Воздействия на горные породы и их массивы

Горные породы

В процессе инженерно-хозяйственной деятельности чело­века горные породы, слагающие верхнюю часть земной коры в той или иной степени, претерпевают сжатие, растяжение, сдви­жение, водонасыщение, осушение, вибрации и другие воздей­ствия.

Изменения, происходящие в породах при различных воз­действиях, детально изучают. Это необходимо для прогноза возможного развития опасных геологических процессов, нега­тивно влияющих на экологическую обстановку.

К числу основных антропогенных воздействий на породы относятся: статические и динамические нагрузки, тепловое воз­действие, электрические воздействия и др.

Статические нагрузки. Это наиболее распространенный вид антропогенного воздействия на горные породы. Под действи­ем статических нагрузок от зданий и сооружений, достигаю­щих 2 МПа и более, образуется зона активного изменения гор­ных пород, достигающая глубин 70—100 м. При этом наиболь­шие изменения наблюдаются: 1) в вечномерзлых льдистых по­родах, на участках залегания которых часто наблюдаются от­таивание, пучение и другие процессы; 2) в сильносжимаемых породах, например, заторфованных, илистых и др.

Динамические нагрузки. Вибрации, удары, толчки и другие динамические нагрузки типичны при работе транспорта, удар­ных и вибрационных строительных машин, заводских меха­низмов и т. д. Наиболее чувствительны к сотрясению рыхлые недоуплотненные породы (пески, водонасыщенные лессы, торф и др). Прочность этих пород заметно снижается, они уплотня­ются (равномерно или неравномерно), структурные связи на­рушаются, возможно внезапное разжижение и образование оползней, отвалов, плывущих выбросов и других неблагопри­ятных процессов.

Другим видом динамических нагрузок являются взрывы, дей­ствие которых сходно с сейсмическими воздействиями. Горные породы разрушают взрывным способом при строительстве авто­мобильных и железных дорог, гидротехнических плотин, добы­че полезных ископаемых и т. д. Очень часто взрывы сопровож­даются нарушением природного равновесия — возникают ополз­ни, обвалы, осовы и т. п. Так, по данным А. А. Махорина (1985), в результате взрыва многотонного заряда в одном из районов Кыргызстана при строительстве каменно-набросной плотины, на склонах образовалась зона нарушенных пород с трещинами от 0,2 до 1 м в ширину и до 200 м в длину. По ним произошли смещения горных пород объемом до 30 тыс. м3.

Тепловое воздействие. Повышение температуры горных пород наблюдается при подземной газификации углей, в основании доменных и мартеновских печей и др. В ряде случаев температура пород повышается до 40—50 °С, а иногда и до 100 °Си более (в основании доменных печей). В зоне подзем­ной газификации углей при температуре 1000—1600 °С поро­ды спекаются, «каменеют», теряют свои первоначальные свой­ства.

Как и другие виды воздействия, тепловой антропогенный поток влияет не только на состояние горных пород, но и на другие компоненты окружающей природной среды. Изменя­ются почвы, подземные воды, растительность.

Электрическое воздействие. Создаваемое в горных поро­дах искусственное электрическое поле (электрифицированный транспорт, ЛЭП и др.) порождает блуждающие токи и поля. Наиболее заметно они проявляются на городских территориях, где имеется наибольшая плотность источников электроэнергии. При этом изменяются электропроводность, электросопротив­ляемость и другие электрические свойства пород.

Динамическое, тепловое и электрическое воздействие на горные породы создают физическое загрязнение окружающей природной среды.

Массивы горных пород

Массивы горных пород и, в первую очередь, их поверхно­стные толщи, в ходе инженерно-хозяйственного освоения под­вергаются мощному антропогенному воздействию. При этом развиваются такие опасные ущербообразующие процессы, как оползни, карст, подтопление, просадочные процессы и др. Осо­бенно легко подвержены опасным процессам массивы вечно-мерзлых пород, так как они весьма чувствительны к теплово­му антропогенному воздействию.

Оползни. Оползни представляют собой скольжение гор­ных пород вниз по склону под действием собственного веса грунта и нагрузки — фильтрационной, сейсмической или виб­рационной. Для оползней характерно отсутствие вращения и опрокидывания смещающихся масс. Оползни — явление час­тое на склонах долин рек, оврагов, берегов морей, искусствен­ных выемок. Большой ущерб природной среде ежегодно приносят оползневые процессы на берегах Черноморского побере­жья Кавказа, Крыма, в долинах Волги, Днепра, Дона и многих других рек и горных районов.

Оползни нарушают устойчивость массивов горных пород, негативно влияют на многие другие компоненты окружающей природной среды (нарушение поверхностного стока, истоще­ние ресурсов подземных вод при их вскрытии, образование за-болоченностей, нарушение почвенного покрова, гибель деревьев и т. д.). Известно немало примеров оползневых явлений ката­строфического характера, приводящих к значительным чело­веческим жертвам.

Карст. Геологическое явление, связанное с растворением водой горных пород (известняков, доломита, гипса, каменной соли), образованием при этом подземных пустот (пещер, ка­верн и др.) и сопровождаемое провалом земной поверхности, получило название карста. Массивы горных пород, в которых развивается карст, называются закарстованными. Карст ши­роко распространен в мире, в том числе и в России, в частно­сти, в Башкирии, в центральной части Русской равнины, в При-ангарье, на Северном Кавказе и во многих других местах, где имеются растворимые горные породы.

Хозяйственное освоение закарстованных массивов горных пород ведет к существенному изменению природной среды. Кар­стовые процессы заметно оживляются: образуются новые про­валы, воронки, колодцы и др. По данным Р. Ньютона (1984), в США только в штате Алабама произошло более 4000 искусст­венно вызванных провалов и оседаний земной поверхности, свя­занных с активизацией карста. Отдельные воронки достигли 50—60 м в диаметре и до 30 м глубиной. Образование провалов и воронок связывают с интенсификацией отбора подземных вод. Активизация карста отмечается и во многих районах России, в том числе и на территории Москвы и Московской области. Ра­нее Москва считалась городом, где карстовые процессы затух­ли и не проявляли себя на поверхности земли. Однако интен­сивный отбор подземных вод, а также динамические вибраци­онные воздействия транспорта и строительства, статические на­грузки и некоторые другие факторы (возможно, загрязнение подземных вод) заметно усилили эти процессы.

Одним из важных направлений в сохранении окружающей природы является охрана карстовых пещер - уникальных па­мятников природы (рис. 15.5). При массовых туристских посе­щениях в них нарушается тепловой и водный режим, наблюда­ется «таяние» сталактитов и сталагмитов, другие негативные изменения геологической среды.

Подтопление. Процесс подтопления — яркий пример от­ветной реакции природной среды на действие антропогенных факторов. Впервые он привлек внимание при создании водо­хранилищ, когда уровень грунтовых вод по их берегам стал быстро подниматься.

В настоящее время под подтоплением понимают любое по­вышение уровня грунтовых вод до критических величин (ме­нее одного-двух метров от поверхности земли).

Подтопление территорий весьма негативно влияет на при­родную среду. Массивы горных пород переувлажняются и за­болачиваются. Активизируются оползни, карст и другие небла­гоприятные процессы. В лессовых глинистых грунтах возника­ют просадки, в глинах — набухание. Просадка в лессовых грун­тах приводит к резкой неравномерной осадке, а набухание в глинах — к неравномерному подъему зданий и сооружений. В результате сооружения испытывают деформации, вплоть до полной непригодности к эксплуатации. Это ухудшает экологи­ческую обстановку в жилых и производственных помещениях, что снижает производительность труда и даже может вызвать травмы и болезни у людей.

На подтопленной территории возрастает сейсмическая балльность. Кроме того, в результате вторичного засоления почв угнетается растительность, возможно химическое и бактери­альное загрязнение грунтовых вод, ухудшается санитарно-эпи­демиологическая обстановка.

Причины подтопления разнообразны, но практически все­гда связаны с деятельностью человека. Это — утечки воды из подземных водонесущих коммуникаций, засыпка естественных дрен — оврагов, асфальтирование и застройка территории, не­рациональный полив улиц, садов, скверов, барраж подземных вод (т. е. задержка их движения глубокими фундаментами), фильтрация из водохранилищ, прудов-охладителей АЭС и др.

Сейчас в нашей стране подтопление территорий, особенно городских, приняло массовый характер.

Вечная мерзлота. В ряде районов земного шара (север Европы и Америки, север и восток Азии) толщи верхней части земной коры постоянно находятся в мерзлом состоянии. Их температура всегда ниже О °С. Такие породы называют вечномерзлыми (или многолетнемерзлыми), а территорию — об­ластью вечной мерзлоты. Происхождение вечной мерз­лоты связывают с оледенением четвертичного периода.

Вторжение человека не проходит бесследно для «хруп­ких» природных экосистем Севера: разрушается почвенно-растительный слой, изменяется рельеф, режим снегового по­крова, возникают болота, нарушаются взаимосвязи и взаи­модействия экосистем.

Проведенные исследования позволили выделить ряд ос­новных особенностей, обусловливающих хрупкость экосистем в области вечной мерзлоты (рис. 15.6). В первую очередь это очень небольшое видовое разнообразие организмов, по­скольку лишь немногочисленная группа отдельных видов способна приспособиться к существованию в условиях «веч­ного холода». Движение машин, тракторов и другого вида транспорта, особенно гусеничного, разрушает покров из мха, лишайников и др., что также приводит к резкому снижению устойчивости экосистем и к их угнетению. Массовую гибель лишайников вызывает и малейшее загрязнение воздуха ди­оксидом серы.

Эндогенные геодинамические процессы — землетрясе­ния и вулканизм — вызывают весьма значительные смещения в массивах горных пород в земной коре, уничтожают живот­ный и растительный мир, приводят к многочисленным, а не­редко к катастрофическим человеческим жертвам и другим тя­желым экологическим последствиям(подробнее об этих про­цессах см. в главе 18).