сложенные песчаными грунтами в результате воздействия штормовых волн в области шельфа будут сохранять устойчивость.

Личный вклад автора. При подготовке работы автором были собраны

геологические и геофизические данные, выполнено их сопоставление и камеральная

обработка. Участие автора настоящей диссертации в инженерно-геологических работах на

различных судах в Чёрном море позволило получить более глубокое представление о

8

строении массивов морских грунтов. По результатам обработанной геологической информации автором было выполнено более 200 серий одномерных расчётов устойчивости подводных склонов (каждая серия расчётов позволяет получить 200 значений коэффициента устойчивости), а также ряд расчётов устойчивости с использованием современных программных комплексов. При написании работы было лично выполнено обобщение и критический анализ опубликованных материалов по направлению исследований.

Научная апробация и публикации. Основные результаты настоящей работы были представлены на международных конференциях ЛОМОНОСОВ -2011 и -2012, 6-м международном симпозиуме «Submarine Mass Movements and Their Consequenes», EngeoPro-2011, XIX Международной научной конференции (школе) по морской геологии, 6-ом Всероссийском литологическом совещании «Концептуальные проблемы литологических исследований в России» [Ионов, Калинин, 2011], на конференции геологического факультета МГУ «Актуальные вопросы инженерной геологии и экологической геологии», Ломоносовских чтениях в 2011 и 2013 гг., Сергеевских чтениях в 2009 г. По теме диссертации опубликовано 2 работы в журналах рекомендованных ВАК [Ионов и др., 2012; Ионов, 2012], а также 1 работа находится

в печати.

Структура и объём. Работа состоит из введения, 5 глав, заключения и приложения. Рукопись содержит 192 страницы, 52 рисунка и 15 таблиц. Список литературы состоит из 162 наименований, 77 из которых на иностранных языках.

Благодарности. Автор выражает благодарность научному руководителю доктору

геолого-минералогических наук, профессору Э.В. Калинину за руководство над

диссертацией, полезные идеи и помощь в выборе верного направления в научной работе.

К.г-м.н. И.К. Фоменко за помощь, оказанную при подготовке расчётной схемы для оценки

устойчивости подводных склонов. Также автор глубоко признателен всем сотрудникам

кафедры инженерной и экологической геологии геологического факультета МГУ

им. М.В. Ломоносова за проявленный интерес к диссертационной работе, а также помощь

при подготовке работы к защите, в особенности заведующему кафедрой профессору д.г,-

м.н. В.Т. Трофимову, профессору д.г.-м.н. Е.А. Вознесенскому, профессору д.г.-м.н.

В.А. Королёву, профессору д.г.-м.н. Ю.К. Васильчуку, профессору д.г.-м.н.

В.Н. Соколову, к-г.-м.н. О.В. Зеркалю, к.г.-м.н. Т.И. Аверкиной, к.г.-м.н. Л.Л. Панасьян,

к.г.-м.н. С.К. Николаевой. Автор выражает благодарность всем сотрудникам управления

инженерных изысканий ООО «Питер Газ» за постоянные консультации и моральную

9

поддержку, в особенности к.г-м.н. С.Г. Миронюку, С.М. Клещину, C.B. Манжосову, Н.Г. Долинской, Д.А. Науменко, И.А. Островерховой, Д.А. Савину, О.В. Калошиной, К.С. Поповой, к.ф.-м.н. Ю.А. Реве, к.ф.-м.н. O.A. Вербицкой, к.г.н. Д.Е. Беседину, А.Ю. Павлову, А.П. Демонову, О.И. Янчук, В.Е. Морозову, A.M. Ивановой. Многочисленные консультации и советы были получены от А.Г. Рослякова - сотрудника кафедры литологии и морской геологии геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Также автор выражает благодарность профессору Доррику Стоу, доктору Алине Стадницкой, профессору Хафлиди Хафлидэйсону, В.В. Шаниной, И.А. Нуждаеву, В.Ю. Литвину и A.B. Кохану за предоставленные обширные литературные материалы по направлению диссертационной работы.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПОДВОДНЫХ ГРАВИТАЦИОННЫХ СКЛОНОВЫХ ПРОЦЕССАХ И ИХ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

В настоящей главе рассматривается история исследования подводных гравитационных процессов, выделены различные этапы и перечислены их основные особенности. Приведены различные классификации рассматриваемых процессов и предпринята попытка их улучшения. Рассмотрены природные условия, наиболее благоприятные для возникновения подводных оползней, а также перечислены основные морфометрические особенности подводных склонов, влияющие на развитие гравитационных процессов. Приведён список возможных факторов формирования их проявлений и рассмотрен характер воздействия этих факторов на устойчивость подводных склонов. Подробно описывается методика исследования подводных оползней и потоков.

Прежде чем приступить к обсуждению перечисленных выше проблем следует определить основные понятия. Под гравитационными склоновыми процессами в настоящей работе понимаются процессы перемещения пород слагающих склон на более низкий гипсометрический уровень под действием силы тяжести. Под склонами автор настоящей работы понимает "наклонённые в одну сторону участки земной поверхности природного происхождения" [Емельянова, 1972]. Простой склон состоит из собственно склона (ВС), бровки склона (В), подошвы склона (С) и его подножия (СО) (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Схема профиля простого склона по Е.П. Емельяновой [Емельянова, 1972]

в

А

1.1. Опыт исследования подводных гравитационных процессов для обоснования строительства морских нефтегазовых сооружений

Историю исследования подводных гравитационных процессов условно можно разделить на два этапа. Первый этап характеризуется их изучением с седиментологической точки зрения. Второй этап связан с развитием инженерно-хозяйственной деятельности человека на морском дне - поиском и разведкой полезных ископаемых, обустройством месторождений, прокладкой подводных трубопроводов и кабелей связи. На первом этапе в задачи исследований подводных гравитационных процессов входило их описание для создания классификации отложений ряда кластолитов [Фролов, 1995]. В процессе исследования подводных гравитационных процессов на втором этапе возникла необходимость в получении прогнозной оценки их развития на морском дне. Для решения этой задачи помимо общих собственно геологических методов потребовалось привлечение специальных инженерно-геологических методов: экспериментальных, моделирования и расчётно-теоретических.

Началом исследования подводных гравитационных процессов на первом этапе можно считать появление теории формирования олистостромов и олистолитов, как результата оползневых смещений осадков на морском дне. Олистостромы и олистолиты встречаются в терригенных отложениях практически всех систем [Архангельский, 1930] и отличаются от нормальных слоистых осадков резкой дислоцированностью. Для объяснения происхождения этих образований геологи использовали сравнительно-геологический подход и пытались найти современные обстановки, в которых могут формироваться такие отложения. Развитие идей о формировании олистостромов приходится на конец XIX-начало XX в.

Одной из первых публикаций посвящённой непосредственно тематике подводных оползней является работа А. Гейма 1908 г [Heim, 1908]. В работе рассматривается оползание илов в Швейцарских озёрах. В одном из озёр благодаря промерам глубин было установлено, что дальность выброса подводного оползня составила порядка 300 м при уклоне дна всего в 2°ЗГ. Этот факт свидетельствует о высокой мобильности подводных оползней. Гейм в своей работе высказывает предположение о широком распространении подводных оползней не только на подводных склонах озёр, но и на склонах мирового океана.

В работе А.Д.Архангельского 1930 г. [Архангельский, 1930] приводятся

результаты исследований осадков континентального склона Чёрного моря, которые

12

полностью подтверждают предположение Гейма. В статье [Архангельский, 1930] показано, что подводные оползневые процессы повсеместно развиты на континентальном склоне Чёрного моря, о чём свидетельствует перемятый вид осадков в керне станций пробоотбора.

С появлением однолучевого эхолота в 1930-е и особенно многолучевого эхолота в 1950-ые гг. началось активное изучение дна мирового океана. В это время на отдельных участках континентальных склонов различных морских бассейнов были обнаружены подводные каньоны, и среди учёных возник повышенный интерес к проблеме их формирования. В работе P.A. Дэйли 1936 г. [Daly, 1936] предлагаются различные теории формировании подводных каньонов. Одна из теорий связывает формирование подводных каньонов с движением потоков взмученных осадков вниз по континентальному склону. В работе также была предпринята попытка оценить скорость таких потоков с помощью относительно простого математического моделирования.

Благодаря теории о движении взмученных осадков как причины появления подводных каньонов началось более детальное изучение проблемы гравитационных потоков. Так как под гравитационными потоками в этом случае понимались турбидные потоки, для первой половины ХХв. характерно углублённое исследование именного этого типа процесса. Уже в 1938 г. Ф.Х. Кьюненом была опубликована работа под названием «Связь плотностных потоков с проблемой подводных каньонов» [Kuenen, 1938], в которой подробно рассматриваются и развиваются идеи P.A. Дэйли. В это же время для плотностных потоков О. Джонсоном было предложено название «турбидное течение» [Обстановки осадконакопления и фации, 1990; Johnson, 1938], которое активно используется и в наши дни.

Начиная со второй половины 1930-х г., появляются первые работы, в основе которых лежит физическое моделирование гравитационных потоков. Наиболее серьёзные «пионерные» исследования в этой области были проведены Ф.Х. Кьюненом [Kuenen, Migliorini, 1950] и Х.С. Бэллом [Bell, 1942]. Кьюнен в соавторстве с Мильорини в1950 г. [Kuenen, Migliorini, 1950] опубликовали результаты физического моделирования различных турбидных потоков в лотках различной конфигурации с целью объяснения их причастности к формированию градационной слоистости в терригенном флише. Следует отметить, что рассуждения различных исследователей о механизмах подводных гравитационных процессов обычно строились на предположениях и догадках, а физическое моделирование в лабораторных условиях позволило сделать выводы об особенностях механизмов этих процессов на основании эксперимента.

В 1929 г. в районе Большой Ньюфаундлендской банки произошло землетрясение. Сразу после этого события были зафиксированы разрывы телеграфных кабелей, пересекающих область континентального склона расположенного к югу от банки. Вначале исследователи связывали разрывы кабелей с образованием разломов или высокой интенсивностью сотрясения и лишь в 1952 г. была опубликована работа, посвященная турбидным потокам и оползням, как основной причине разрыва кабелей после землетрясения, произошедшего в этом районе [Heezen, Ewing, 1952]. Результаты аналогичных исследований, посвященных проблеме разрыва кабелей, были опубликованы в 1970 г. [Krause etal., 1970]. Следует отметить, что такие работы представляют большой интерес, так как при наличии данных о землетрясении, положении кабеля, месте разрыва и точном времени разрыва возможно получить информацию о скорости потока, а также восстановить всю цепочку развития процесса. Особенно ценными являются результаты повторных гидрографических и геофизических работ, выполненных на участке непосредственно после схода подводного оползня или потока. Причём данные о динамике процесса, полученные таким образом, основываются не на лабораторном эксперименте, как это часто происходит, а непосредственно на натурных наблюдениях.

Дальнейшие исследования механизма и динамики подводных гравитационных процессов позволили разделить эту группу на различные типы. Так, в работе Ф.Х. Кьюнена [Kuenen, 1956] рассматриваются основные отличия и взаимосвязь подводных оползней и турбидных потоков, а также отложений, которые они формируют. Работа Ф.Х. Кьюнена является одной из первых обзорных работ, посвященных проблеме классифицирования подводных гравитационных процессов.

Следует отметить, что во всех рассмотренных выше работах отсутствуют данные о физических и физико-механических свойствах грунтов. Как известно, именно эти две группы свойств являются основой для моделирования гравитационных процессов. Одними из первых работ, посвящённых рассматриваемой теме, в которых приводятся сведения о физико-механических свойствах морских грунтов, является статья Д.Г. Мура 1961г. [Мооге, 1961] и Р.Ф. Дилла 1969 г. [Dill, 1969]. Д.Г. Мур приводит результаты определений прочностных свойств морских грунтов в области Калифорнийского шельфа Тихого океана и, используя эти результаты, проводит простейшие расчёты устойчивости. Расчёты позволяют выделить наиболее характерные, по мнению Д.Г. Мура, природные обстановки для подводных гравитационных процессов - речные дельты и верховья подводных каньонов [McClelland, 1956]. В работе Р.Ф. Дилла [Dill, 1969] внимание

уделяется преимущественно факторам формирования подводных оползней.

14

Рассматривается возможность смещения подводных массивов грунтов в результате воздействия землетрясений.

Исследования гравитационных процессов во второй половине XX в. характеризуются более углубленным и детальным изучением отдельных узких областей этой проблемы. Например, исследуются особенности динамики гравитационных потоков и рассматриваются отдельные факторы их возникновения. Появляются работы, посвященные внедрению воды в головные части турбидных потоков [Allen, 1971] и воздействию волн на устойчивость подводных склонов [Bea et al., 1983; Seed, Rahman, 1978].

К середине семидесятых годов появляется ряд обзорных работ, обобщающих опыт исследования подводных гравитационных процессов [Hampton, 1972; Middleton, Hampton, 1976; Moore, 1977; Erismann, 1979]. Необходимо отметить, что после длительного перерыва к проблеме подводных оползней появляется интерес и у советских учёных. В работе Н.В. Пыхова 1973 г. [Пыхов, 1973], а также в монографии В.В. Лонгинова [Лонгинов, 1973] рассматриваются различные типы гравитационных процессов и особенности их динамики.

Заключение диссертации по теме «Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение», Ионов, Всеволод Юрьевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Анализ опубликованных данных позволяет утверждать о широком распространении подводных гравитационных процессов на дне Мирового океана и Чёрного моря, в частности. Исследования подводных гравитационных процессов в Чёрном море проводились преимущественно в области континентального склона, при этом считалось, что в области шельфа, примыкающего к Западному Кавказу, оползневые процессы встречаются крайне ограниченно и не представляют опасности для подводных инженерных сооружений. Новые данные, полученные за последние 15 лет при проведении проектно-изыскательских работ, позволили сделать выводы о широком распространении оползней не только в области континентального склона, но и в области шельфа Чёрного моря, примыкающего к Западному Кавказу.

2. Сопоставление и анализ новых геолого-геофизических материалов позволили охарактеризовать инженерно-геологические условия шельфа Чёрного моря, примыкающего к Западному Кавказу, и выявить условия и факторы формирования подводных гравитационных процессов в рассматриваемом регионе. Для области шельфа Чёрного моря, примыкающего к Западному Кавказу, на участке от мыса Мал. Утриш до бухты Хоста характерны следующие особенности:

- наклон поверхности дна менее 1°, при резком увеличении крутизны поверхности рельефа до величин порядка 60° в области континентального склона;

- различное геологическое строение зон внутреннего и внешнего шельфа с преимущественным залеганием песчаных грунтов в зоне внутреннего шельфа и преобладанием глинистых грунтов текучей до мягкопластичной консистенции в зоне внешнего шельфа;

- повсеместное распространение грунтов, характеризующихся низкими прочностными характеристиками, мощность которых может достигать 40 м;

- субгоризонтальное залегание массива дисперсных фунтов в области шельфа с падением слоёв преимущественно параллельно поверхности дна в сторону бровки континентального склона;

- широкое распространение подводных оползней;

- среди многообразия факторов формирования подводных оползней наиболее возможными в рассматриваемом регионе Чёрного моря, кроме фавитации, являются: рельеф, состав, строение, состояние и свойства фунтов, землетрясения, штормовые волны и техногенное воздействие.

3. Оползневые тела распространены как в зоне внутреннего, так и в зоне внешнего шельфа, при наклонах поверхности дна от 0.4°. Выявлены отличия оползней во внутреннем и внешнем шельфе. Оползни во внешнем шельфе распространены в глинистых грунтах и характеризуются мощностями до 6 м, при этом оползневые тела после отрыва от основного массива могут перемещаться на расстояние до 150 м и более в сторону бровки континентального склона. Для оползней во внутреннем шельфе характерен песчаный состав и мощности, не превышающие 1 м. Дальность выброса оползневых тел во внутреннем шельфе не превышает первых метров. Оползни, как во внешнем, так и во внутреннем шельфе относятся к одному типу - оползням скольжения.

4. Для моделирования стадии начала формирования оползней в отложениях шельфа Чёрного моря, примыкающего к Западному Кавказу, на участке от мыса Мал. Утриш до бухты Хоста предложено две расчётные схемы. Первая схема представляет собой одномерную модель, которая учитывает особенности механизма оползневого процесса в рассматриваемом регионе и предполагает оценку устойчивости фрагмента массива грунта, опирающегося на расчётную поверхность скольжения единичной длины. Модель позволяет выявить наиболее неблагоприятные соотношения между наклонами поверхности и мощностями смещаемых отложений для различных разновидностей грунтов, обуславливающих оползневой процесс. Разработанная одномерная модель позволяет выполнять следующие группы расчётов устойчивости: при различных значениях уклонов поверхности склонов, мощностях смещаемых отложений, сейсмических нагрузках, нагрузках от воздействия волн и при различных параметрах прочности смещаемых отложений. Вторая схема представляет собой двухмерную задачу с использованием инженерно-геологических разрезов, которая позволяет определить наиболее возможные размеры и положения оползневых тел. В предложенной постановке и с учётом всех перечисленных факторов и изменяемых параметров расчёты устойчивости были выполнены впервые.

5. Обнаружено, что при действии только гравитационной силы, согласно результатам расчётов, формирование оползней возможно только в зоне внешнего шельфа, вблизи бровки континентального склона, на участках, где мощность массивов дисперсных грунтов достигает 20 м и более, а также при глинистом составе этих массивов, характеризующихся консистенцией от текучей до мягкопластичной. При этом такой массив дисперсных грунтов может быть вовлечён в оползневой процесс на всю мощность. Оползание песчаных грунтов при действии только гравитационной силы в области

шельфа практически невозможно, что указывает на устойчивое состояние массива дисперсных грунтов в зоне внутреннего шельфа.

6. Результаты выполненных расчётов позволили установить основные факторы формирования подводных оползней в отложениях рассматриваемого участка шельфа Чёрного моря, которыми являются: рельеф (наклон поверхности), состав, строение, состояние и свойства грунтов (включая газонасыщенность), - а также дополнительные природные и техногенные воздействия. При формировании оползней на шельфе ввиду незначительных уклонов его поверхности, согласно расчётам, гравитационная сила должна дополняться воздействием штормовых волн, сейсмичностью или нагрузками техногенной природы. При сейсмическом воздействии в области шельфа следует ожидать массового проявления оползневых процессов, захватывающих массивы дисперсных грунтов на всю мощность, уже при сотрясениях с интенсивностями от 7 баллов. Воздействие штормовых волн влияет на устойчивость подводных массивов грунтов только на глубинах моря менее 60-80 м. Формирование оползней вызванных этим видом воздействия в рассматриваемом регионе, как в глинистых, так и в песчаных грунтах возможно только при экстремальных характеристиках волнения с периодами повторяемости 100 лет при обеспеченности 0.1%. При этом оползневые процессы могут затрагивать массивы дисперсных грунтов на всю мощность. Наибольшую опасность этот вид воздействия представляет на участках близости верховьев подводных каньонов к береговой линии, таких как каньон р. Шахе. На глубинах более 80 м воздействие волн практически не заметно.

7. Результаты настоящей диссертационной работы позволяют разработать рекомендации по инженерно-геологическим изысканиям в районах развития гравитационных процессов на континентальных окраинах морей и океанов для обоснования строительства нефтегазовых сооружений (Приложение 1), которые включают:

- классификацию и распространение подводных гравитационных процессов;

- особенности инженерно-геологических изысканий в районах развития подводных гравитационных процессов;

- особенности камеральной обработки материалов инженерно-геологических изысканий в районах развития подводных гравитационных процессов;

- методику оценки устойчивости подводных склонов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ионов, Всеволод Юрьевич, 2013 год

Список литературы

1. Аптикаев Ф.Ф., Шебалин Н.В. Спецификация корреляции между уровнем сейсмического эффекта и динамическими параметрами движений грунта. Вопросы инженерной сейсмологии. М.: Наука, 1988. Вып. 29. С. 98-107

2. Архангельский, А. Оползание осадков на дне Чёрного моря и геологическое значение этого явления/ А. Архангельский// Бюлл. Моск. общ. испыт. при. (отд. геолог.). — 1930. -Вып. 1-2.-С. 32-80

3. Бондарик Г.К., Пендин В.В., Ярг J1.A. Инженерная геодинамика. - М.: КДУ, 2007. - 456 с.

4. Вознесенский Е.А. Динамические испытания грунтов. Состояние вопроса и стандартизация // Инженерные изыскания. 2013. №5. С. 20-26.

5. Вознесенский Е.А. Поведение грунтов при динамических нагрузках : Учебное пособие. -М. Изд-во МГУ, 1997 - 288 с.

6. Вознесенский Е.А., Коваленко В.Г., Кушнарева Е.С., Фуникова В.В. Разжижение грунтов при циклических нагрузках. Изд-во Московского университета. 2005. 134 с.

7. Казанин Г.С., Клещин С.М. Рациональный сейсмоакустический комплекс для геологической съемки шельфа // Разведка и охрана недр. 2002.№1.-С. 16-20.

8. Калинин Э.В.. Инженерно-геологические расчёты и моделирование. //Москва, Изд-во Московского ун-та, 2006. С 246.

9.

10,

11.

12,

13.

14.

15,

16.

17.

18.

19.

20,

21.

22.

Локтев Андрей Станиславович. Методические основы инженерно-геологических изысканий для нефтегазопромысловых сооружений на шельфе Арктических морей: Дис. ... канд. геол. - минерал .наук: 25.00.08: Москва, 2004. 256 с. РГБ ОД, 61:04-4/82 Миронюк С.Г., Манжосов С.В., Ионов В.Ю. Оценка сейсмической разжижаемости морских грунтов на шельфе острова Сахалин // Инженерные изыскания. 2011. Июнь. С. 614.

Палеосейсмология: В 2-х т: Пер. с англ./ Под ред.Д. П. Мак-Калпина- М.: Науч. мир, 2011.-560, е., ил.

Фоменко И.К., Захаров B.C., Самаркин-Джарский К.Г., Сироткина О.Н. Учёт сейсмического воздействия при расчёте устойчивости склонов (на примере Краснополянского геодинамического полигона) // ГеоРиск. - 2009. - 4. - С. 50-55. Фоменко И.К., Сироткина О.Н. Современные тенденции в расчёте устойчивости склонов// Инженерные изыскания в строительстве. Материалы седьмой общероссийской конференции изыскательских организаций. — М.: ООО «Геомаркетинг». 2011. С. 78-81. Хуан Я.Х. Устойчивость земляных откосов. М., Стройиздат, 1983.

Bea, R. G., Wright, S. G., Sircar, P. and Niedoroda, A. W. "Wave-induced slides in South Pass Block 70, Mississippi Delta" Journal of Geotechnical Engineering. 1983. 109: 619-644. De Blasio, F.V., Elverhoi, A., Engvik, L.E., Issler, D., Gauer, P. & Harbitz C.: Understanding the high mobility of subaqueous debris flows. Norwegian Journal of Geology, Vol. 86, pp. 275-284-yyy. Trondheim 2006. ISSN 029-196X

Duncan, J. M. and Wright, S. G. Soil Strength and Slope Stability, Wiley, New Jersey. 2005. EN 1998-1:2004 (E). Eurocode 8: Design of structures for earthquake resistance. Part 1: General rules, seismic actions and rules for buildings. UK: British Standards Institution, 2004. Elverhoi, A., De Blasio, F.V., Butt, F.A., Issler, D., Harbitz, C.B., Engvik, L., Solheim, A., Marr, J. Submarine mass-wasting on glacially influenced continental slopes— processes and dynamics. In: Dowdeswell, J.A., O'Cofaigh, C. (Eds.), Glacier-Influenced Sedimentation on High Latitude Continental Margins. Geological Society of London, London, UK, 2002. pp. 73- 87. Elverhoi A., Issler D., De Blasio F.V., Ilstad Т., Harbitz C.B., Gauer P.: Emerging insights into the dynamics of submarine debris flows. Natural Hazards and Earth System Sciences, Vol. 5, 2005. P.633-648

Hampton M.A., Lee H.J., Locat J..Submarine Landslides. Reviews of Geophysics, 34(1), 1996. P.33-59.

Hance, J.J. Submarine slope stability. Development of a database and assessment of seafloor

slope stability based on published literature. Project report prepared for the minerals

191

management service under the MMS/OTRC Cooperative Research Agreement / Hance J.J., Wright S.G.; The University of Texas at Austin. - Austin, 2003. - 269 p. - Bibliography: p. 236268. - 1435-01-99-CA-31003. Task order 18217. MMS Project 421.

23. Imran J., Harff P., Parker G. A Numerical Model of Submarine Debris Flow With Grafical User Interface// Computers & Geosciences. - 2001. - 27. - 717-729

24. Lee, H. J., and B. D. Edwards, Regional method to asses offshore slope stability, J. Geotech. Eng., 112, 489-509, 1986.

25. Locat, J. & Demers, D.. Viscosity, yield stress, remoulded strength, and liquidity index relationships for sensitive. Canadian Geotechnical Journal 25, 1988. 799-806

26. Lunne T. "In Situ Testing in Offshore Geotechnical Investigations," in Proceedings of the International Conference on Insitu Measurement of Soil Properties, Bali, Indonesia, pp. 61-81, 2001.

27. Newton, R.S., Cunningham, R.C., and Schubert, C.E.. Mud Volcanoes and pockmarks: seafloor engineering hazards or geologic curiosities& Proceedings - Annual Offshore Technology Conference, v. 1, May 5-8 1980, Houston, TX, USA, 1980. p. 425-435.

28. Parsons, J. D., Friedrichs, C.T., Trykovski, P., Mohrig, D., Imran, J., Syvitski, J. P. M., Parker, G., Puig, P., and Garcia, M. H. The mechanics of marine sediment gravity flows. Continental Margin Sedimentation: Transport to Sequence. IAS Special Publication 37, Blackwell Publishing Ltd, Oxford (C. Nittrouer Editor). 2007. p. 275-338.

29. prEN 1998-5:2003 (E). Eurocode 8: Design of structures for earthquake resistance. Part 5: Foundations, retaining structures and geotechnical aspects. UK: British Standards Institution, 2003.

30. Stability Modeling with SLOPE/W 2007 Version. An Engineering Methodology. Fourth Edition. Canada: GEO-SLOPE International Ltd., 2008.

31. Seed, H. B., and M. S. Rahman, Wave-induced pore pressure in relation to ocean floor stability of cohesionless soils, Mar. Geotechnol., 3, 123-150, 1978.

32. Youd, T.L., I. M. Idriss, Ronald D. Andrus, Ignacio Arango, Gonzalo Castro, John T. Christian, Richardo Dobry, W. D. Liam Finn, Leslie F. Harder Jr., Mary Ellen Hynes, Kenji Ishihara, Joseph P. Koester, Sam S. C. Liao, William F. Marcuson III, Geoffrey R. Martin, James K. Mitchell, Yoshiharu Moriwaki, Maurice S. Power, Peter K. Robertson, Raymond B. Seed, and Kenneth H. Stokoe II. "Liquefaction Resistance of Soils: Summary Report from the 1996 NCEER and 1998 NCEER/NSF Workshops on Evaluation of Liquefaction Resistance of Soils." Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2001. 124(10).