Изменения экологического состояния геологической среды урбанизированной территории от воздействия техногенного геофизического поля г. Сыктывкара

Природные и техногенные геофизические поля тесно взаимодействуют друг с другом в геологической среде, в некоторой степени вызывая трансформацию геофизической экологической функции верхней части литосферы (первые десятки метров от земной поверхности). В условиях современной интенсивной урбанизации в части геоэкологических исследований особенное внимание заслуживает энергетически увеличивающееся вибрационное поле, которое формируется на территории городов. В данном случае источниками колебаний являются любые виды движущегося транспорта, машины и механизмы, строительная техника, промышленные предприятия и многие другие. Сила излучаемых ими вибраций аналогична землетрясениям 3—7 баллов на расстоянии в среднем до 25—40 м от источника колебаний [1]. Такое физическое загрязнение, осуществляющееся длительное время, может приводить к негативным изменениям в окружающей среде и, как следствие — к качественному изменению объектов техносферы, в частности инженерных сооружений с внешними проявлениями 36

в виде трещин на стыках панельных плит и в кирпичной кладке вследствие перераспределения напряжения в узлах строительных конструкций. При продолжительном действии вибрационных нагрузок основная опасность для геологической среды, в частности для грунтов в основаниях фундаментов зданий, и самих строительных конструкций исходит на расстоянии от источника в ближней зоне (5—12 м) при распространении объемных волн, в дальней зоне (от 100 м) при преобладающем распространении поверхностных волн. Наша работа ориентирована на изучение уровня воздействия микросейсмического поля техногенного происхождения на геологическую среду и частично на инициирование преждевременных деформаций и осадков зданий на примере Сыктывкара. Также составленные в 2000 г. В. А. Лютоевым карты-схемы сейсмического микрорайонирования города [7] требуют некоторых дополнений с точки зрения изучения воздействия повышения амплитуд ми-кросейсмических колебаний природно-техногенного происхождения на грунты-основания зданий. Район исследований выбран не случайно: около 70 % территории городской застройки находится в условиях по- вышенной вибронагрузки [2] при урбанизированно-сти 22.95 % и при росте численности населения около 1 тыс. человек в год. В плане сейсмического районирования город находится в семибалльной плейсто-сейстовой области Кировско-Кажимской сейсмогенной зоны [8]. Также здесь немаловажным фактором является увеличивающаяся нагрузка на грунты вследствие сноса малоэтажных аварийных домов и строительства на освобожденных территориях зданий повышенной этажности. В таком случае изменяются не только физико-механические и несущие свойства грунтов, но и геологическая среда, которая выступает носителем избыточной энергии колебаний, в результате чего претерпевает качественные изменения в неблагоприятную сторону.

Геологические и геоэкологические условия района исследований

В пределах района исследований строение верхней части геологического разреза представлено осадочными породами мезозойской группы: нижнего триаса, средней-верхней юры и четвертичными отложениями, которые представлены неоплейстоцено-выми и голоценовыми осадками. В основании разреза залегают отложения чирвинского (Q II1 c) и пому-совского (Q_I⁶pm) межледниковья [14]. Далее прослеживаются два ледниковых горизонта: вычегодский (Q ii ⁴vc) и печорский (Q_II 2 pc) и разделяющий их межледниковый родионовский (Q_II³r). Верхняя часть неоплейстоцена сложена аллювиальными и озерноаллювиальными отложениями II и III надпойменных террас рек Вычегды и Сысолы. Голоцен представлен пойменными аллювиальными осадками, отложениями I надпойменной террасы рек, долин мелких водотоков и болот (рис. 1). Мощность отложений до 60— 87 м [13].

По гидрогеологическому районированию территория исследований расположена в пределах Камско-Вятского бассейна подземных вод [10]. Основные водоносные горизонты: локально-водоупорный печорский горизонт (lgIIpc), локально-водоносный печорский горизонт (gIIpc), водоносный чирвинский горизонт (aIIc, laIIc), водоносный средненеоплейсто-ценовый-голоценовый горизонт (aIII—IV) (рис. 1). Постоянные горизонты грунтовых вод приурочены к русловым аллювиальным и ледниковым отложениям. К флювиогляциальным отложениям водоразделов и аллювиальным отложениям террас привязаны сезонно-водоносные горизонты.

В целом экологическая обстановка в Сыктывкаре оценивается как удовлетворительная [12]. Основным источником техногенного загрязнения геологической среды является промышленно-селитебная агломерация города. Что касается микросейсми-ческих наблюдений, то фоновые значения амплитуд колебаний, зарегистрированных в ночное время, для города не опасны и составляют для горизонтальных компонент 2 х 10^-9 м, для вертикальной — 10^–9 м [7]. В пределах селитебной зоны точечно эти показатели могут меняться в десятки раз в сторону увеличения, например вблизи крупного предприятия «Монди Сыктывкарский лесопромышленный комплекс» [3]. Региональные землетрясения в пределах

Ðèñ. 1. Схема инженерно-геологических условий района г. Сыктывкара [13]:

• 1    — числитель — геологический индекс первого от поверхности стратиграфо-генетического комплекса, знаменатель — индекс второго комплекса, его мощность (м), знак дроби — литологический состав второго комплекса:

.......— пески, — о — — суглинки валунные,--глины;

глубина залегания грунтовых вод: состав и мощность (м) отложений первых от поверхности стратиграфо-генетических комплексов: 2 — пески, >10; 3 — пески, <10; 4 — суглинки, >5; 5 — суглинки, <5; 6 — суглинки валунные, >10; 7 — суглинки валунные, <10; 8 — суглинки с прослоями и линзами песков и супесей, >10; 9 — суглинки с прослоями и линзами песков и супесей, 5—10; 10 — территория вибросейсмической съемки

Fig. 1. Scheme of engineering-geological conditions of the Syktyvkar area [13]:

• 1    — numerator — a geological index of the first genetic stratigraphic sequence from a surface, denominatior — an index of the second sequence, its thickness (m), fraction bar — a lithological composition of the second sequence:

.......— sands; — о--boulder loams;--clays;

groundwater depth: sediments composition and thickness of (m) of first genetic stratigraphic sequences from a surface: 2 — sands, >10; 3 — sands, <10; 4 — loams, >5; 5 — loams, <5; 6 — boulder loams, >10; 7 — boulder loams, <10; 8 — loams with bands and lans of sands and sandy loams, >10; 9 — loams with bands and lans of sands and sandy loams, 5—10; 10 — vibroseis survey area эпицентрального расстояния регистрируются эпизодически [11]:

• —    Ракпасское землетрясение, 17 сентября 2004 г., Княжпогостский район Республики Коми, к северу от Сыктывкара на 103—123 км: пгт. Емва, пос. Ракпас, пос. Тракт; интенсивность — 5.5 баллов, магнитуда — 3.9;

• —    Койгородское землетрясение, 22 сентября 2008 г., с. Койгородок Республики Коми к югу от Сыктывкара на 137 км, и Сыктывдинский район, также к югу до 50 км; магнитуда — 3.3;

• — 19 января 2011 г., Корткеросский район Республики Коми, к северо-востоку от Сыктывкара на 20 км; магнитуда — 2.6;

— Первомайское землетрясение, 25 апреля 2011 г., Койгородский район Республики Коми, к югу от Сыктывкара, точное расстояние неизвестно; магнитуда — 2.3.

Техногенные землетрясения на территории Сыктывкара не были зарегистрированы более 50 лет. В 1968 г. в долине р. Сысолы, примыкающей к городской черте, сошел большой оползень блокового типа с объемом грунта 100 тыс. м3. Сила сотрясения была аналогичной землетрясению магнитудой 1.7 [16].

Методы исследованийи аппаратурное обеспечение

В системе наблюдений «грунт — сооружение» при регистрации вибродинамической нагрузки является достаточной регистрация амплитуды перемещения и/ или ее производных — амплитуд виброскорости или виброускорения. Возможность использования сейсмометрических методов для оценки уровня вибрационных воздействий на грунты — основания зданий объясняется наличием связи между их сейсмическими параметрами и инженерно-геологическими свойствами [9]. Но не стоит упускать из внимания тот факт, что в региональных геологических и климатических условиях проявление усталостных повреждений зданий может быть связано с суффозией, вспучиванием грунта при отрицательных температурах воздуха и другими явлениями.

В зарубежной и отечественной литературе, строительных нормах и правилах основными параметрами допускаемой величины вибрации являются пиковое и среднеквадратичное значения виброскорости. При значениях виброускорения колебаний >  0.03 м/с² [6, 17] и виброскорости >  0.31 х 10^-3 м/с [15] считается, что окружающая среда находится в зоне экологического риска в условиях повышенных вибрационных нагрузок. При вибрациях со значениями виброскорости (0.4—1.2) х 10^-3 м/с уже происходят сверхнормативные осадки фундамента зданий, возникают повреждения в старых зданиях, а при значениях скорости (5—8) х 10^-3 м/с возможны серьезные повреждения зданий с бетонными перекрытиями [5]. Параметры амплитуд перемещения и характер их затухания несут информацию о возможности проявления деструк-ционных последствий в конструкциях зданий: если на схеме вибросейсмических параметров амплитуда затухания колебаний на том или ином участке незначительна, то ввиду высоких значений упругих сил восстановления первоначальных прочностных параме- 38

тров геологической среды негативные изменения от воздействия вибросейсмических колебаний не произойдут.

Все измерения проводились в частотном диапазоне 0.3—200 Гц в соответствии с ГОСТом [6]. Применялась 24-разрядная цифровая сейсмическая станция ZET 048-C. Как отмечено выше, оценочными параметрами являлись пиковые значения скорости, ускорения и перемещения волн сдвига, т. к. именно они влияют на несущие свойства грунтов. Измерения проводились в направлении трех взаимно перпендикулярных осей х, у (имели горизонтальные направления NS и EW соответственно) и z (направление вертикально вниз). Обработка сигналов осуществлялась с применением программы ZETLab SEISMO, а именно: в ходе работы регистрировались значения виброускорения, параметры виброскорости и виброперемещения были получены автоматически расчетным путем. В связи с плотностью застройки города и расположением зданий шаг измерений составлял от 20 до 200 м.

При интерпретации соотношений данных вибро-сейсмической съемки будем опираться на сводную таблицу А. Д. Жигалина и Г. П. Локшина [5], в которой приведены последствия вибрационного воздействия на грунтовую толщу и инженерные сооружения по соотношению среднеквадратичных значений виброскорости и виброускорения по Восточно-Европейской платформе. Эти соотношения будем принимать во внимание с учетом геологических и других условий района исследований.

Результаты

На схемах изображения пиковых значений амплитуды виброускорения способом изолиний превышение значения 0.03 м/с² более всего по площади отображено по компоненте z и менее всего по компонентам x и y (рис. 2). Соответственные максимальные значения: Az_max = 0.622 м/с², Ax_max = 0.254 м/с², Ay_max = 0.207 м/с² — в разы превышают нормативные. Зоны превышения пиковых значений виброскорости (0.31—0.4) х 10^-3 м/с существенно отображаются по компоненте y и весьма незначительно по компонентам x и z (рис. 2). Максимальные значения: Vy max = 7.54 ^{х 10-3 м/с}, Vx max = ^{L195 х 10-} 3 ^м/с, Vz max = = 1.318 х 10^-3 м/с — неоднократно выше нормативных.

На рис. 3 отображены зоны со сверхнормативными значениями параметров вибросейсмических колебаний. На участках пересечения зон сверхнормативных значений виброскорости и виброускорения велика вероятность проявления последствий вибрационного воздействия в виде осадок фундаментов в слабых и плотных грунтах до 2 мм/год в соответствии с данными [5].

На схемах перемещения выделено 3 участка с высоким градиентом затухания колебаний (рис. 3). При этом участок У1 обозначается по всем трем компонентам, У2 — по одной горизонтальной (x) и вертикальной компонентам, У3 — также по одной горизонтальной (y) и вертикальной компонентам. Пиковые значения амплитуды перемещения на выделенных участках в ближней зоне зафиксированы в условиях различных значений виброускорения и виброскорости, сверх-

Ðèñ. 2. Схема вибросейсмических параметров: ускорения (A) и скорости (V) — способом изолиний, Сыктывкар

Fig. 2. Scheme of vibroseis parameters of: acceleration (A) and speed (V) by isolines, Syktyvkar

Ðèñ. 3. Схема вибросейсмических параметров: скорости (V) и перемещения (S) — способом изолиний, Сыктывкар:

1 — участок с высоким градиентом затухания амплитуды колебаний; 2 — пункт наблюдения на выделенном участке; 3 — зоны пересечения участков сверхнормативных значений виброскорости и виброускорения

Fig. 3. Scheme of vibroseis parameters of: speed (V) and displacement (S) by isolines, Syktyvkar:

1 — area with high attenuation gradients of vibration; 2 — observation point on the area; 3 — intersection of excess velocity and acceleration values

Значения вибрационного воздействия на грунтовую толщу на участках с высокими градиентами затухания амплитуд колебаний, Сыктывкар

Values of vibration impact on the ground layer on areas with high attenuation gradients of vibration amplitudes, Syktyvkar

ПН	Ax. м/с2	Vx. 10–3 м/с	Sx. 10–3 м	Ay. м/с2	Vy. 10–3 м/с	Sy. 10–3 м	Az. м/с2	Vz. 10–3 м/с	Sz. 10-3 м
У1
1	0.018	0.015	0.149	0.003	0.051	1.822	0.32 (норм. 0.03)	0.047	0.379
2	0.012	0.008	0.057	0.003	0.011	1.219	0.219 (норм. 0.03)	0.008	0.038
3	0.01	1.195 (норм. 0.4)	0.218	0.006	0.078	0.005	0.006	0.007	0.003
У2
1	0.069 (норм. 0.03)	0.011	0.078	0.004	0.012	0.328	0.055 (норм. 0.03)	0.037	0.415
2	0.003	0.004	0.024	0.003	0.002	0.027	0.003	0.004	0.031
3	0.006	0.03	0.003	0.007	0.045	0.004	0.014	0.068	0.012
У3
1	0.028	0.089	0.006	0.006	0.028	2.052	0.364 (норм. 0.03)	0.079	0.263
2	0.012	0.042	0.003	0.017	1.934 (норм. 0.4)	0.343	0.019	0.091	0.004
3	0.035 (норм. 0.03)	0.096	0.003	0.059 (норм. 0.03)	7.54 (норм. 0.4)	1.326	0.027	0.106	0.003

Примечание: ПН — номер пункта наблюдения; A — виброускорение; V — виброскорость; S — виброперемещение; заливкой в ячейках отмечены сверхнормативные значения параметров колебаний.

Note: ПН — number of observation point; A — vibration acceleration; V — vibration velocity; S — vibration displacement; fill in the cells marked suprastandard values of vibration parameters.

нормативных и ниже нормы. Эти значения приведены в таблице.

Сводные данные вибросейсмической съемки свидетельствуют о том, что наиболее всего негативным изменениям от воздействия вибросейсмических колебаний подвержен У3. Особенно четко это видно по компоненте y. Здесь высокий градиент затухания колебаний наблюдается наряду с повышенной вибро-сейсмической нагрузкой на грунты от автотранспорта и сверхнормативными значениями V_y (см. таблицу). При соотнесении с инженерно-геологическими данными У3 находится в зоне геолого-генетического комплекса аллювиальных и озерно-аллювиальных отложений чирвинского, полярного, бызовского, лай-ского и сулинского горизонтов, в частности III надпойменной террасы р. Сысолы. Осадки представлены разнозернистыми и гравийными песками и супесями, могут присутствовать линзы и прослои глин и суглинков печорского и чирвинского горизонтов (рис. 4, а). Осложняющим фактором на данном участке считаем неглубокое залегание грунтовых вод чирвинского горизонта, местами первые метры, в виду того что с уве- 40

личением степени водонасыщения песков аллювиального и озерно-аллювиального генезиса динамическая устойчивость этих грунтов падает [4].

На У1 и У2, находящихся в зоне моренных, часто валунных, суглинков и супесей мощностью более 10 м (gIIpc), отмечаются редкие превышения сверхнормативных значений виброскорости и виброускорения. В целом эти отложения являются надежным основанием для фундаментов зданий, но нередко, в частности на У1 и У2, присутствует осложняющий фактор в виде включений в моренной толще водонасыщенных песков озерно-ледникового генезиса (lgIIpc). Прослои и линзы песков понижают динамическую устойчивость массива включающих их грунтов. Подстилающие осадки чирвинского горизонта (laIIc) не оказывают влияния на устойчивость грунтов — оснований зданий в виду глубокого их залегания (рис. 4, б). Аналогично проводилась интерпретация данных для района Эжвы. Выделенный на рис. 5 участок аналогично находится в зоне горизонта gIIpc мощностью до 80 м, и осложняющим фактором также выступают песчаные линзы горизонта lgIIpc.

Ðèñ. 4. Геологические разрезы к рис. 1 [13]: а — по линии А — А1; б — по линии Б — Б1: 1 — пески; 2 — суглинки; 3 — глины четвертичного генезиса; 4 — глины дочетвертичного генезиса; 5 — уровень грунтовых вод

Fig. 4. Geological sections for fig. 1 [13]: а — by the line А — А1; б — by the line Б — Б1: 1 — sands; 2 — loams; 3 — quaternary clays;

4 — antequaternary clays; 5 — ground water level

По полученным данным вибросейсмической съемки внесены дополнения в схему микросейсморайонирования Сыктывкара В. А. Лютоева с геоэкологической точки зрения (рис. 5): на выделенных участках неблагоприятные факторы, представленные песчаными и супесчаными отложениями, вносят свой вклад в приращение к амплитуде возможных землетрясений.

Выводы

Проведенные исследования по выбранной методике доказывают ее эффективность в получении информации о техногенном вибрационном поле города, в выделении участков, потенциально подверженных проявлению последствий от вибрационного воздействия на грунты-основания и здания. Данные позволили наглядно представить зоны пересечения участков сверхнормативных значений виброскорости и виброускорения на урбанизированной территории на примере г. Сыктывкара. В отмеченных зонах имеет место техногенное нарушение естественных геоэкологических условий или, иными словами, нарушение экологического состояния геологической среды в районе размещения зданий в условиях плотной городской застройки. А именно под воздействием вибро-сейсмических нагрузок на протяженном временном интервале произошло и происходит снижение устойчивости массивов горных пород (в нашем случае несвязных грунтов) и, как следствие, увеличение риска возникновения экзогенных геологических процессов, например суффозии и оползнепроявления. Наличие таких процессов и снижение динамической устойчивости вносят свой вклад в приращение к амплитуде возможных землетрясений и их балльности и требуют дополнительного изучения в области их физико-механических и сейсмических свойств грунтов.

Работа выполнена при поддержке Программы фундаментальных исследований РАН №15-18-5-11.

О 1000    2000 м

|Ж' х| - 1 |<-Д| - 2 I I - 3 I I - 4 □ - 5 У//\ - 6

Ðèñ. 5. Схема микросейсморайонирования г. Сыктывкара [8] с дополнениями А. Н. Вихоть:

приращение балльности: 1 — 0.0—0.5; 2 — 0.5—1.0; 3 — 1.0— 1.3; 4 — 1.3—1.5; 5 — 1.5—2.0; 6 — зоны дополнительных неблагоприятных геоэкологических факторов для приращения к амплитуде возможных землетрясений

Fig. 5. Microzonation scheme of Syktyvkar [8] with additions by A. N. Vikhot:

intensity moveout: 1 — 0.0—0.5; 2 — 0.5—1.0; 3 — 1.0—1.3; 4 — 1.3—1.5; 5 — 1.5—2.0; 6 — zones of additional disadvantage geo-ecological factors for increment to the amplitude of possible earthquakes