КОМПЛЕКСНЫЕ ГЕОЛОГО-ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В БЕРЕГОВОЙ ЗОНЕ КУРОРТНОГО РАЙОНА САНКТ-ПЕТЕРБУРГА

Заказчик: Санкт-Петербургское государственное геологическое унитарное предприятие «Специализированная фирма «Минерал»
Научный руководитель: Рябчук Д.В., зав.отделом, к.г.-м.н.
Ответственный исполнитель: Сергеев А.Ю., ст.н.с., к.г.-м.н.
Исполнители: Буданов Л.М., инж.; Григорьев А.Г., ст.н.с., к.г.-м. н.; Дерюгина Н.О., техн.; Дронь О.В., инж.; Жамойда В.А., вед. н.с., к.г.-м.н.; Ковалева О.А., инж.; Кропачев Ю.П., вед. инж.; Мануйлов С.Ф., зам.зав.отд.; Меньшенина И.В. вед.инж.; Неевин И.А., инж.; Нестерова Е.Н., ст.н.с.; Рябчук Д.В., зав.отделом, к.г.-м.н.; Спиридонов М.А. глав. н.с., д.г.-м.н. (ФГУП «ВСЕГЕИ им.А.П.Карпинского»); Сухачева Л.Л., вед. н.с., к.г.-м.н.; Останин Н.Б., инж. (НИИКАМ); Орлова М.И., вед. н.с, д. биол. н. (ЗИН РАН); Колесов А.М., главн. синоптик Санкт-Петербургского ЦГМС-р.

Целью работ были систематизация, обобщение и анализ архивных, фондовых и опубликованных материалов и получение массива актуальной геолого-геофизической информации о состоянии геологической среды береговой зоны Курортного района и развитии опасных геологических процессов, необходимой для составления Генеральной схемы берегозащиты и эскизного проекта системы берегозащиты Курортного района.

Проведенные исследования осуществлялись в соответствии с Государственным контрактом № 174-15 от 31.07.2015 г. на оказание услуг по созданию Генеральной схемы берегозащиты Курортного района Санкт-Петербурга.
Исследования в рамках проекта выполнялись по нескольким основным направлениям. Прежде всего, был выполнен сбор и анализ имеющейся информации о геологическом строении, характеру гидрометеорологических процессов, контролирующих интенсивность абразии берегов, экологическим характеристиками береговой зоны. В ходе экспедиционных работ, включавших геолого-геофизические исследования субаквальной и субаэральной части береговой зоны, а также береговые маршруты были детализированы особенности геологического строения береговой зоны, лито- и морфодинамических процессов, а также актуализированы данных о состоянии берегов и берегозащитных сооружений. На заключительном этапе выполнения работ весь объем полученных данных был проанализирован с целью разработки Генеральной схемы берегозащиты Курортного района.
Геологическое строение, тектонический режим и геоморфология береговой зоны создают предпосылки для активного развития экзогенных геологических процессов, и, прежде всего, абразии (размыва) берегов и подводного берегового склона.
На всей исследуемой площади покров современных песчаных осадков залегает непосредственно на поверхности ледниковых отложений (морены) осташковского горизонта. По степени устойчивости к абразии [Леонтьев и др., 1975] эти отложения относятся к IV (морена) и V классам (пески), характеризующим неустойчивые и активно подвергающиеся абразии породы. Мощность покрова песчаных отложений в приурезовой зоне составляет от нуля до 3-5 м на субширотном участке берега (от устья р. Приветная до пос. Солнечное) и достигает максимума (более 10 м) на участке песчаной аккумуляции между пос. Солнечное и г. Сестрорецком.
Анализ источников поступления осадочного материала указывает на их недостаточность для полноценного питания береговой зоны наносами, обеспечивающего естественную защиту берегов от абразии. Вследствие низменного рельефа побережья приток материала за счет склоновых процессы не играет в балансе наносов существенной роли. Наиболее крупными реками, впадающими в Финский залив в пределах Курортного района, являются р. Приветная и р. Черная (пос. Молодежное), твердый сток которых обеспечивает существование локальных зон аккумуляции в приустьевых участках. Твердый сток р. Сестры практически полностью аккумулируется Сестрорецким водохранилищем. Единственным примером значимого поступления материала за счет искусственной отсыпки пляжей было создание экспериментального пляжа в пос. Комарово в 1988 г.
Анализ имеющейся гидрометеорологической информации позволил сделать следующие выводы: Гидрометеорологические процессы контролируют экстремальные размывы берегов, которые наблюдаются при сочетании трех условий: подъем уровня воды, шторм западных – юго-западных румбов и отсутствие ледового покрова вдоль берегов (рис.1).
Основной тенденцией последних десятилетий было потепление (в том числе, что принципиально, в зимние месяцы). Это приводило к более позднему установлению ледяного покрова и, соответственно, более интенсивному воздействию на берега восточной части Финского залива сильных штормов, сопровождавшихся нагоном воды. Результатом явилась тенденция к увеличению частоты повторяемости сильных штормов. В рассматриваемый период экстремальные размывы берегов наблюдались в осенне-зимние сезоны 2006-2007, 2011-2012, 2013 и 2015 гг.

Рис. 1. Проявление опасных геологических процессов в береговой зоне Курортного р-она в результате шторма 2015 г.: А – разрушение берегозащитных сооружений в г.Сестрорецке; Б – вымывание песка с пляжа и разрушение объектов инфраструктуры в г. Зеленогорске; В – абразия голоценовой дюны и обрушение деревьев в пос. Репино

Основные результаты полевых работ
Выполнена актуальная оценка состояния геологической среды субаэральной части береговой зоны Курортного района. Составлены схемы литолого-геологического содержания, отражающие гранулометрический состав отложений, слагающих пляжевую ступень и приурезовую зону; установлены зоны развития валунного материала на берегу, задокументированы абразионные уступы в ледниковых отложениях с описанием обнажений доголоценовых образований. Прослежены морфометрические параметры пляжа, отражающие проявленные абразионно-аккумулятивные процессы. Также была выполнена оценка состояния объектов береговой инфраструктуры, наличие и состояние берегозащитных сооружений (рис. 2).

Рис. 2. Схемы состояния берега Курортного района по различным параметрам: наличие абразионного уступа, гранулометрического состава пляжа, состояния и наличия берегозащитных сооружений

Актуализирована карты четвертичных отложений, в том числе впервые для субаквальной части береговой зоны Курортного района. Изучена изменчивость геологического строения приповерхностного геологического разреза участка морского дна, примыкающего к Курортному району. Подтверждено преимущественное распространение под покровными донными осадками ледниковых и ледниково-озерных отложений неоплейстоцена. В разрезах выделены морены трех стадий оледенения: осташковского, московского и днепровского. Предположительно установлено, что часть выходящих на поверхность дна в прибрежных районах моренных отложений, относятся к более древним, чем осташковское, оледенениям (рис. 3). Изучено строение вдольбереговой подводной террасы. Мощность песчаных отложений, формирующих ее, варьирует от 10 м (район пос. Ушково) до 2-3 м (в районах размыва террасы, в т.ч. Репино).

Рис. 3. Профиль НСП, проложенный в районе пос.Репино: 1 - морские литориновые - постлиториновые отложения, пески; 2 - морские литориновые - постлиториновые отложения, алевропелиты (глинистые алевриты); 3 - отложения Балтийского ледникового озера, глины, тонкослоистые глины; 4 - ледниково-озерные отложения местных приледниковых озер, ленточные глины; 5 - ледниковые отложения, моренные суглинки, супеси осташковского (лужского) оледенения; 6 - ледниково-озерные отложения; 7 - ледниковые отложения (морена) предположительно московского стадиала

Проведенное гидрографическое обследование высокого разрешения подводной террасы указывает не только на однозначное существование на дне крупных эрозионных ложбин стока, но и на наличие локальных осей стока нагонных вод по площади дна всей террасы. Образованные врезы могут служить магистралями безвозвратного перемещения мелкообломочного материала из верхних частей подводного берегового склона вниз, к подножью террасы.
В результате обработки большого объема накопленной в 2006-2014 гг. информации и результатов полевых и лабораторных исследований 2015 г., была впервые составлена детальная литологическая карта донных отложений дна Финского залива, прилегающего к Курортному району Санкт-Петербурга (рис. 4). Наиболее важными результатами и выводами, полученными в ходе выполненных работ, является локализация зон интенсивного подводного размыва и недостатка осадочного материала, а также выявление механизмов переноса осадков из береговой зоны в глубоководные районы акватории.

Рис. 4. Уменьшенный пример карты четвертичных образований (слева) и литологическая карта (справа) берегового склона Курортного района масштаба 1:10 000

Выполнены эколого-геологические исследований донных отложений береговой зоны. В результате проведенных работ составлена эколого-геологическая схема, на которой выделяются площади, характеризующиеся повышенными концентрациями групп элементов – области накопления, площади пониженных концентраций и фоновые области. Установлено, что в пределах площади исследований происходит накопление таких элементов как Cu, Pb, Zn элементов преимущественно в алевропелитовых осадках. Техногенное загрязнение, очевидно, играет подчиненную роль, и более значимо в данном случае, природное обогащение донных осадков рядом химических элементов, концентрации которых могут соответствовать определенному уровню загрязнения. С использованием ГИС-анализа составлены схемы скоростей размыва участков дна Финского залива, прилегающих к Курортному району. Установлено, что максимальные скорости размыва достигают от 4 до 15 (точечно до 21) см/год.
Анализ результатов многолетних натурных исследований и МДЗ позволил установить скорости трансформации берега за многолетний период. На западной части береговой зоны Курортного района от м. Песчаный до м. Лаутаранта наблюдается отступание склона уступа со скоростью от 0.1 до 0.2 м/год. При этом наблюдается аккумуляция песчаного материала на пляже, что приводит к увеличению ширины пляжа до 0.8 м/ год. На участке, расположенным к северу от м. Лаутаранта выделяются локальные участки аккумуляции с образованием песчаных кос, увеличение ширины пляжа здесь может достигать 3 м/год. На участке береговой зоны пос. Серово до пос. Ушково происходит разгрузка потока наносов, материал начинает выноситься за пределы береговой зоны. По данным дистанционного зондирования и инструментальных измерений отмечается увеличение ширины пляжа, а прирост берегового склона достигает 0.1 м/год. Участок береговой зоны в районе г. Зеленогорск характеризуется существенными трансформациями за прошедшие сто лет. По результатам наблюдений последних лет отмечается значительное сокращение ширины пляжа со скоростью до 0.6 м/год, однако, сравнение результатов нивелировки профилей, выполняемое ежегодно на установленных профилях говорит о смещении линии уреза в сторону суши на 10 м за период 2014-2015 гг. При этом, уступ не подвергается абразионному воздействию. На участке береговой зоны от г. Зеленоградска до пос. Репино современные измерения трансформации береговой зоны в период 2004-2015 гг. фиксируют смещение уступа в сторону суши со средней скоростью до 0.3 м/год, сопровождающееся нарастанием пляжа со скоростью до 0.1 м/год. Участок берега от пос. Репино до пос. Солнечное характеризуется наличием большого количества берегозащитных сооружений, находящихся в аварийном состоянии. Эти сооружения не только не предотвращают развитие абразионных процессов, а наоборот приводят к их активизации. Таким образом, на этом участке отмечается отступание склона уступа со скоростью до 0.1 м/год. Южная часть пляжей пос. Солнечное и г. Сестрорецк также характеризуются отсутствием абразионных процессов. Установленные скорости смещения положения уступа и береговой линии говорят о нарастании склона уступа со скоростью от 0.3 до 0.5 м/год. Береговая зона в районе м. Дубовской характеризуется наиболее активными процессами абразии. Анализ проявления абразионных процессов на береговой зоне м. Дубовской по данным дистанционного зондирования в период 2004-2014 гг. говорит о значительном разрушении и отступании уступа со скоростями от 0.3 до 1 м/год, при этом наблюдается аккумуляция материала на данном участке и увеличение ширины пляжа до 0.6 м/год. Следуемый за м. Дубовской участок береговой зоны является низменным, процессы абразии сменяются аккумуляцией. Однако, скорости размыва выступающих участков берега достигают 0.6 м/год, что обуславливает аварийность берега. В целом, средние скорости абразии в Курортном районе составляют около 0,5 м/год, максимальные до 1,1 м/год. В то же время при экстремальных штормах скорость отступания абразионного уступа может достигать 5 м за шторм, что составляет 10 м/год.
На Заключительном этапе работ был выполнен комплексный анализ полученной информации, составлен отчет и картографические приложения, а также эскизный проект Генеральной схемы берегозащиты: 1. Осуществлен анализ мирового опыта берегозащиты. 2. Выделены аварийные участки в пределах берегов Курортного района. 3. Осуществлена оценка состояния существующих берегозащитных сооружений и их воздействия на береговую зону.
По результатам выполненных работ было выполнено ранжирование берегов Курортного района и выделены 15 аварийных участков берега. Для девяти из выделенных участков рекомендуется начать незамедлительное осуществление реализации берегозащитных мероприятий.

Рекомендации по внедрению и использованию, включая инновационные предложения
В качестве основного метода берегозащиты на основном протяжении Курортного района выбраны искусственные песчаные пляжи в комплексе с пляжеудерживающими сооружениями. В качестве берегозащитных сооружений могут быть использованы различные конструктивные варианты бун (в том числе, проницаемых, Т-образных и т.д.), подводных волноломов, искусственных рифов и т.д. Учитывая литодинамику побережья при создании искусственных пляжей необходимо предусмотреть регулярное пополнение их пляжеобразующим материалом (в объеме не менее 15% ежегодно). Для аварийных участков берега, расположенных на мысах (например, мыс Дубовской), целесообразна разработка проектов «жесткой» берегозащиты (защитные откосные бермы, волноломы и т.д.).
Выполнены предварительные расчеты параметров искусственных пляжей. Показано, что для строительства пляжей наиболее целесообразно применение среднезернистого песка крупностью 0.30 мм для Комарово, 0.25 мм для Репино и 0.35 мм для Солнечного. Соответствующие объемы отсыпки 210, 110 и 65 м3 на метр длины берега, а ширина надводной части пляжей – 82, 102 и 69 м. При использовании более крупного материала ширина пляжа уменьшается, но длина бермы увеличивается, что ведет к росту объема отсыпки и увеличению затрат. На основе оценок вдольберегового транспорта наносов сделаны выводы о тенденциях изменений пляжей в период их эксплуатации. Установлено, что на участках Комарово и Репино максимальные потери материала пляжа могут составить от 0.5 до 1.5 тыс. м3 в год, и для их компенсации потребуются периодические подсыпки песка. На участке Солнечное размыва пляжа не ожидается, однако возможен низовой размыв берега за пределами пляжа.