Лекция 3. инженерно-геологические условия территории беларуси

Основные черты инженерно-геологических условий Беларуси определились в ходе геологического развития Восточно-Европейской платформы. Анализ истории геологического развития позволяет устано­вить закономерности строения основных геологиче­ских тел, выявить особенности их отражения в релье­фе и характер пространственной изменчивости свойств горных пород.

На территории Республики Беларусь и смежных с нею областей получили распространение все основ­ные типы структур различных порядков чехла и фун­дамента древней платформы . Для регио­на характерны стратиграфическая полнота разреза и разнообразный набор формационных рядов чехла.

Основным этапам платформенного развития зем­ной коры в пределах Беларуси и смежных областей соответствуют три типа чехла платформы - нижнери-фейский (квазиплатформенный), среднерифейско-нижневедский (катаплатформенный) и верхневедско-фанерозойский (ортоплатформенный).

Первые два типа чехла сформировались в доплитные этапы развития платформы, а ортоплатформенный - в плитные. Доплитные этапы имели продолжитель­ность около 1 млрд лет, плитные – 600 - 650 млн лет.

Плитным этапам развитиязапада Восточно-Европейской платформы соответствуют: позднебайкальский, каледонский, герцинский и киммерийско-альпийский этапы.

Неотектонический этап развития структур и формирования геологи­ческих тел начался с момента уста­новления континентальных условий и регрессии последнего для этой территории харьковского моря. Исходя из особен­ностей геологического развития территории на неотектоническом этапе выделяются две стадии фор­мирования этапа в развитии зем­ной коры.

На первой стадии в позднем олигоцене и в неогене продолжались активные неотектонические движе­ния в пределах всех выраженных в рельефе тектонических структур, в основном - вдоль линий древних разломов, а также в районах, ослож­ненных соляной тектоникой.

В середине плиоцена началось заметное воздымание юго-востока, причем наиболее значительным оно было у южного борта Припятского прогиба и, видимо, достигало по­рядка 40 - 60 м. Это вызвало размыв на многих участках ранее накопив­шихся отложений и привело к тому, что к концу неогена площади, заня­тые этим прогибом, Жлобинской седловиной и западными склонами Воронежской антеклизы, оказались приподнятыми относительно более западных и северо-западных струк­тур того же ранга.

Таким образом, основные черты доантропогенового рельефа Белару­си сложились в палеоген-неогеновое время, когда произошли последние морские трансгрессии и были сни­велированы неровности рельефа ме­лового времени .

В плейстоценовое время при­шедшие с севера ледники в опреде­ленной степени сгладили доледни­ковый рельеф и погребли его под мощной толщей собственно-ледни­ковых и межледниковых осадков.

В основном своем распростране­нии плейстоценовые отложения косвенно отразили общий структур­ный план доантропогеновой по­верхности, что отчетливо прослежи­вается на геоморфологических кар­тах и картах мощностей четвер­тичных отложений. В ходе неотек­тонического развития в результате более резкого воздымания востока и юга и относительного отставания в подъеме северо-запада образовался общий перекос поверхности с юго-востока на северо-запад и на этом фоне более приподнятыми оказа­лись восточные и южные края.

Плейстоценовая стадия испыты­вала заметное влияние неотектони­ческих процессов на характер рас­пространения материковых оледе­нений, неоднократно проникавших в пределы Беларуси. Так, в результате приподнятости юго-востока бело­русский ледник обошел это подня­тие и подвинулся по более опущен­ному западному участку. Позднее территория Припятского прогиба была захвачена нисходящими дви­жениями, поэтому следующий бере-зинский ледник частично проник и сюда, оставив горизонт водно-ледниковых образований. На рубеже раннего и среднего антропогена от­мечались дифференцированные вос­ходящие движения, что на ряде уча­стков привело к врезанию крупных рек до коренных пород.

Заметное погружение поверхно­сти происходит в период отрица­тельных движений при наступлении днепровского ледника, особенно мощного вдоль долины Днепра. По­сле деградации этого ледника ин­тенсивно воздымалась восточная часть Беларуси.

Анализ геологических данных показывает, что каждый ледниковый покров на трансгрессивной стадии приводил к гляциоизотоническому опусканию занимаемой им площади, а на регрессивной - к ее воздыма­нию. Размах этих движений мог достигать многих десятков метров, а при максимальном оледенении - до 100 м. При этом происходила акти­визация разломных зон древнего заложения и появление ряда наруше­ний в залегании пород (гляциодислокаций) в приповерхностной части зем­ной коры до глубины 100 - 250 м.

Плейстоценовые отложения по­всеместно развиты на территории Беларуси и являются основанием практически всех инженерных со­оружений. Поскольку терри­тория Беларуси в геологическом от­ношении относится к закрытым районам, имеющиеся сведения по­лучены в результате анализа значи­тельного по объему бурового фак­тического материала. В Беларуси отложения нижнего и среднего плейстоцена залегают на коренных породах различного воз­раста - от архейских до плиоцено­вых. В северных районах - это терригенные и карбонатные породы среднего и верхнего девона, в цен­тральной части - кварцево-глеуконитовые пески и мергельно-меловая толща верхнего мела, на юге - раз­нообразные (преимущественно терригенные) породы палеогена и неогена.

Доплейстоценовые отложения присутствуют в толще ледниковых образований (до 100 - 110 м мощ­ности) в виде отторженцев различ­ных размеров. При продвижении ледниковых покровов и таянии льда они оказывали существенное влия­ние на минералогический состав плейстоценовых отложений.

Плейстоценовые отложения раз­виты повсеместно и перекрывают чехлом неравномерной толщины всю территорию страны. В долинах наиболее крупных рек и их прито­ков (Западная Двина, Днепр, Сож, Припять и др.) этот чехол разорван, и на дневную поверхность выступа­ют девонские (северная часть), мело­вые, палеогеновые или неогеновые породы (средняя и южная часть).

Накопление плейстоценовых от­ложений происходило при условии тесной связи с современным и по­гребенным рельефом, что, напри­мер, находит отражение в строе­нии, генезисе и распределении мощ­ностей плейстоценового покрова. В основном максимальные мощно­сти (свыше 300 м) приурочены к долинам рек и современным возвы­шенностям. Минимальные мощности ха­рактерны для погребенных возвы­шенностей и молодых участков со­временных речных долин. Они оп­ределяются главным образом тек­тоническими факторами, хотя их влияние носит весьма сложный ха­рактер. Так, Минская и Новогрудская возвышенности, где мощности плейстоценовых отложений весьма значительны, испытывают совре­менные тектонические движения положительного знака. Эта особен­ность может быть объяснена после­дующими инверсиями тектониче ских блоков, на которые разбита по­верхность кристаллического фунда­мента Беларуси.

Среднечетвертичные отложения пред­ставлены тремя горизонтами ледни­ковых и двумя межледниковыми горизонтами.

Морена березинского возраста отличается от морен более молодых по цвету, характеру вклю­чений и грацулометрическому со­ставу. В ней преобладают окатанные зерна кварца, аналогичные кварце­вым зернам из пород полтавской свиты.

Водно-ледниковые отложения вы­ражены в виде мелко- и разнозернистых песков и глинистых осадков. Мощность их измеряется несколь­кими десятками метров.

Днепровский подгоризонт на терри­тории Республики Беларусь распро­странен широко. Ледник днепровского возраста сплошным чехлом покрывал всю территорию страны. Сплошное распространение днепровская морена имеет в центральной части респуб­лики (Белорусская гряда), где зале­гает непосредственно с поверхности к югу от границы поозерского оле­денения.

На обширных участках террито­рии Беларуси, к югу от границы по­озерского (валдайского) оледенения, морена московского и днепровского оледенений перекрывается водно-ледниковыми и реже — озерно-ледниковыми отложениями стадии от­ступания московского и днепров­ского ледников (рис. 3.10). Мощ­ность их достигает 30 - 45 м, но ча­ще – 5 - 15 м. Сложенные в ос­новном мелко- и среднезернистыми песками эти отложения на севере Полесской низменности формируют обширные зандровые равнины.

Верхнечетвертичные отложе­ния.Поозерский горизонт хорошо изучен. Морена поозерского ледника встречается практически на всей территории северной части республики, которая была покрыта поозерским ледником. Отсутствует она лишь на отдельных участках озерно-ледниковых низин, сложен­ных ленточными глинами или гли­нами, переслаивающимися с песка­ми (Суражская, Лучесинская, По­лоцкая, Дисненская и другие ни­зины). Поозерский горизонт имеет двучленное строение, которое увя­зывается со стадиями оледенения. Встречаются моренные отложения поозерского возраста, в основном с абсолютных отметок 125 - 175 м. В зонах краевых образований поверх­ность морены поднимается до 200 м и более и образует современный рельеф. Моренные отложения представлены красно-бурыми валунны­ми суглинками, супесями с линзами песков, ленточных глин, алевритов. Морена более поздней браславской стадии представлена красно-бурыми с малиновым оттенком валунными супесями, суглинками, глинами, со­держащими прослои и линзы гравийно-галечного материала и косослоистых песков. Отторженцы в толще редки и невелики по размеру. Мощность моренных отложений колеблется чаще всего в пределах 10 - 14 м, но на отдельных грядах достигает 60 - 70 м.

Водно-ледниковые отложения поозерского оледене­ния представлены флювиогляциаль-ными и озерно-гляциальными осад­ками. Они покрывают с поверхности морену поозерского оледенения, а к югу от этой границы слагают участки перигляциальных образова­ний (лессовые отложения Оршан­ской, Минской, Новогрудской воз­вышенностей. Мозырской, Копыльской, Ошмянской гряд, Оршанско-Могилевского плато).

Во внеледниковой зоне сформи­ровались отложения, слагающие надпойменные террасы большинст­ва рек Беларуси. Надпойменные террасы занимают обширные про­странства Белорусского Полесья, и их внутреннее строение резко раз­лично. В пределах этих областей аккумуляции проведены большие объемы мелиоративных работ, про­ектируются и строятся многие гид­ротехнические сооружения, трассы дорог, промышленные и граждан­ские объекты. В связи с этим кар­тирование площадей, сложенных аллювиальными отложениями раз­личного возраста, имеет не только теоретическое, но и большое ин­женерно-геологическое значение.

Вторые надпойменные террасы имеют значительное распростране­ние в пределах Белорусского Поле­сья. Подошвой отложений террас служит в большинстве случаев мо­рена днепровского ледника, на ко­торую аллювий ложится нормально, в виде пачки слоистых мелкозерни­стых песков. Реже в основании ал­лювия залегают серые, разно- и крупнозернистые пески базального горизонта (вскрыты рядом буровых скважин) или нерасчлененные меж­моренные отложения среднего плейстоцена. Вместе с тем, установ­лено, что аккумуляции аллювиаль­ных осадков предшествовали до­вольно глубокие эрозионные врезы, в результате чего межморенные от­ложения оказались размытыми, а в ложбинах сформировались осадки разного литологического состава.

Покрывающий более древние от­ложения четвертичный чехол сфор­мировал основные черты рельефа Беларуси и его формы. В общепри нятом понимании вся территория делится на три крупные геоморфо­логические зоны: северную (Бе­лорусское Поозерье), центральную (Белорусская гряда с прилегающими Центрально-Белорусской равниной и Восточно-Белорусским плато) и южную (Белорусское Полесье).

В пределах Белорусского Поозе­рья развит свежий ледниковый ре­льеф с хорошо сохранившимися ко­нечными моренами, крупными и мелкими моренными холмами, друмлинами, камами и озами. Среди форм рельефа наибольшие площади занимают ледниково-аккумулятивные, водно-ледниковые, речной эро­зии, термокарстовые, эоловые и фор­мы озерно-болотной аккумуляции.

Белорусская гряда существенно отличается от рельефа Поозерья. Она характеризуется резким преоб­ладанием обособленных выпуклых форм, разделенных широкими, хо­рошо разработанными долинами рек, а также привязанными к ним многочисленными мертвыми доли­нами и денудационными ложбина­ми, которые образуют единую сложную и довольно разветвленную цепь. Одной из характерных черт рельефа Центрально-Белорусской равнины, как и области Белорусской гряды, является наличие разветв­ленной сети древних «мертвых» до­лин и ложбин. Восточно-Белорус­ское плато представлено лессовидны­ми породами с западинами и оврага­ми, хорошо выраженными в рельефе.

Для Белорусского Полесья ха­рактерно наличие плоских водноледниковых равнин и речных тер­рас, понижающихся от 150 - 180 м с севера и запада до 120 - 140 м к югу и 100 м - к юго-востоку.

Изучение инженерно-геологиче­ских условий территории Респуб­лики Беларусь началось в 30-е гг. XX в. Большой вклад в методоло­гию, теорию и практику инженерно-геологических исследований внесли Г. В. Богомолов, М. Ф. Козлов, В. Г. Лободенко, Ю. А. Соболев­ский, Д. Ю. Соболевский, Л. Н. Викарук, И. Г. Лукинская, Л. К. Моро­зова, С. С. Яновская, М. Ф. Макарочкин, В. Н. Шарай, Н. И. Ловы-гин, М. И. Никитенко, Л. Д. Медве­дев, С. П. Гудак, А. П. Лавров, Л. И. Шаповал, Н. И. Парфенова, Н. Н. Баранов, И. Н. Герасенкова, Ю. П. Большедонова, В. Д. Коркин, И. А. Бусел и многие другие.

Мощность доплейстоценовых от­ложений закономерно увеличива­ется во впадинах, а на отдельных участках фундамент близко подхо­дит к поверхности (Микашевичский выступ, Центрально-Белорусский массив и др.). В верхней зоне поро­ды фундамента выветрелые. Оса­дочная толща палеозоя и мезозоя сложена известняками, мергелями, ангидритами и другими прочными породами высокой растворимости. Проведенными испытаниями на спе­циально сконструированных прес­сах с давлением до двух тонн были получены следующие показатели механических свойств: мергели без включений гипса и ангидрита - S_ст=105 - 230МПа, S_p= 6 - 23 МПа, угол внутреннего трения ср = 54 - 62, коэффициент сцепления С = 86 - 125 МПа, модуль деформации - 7 МПа, в воде интенсивно размо­кают; мергели с прослоями гипса и ангидрита - S_ст – 21 - 31 МПа, S_р = 7,8 - 16,5 МПа, ср = 37 - 41, С = 7,8 - 17,5 МПа, в воде размокают медленно и не набухают; ангидриты - S_ст = 60 - 65 МПа; глины ангидри­товые - S_ст = 70 - 80 МПа; глины с гнездами соли и ангидрита - S_ст = 35 - 55 МПа, S_Р = 25 - 39 МПа, ср = 37 - 54, С = 28 -39 МПа; сильви­нит - S_Р = 21 МПа; сильвинит-галитовая порода - S_Р = 18 - 20 МПа, карналит-галитовая - S_Р = 4 -5 МПа. В направлении кровли прочностные свойства пород снижаются. Так, ме­ловые отложения обладают высокой чувствительностью к нарушению естественного сложения, сопровож­дающегося резким падением проч­ности (от 4 -5 МПа до 0). Умень­шение прочности свойственно па­леогеновым и неогеновым отложе­ниям. Разработка полезных иско­паемых усложнена наличием водо­носных горизонтов, причем с ростом мощности отложений во впадинах увеличивается количество водонос­ных горизонтов (Припятская, Подлясско-Брестская и другие впадины).

Плейстоценовый покров повсе­местно распространен на террито­рии Беларуси, а его верхняя в ос­новном 10 - 20-метровая толща на­ходится в зоне активного воздей­ствия сооружений массовых видов строительства. Среди выделенных на этих глубинах 14 типов грун­товых толщ наименьший процент падает на песчаные и глинистые толщи, подстилаемые скальными (< 1 %). Ограниченное распростра­нение (< 1 %) имеют также песча­ные, переслаивающиеся с грубообломочными. Друйской, Суражской и Лучесской низинам. При активном дренирова­нии и замачивании ленточных глин в горных выработках возникают оползни, усложняющие эксплуата­цию карьеров.

К средней части Беларуси при­урочены основные массивы лессо­видных отложений - Новогрудская и Минская возвышенности, Оршанско-Могилевское плато. В испытан­ных 82 образцах при дополнитель­ном давлении 0,2 - 0,3 МПа просадочными оказались 16 образцов. С глубиной степень просадочности уменьшается, что связано с особен­ностями гипергенной перестройки верхней части. Наиболее просадочными оказались образцы пород, взя­тых на Новогрудской возвышенно­сти и Оршанско-Могилевском плато (0,014 - 0,047) .

Со сложными инженерно-геоло­гическими условиями приходится сталкиваться в пределах вторых надпойменных террас и древних ложбин стока юга Беларуси. Выяв­ленные закономерности в строении грунтовых толщ показали, что ниж­няя часть разрезов на глубинах 10 - 15 м сложена супесями и суг­линками с низкими показателями несущих свойств. Это в значитель­ной степени усложняет строительст­во крупных мостовых переходов.

Аллювиальные грунтовые толщи распространены в Белорусском По­лесье, где они слагают поймы и об­ширные надпойменные террасы рек Днепра, Припяти и др. Значительно меньшую ширину они имеют в до­линах Немана, Западной Двины и других рек в средней и северной частях Республики Беларусь.

По степени водонасыщения грун­тов территория делится на три обособленные зоны. В пределах этих зон состояние грунтов в разрезе толщи, обусловленное фазовым со­стоянием воды, однотипно и регио­нально выдержано.

Первая - это зона преимущест­венного распространения сильно увлажненных и увлажненных грунто­вых толщ. К ней относят Белорус­ское Полесье и Центрально-Березинскую равнину.

Вторая - зона преимущественно слабоувлажненных толщ - приуро­чена к Белорусской гряде и Оршанско-Могилевскому плато.

Третья - зона преимущественно увлажненных грунтовых толщ - ох­ватывает Белорусское Поозерье. Та­ким образом, для территории Беларуси характерны специфические особенности распространения раз­личных по составу дисперсных грунтов, слагающих повсеместно весь разрез толщи. При этом наблю­дается закономерное изменение со­става, строения и состояния грунтов при переходе от северных районов к южным, что определяет изменение водно-физических и физико-меха­нических свойств пород. В целом можно выделить две характерные зоны по содержанию обломочных фракций - северную с валуносо-держащими фракциями и южную, сложенную преимущественно песчано-глинистыми отложениями. Гра­ница между этими зонами прибли­женно проходит вдоль глубоких ре­гиональных разломов на севере Подлясско-Брестской и Припятской впа­дин. Кроме того, этим зонам прису­щи свои особенности распростране­ния грунтовых толщ, различных групп, свойства которых изменяют­ся в субширотном направлении.