3.2. Региональные инженерно-геологические закономерности

Инженерно-геологические закономерности целесообразнее всего рассматривать как производные законов, о которых шла речь во втором разделе. Напомним, что к ним отнесены: эволюционный, структурно-пространственный, пространственно-временной, физический, химический и экологический. Остановимся на закономерностях, которые вытекают из этих законов.

Эволюционная закономерность. Современная инженерно-геологическая обстановка в значительной степени есть продукт эволюции геологической среды прошедших эпох, особенно в четвертичный период. Это влияние может прослеживаться в разных направлениях: изучение условий аква- и седиментогенеза, формирование фаций и формаций, литификации и метаморфизма пород, вулканизма и криогенеза, рельефо- и ландшафтообразования. Каждое из указанных явлений вносит свою лепту в создание современных условий. Существуют разные виды палеоанализа (геологического, географического, гидрогеологического, криологического, вулканического, геохимического и др.). Создание палеореконструкций для разных видов явлений и этапов эволюции геологической среды позволяет оценить роль каждого из них. Нередко возникает другая задача: получить интегральную характеристику влияния палеопроцесса, чтобы различить роль прошлых и современных воздействий на геологическую среду. Для решения этой задачи, наряду с палеоанализом, важное значение приобретает изучение состава, свойств и состояния пород инженерно-геологических комплексов и оценка геодинамических условий местности.

Для пояснения сказанного рассмотрим два примера. Первый касается процессов рельефообразования на Русской плите. Для этой территории в мезозое и кайнозое выделяется три основных цикла рельефообразования.

1. Этап всеобщего подъема Русской равнины, начавшийся в конце мезозоя и продолжавшийся до предакчагыльской стадии миоцена, когда начался региональный врез речной сети.

2. Этап колебательных движений земной коры, который привел к образованию наложенных депрессий и погребенных долин; он начался с конца плиоцена и продолжался в четвертичное время; цоколь четвертичных отложений, образовавшийся в это время, оказался ниже современного уровня моря.

3. Этап позднеплейстоценовых-голоценовых поднятий (после завершения ледникового периода); это поднятие наблюдалось на всей территории Русской плиты, даже в наиболее низких ее частях – Печорской и Каспийской впадинах. Подъем земной поверхности в позднем плейстоцене и голоцене привел к обнажению коренных пород в долинах рек, а в некоторых местах и на водоразделах к усилению карстообразовательных процессов, увеличению мощности зоны аэрации, формированию заболоченных массивов на плоских водоразделах в условиях гумидного климата и образованию соленых почв, пород и вод в условиях аридного климата, усилению оползневых процессов в долинах крупных рек, подвергнувшихся глубокой эрозии. Добавим к сказанному, что общий подъем рельефа в позднем плейстоцене-голоцене достиг на Русской равнине 500 м и более.

Второй пример посвящен оценке роли четвертичного оледенения в Северном полушарии. Не вдаваясь в подробности о происхождении и особенностях проявления ледникового периода, отметим общеизвестные факты: 1) установлены четыре фазы оледенения с резко отрицательными температурами и высокой сухостью воздуха; в межледниковые фазы климат был теплый и влажный; 2) происходила интенсивная экзарация рельефа, формирование ледниковых, флювиогляциальных отложений и многолетнемерзлых пород. К главным последствиям охлаждения климата в ледниковый период следует отнести: образование мощной толщи многолетней мерзлоты, которая в нашей стране занимает около 60 % территории; деградацию многолетней мерзлоты в областях, ранее подвергавшихся оледенению; создание в верхней части разреза северных территорий постоянно действующей системы вода – порода – лед – газ – новообразования; создание на огромных территориях ледникового и послеледникового рельефа, который начал постепенно разрушаться в позднем плейстоцене – голоцене.

Таким образом, необходимо отметить ведущую роль криогенных процессов в слоях сезонной и многолетней мерзлоты, способствующих изменению состава, состояния и свойств горных пород в зоне гипергенеза. Эволюцию криогенеза пород следует рассматривать применительно как к пресноводному гидрогеохимическому разрезу, так и к разрезу, в котором распространены соленые воды и рассолы (где формируются криопеги – переохлажденные соленые воды). В первом случае наблюдаются только фазовые переходы воды, во втором – наряду с фазовыми переходами при замерзании криопег происходит кристаллизация солей.

Не следует забывать о побочных эффектах криогенеза. Так, например, образующиеся при промерзании разреза сильно минерализованные криопеги обладают высокой плотностью и могут опускаться на большие глубины. В Мархинской скважине (Якутия) они были отмечены на глубине более 1,5 км, что не является пределом. Следовательно, охлаждение разреза может идти не только кондуктивным, но и конвективным путем. Изучение взаимодействия переохлажденных рассолов и льдистых пород имеет решающее значение при выборе способов закачки дренажных рассолов для осушении карьеров алмазоносных месторождений Якутии (Трубка, Мир, Удачное и др.).

Другой пример побочного эффекта оледенения. Теплый и влажный климат в межледниковых циклах способствовал образованию обильных атмосферных осадков, которые обеспечивали водное питание водоносных горизонтов за пределами ледникового покрова. Зона пресных вод такого происхождения установлена в Северо-Сахарском и Чу-Сарысуйском артезианских бассейнах, а линзы пресных вод – в песках пустыни Кара-Кум.

Структурно-пространственные закономерности. Они являются базой для обоснования инженерно-геологического районирования. В свою очередь, инженерно-геологическое районирование строится на основе структурно-тектонического строения литосферы. Как известно, орогенные области занимают 36 % территории суши, а равнинные (платформенные) – 64 %. Средиземноморский геосинклинальный пояс занимает широтное положение, а Тихоокеанский – меридиональное. Канадский, Балтийский, Анабарский щиты, Таймырская складчатая область также занимают широтное положение, а Апалачская, Уральская и другие складчатые системы – меридиональное. То же самое можно сказать о срединных океанических хребтах, которые занимают то меридиональное, то широтное положение. Если горно-складчатые системы представляют собой вытянутые структуры, то платформенные (равнинные) области – это крупные регионы изометрической формы. Такие особенности характерны для Восточно-Европейской, Сибирской, Северо-Американской платформ, Западно-Сибирской плиты и других территорий. Сказанное верно и для основных океанических котловин.

Таким образом, условно можно говорить, что расположение геологических структур на нашей планете подчиняется широтной поясности и долготной секториальности. Наиболее часто для инженерно-геологического районирования используют структурно-тектонические схемы районирования нашей планеты, разработанные В.Е.Хаиным [26], Л.И.Красным и другими авторами.

Пространственно-временные закономерности. Восстановление пространственно-временных закономерностей связано с круговоротом вещества, воды и энергии в зоне гипергенеза. При определенной направленности действия эти процессы имеют обычно четко выраженный ритмичный или цикличный характер. Ритмичность и цикличность процессов объясняются суточными, сезонными, многолетними изменениями природных условий формирования геологической среды. Среди наиболее важных природообразующих факторов следует назвать: климатические, гидрологические, гидрогеологические, неотектонические, сейсмические, вулканические. Пространственно-временное их распределение имеет явно выраженный закономерный характер. Это хорошо видно, например, при рассмотрении теплового, радиационного, водного, химического баланса любой территории. Климатический цикл водообмена составляет при этом 7-10 дней, гидрологический – несколько месяцев, а гидрогеологический увеличивается до 2 лет и более. Под влиянием космических факторов (например, циклы солнечной активности, изменение скорости вращения Земли, приливно-отливные явления и др.) климатическое воздействие на геологическую среду может заметно изменяться. Неотектонические движения земной коры являются одним из главных рельефообразующих факторов. Ярусное и ступенчатое строение рельефа есть результат циклического воздействия выравнивания и расчленения поверхности Земли под влиянием неотектонических движений.

В сейсмически активных районах подземные толчки фиксируются практически непрерывно, но разрушительные или катастрофические их проявления бывают сравнительно редко. Для разных сейсмически активных районов можно установить циклы проявления опасных землетрясений – 10-30 лет и более. Поскольку причиной землетрясений являются не только внутриземные силы, но космические и техногенные факторы, «график» выполнения этих циклов часто нарушается.

Указание закономерности можно проследить также в циклах и движениях активных вулканов. «Часовой механизм» извержения имеет сложную природу, и хотя, в отличие от землетрясений, их активность предсказать легче, труднее определить, когда же закончится застойный период современных вулканов, который может длиться от 3-5 до нескольких сотен лет.

Анализируя влияние пространственно-временных закономерностей на инженерно-геологическую обстановку, следует отметить, что они способствуют проявлению высокой динамичности и значительной изменчивости ряда свойств показателей покровных отложений. К ним, в первую очередь, относятся влажность, пористость, водонасыщенность, фазовое состояние, температура и другие показатели. Эти закономерности во многом определяют направленность и интенсивность ряда процессов, таких как денудация, аккумуляция, эрозия, карстование пород, почвообразование, фазовые превращения, изменение температуры в деятельном слое, образование зоны аэрации и ее участие в самоочищении среды, колебание уровня грунтовых вод и многое другое.

Из сказанного можно сделать такое заключение: изучаемые закономерности обуславливают изменчивость инженерно-геологи­ческих показателей горных пород во времени и пространстве, что, в свою очередь, отражает взаимодействие геологической среды с другими оболочками Земли. Можно сказать и по-другому: пространственно-временные закономерности формируют режим поведения геологической среды, особенно в верхней ее части.

Физические закономерности. Организационность геологической среды, ее физические свойства находятся под значительным воздействием геодинамических процессов. Они в значительной степени определяют направленность изменения физико-механических свойств горных пород под влиянием седиментогенеза, литогенеза, метагенеза, контролируют распределение подземных вод в разрезе, а сами, в свою очередь, подчиняются проявлению различных физических полей Земли: гравитационному, магнитному, электрическому, тепловому, радиационному и др.

Активные фазы проявления геодинамических процессов могут иметь катастрофические последствия, как, например, при землетрясениях, оползнях, образовании грязекаменных потоков, наводнениях, ураганах, тайфунах, цунами и др. Нередко к таким же последствиям может привести и деятельность человека. Нарушение естественного геодинамического равновесия наблюдается везде, где поселяется человек. В результате его промышленной, сельскохозяйственной и другой деятельности образуется техногенный ландшафт, происходит засоление, подтопление и затопление территорий, возникают осадки и просадки сооружений, интенсифицируются оползни, суффозионные и карстовые процессы, наблюдается деградация и аградация многолетней мерзлоты и даже формируются зоны наведенных искусственных землетрясений.

Таким образом, геодинамические закономерности могут иметь разную природу, как естественную, так и техногенную, а сами процессы могут происходить в замедленном темпе или сопровождаться резкими катастрофическими нарушениями.

Геохимические закономерности. В природе непрерывно происходят химические преобразования вещества, причем процесс затрагивает все уровни организации материи, начиная от элемента, минерала, породы, системы пород и заканчивая геологической средой. Возникают новые и нарушаются старые геохимические связи, образуются и разрушаются минералы, породы, системы пород. Эти процессы обусловлены изменениями геохимической обстановки, направленности физико-химических процессов – окислительных, восстановительных, растворения, осаждения, сорбции, десорбции, катионного обмена, минерало- и породообразования. Они сдвигают в ту или иную сторону геохимическое равновесие в системе порода – вода – газ – живые организмы – инженерные сооружения.

Геохимические закономерности можно рассматривать на разных уровнях преобразования вещества. Например, для отдельных элементов можно рассматривать баланс, круговорот, трансформацию их соединений в пределах ограниченного пространства, например водосбора или элементарного геохимического ландшафта (по М.А.Глазовской) [3]. Можно сказать, что процессы минерало- и породообразования происходят в определенной геохимической обстановке и контролируются, прежде всего, так называемым геохимическим барьером (А.И.Перельман, 1989). Геохимические закономерности четко фиксируются на разных стадиях седиментогенеза, лито- и эпигенеза геологических систем.

Экологические закономерности. Они возникают в результате взаимодействия геологической среды и биосферы. Жизнь, как говорил В.И.Вернадский, стала мощной геологической силой, ее напор растет и последствия воздействия становятся все более разнообразными. Благодаря фотосинтезу возникла современная кислородная атмосфера. Живые организмы законсервировали солнечную энергию прошлых эпох в мощных толщах полезных ископаемых: нефти, угля, газа, фосфоритов, горючих сланцев. Они потребляют и перерабатывают огромные массы воды, воздуха и минеральных веществ. В природных и природно-технических системах: порода – вода – газ – живые организмы – инженерные сооружения, – жизнь поддерживается, прежде всего, с помощью микроорганизмов и корневой системы растений. Благодаря их деятельности возникает аэробная и анаэробная среда, создается определенная биохимическая обстановка, формируются специфические типы грунтов, среди которых часто встречаются разности с низкой несущей способностью, неблагоприятными плывунными, фильтрационными, тиксотропными и реологическими свойствами.

Человеческая деятельность может улучшать, а может и ухудшать состояние, свойства и состав горных пород. Не обсуждая в деталях роль техногенной деятельности человека, рассмотрим только один ее аспект – производимый ею региональный экологический эффект. Оптимальная численность населения нашей планеты, по расчетам экологов, должна составлять порядка 500 млн человек. В настоящее время этот оптимум превышен в 12 раз. Во многих густо населенных и промышленных регионах экологическая безопасность людей находится под угрозой, поскольку многие ресурсы, необходимые для их жизнеобеспечения, либо ухудшили свое качество, либо частично или полностью израсходованы. Речь идет об энергетических, воздушных, водных, лесных, земельных, почвенных ресурсах и полезных ископаемых. Если все страны мира захотят добиться такого же уровня потребления, как США, то для этого понадобится еще пять таких же планет, как наша. Обеспечение комфортности и благополучия проживания людей должно реализовываться за счет высоких технологий, в том числе и в инженерно-геологическом деле. При этом последствия других бед: войн, голода, болезни, засухи, наводнений, землетрясений, лесных пожаров, деградации почв, загрязнения окружающей среды, экологических катастроф и других стихийных катаклизмов, – должны быть минимизированы.

Реализация выделенных региональных экологических закономерностей может быть достигнута с помощью эколого-инженерно-геологического районирования территории нашей страны; такое районирование позволит установить для каждого региона степень экологической опасности происходящих там природных и техногенных процессов и дать прогноз возможных их последствий.

Теоретическая база региональных экологических исследований постоянно совершенствуется. Наиболее крупные достижения в этом отношении произошли в ХХ в.: от фундаментальных разработок В.И.Вернадского о биосфере (20-е годы), положении о техносфере А.Е.Ферсмана (начало 40-х годов), представлений А.В.Сидо­ренко о роли геологической составляющей окружающей среды и значении ее охраны (60-е годы), крупных исследований Е.М.Сергеева и его коллег о геологической среде и ее значении в жизни человека (70-е годы), развитии В.И.Осиповым представлений о геоэкологии – как междисциплинарной науке и ее возможностях (конец 80-х – начало 90-х годов) до разработки В.Т.Трофимовым и его коллегами теории и методологии экологической геологии, представлений об экологических функциях литосферы (90-е годы) [25]. Все это указывает на процесс интегрирования, комплексирования наук разного профиля, создание крупных научных междисциплинарных направлений. С этих позиций вполне очевидна важная роль РИГ в экологической геологии. С другой стороны, несомненно и то, что экологические исследования в РИГ становятся весомыми и разнообразными.