- •Раздел I
- •Теоретические основы инженерной геодинамики
- •Глава 1
- •Глава 2
- •Техногенные геологические процессы и явления
- •Подготовительные и определяющие процессы и явления
- •Глава 4
- •Геологические системы и их модели, по а. А. Махорину (Теоретические основы..., 1985)
- •Глава 5
- •Классификация (сопоставление) природных геологических и инженерно-геологических процессов (по и. В. Попову, 1951)
- •Глава 6
- •Раздел II
- •Эндогенные геологические процессы и явления
- •Глава 7 сейсмические явления
- •Природные землетрясения
- •Причины землетрясений
- •Оценка силы землетрясений
- •Глава 8
- •Глава 9
- •Раздел III
- •Природные и техногенные экзодинамические процессы и явления
- •Глава 10
- •Глава 1 1
- •Переработка берегов
- •Глава 12 эрозионные процессы
- •Средние скорости течения рек, по г. П. Горшкову и л. Ф. Якушевой (Горшков, 1982)
- •Глава 13
- •Глава 14
- •I группа факторов, изменяющих свойства горных пород, слагающих склон или откос
- •II группа факторов, изменяющих напряженное состояние горных пород прноткосного массива
- •Характерные признаки оползневого процесса на отдельных стадиях его развития
- •I. Подготовительная стадия
- •Методы прогнозов оползневых процессов (по Современные методы»., 1981)
- •1 Фактическое число проявлений по годам; 2 — их прогнозное значение.
- •Глава15
- •I Преобладает пылеватая фракция (0.05-0.002 мм) с содержанием более 50 %. Глинистая фракция (диаметром менее 0.002 мм) не превышает 25-30 %
- •Глава 16 карстовые явления
- •I, II, III и IV — вертикальные; а,БиВ — горизонтальные
- •Оценка закарстованности и прогноз устойчивости территорий и сооружений
- •Глава 17
- •Глава 18
- •Глава 19
- •Глава 20
;
ф ФЕДЕРАЛЬНАЯ ЦЕЛЕВАЯ
ПРОГРАММА
I
4 .ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОДДЕРЖКА ИНТЕГРАЦИИ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ Ж.1 И ФУНДАМЕНТАЛЬНОЙ НАУКИ
НА 1997-2000 ГОДЫ-
ИНЖЕНЕРНАЯ
ГЕОДИНАМИКАИ.
П. ИВАНОВ, Ю Б ТРЖЦИНСКИЙ
федеральная
целевая программа «ГОСУДАРСТВЕННАЯ
ПОДДЕРЖКА ИНТЕГРАЦИИ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
И ФУНДАМЕНТАЛЬНОЙ НАУКИ НА 1997-2000 ГОДЫ»
И.
П. Иванов, Ю. Б. Тржцинский
ИНЖЕНЕРНАЯ
ГЕОДИНАМИКА
Допущено
Министерством образования Российской
Федерации в качестве учебника для
студентов высших учебных заведений,
обучающихся по специальности «Поиски
и разведка подземных вод и
инженерногеологические изыскания»
направления
подготовки дипломированных специалистов
«Прикладная геология».
Санкт-Петербург
«Наука»
2001
УДК
624.1 ББК 26.3 И 20
Издание
осуществлено при финансовой
поддержке
Федеральной
целевой программы
«Государственная
поддержка интеграции
высшего
образования и фундаментальной науки
на
1997—2000 годы»
Иванов
И. П., Тржцииский Ю. Б. Инженерная
геодинамика. — СПб.: Наука, 2001. — 416 с.
ISBN
5-02-024941-6
В
учебнике рассмотрены теоретические
основы инженерной геодинамики, на
которых базируется учение о геологических
процессах и явлениях, возникающих в
результате динамического взаимодействия
геологической среды с окружающими ее
средами. Особое внимание уделено
техногенным процессам. Приводятся
количественные методы оценки и
прогноза угрожаемое™ природной
обстановке и жизнедеятельности на
осваемых территориях. Рассмотрена
специфика изучения инженерно-геологических
условий строительства и эксплуатации
зданий и сооружений в сейсмических,
карстовых, оползневых, заболоченных и
других районах.
Для
студентов, аспирантов, специалистов,
изучающих проблемы инженерной геологии
природно-техногенных процессов и
явлений в строительстве и горном деле.
Рецензенты:
Кафедра
грунтоведения и инженерной геологии
СПбГУ, чл.-кор. РАН, проф. [вТа.
Мироненко]
Без
объявления ISBN
5-02-024941-6
©
Центр «Интеграция», 2001
©
И. П. Иванов, Ю. Б. Тржцинский, 2001
ВВЕДЕНИЕ
Учение
о геологических (физико-геологических)
процессах и явлениях всегда присутствовало
в учебных дисциплинах и пособиях по
инженерной геологии. Как известно, во
всех определениях инженерной геологии
как нового научного геологического
направления в первую очередь
отмечалась ее основная задача —
изучение динамики верхней части
земной коры в связи с деятельностью
человека (К. Терцаги, Ф. П. Саваренский,
И. В. Попов, В. А. При- клонский, Г. Н.
Каменский, Н. В. Коломенский, Г. С.
Золотарев, В. Д. Ломтадзе, Г. К. Бондарик
и др.). Стоит напомнить, что в конце
XIX—начале XX в. крупные геологи России
(Д. JI.
Иванов,
К. И. Богданович, В. А. Обручев, И. В.
Мушкетов, Н. Ф. Погребов,
А. П.
Павлов и др.) стали привлекаться к
изучению геологических процессов и
явлений, активизирующихся или вновь
возникающих при строительстве различных
инженерных сооружений (главным образом
железных дорог). Так сложились условия,
что горные породы в качестве грунтов
стали объектом исследования специалистов
разного профиля, и это привело к более
раннему оформлению механики грунтов
и грунтоведения в самостоятельные
научные направления, к выходу в свет
целенаправленных учебников, монографий,
статей, нормативных и методических
пособий, указаний и т. п.
Инженерная
геодинамика выделилась в качестве
самостоятельного (второго) раздела
инженерной геологии в середине XX века.
Ее содержание и основные задачи
сформулировал В. А. Приклон- ский в 1949
году, развивая идеи Ф. П. Саваренского,
И. В. Попова, Г. Н. Каменского и др.
Напомним, что большинство специалистов
выделяют следующие направления
инженерной геологии: грунтоведение,
инженерная геодинамика и региональная
инженерная геология. К этим разделам
В. Д. Ломтадзе добавил еще два —
специальную инженерную геологию,
посвященную проблемам инженерных
изысканий, и инженерную геологию
месторождений полезных ископаемых.
Первые учебники для вузов под названием
«Инженерная геодинамика» были
опубликованы в 1977 году (В. Д. Ломтадзе)
и в 1983 году (Г. С. Золотарев). По своему
содер
3
жанию
эти учебники разные. Так, в учебнике В.
Д. Ломтадзе рассматриваются эндогенные
и экзогенные геологические процессы
и явления природного происхождения
или вызванные деятельностью человека
без выделения специального класса
инженерно-геологических процессов
и явлений, предложенного Г. Н. Каменским
в 1936 году и вошедшего в инженерно-геологическую
литературу под названиями «антропогенных»,
«техногенных», «горпо-гео- логических»
или «эколого-геодинамических» у разных
авторов. Г. С. Золотарев (1983) наряду с
частькГ второй (основной), посвященной
собственно инженерной геодинамике,
приводит в своем учебнике часть первую,
содержащую задачи инженерной геологии
в целом, инженерно-геологические условия
территорий и общую классификацию
инженерно-геологических процессов и
явлений.
Авторы
данного учебника, написанного при
поддержке ФЦП «Интеграция», задались
целью подготовить и издать современный
источник информации для студентов,
магистрантов и аспирантов о процессах
и явлениях, возникающих и развивающихся
в геологической среде в результате
ее взаимодействия с человеческой
деятельностью в условиях интенсивного
техногенеза. Такому учебнику больше
подходит название «Экологическая
геодинамика», поскольку в нем содержатся
материалы, относящиеся к изучению
геологических процессов в период
строительства, эксплуатации и ликвидации
инженерных сооружений различного
назначения, а также в период восстановления
(рекультивации) освоенных территорий.
На базе полученных данных можно
устанавливать закономерности и
законы взаимодействия природно-технических
систем, обосновывать методы управления
этими системами и мероприятия инженерной
защиты окружающей природной среды.
Первый
и третий (без гл. 9.2) разделы учебника
написаны д-ром геол.-минер. наук И. П.
Ивановым, профессором Санкт-Петербургского
государственного горного института
(технического университета), второй
раздел и глава 9.2 — д-ром геол.-минер.
наук Ю. Б. Тржцинским, ведущим научным
сотрудником Института земной коры
Сибирского отделения РАН.
Авторы
выражают благодарность чл.-кор. РАН |в7
А.
Мироненко,]
профессорам А. М. Гальперину, В. М.
Кнатько, Ю. А. Норватову, зав. кафедрой
инженерной геологии СПбГУ В. Г. Зайонченку
за поддержку и замечания при обсуждении
рукописи, а также канд. геол.-минер. наук
Т. И. Ивановой за помощь в ее оформлении.
ОБЪЕКТ
И ПРЕДМЕТ ИНЖЕНЕРНОЙ ГЕОДИНАМИКИ
СТАНОВЛЕНИЕ
ИНЖЕНЕРНОЙ ГЕОДИНАМИКИ
В
современных науках о Земле сложилось
неоднозначное понимание термина
«геодинамика»,
поэтому необходимо определить место
и содержание одного из основных разделов
инженерной геологии.
По
классическим определениям, геодинамика
изучает движения и деформации,
происходящие в земной коре, мантии и
ядре под влиянием тепла Земли и энергии
распада радиоактивных элементов. В
своей книге «Основы геодинамики» А.
Шейдеггер (1987) отмечает, что современная
поверхность Земли является результатом
антагонистического действия двух видов
процессов — эндогенных
(глубинных) и экзогенных
(поверхностных), протекающих
одновременно. При этом он считает, что
эндогенные процессы приводят к
систематизированным (закономерным)
явлениям, тогда как явления, возникающие
в результате экзогенных процессов,
носят случайный характер. На основании
этого А. Шейдеггер определяет геодинамику
как науку, изучающую только эндогенные
процессы. Основной проблемой геодинамики
автор считает реологию Земли.
Изучением же экзогенных процессов, по
его мнению, занимается теоретическая
геоморфология. В отечественной
литературе аналогичный подход тоже
встречается, как например при изучении
проблемы формирования природных
склонов. С. С. Воскресенский в 1971 году
опубликовал работу под названием
«Динамическая геоморфология», в
которой рассматриваются в основном
гравитационные процессы на склонах. В
1992 году вышло из печати учебное
пособие для студентов вузов, обучающихся
по специальности «География» (под
ред. Г. С. Ананьева, Ю. Г. Симонова и
А. И.
Спиридонова), в котором подчеркивается
принадлежность динамической морфологии
к геоморфологии, а в качестве предмета
изучения названа динамика рельефа и
рельефообразующих процессов.
По
мнению некоторых специалистов, термины
«эндогенные» и «экзогенные» процессы,
получившие широкое распространение в
5Раздел I
Теоретические основы инженерной геодинамики
Глава 1
науках
о Земле, в том числе и в инженерной
геологии, являются «неверными» для
многих геодинамических явлений (Горшков,
1982). В связи с этим С. П. Горшков предлагает
придерживаться более приемлемых для
геологических процессов названий —
«эн-
додинамический»
и «экзодинамический»,
относящихся соответственно к
внутренней и внешней динамике земной
коры. Таким образом, геодинамика
может изучать все геологические
процессы, которые в ряде случаев трудно
разделить по критерию обусловленности
только внешними или только внутренними
силами. Типичным примером являются
гравитационные явления на естественных
склонах и искусственных откосах.
Интересна идея С. П. Горшкова отнести
к экзодинамическим все процессы,
протекающие в термодинамических
условиях биосферы или парабиосферы,
независимо от сил воздействия (только
внешних или внешних с участием
внутренних). Большое внимание он уделяет
роли человека и других живых организмов
в развитии экзодинамических процессов
до глубин, превышающих 1200—1300 м и
ограничивающихся концентрацией
солей в подземных водах до 300 г/л и
температурой не более 75—80 °С. В общей
группе экзодинамических процессов
выделены три подгруппы: природные,
антропогенные и природноантропогенные.
Отметим некоторую близость подхода С.
П. Горшкова к позициям изучения
инженерно-геологических процессов и
явлений. Особый интерес для авторов
настоящего учебника представляет
факт приуроченности исследований к
освоенным территориям, на которых
экзодинамические процессы определяют
условия освоения, а в результате
взаимодействия между геологической и
техногенной средой возникают новые
процессы и явления (или активйзируются
старые), определяющие условия
функционирования техногенной среды
и изменений природной обстановки.
Нельзя не согласиться с одним из
основных положений С. П. Горшкова
о
том, что «человек управляет многими
процессами внешней динамики земной
коры, а в отдельных случаях и процессами
ее внутренней динамики».
Проблемы
геодинамики в инженерной геологии
возникли и изучались до оформления
последней в самостоятельную ветвь
геологии. Это известно из многочисленных
исторических очерков в учебниках по
инженерной геологии и в монографиях
по результатам исследований
геологических процессов и явлений и
связано с именами крупных геологов,
таких как В. И. Мушкетов, Д. J1.
Ива-
нйв, А. П. Павлов, К. И. Богданович, Н. Ф.
Погребов и многих других, принимавших
участие в изучении геологических
условий строительства дорог и других
сооружений. Однако окончательное
становление раздела инженерной геологии,
посвященного проблемам геологических
процессов, в виде самостоятельной
учебной дисциплины и научного направления
произошло сравнительно недавно.
Традиционно все добавки («техническая»,
«строительная», «инженерная») перед
названиями геологических направлений,
таких как, например, техническая
геология, инженерная геология
6
(общая),
инженерная петрография, инженерная
петрология, инженерная геодинамика,
региональная инженерная геология,
инженерная геология МПИ, возникали
стихийно, без соблюдения всех правил
выбора названия нового научного
направления или новой учебной дисциплины.
Развитие нового геологического
направления на стыке с техническими
науками с обогащением количественными
методами и приемами шло гораздо
интенсивнее и в более широком диапазоне,
чем «материнское» геологическое
направление. Особенно в ярко выраженной
форме это происходит в области
геодинамики применительно к проблемам
интенсивного техногенеза. Обычно
считается, что В. А. Приклонский (1949)
сформулировал содержание и задачи
инженерной геодинамики как основного
из трех разделов инженерной геологии.
На самом деле период подготовки к
выделению и названию такого раздела
начался гораздо раньше и закончился
не так давно.
В
самых первых определениях инженерной
геологии Ф. П. Са- варепского (1937) и И. В.
Попова (1951) проблемы инженерной
геодинамики занимали ведущее положение.
И это сохранилось по сей день. Приведем
три наиболее часто цитируемые
формулировки:
И.
В. Попов (1951): «Инженерная геология как
наука является отраслью геологии,
изучающей динамику верхних горизонтов
земной коры в связи с инженерной
деятельностью человека».
Н. Н. Маслов (Маслов, Котов, 1971): «Инженерная геология — наука о процессах и явлениях, протекающих в верхних горизонтах земной коры под влиянием природных и антропогенных факторов, способных угрожать нормальным условиям эксплуатации сооружений и угодий».
Е. М. Сергеев (1971): «...первоочередной задачей инженерной геологии является изучение динамики земной коры под влиянием инженерной деятельности человека».
На основании этих и других определений инженерной геологии как науки можно сделать вывод о том, что инженерная геодинамика является первым по своему значению и постановке задач разделом инженерной геологии, а не вторым, как это принято считать. Об этом можно судить по огромному количеству публикаций в отечественных и зарубежных журналах, а также по трудам многих международных и национальных конгрессов, совещаний, конференций и семинаров, посвященных геологическим процессам и явлениям. Из учебной литературы особо следует отметить учебники по инженерной геологии И. В. Попова (1951), Н. В. Коломенского и И. С. Комарова (1964), в которых разделы о геологических процессах и явлениях представлены очень широко на базе богатого фактического материала. Эти источники информации до сих пор не потеряли своей ценности для специалистов всех уровней. Окончательное признание специалистами самостоятельности научного направления под названием «инженерная геодинамика» связано с выходом капитального учебника В. Д. Ломтадзе в 1977 году.
7
Этому
событию предшествовала разработка
учебных планов для студентов, обучающихся
по специальности «Гидрогеология и
инженерная геология». В эти планы
вторая часть учебной дисциплины
«Инженерная геология» вошла под
названием инженерной геодинамики.
Основные положения, выдвинутые В. Д.
Ломтадзе в первом учебнике по инженерной
геодинамике, можно свести к следующему:
инженерная
геодинамика является сложнейшим
разделом инженерной геологии, в котором
изучаются геологические процессы
и явления как природные, так и возникающие
при строительстве сооружений и
хозяйственном использовании территорий;
инженерная геодинамика базируется на результатах теоретических исследований в области инженерной геологии и смежных наук, а также опыта проектирования, строительства и эксплуатации сооружений различного назначения;
инженерная геодинамика призвана решать задачи строительства сооружений в особых геологических условиях;
в теоретическом плане инженерной геодинамике предстоит разработать научные основы и методы управления геологическими процессами, их прогнозирования и охраны территорий;
при изучении производственной деятельности человека следует иметь в виду, что по своим масштабам она соизмерима с природными факторами, совершая огромную геологическую работу, и вместе с тем противоречива, являясь то разрушительной, то созидательной;
выделение так называемых инженерной-геологических процессов и явлений в самостоятельную группу не имеет научной основы; интенсивность или скорость развития процессов характеризуют только их динамику и не могут являться признаком выделения.
Таким образом, при обособлении инженерной геодинамики в самостоятельный раздел инженерной геологии была определена область ее исследований, которая не претерпела существенных принципиальных изменений по сравнению с происходившим при оценке инженерно-геологических условий территорий и результатов их изменений под техногенным воздействием. И это было заложено в основных задачах инженерной геологии ее основоположником Ф. П. Саваренским. Вспомним его рекомендации при выполнении инженерно-геологических изысканий: оценка условий строительства с целью выбора наиболее оптимального варианта расположения сооружения и предвидение (прогноз) их изменения в период строительства и эксплуатации проектируемого сооружения.
Роль человеческой деятельности, которая подчеркивается многими исследователями, в особенности после выхода известной монографии А. В. Сидоренко'«Человек, техника, Земля», была отмечена И. В. Поповым еще в 1951 году. В своем учебнике он подчеркивает «внедрение понятия инженерной деятельности человека
как
геологического фактора» как одну из
прогрессивных черт развития
отечественной инженерной геологии за
последние 10— 15 лет (речь идет о периоде
активной деятельности Ф. П. Саварен-
ского и его последователей). В связи с
этим И. В. Попов (1951) высказал идею о
новом понимании будущих задач инженерной
геологии «как науки, изучающей
взаимодействие инженерных сооружений
и хозяйственно-технической деятельности
вообще с природной геологической
обстановкой, а именно активное воздействие
человека на эту обстановку соответствующими
техническими мероприятиями».
В
начале 80-х годов, вслед за учебником В.
Д. Ломтадзе (1977) вышел из печати учебник
для вузов Г. С. Золотарева, крупного
ученого в области исследования
геологических процессов и явлений
в инженерно-геологическом аспекте.
Хотя этот капитальный труд был назван
«Инженерная геодинамика», собственно
к этому разделу инженерной геологии
относится только его вторая часть
(правда, основная, занимающая 3/4 всего
объема). В ней, как отмечает сам автор,
«сохранены принципиальные идеи,
изложенные в трудах Ф. П. Саваренского,
В. А. Приклонского и И. В. Попова»
(Золотарев, 1983). И действительно, в
учебнике Г. С. Золотарева рассмотрены
основные эндогенные и экзогенные
процессы, приведена общая классификация
этих процессов и их техногенных
аналогов, разработанная Г. С.
Золотаревым ранее (1979 г.). В ней впервые
(насколько нам известно) появился термин
«техногенный
аналог»
геологического процесса. Этим
подчеркивается возросшая роль человека
в изменении геодинамической обстановки
территорий. Учебник Г. С. Золотарева
богат фактическим материалом, примерами
из практики и иллюстрациями различных
объектов.
Анализ
имеющихся сведений показывает, что
процесс становления учения о
геологических процессах и явлениях в
инженерно-геологическом аспекте
происходил на геологической основе,
подготовленной работами таких
крупных геологов, как В. И. Мушкетов, Д.
JI.
Иванов,
Ф. Ю. Левинсон-Лессинг, Н. Ф. Погребов,
А. П. Павлов, К. И. Богданович и др.
Раздел инженерной геологии, изучающий
природные геологические процессы и
явления, определяющие
инженерно-геологические условия
освоения территорий, а также процессы
и явления, возникающие в результате
взаимодействия инженерных сооружений
с этими условиями, сформировался
трудами Ф. П. Саваренского и И. В. Попова.
Этот раздел и следует считать
предшественником самостоятельного
научного и прикладного направления
— инженерной геодинамики. Научные
положения, выдвинутые Ф. П. Саваренским
и И. В. Поповым, дали толчок к проведению
огромного объема исследований
геологических процессов и явлений
на территории Евразии в связи со
строительством разных по назначению
и масштабам инженерных сооружений. По
результатам этих исследований
опубликовано большое количество
монографий и статей, проведено много
совещаний, семинаров и конференций.
Окончательное оформление
9
инженерной
геодинамики произошло в результате
появления двух учебников для вузов —
В. Д. Ломтадзе (1977) и Г. С. Золотарева
(1983).
НОВЫЙ
ЭТАП В РАЗВИТИИ ИНЖЕНЕРНОЙ ГЕОДИНАМИКИ
Любая
наука в своем развитии проходит разные
этапы, которые определяют специфику
ее роста, совершенствование теоретической
и методической базы, технической
оснащенности, практическую
востребованность и т. п. Уточняются
место в науке, область знания, объект,
предмет и методика исследований, новые
задачи, новые направления. Для инженерной
геодинамики этот этап наступил в
конце 70-х—начале 80-х годов и хорошо
отражен в известной книге Г. К.
Бондарика «Общая теория инженерной
(физической) геологии» (1981) и в серии
монографий под редакцией Е. М. Сергеева
«Теоретические основы инженерной
геологии» (1985 г.), а также в книге,
посвященной геологическим основам
геодинамики (Геологические
закономерности..., 1976). Далее в журнале
«Инженерная геология» (№ 1, 1987) В. Д.
Ломтадзе публикует статью «Теоретические
основы инженерной геодинамики», в
которой излагает свой взгляд на
содержание этого научного направления.
Эти и некоторые другие более поздние
работы будут использованы нами в
следующих главах первого раздела.
Пятая
глава книги Г. К. Бондарика (1981) озаглавлена
«Динамика инженерной (физической)
геологии, или экзогеодинамика». Такое
название свидетельствует о том, что
автора в первую очередь не устраивает
существующее название «инженерная
геодинамика». Она, по его мнению,
изучает только природно-технические
геосистемы и инженерно-геологические
процессы и составляет только прикладную
часть более широкого научного направления
экзогеодинамики, которое состоит из
трех частей: общей экзогеодинамики,
региональной экзогеодинамики и
динамического грунтоведения. Из
дальнейшего изложения, однако, следует,
что экзогеодинамика не шире, а уже
инженерной геодинамики, поскольку в
нее не входят эндогенные процессы, а в
остальном она полностью покрывает
инженерную геодинамику по определению
объекта и задач. Сравним некоторые
формулировки Г. К. Бондарика с ранее
приведенными, ставшими уже традиционными
в инженерной геологии. Экзогеодинамика
— это научное направление, изучающее
«формы движения геологической материи
в пределах ее приповерхностной части
в физическом времени в связи с
осуществляемой и планируемой
деятельностью человека». Объектом
экзогеодинамики являются
«приповерхностные динамические
геосистемы, взаимодействующие с
внешними средами, и процессы экзогенного
геологического взаимодействия». Далее
идет расширение объекта и включение в
него «искусственно создаваемых
природнотехнических геосистем и
соответственно инженерно-геологичес
10
ких
процессов». По мнению В. Д. Ломтадзе
(1977), в разделе инженерной геодинамики
«изучаются геологические процессы и
явления как естественные (природные),
так и возникающие в связи со строительством
сооружений и хозяйственным использованием
территорий». Или, как считает Г. С.
Золотарев (1983), инженерная геодинамика
«посвящена последовательному анализу
и оценке геологических процессов и
явлений взаимодействия геологической
среды с природными и техногенными
факторами, в том числе с инженерными
сооружениями».
Период
конца XX века характеризуется особой
обстановкой, в которой геологические
процессы и явления, вызванные многогранной
деятельностью человеческого общества,
представляют реальную угрозу своим
масштабом и интенсивностью для
жизнедеятельности на Земле. Прогноз,
предупреждение и ограничение этой
угрозы становятся важнейшей
экологической задачей человека,
вооруженного определенными знаниями
и техникой. По всей видимости, настало
время, когда в инженерной геологии на
первый план должны выйти проблемы и
результаты взаимодействия в виде
различных процессов и явлений,
определяющих экологическую безопасность
жизнедеятельности и масштабы защитных
мероприятий, обеспечивающих ее.
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ
Под
взаимодействием
понимают обмен массой, энергией или
информацией между различными средами
(системами) или между компонентами
одной среды. Если геологическая среда
взаимодействует с внешними средами
(атмосферой, гидросферой, техносферой),
то такое взаимодействие называют
динамическим,
а взаимодействия внутри геосреды —
функциональными.
В результате взаимодействий возникают
различные процессы и явления. На рис.
1.1 показана схема взаимодействия верхней
части земной коры с разными средами.
Это пример динамического взаимодействия.
Однако нас будут интересовать не
только последствия динамического
взаимодействия. Такие процессы, как
карст, уплотнение пород их собственным
весом, вынос песка подземными водами
и другие, которые происходят в
результате функционального взаимодействия
компонентов одной среды (литосферы),
также представляют большой
теоретический и практический интерес.
Попытаемся
понять взаимодействие человека с
разными средами и его последствия.
Здесь ситуация сложнее и многообразнее,
особенно в эпоху интенсивного техногенеза.
На рис. 1.2 схематично изображены
традиционно рассматриваемые природные
системы (сферы): литосфера (JIC)
(в
инженерной геологии обычно рассматривается
только ее часть, называемая геологической
средой, в пределах которой можно говорить
об условиях жизнедеятельности, или
об условиях человеческой деятельности),
атмосфера (АС),
11
IV,
E3v
Е32
ЕЕШ
Рис.
1.1.
Схема
взаимодействия верхней части земной
коры с другими средами (по Г. К. Бондарику,
1981).
I—
геологическая среда; 11—
атмосфера, 11\
— искусственная граница; III
— поверхностная гидросфера, IIIi
—
искусственные водоемы; IV—
биосфера, IV\
— искусственно созданная; V — глубинные
части литосферы и глубинные геооболочки.
Результаты взаимодействия; I
— экзогенные геологические процессы;
2 — поверхностное проявления
эндогенных геологических процессов;
3
— инженерно-геологические процессы.
гидросфера
(ГС), под которой понимают поверхностные
водоемы и водотоки, биосфера (БС) —
животный и растительный мир, и космос
(КС). На этой же схеме изображена еще
одна сфера, искусственная сфера
техногенеза
(ТС), создаваемая в результате инженерной
и хозяйственной деятельности человека
в виде строительных и горных работ,
зданий и сооружений различного
назначения. Человек в этой схеме
занял особое место — сферу разума, или
ноосферу,
геологическое учение о которой, как
известно, разработал и опубликовал
В. И. Вернадский в 1944 году. Сам же термин
«ноосфера» был введен еще в 1927 году
французским ученым Е. ле Руа. Под этим
термином имелась в виду деятельность
человека, соизмеримая с геологической
деятельностью, направленная как на
разрушение экологического равновесия
в окружающей среде, так и на частичное
(а иногда и полное с некоторым запасом)
его восстановление. На схеме мы попытались
показать, что результаты воздействия
человека на окружающие его среды'
бумерангом возвращаются к нему и
оказывают существенное влияние на его
жизнедеятельность. Ответственность
за негативные последствия, вызванные
техногенезом, ложится на сферу разума,
т. е. на челове-
12
Космос
(КС)
Литосфера
(ЛС)
Рис.
1.2. Схема взаимодействия человеческого
общества с окружающими его средами.
1—4
— непосредственное воздействие человека
на окружающие его среды; Г—4'
— непосредственная реакция окружающих
сред на человеческую деятельность; 5—7
н 5'—7' — взаимодействие между геологической
средой и окружающими ее средами, в том
числе и при участии человека; 8—13
и S'—13'
— взаимодействие (бинарное) между
атмосферой, геосферой, биосферой и
техносферой с участием человека (через
1—3)
и литосферы (через 5—б).
ка,
который своим возможностями огромной
(геологической) силы должен себя спасти.
При
анализе приведенной на рис. 1.2 схемы
следует обратить внимание на следующие
особенности, которые при дальнейшем
изучении геологических процессов,
вызванных техногенезом, определят
их важнейшие закономерности. Прежде
всего выделим две группы воздействий
— прямые, исходящие от данной среды, и
обратные, появляющиеся в виде реакции
на прямые воздействия и оказывающие
влияние не только на среду — источник
прямого воздействия, но и на другие
среды. Примером этого основополага
13
ющего
разделения может являться следующая
ситуация. Человек построил плотину и
создал водохранилище на реке, т. е. он
воздействует на поверхностную
гидросферу, в результате реакции
которой происходит не только изменение
гидрологии местности, но и литосферы:
заболачивание, подтопление, переработка
берегов водохранилища, повышение
сейсмичности и т. д. Строительство
химического завода — это воздействие
человека на геологическую среду, в
результате которого произойдет
уплотнение грунтового основания,
просадка в лёссах, оползни на склонах.
Но во время функционирования завода
также произойдут выбросы в атмосферу,
которые в свою очередь вызовут загрязнение
почв и поверхностных водоемов, а в
конечном итоге все эти изменения
отразятся на условиях жизнедеятельности
человека и скажутся на развитии
животного и растительного мира.
Подобные взаимодействия описаны И. В.
Поповым (1951) следующим образом:
«Физико-геологические явления нельзя
рассматривать изолированно, не считаясь
со связью данного явления с другими
явлениями в процессе историко-геологического
развития местности».
Воздействия
можно разделить на две категории по
критерию непосредственного
влияния
или опосредованно
через влияние другой среды (или
других сред). Человек взаимодействует
с литосферой или другой средой
непосредственно, напрямую (1—4)
и получает соответствующую реакцию
также непосредственно (Г—4').
Однако
очень часто взаимодействие между двумя
средами может осуществляться посредством
других сред. Работая в шахте, человек
взаимодействует с геологической средой,
но он может спустить в нее воды
поверхностных водоемов или загрязнить
их шахтными водами. А еще он может
загрязнить атмосферу газами возгорающихся
терриконов. Проведенный анализ рис.
1.2 убеждает нас в справедливости
известного принципа: «Все связано со
всем».
В
рамках инженерной геологии мы изучаем
природу и результаты взаимодействия
между геологической и техногенной
средой или между элементами одной
геологической среды. Последствия
этих взаимодействий различаются по
своей природе, масштабам и значению.
Проанализируем сказанное на примере
структурной схемы динамического
взаимодействия (рис. 1.3). Строительные
и горные работы, а также эксплуатация
(корректнее говорить о функционировании)
зданий и сооружений происходят в
литосфере, и специфика взаимодействия
определяется, с одной стороны,
инженерно-геологическими условиями
территории, а с другой — характером и
масштабами техногенной среды. Однако
в любом случае последствия взаимодействия
выражаются двумя типами процессов:
а)
функционированием техногенной среды,
т. е. устойчивостью системы и способностью
выполнить свое назначение;
б)
изменением осваиваемых (освоенных)
территорий и мероприятиями по их
восстановлению.
Различия
в результатах (последствиях) взаимодействия
двух сред может быть охарактеризовано
следующим образом. Для тех-
14
|
Условия функционирования техногенной среды |
|
|||||||
|
|
t |
1 | таты |
|
|
|
|||
Техногенная среда: строительные н горные работы, здания н сооружения |
|
Геологическая среда: инженерно-геологические условия |
|||||||
Взат |
МОД! ит 1, |
йствие |
|||||||
|
|
Г |
Условия
жизнедеятельности на осваиваемых
территориях
Рис.
1.3. Структурная схема динамического
взаимодействия и его результатов.
носферы,
являющейся косным веществом, поступившим
в экосистему и нарушившим природный
баланс энергии, нет возможности к
самоорганизации и самовосстановлению.
Геологическая среда как природная
система способна к самоорганизации и
самовосстановлению, а геологические
явления являются барьерами защиты от
внешнего воздействия (Кожевина, 1999).
На
основании изложенного материала можно
сформулировать те основные положения,
которые позволяют обосновать право на
существование нового научного
направления, а именно: на его объект,
предмет, методическую базу, структуру
и задачи. Итак, объектом
данного направления являются процессы
и явления,
возникающие в геологической среде
в результате ее взаимодействия с
окружающими средами, находящимися под
воздействием человеческого общества.
Эти процессы и явления имеют геологическую
природу, возникают в определенных
геологических условиях под влиянием
большого набора факторов, среди которых
деятельность человека играет основную
роль, воздействуя как непосредственно,
так и косвенно через активизацию
некоторых факторов (подготовительных
процессов) и/или изменение природной
обстановки. Возникающие процессы и
явления правильно было бы назвать
природно-техногенными, или
геолого-техногенными, как включающими
в себя инженерно-геологические процессы
и явления — продукт только инженерной
деятельности человека. Научное
фундаментальное геологическое
направление, изучающее техногенногеологические
процессы и явления, следовало бы назвать
экологической
геодинамикой,
а если соблюдать характер преемственности,
инженерной (экологической) геодинамикой.
Предметом
экогеодинамики являются знания
о законах и закономерностях
возникновения техногенно-геологических
процессов и явлений в результате
взаимодействия геологической среды с
другими средами, формирующимися и
изменяющимися под влиянием
15
разносторонней
деятельности человека. Специфика
техногенно-геологических процессов,
т. е. их механизм, динамика, интенсивность
и масштабы, во многом зависят от
особенностей техногенеза, поэтому
традиционные инженерно-геологические
исследования должны быть дополнены
изучением природы взаимодействий для
конкретного источника техногенного
воздействия (строительных и горных
работ, зданий и сооружений, мероприятий
управления и т. д.).
Методы
инженерной (экологической) геодинамики
можно объединить в три группы:
общегеологические,
инженерно-геологические
и механико-математические.
Общегеологические методы используют
естественно-исторический подход к
изучению геологических процессов
и явлений, учитывая региональные
геологические закономерности,
генетические и структурные особенности
геологического строения, геоморфологию
и тектонику территорий и недр. Научный
метод инженерной геологии представляет
целый комплекс способов и приемов,
основывающихся на учете следующих
законов (Ломтадзе, 1987):
связей
между различными природными процессами,
в соответствии с которыми развитие
одних процессов вызывает возникновение
и развитие других;
отражающих неизбежность возникновения геологических процессов и явлений при наличии противоречия или несоответствия в геологической среде;
динамики геологических процессов во времени, отражающих обусловленность и закономерности их развития в определенных условиях и по определенным причинам;