РАЙОНИРОВАНИЕ ПРОЯВЛЕНИЙ СЕЙСМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ОБРАЗОВАНИЙ В ПРЕДЕЛАХ БАЙКАЛЬСКОГО РЕГИОНА

1. ВВЕДЕНИЕ

Инженерно-геологические условия, структурные особенности отдельных групп геологического разреза, расположенных в пределах крупных морфоструктурных объектов (впадины) в условиях развития многолетнемерзлых грунтов, обусловлены многообразием параметров геофизических полей непосредственно в пределах впадин и их горного обрамления [Aleshin, 2017; Pavlov, 1988; Bune, Katrikh, 1980; Nekrasov, 1967; Pavlov et al., 1981; Methodological Recommendations…, 2004].

Необходимость исследований обусловлена высоким уровнем сейсмической опасности для региона в целом [Chipizubov et al., 2009; GSZ-2015, 2015; Smekalin, 2008; Smekalin et al., 2013; Imaev et al., 2015]. Анализ геофизических и инженерно-геологических материалов выполнен для территории трех крупных тектонических структур – Тункинской, Муйской и Чарской.

Материалы подбирались в течение 3–5 лет в периоды максимального промерзания и протаивания грунтов и представляют весь спектр инженерно-геологических условий, сейсмические параметры грунтов, скорости распространения сейсмических волн и основные характеристики геологической среды до глубины 30 м [Construction…, 2018; Dzhurik et al., 2017, 2022; Dobrynina et al., 2016; Eskin et al., 2018; Serebrennikov et al., 2018].

2. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

В структуру Чарской впадины, сформированной высокой тектонической активностью, и ее горного обрамления входит большой спектр различных форм рельефа и, как следствие, широкое разнообразие осадочных формирований в мерзлом и талом состоянии.

Сейсмичность впадины по современным нормативам оценивается в 9 баллов и более.

Чарская впадина представляет собой тектоническую депрессию на восточном фрагменте Байкальской зоны с общей протяженностью более 100 км, окруженную горными сооружениями хребтов Кодар и Удокан. В инженерно-геологический комплекс впадины и ее окружения входят скальные грунты, ледниковые отложения, отложения современного периода развития впадины.

В пределах впадин задокументированы участки прерывистого и сплошного распространения мерзлых грунтов. Общие сведения о температурном режиме и мощности мерзлых грунтов предоставляют геотермические исследования: изменение мощности происходит с увеличением абсолютных отметок рельефа в пределах 100–1000 м, температура меняется от –1.5 до –4…–6 °С.

Скальные грунты представлены осадочно-метаморфическим комплексом, объединяющим породы нижнего протерозоя, – алевролиты и известковые песчаники.

Интрузивный комплекс района представлен раннепротерозойскими образованиями, габбро и различными разновидностями гранитов. В пределах объединения необходимо отметить присутствие комплекса делювиальных отложений. В основе комплекса отмечается сочетание щебнистых и глыбовых формирований мощностью до 8 м.

Многолетнемерзлые породы на делювиальных склонах представлены суглинками и супесями. Эти породы, как правило, имеют линзовидные криогенные структуры. Отложения верхних и средних частей склонов южной экспозиции содержат лишь цемент. Мощность слоя сезонного протаивания колеблется в пределах 1–2 м.

В структуру ледниковых образований входят следующие комплексы:

а) аллювиальные отложения различного гранулометрического состава в основе комплекса надпойменных террас и предгорных долин ручьев. Возможность появления таликов отмечается в летний период;

б) комплекс троговых долин – аллювиальные (супеси, пески, галечники) и моренные (галечники, валуны супеси и пески) отложения. В многолетнемерзлом состоянии для них характерны пологоволнистые, линзовидные и корковые криогенные текстуры. Глубина сезонного протаивания варьируется от 0.5 м в центральных заболоченных частях до 2.0 м на поверхности южных склонов;

в) формирования моренного комплекса, содержащие грубообломочный материал с включением щебня и дресвы мощностью до 30 м;

г) комплекс террас и пойм рек, сложенный гравием, песком и супесями. Отложения описываемого комплекса содержат лед – цемент с глубины 1–5 м. Здесь же встречаются ископаемые льды в виде пластообразных и линзовидных образований мощностью в первые метры. Температура многолетнемерзлых пород изменяется в интервале от –2 до –5 °С.

Как отмечалось ранее, цель наших исследований – выделение в пределах рассматриваемой структуры площадей, отличных от уровня исходной сейсмичности по карте общего сейсмического районирования [GSZ-2015…, 2015]. Согласно нормативным документам за эталон при расчетах приняты грунты, имеющие следующие показатели: скорость продольных волн 3000 м/с и объемная масса 2.5 г/см³. Таким образом, эталонные грунты имеют сейсмическую опасность на один балл меньше исходной (9 баллов) и оцениваются в 8 баллов.

При проведении сейсморазведочных работ использовался метод преломленных волн Vp (МПВ) и многоканальный анализ поверхностных волн (МАПВ), позволяющий вычислять значения поперечных волн Vs. На исследуемой территории были выбраны и изучены площадки основных инженерно-геологических комплексов основными геофизическими методами (сейсморазведочные, электроразведочные) [Serebrennikov et al., 2018]. Эти данные вошли в общую инженерно-сейсмологическую оценку территории, которая подразделяется авторами на зоны повышенной и пониженной сейсмической опасности, что указано на рис. 1.

В табл. 1 представлены основные геофизические параметры грунтов и расчета приращений балльности.

Муйская впадина расположена в юго-западном направлении от Чарской впадины на расстоянии менее 100 км. Структура ограничена горными сооружениями Северо-Муйского и Южно-Муйского хребтов. Общая площадь более 5000 км².

Высокогорная, предгорная части структуры и долина р. Муя охвачены сплошной мерзлотой, отмеченной мощностью до 500 м. Диапазон изменения температуры грунтов составляет от –1.5 до –6 °С, с возможным повышением до 0 °С в цикле сезонного промерзания и оттаивания.

На исследуемой территории мы впервые вводим термин – деградация мерзлоты. Если ранее этот термин авторы применяли для участков техногенного воздействия (строительство и развитие объектов инфраструктуры региона) на мерзлотные образования, то в настоящее время он применим и к естественному состоянию вечномерзлых грунтов. Основной фактор изменения мерзлоты – сформировавшийся микроклимат в пределах впадины благодаря физико-географическим особенностям расположения структуры.

Сейсмичность впадины высокая, и при основных показателях прочностных характеристик грунтов для необходимых расчетов используется уровень исходной сейсмичности для «средних» грунтов в 9 баллов.

В итоге дальнейшие результаты расчетов сейсмической опасности для участков распространения других инженерно-геологических объединений будут исходить из 9-балльного уровня сейсмичности региона.

Для изученного комплекса скальных грунтов характерны изменения плотностных характеристик коренных пород с глубиной. Скорость V_p меняется от 1000 до 3000 м/с, и V_s изменяется в рамках 500–1420 м/с.

От состава коренных пород (от разрушенных до слабой степени выветривания) отношение продольных волн к поперечным меняется от 2.1 до 1.6. В рыхлых отложениях долины и предгорной части структуры при увеличении мощности слоя мерзлых грунтов осредненные значения V_p и V_s возрастают. На участках развития сезонного оттаивания при переходе от маловлажных грунтов к водонасыщенным наблюдается резкое увеличение скорости продольных волн в 3–4 раза. Возрастание скорости поперечных волн происходит менее интенсивно.

Количественная характеристика основных типов грунтов по сейсмическим свойствам отображена в табл. 2.

Представленные данные позволили построить карту-схему районирования параметров сейсмических воздействий Муйской впадины, что указано на рис. 2. Сама оценка необходимых параметров проведена через расчет акселерограмм, спектров ускорений и частотных характеристик для построения наиболее вероятных сейсмогрунтовых моделей и их естественного и прогнозируемого состояния.

В итоге для Муйской впадины выделены участки с сейсмической опасностью в 8–9 баллов для мерзлых грунтов и 8–10 баллов – для талых, а также участки прогнозируемого изменения в процессе полной или частичной деградации мерзлотных естественных условий. Границы участков определены значениями максимальных ускорений колебаний грунтов: для мерзлого состояния диапазон изменений от 160 до 370 см/с², для талого – от 230 до 780 см/с².

Чередование впадин различной ширины и протяженности образует единую впадину под общим названием Тункинская, являющуюся западной ветвью Байкальской рифтовой зоны. Структура занимает промежуточное положение между оз. Байкал и оз. Хубсугул в Монголии [Serebrennikov et al., 2016].

В геологическом строении принимают участие породы широкого возрастного диапазона – от архея до современных отложений. Скальные грунты представлены метаморфическими и интрузивными породами докембрия и палеозоя. Впадину заполняют палеоген-четвертичные отложения.

Область распространения многолетнемерзлых пород изменяется от многолетнемерзлых грунтов с островами таликов (горное обрамление впадины) до грунтов редкоостровного типа, встречающихся в пределах болотных и озерных массивов, на периферии песчаных массивов, а также на высоких террасах в виде островов мощностью 10–100 м и температурой до –0.5 °C.

В инженерно-геологическом плане геофизические исследования проходили в песчаных грунтах. Представляемые пункты геофизического изучения расположены на участках неводонасыщенных и водонасыщенных грунтов, что представлено на рис. 3.

В качестве примера приведен участок исследований в центральной части впадины. Профиль начинается вблизи п. Албугаи на восточном склоне массива Бадар и переходит в относительно узкую зону между песчаным массивом и Койморским болотно-озерным комплексом. В направлении с севера на юг профиль пересекает долину р. Иркут и выходит в предгорье южного обрамления Тункинской впадины.

Для МПВ система наблюдений была ориентирована на получение прямых, встречных и нагоняющих годографов длиной 46 м. Каждая расстановка включала в себя пять пунктов возбуждения (координаты SOU_X=–48 м, 0 м, 22 м, 46 м, 94 м). Для МАПВ выбиралась одна из сейсмограмм, полученных по МПВ. Такая система наблюдений позволила получить изображение среды до глубины порядка 30 м. Значения поперечных волн между пунктами сейсмозондирования интерполировались.

По результатам интерпретации данных сейсморазведки методом преломленных волн в верхней 30-метровой грунтовой толще в 11 пунктах сейсмического зондирования на исследуемом профиле повсеместно выделяются 2–3 слоя. Самый верхний слой рыхлых воздушно-сухих грунтов мощностью от 2 до 20 м имеет аномально низкие значения Vр, не превышающие 420 м/с, и выделяется по всему профилю. Второй слой в водонасыщенном состоянии расположен практически по всему профилю (кроме пункта сейсмозондирования 11-040, где слой представлен воздушно-сухими грунтами с Vp=570–690 м/с) и характеризуется интервалом изменения скоростей продольных волн от 1540 до 2050 м/с. Следующий слой представлен мерзлыми грунтами, залегающими с глубины 8–16 м и имеющими скорость продольных волн от 2500 до 2670 м/с (пункты сейсмозондирования 5-019, 6-020 и 11-040). Нижняя граница мерзлой грунтовой толщи методами сейсморазведки не зафиксирована.

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В статье изучена возможность формирования базы данных, полученных при полевых, инструментальных исследованиях, и приведены расчеты сейсмических воздействий по выбранной авторами методике. Получены и проанализированы сведения о мощности и состоянии грунтов различных типов. Методика наблюдений позволила авторам проследить за состоянием инженерно-геологических свойств отдельных комплексов грунтов в течение длительного периода.

Рассмотрены основные сейсмические параметры различных комплексов грунтов, их возможное влияние при районировании сейсмической опасности территорий и отдельных участков развития строительства и эксплуатации конкретных объектов в пределах Чарской, Муйской и Тункинской впадин.

4. ЗАЯВЛЕННЫЙ ВКЛАД АВТОРОВ / CONTRIBUTION OF THE AUTHORS

Все авторы внесли эквивалентный вклад в подготовку рукописи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией.

All authors made an equivalent contribution to this article, read and approved the final manuscript.

5. РАСКРЫТИЕ ИНФОРМАЦИИ / DISCLOSURE

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов, связанного с этой рукописью.

The authors declare that they have no conflicts of interest relevant to this manuscript.