Значение

Формация – (formatio – образование) – это естественный комплекс парагенетически связанных друг с другом горных пород, которые характеризуются единством условий образования, пространственного распространения, возраста и формированием в определенную тектоническую эпоху. Признаков, по которым могут быть выделены геологические формации, очень много: генезис, вещественный состав, географическая обстановка, степень метаморфизма, условия образования и т.д. По названию формаций можно судить об особенностях и условиях их образования, например: флиш, молассы, эвапориты, угленосные, ледниковые и другие формации.

Учение о формациях создано геологами с целью понять закономерности развития земной коры, а в связи с этим – закономерности распределения в ней полезных ископаемых. Исходной позицией при этом абсолютное большинство ученых считает тектонический режим, так как он в значительной степени обусловливает характер исходного материала, длительность его переноса и характер окаменения, а также особенности строения и мощность осадочных толщ. В соответствии с тектоническим режимом формируются определенные комплексы пород – формации.

Основоположником применения учения о формациях в инженерной геологии является И.В. Попов. Он считает, что одной из важных проблем современной инженерной геологии является проблема связи характера пород, обладающих определенными физико-механическими свойствами, с закономерностями их распространения в земной коре. Связь эта обусловливается ходом истории развития земной коры и Земли в целом. Наиболее полно и разносторонне эта проблема разработана в учении о формациях. В этом учении рассматривается связь осадкообразования с геотектонической жизнью земной коры и климатическими условиями (палеогеография).

Наиболее крупными учеными, разработавшими учение о формациях, в нашей стране являются Н.С. Шатский, В.В. Белоусов, В.Е. Хаин, Л.Б. Рухин, Н.М. Страхов и др. Большинство исследователей под формациями понимают вполне определенные фациально-тектонические комплексы пород, выделенные по совокупности литологических, геотектонических и палеоклиматических признаков.

Н.С. Шатский дал такое определение формации: «формациями мы называем такие естественно выделяемые комплексы пород, отдельные члены (слои, толщи, фации и т.д.) которых тесно парагенетически связаны друг с другом как в вертикальном, возрастном отношении, так и в горизонтальном пространственном отношении».

Формация, прежде всего понятие тектоническое или общегеологическое, так как формации прежде всего связаны с определенными тектоническими формами». Позже Н.С. Шатский развил это определение: «Характер формаций определяется несколькими факторами, главнейшими из которых являются тектонические процессы и движения, выраженные в рельефе и вулканизме, и следовательно, в мощности слоистых образований, в их составе, структуре, текстуре и т.д. Вторым фактором надо считать климат. Косвенным образом, также связанным с тектоникой и являющийся одним из главнейшим условий образования различных типов формаций; наконец, свойства формаций определяются также возрастом, временем их образования, что связано с общим развитием земной коры.

В.В. Белоусов под осадочными формациями понимает «комплекс осадочных толщ, соответствующих определенной стадии геотектонического цикла», подчеркивая, что «каждая осадочная формация отвечает определенной стадии геотектонического цикла в определенной тектонической зоне». В геосинклинальных областях он различает четыре группы формаций: а) доинверсионную, к которой относятся нижняя терригенная и известняковая; б) краевых прогибов, включая флишевую и каустобиолитовую формации; в) межгорных и передовых прогибов, содержащую лагунную и молассовую формации и г) внутренних впадин.

Н.М. Страхов осадочными формациями называет «ландшафтно-тектонические сообщества пород». В отличие от взглядов Н.С. Шатского и В.В. Белоусова этот ученый считает, что решающее значение в формировании формаций имеет палеогеографическая обстановка, которая определяет тип осадочного процесса. Н.М. Страхов указывает: «два условия необходимы и вместе достаточны для возникновения формаций: 1) длительное сохранение на более или менее значительном участке земной коры однотипного в плане тектонического режима и 2) длительное поддержание в областях седиментации однотипных ландшафтно-климатических условий».

Л.Б. Рухин в своих работах подчеркивает роль тектонического режима осадочного преобразования. Он впервые описал основные формации платформенных, геосинклинальных и переходных областей. В работе «Тектонические типы осадочных пород» Л.Б. Рухин отмечал, что роль тектонического режима обусловливает:

1) характер исходного материала;

2) длительность его переноса и переотложения до окончательного захоронения;

3) характер окаменения. Кроме того, тектонический режим оказывает свое влияние на характер строения и на мощность тектонических тощ. Вторым классификационным признаком, по мнению Л.Б. Рухина, должен быть климат.

Таким образом, под формациями большинство исследователей понимают вполне определенные фациально-тектонические комплексы отложений, выделенные по совокупности литологических, геотектонических и палеогеографических признаков.

Развитие учения о формациях в инженерной геологии должно идти по пути реально существующих естественно-обособляющихся комплексов пород, познания их внутренней структуры и инженерно-геологического своеобразия. При изучении и выделении формаций для инженерно-геологических целей очень важно иметь не только первичный их состав, но более важно знать изменения, которые претерпели формациеобразующие породы в последующие этапы геологического развития, т.е. современный петрографический характер (состав, структура, текстура). Для последовательного изучения свойств пород разработано множество инженерно-геологических классификаций.

Для инженерно-геологических целей И.В.Попов создал региональную классификацию горных пород, в основу которой положены общие представления Н.С. Шатского о трех группах литолого-мине-ральных образований: формация–литолого-генетический комплекс– горная порода. В классификации И.В. Попова формация делится на составные части: формация–геолого–генетический комплекс–петрогра-фический или литологический тип–инженерно-геологический или стро-ительный вид–инженерно-геологическая или строительная разновидность–инженерно-геологические группы. Эта классификация свидетельствует о возможности сохранения формационного принципа на разных стадиях инженерно-геологического изучения территории.

При классификации формаций ученые исходят из того, что формации образуют определенные ряды, парагенетически связанные между собой и отражающие развитие наиболее крупных структур. Поэтому целесообразно разделить формации на 3 класса: геосинклинальные, платформенные и переходные (орогенные). Такое деление предложено, в частности, Н.П. Херасковым.

Используя накопленный, в настоящее время опыт, Г.А. Голодковская разработала схему классификации формаций для инженерно-геологических целей (табл. 6), а также отметила наиболее важные особенности основных классов формаций, учитываемые при их инженерно-геологической оценке (табл. 7). При этом автор руководствовался тем, что формация – это крупные палеофациальные комплексы пород, состоящие из генетических типов, отражающих конкретные процессы и условия их образования, а следовательно, их инженерно-геологические свойства.

В качестве основной, наиболее крупной единицы, в соответствии с классификацией Н.П. Хераскова, принят класс (табл. 6, 7).

Для платформенных формаций характерно спокойное залегание, закономерное изменение инженерно-геологических свойств осадочных пород с глубиной и от прибрежных зон к глубоководным.

Геосинклинальные формации накапливаются в условиях общего интенсивного погружения, поэтому имеют громадные мощности, главным образом, морской генезис, породы интенсивно дислоцированы и имеют прочность значительно выше пород, сформировавшихся в платформенных условиях.

Орогенные формации образуются в результате горообразовательных процессов. По строению и составу они являются переходными от геосинклинальных формаций к платформенным.

В зависимости от интенсивности тектонических движений они могут приобретать черты сходства то с геосинклинальными, то с платформенными признаками. Главная характерная черта орогенных толщ – чрезвычайная их неоднородность, являющаяся результатом горообразовательных процессов на этой, завершающей стадии геотектонического цикла.

Внутри каждого класса Г.А. Голодковская выделяет группы формаций в соответствии с основными генетическими группами пород (осадочные, магматические, метаморфические). Каждая группа подразделяется на литологические типы. Например, для группы осадочных формаций платформы: терригенные, терригенно-карбонатные, карбонатные.

Таблица 6

Схема инженерно-геологической классификации формаций

(по Г.А. Голодковской)

Классы формаций (выделяются по характеру тектонического режима формирования)	Группы формаций (выделяются внутри каждого класса в соответствии с основными генетическими группами пород)	Литологические типы формаций (выделяются внутри групп)	Инженерно-геологические виды формации (выделяются внутри типов по степени литификации)
Платформенные	Осадочные	Терригенные	Слабо литифицированные
Терригенно-карбонатные	Средне литифицированные
Карбонатные	Сильно литифицированные
Магматические	Базальтовые
Геосинклинальные	Осадочные	Терригенные Терригенно-карбонатные Флишевые (глубоководные)	Сильнолитифицированные Слабо метаморфизованные
Магматические	Спилито-кератофировые (туфогенные) Порфиритовые Гранитовые Габбро-диоритовые Гипербазитовые
Метаморфические	Глинисто-сланцевые Зелено-сланцевые Зеленокаменные	Слабометаморфизованные Среднеметаморфизованные
Эффузивные Графито-мраморные Гнейсо-кварцитовые	Сильно метаморфизованные
Орогенные (переходные)	Осадочные	Молассовые Угленосные Сульфато-доломитовые Соленосные Покровно-ледниковые Лессовые	Слабо литифицированные
Магматические	Андезито-базальтовые Колассоидно-порфиритовые Липарит-дацитовые

Таблица 7

Главнейшие особенности основных классов формаций, учитываемые при их инженерно-геологической оценке

Платформенные	Геосинклинальные	Орогенные
Преобладают комплексы открытого мелкого моря	Преобладают комплексы морского, часто глубоководного генезиса	Преобладают континентальные толщи
Небольшие мощности, порядка первых сотен метров	Большие мощности, порядка сотен и тысяч метров.	Весьма изменчивая мощность от первых десятков до тысяч метров
Почти горизонтальное залегание; зоны нарушений редкие, локальные	Сложная дислоцированность	Особенно велико влияние климата на формирование осадочных толщ; присутствие минералов с особыми свойствами (гипсов, окислов Fe и органические вещества)
Преобладание в разрезе 2–3 типов пород. Выдержанность слоев пачек на больших площадях.	Типичные толщи сложного состава. Характерны ритмичность, флиш, парагенезы осадочных пород с эттузивными; быстрая изменчивость состава и мощность пород по латерали	Блоковый характер дислокаций, весьма неравномерных
Хорошая сортировка терригенного материала; пески преимущественно кварцевые; глины гидрослюдистые и каолинитовые; характерны глауконитовые-кварцевые и кремнисто-опоковые комплексы	Слабая сортировка терригенного материала. Часто аркозовые и гроувакковые породы, глины пестрого минералогического состава	Чрезвычайная неоднородность строения и состава. Типичны молассы и молассоидные формации. Характерно преобладание песчаных, грубообломочных и лессовых пород
Изверженные породы отсутствуют или имеют специфический характер (трапповая формация).	Широкое распространение вулканогенных формаций разнообразного состава. Многообразие интрузивных формаций.	Вулканогенные комплексы наземных излияний; часто образуют самостоятельные формации.
Отсутствие метаморфизованности. Эпигенетическая изменчивость в верхних горизонтах слабая и средняя.	Региональное проявление метаморфизма различной степени.	Региональное проявление метаморфизма отсутствует, контактовый метаморфизм встречается.
Выдержанность свойств пород на больших площадях и закономерное изменение их по глубине	Наибольшая изменчивость свойств вкрест простирания структур	Большая изменчивость свойств в связи со сложностью тектонического плана орогенеза (создающие горы тектонического движения)
Прочность ниже, а сжимаемость выше, чем у аналогичных одновозрастных формаций геосинклинальных областей	Повышенная прочность и практически несжимаемость по сравнению с платформенными формациями	Весьма изменчива прочность. Часто встречаются прослои, пачки с неудовлетворительными инженерно-геологическими свойствами

Литологические типы подразделяются на инженерно-геологи-ческие виды по степени литификации и метаморфизма.

Эта классификация пока еще несовершенна, но и в таком виде она отражает зависимость между прочностными показателями свойств пород и основными этапами их геологической истории. Эта зависимость обусловлена тем, что прочность пород, слагающих формации, определяется структурно-тектоническими особенностями региона. Но при этом немаловажную роль играет также возраст пород, который должен обязательно учитываться при дальнейшем разделении пород того или иного региона.

В зависимости от структурно-тектонических особенностей региона и от возраста, формации, принадлежности одному типу, могут коренным образом различаться по своим инженерно-геологическим свойствам. Например, на Сибирской платформе широко распространены однотипные осадочные формации, породы которых имеют совершенно различные свойства в зависимости от возраста. Так красноцветные формации девона представлены крепкими песчаниками и алевролитами, плотность которых составляет 2,1–2,5 г/см³ при пористости 6–8%, а прочность превышает 500–600 кг/см².

Плотные глины и слабосцементированные песчаники верхнего мела, принадлежащие к красноцветной формации, имеют прочность 40-60 кг/см² при пористости до 20%.

Другим примером является мезозойская угленосная формация. Она широко распространена в Канской впадине Сибирской платформы, Назаровской впадине Минусинского прогиба и в Чулымо-Енисейском районе Западно-Сибирской плиты. Строение, состав и состояние пород мезозойской угленосной формации сходно во всех перечисленных структурах. Это можно объяснить тем, что на территории Сибирской платформы и Алтае-Саянской области начиная с середины палеозоя установился преимущественно орогенный режим, условия литификации пород оказались сходными.

Примеры показывают, что отнесение геологических формаций к определенному структурному этажу (возрасту) позволяет наиболее полно вскрыть закономерности формирования инженерно-геологических особенностей отдельны комплексов пород в пределах той или иной тектонической зоны. Примеры показывают также, что наряду с общими классификациями в инженерной геологии должны разрабатываться региональные классификации формаций, опирающиеся на региональные инженерно-геологические классификации горных пород. Изучение и анализ формаций в инженерной геологии позволяет наиболее полно вскрыть закономерности распределения в земной коре комплексов пород с определенными инженерно-геологическими свойствами.

В соответствии с использованием принципа учения о формациях, институтом ВСЕГИНГЕО разработаны методические указания по составлению инженерно-геологических карт под редакцией М.В. Чури-нова и составлена инженерно-геологическая карта Западно-Сибирской плиты масштаба 1:1500000.

На инженерно-геологической карте особо выделяются формации четвертичных отложений. При выделении формаций четвертичных отложений ведущую роль приобретают ландшафтно-географические условия формирования пород, новейшая тектоника, геоморфология, климат и оледенения. Следовательно: формации четвертичных отложений – это осадконахождение фациально связанных генетических типов и слагающих их геолого-генетических комплексов горных пород, которые характеризуются общими ландшафтно-географическими условиями формирования, тесно связанными с новейшими тектоническими движениями, климатом, оледенениями. Состав формаций также определяется тем, сформированным на платформе сглаженным рельефом или в горноскладчатых орогенных областях в условиях резкого разновысокого рельефа. Формации четвертичных отложений отражают физико-геогра-фические условия (обстановку) формирования территории.

Все вышеотмеченное позволяет установить состав, состояние и свойства пород, слагающих генетические типы, а также физико-геоло-гические процессы, возможные водоносные горизонты, т.е. те основные факторы, которые дают представление о возможных особенностях инженерно-геологических условий, с которыми придется встретиться при строительстве.

На инженерно-геологической карте СССР дано все разнообразие формаций четвертичных отложений, краткое описание которых приводится ниже.

Формации морских бореальных (северных) трансгрессий – представлены генетическими типами морских и ледниковых отложений. Состав: глины, пески, галечники; реже валуны.

В пределах развития формации развиты современные геологические процессы: заболачивание, термокарст, наледи, пучение, абразия, оползни. Подземные воды пресные и ультрапресные залегают вблизи от дневной поверхности до глубины 10 м, обладают местными напорами.

Формации морских трансгрессий Арало-Каспия (внутреннего моря). Они представлены следующими генетическими типами: морским и аллювиально-морским. Их состав: пески, глины, галечники-конгло-мераты, песчаники, известняки.

Для этих комплексов пород характерны физико-геологические процессы: абразия, образование береговых валов из галечников, карст в карбонатных породах, оползни, засоление, развевание и движение песков.

Подземные воды минерализованные с местным напором, обладают сульфатной агрессивностью. Глубина залегания – до 10 м.

Ледниковые формации (материкового оледенения). Генетические типы отложений – моренный, флювиогляциальный, озерно-гляци-альный. В пределах этой формации развиты: заболачивание, оползни, солифлюкция. Подземные воды залегают на глубинах до 10 м, имеют местный напор, неагрессивные, пресные.

Формация внеледниковая распространена за пределами границ материкового оледенения. Слагают эту формацию геолого-генетические комплексы: аллювиально-делювиальный, делювиальный, озерно-делю-виальный, реже субаэральный, эоловый и пр. Эти комплексы состоят из песков, галечников, глин, лессовидных суглинков, торфов. Здесь развиты физико-геологические процессы: оползни, заболачивание, просадки, оврагообразование, пучение, наледи, термокарст. Подземные воды здесь могут быть пресные и минерализованные, залегают на разных глубинах, чаще до 10 м.

Формации полупустынь и пустынь (Средняя Азия).

Представлены эоловыми, озерно-аллювиальными генетическими типами. Эти типы слагаются породами: пески, суглинки, глины, щебень, галька. Физико-геологические процессы, развитые в пределах этой формации: развевание, выдувание, движение песков, засоление, образование такыров, выветривание и т.д. Подземные воды залегают на глубине от 0 до 10 м и ниже, преобладает сульфатная агрессивность.

Формация мелкосопочника (Казахстан).

Составлена генетическими типами аллювиально-делювиальных и аллювиально-пролювиальных отложений (глины, суглинки, щебень, песок). Физико-геологические явления: выветривание с образованием гли-нистой и обломочной коры. Подземные воды из-за пересеченности местности залегают на глубинах свыше 10 м, имеют сульфатную агрессивность.