книги из ГПНТБ / Общее мерзлотоведение

них месторождений, залегающих в водоносных таликах. Задача мерзлотоведа в этом случае заключается в поисках методов искус­ ственного промораживания россыпи с одновременным ее дренирова­ нием. И наоборот, для каждой россыпи, разрабатываемой с поверх­ ности и сложенной мерзлыми породами, необходимо мерзлотно­ гидрогеологическое обоснование рационального комплекса ме­ роприятий по их протаиванию, по созданию искусственных во­ доносных таликов.

Широкие комплексы мерзлотных исследований, включающие теплобалансовые, гидрохимические, инженерно-геологические и

ляющейся одним из радикальных средств повышения урожай­ ности сенокосных и различных сельскохозяйственных культур. Каково будет изменение водно-теплового и солевого баланса, глубин протаивания и промерзания, дренажа поверхности, раз­ вития в связи с этим термокарстовых явлений, термоэрозии и солифлюкции — вот далеко не полный перечень вопросов, на которые должен ответить мерзлотовед, прежде чем выработать совместно с инженерами-мелиораторами комплекс рациональных инже­ нерных мероприятий, обеспечивающих ввод в эксплуатацию мелиорируемых земель.

Специфический комплекс вопросов приходится решать мерз- лотоведам-гидрогеологам в связи с организацией водоснабжения на территории мерзлой зоны. Не только поиски и разведка под­ земных вод осложняются здесь широким развитием мерзлых пород и перемерзанием наиболее близких к поверхности водоносных комплексов, но и эксплуатация водозаборных сооружений в ус­ ловиях низких отрицательных температур горных пород и воздуха представляет значительные трудности и требует, как правило, разработки специальных мероприятш"! по предотвращению их перемерзания или истощения ресурсов подземных вод в зимнее время.

Решением перечисленных вопросов далеко не ограничивается круг задач, с которыми сталкивается мерзлотоведение в повсе­ дневной практике освоения территории мерзлой зоны. Значительно более сложные проблемы возникнут в будущем.

Перспективы развития мерзлотоведения можно представить исходя из темпов освоения западных районов Сибири, для которых характерно резкое расширение масштабов и интенсификация процессов производства. Это придает перечисленным ниже зада­ чам массовый характер, и поиск их оптимальных решений при­ обретает особо важное значение.

Таким образом, чтобы наметить дальнейшие перспективы развития мерзлотоведения, необходимо исходить из направлений и характера развития на Севере промышленности, энергетики и других отраслей народного хозяйства. Эти направления и воз­

284

никающие перед мерзлотоведением проблемы представляются следующими.

Р а з в и т и е п р о и з в о д с т в , с в я з а н н ы х с в в о ­ д о м п в ы в о д о м ч е р е з м е р з л ы е т о л щ и б о л ь ­ ш и х п о т о к о в э н е р г и и и в е щ е с т в а : добыча по­ лезных ископаемых с температурой выше 0° — нефти, газа, подзем­ ных вод различной минерализации и состава, твердых полезных ископаемых с предварительным переводом их в раствор или га­

щ и х с я в ы д е л е н и е м б о л ь ш о г о к о л и ч е с т в а т е п л а в м е р з л ы х т о л щ а х или у нижней границы в результате экзотермических реакций, мероприятий по измене­ нию гидродинамического режима на данном участке (закачивание воды, взрывы и т. п.). С такого рода производствами связано фор­ мирование таликовых зон по периферии ствола скважин с соот­ ветствующими изменениями прочностных и фильтрационных свойств пород на всю мощность мерзлой зоны, изменение тепло­ вого режима отдельных участков мерзлых толщ и т. д. Исследо­ вание процесса и многосторонних последствий возникновения таких талых зон, прогноз поведения элементов конструкций сква­ жин и окружающих горных пород, особенно в том случае, если они представлены рыхлыми отложениями, под воздействием огромных потоков тепла и теплоносителя — таковы задачи мерз­ лотоведения.

В о в л е ч е н и е в п е р е р а б о т к у в с е б о л ь ш и х

ких и рассеянных компонентов, с непрерывным ростом скорости переработки. Повышение эффективности добычи полезных иско­ паемых должно достигаться, в частности,оптимизацией процесса разрушения мерзлых горных пород, их предварительной подго­ товкой на основе использования особенностей прочностных и дру­ гих свойств. Именно здесь должны сказать свое слово мерзлото­ веды, указав необходимые параметры температуры, давления, частоты воздействия рабочих органов машин или найдя принци­ пиально новые способы разработки мерзлых горных пород. К этой же области относится проблема диспергирования горных пород для их дальнейшего обогащения и ставшая уже традиционной проблема оттаивания больших объемов мерзлых рыхлых отложе­ ний и сохранения их в талом состоянии.

С о з д а н и е п о д з е м н ы х х р а н и л и щ и с о о р у ­ ж е н и й с р а з л и ч н ы м т е п л о в ы м р е ж и м о м: подземных сооружений с повышенной теплоотдачей (атомных и других энергетических установок); подземных хранилищ веществ с положительной температурой (например, магазинирование прес­ ных подземных вод, строительство овощехранилищ и пр.)‘, под­ земных хранилищ, работающих при отрицательной температуре.

285

Прогноз теплового режима такого рода сооружений и разра­ ботка рациональных приемов регулирования температуры среды в нужных пределах, равно как и установление самих этих преде­ лов, — вот далеко не полный перечень задач, которые предстоит решать мерзлотоведам в самом ближайшем будущем.

Так, надежное водоснабжение на громадной территории Тун­ гусского и всей северо-западной части Якутского артезианского бассейна, а также в пределах многих небольших артезианских структур Северо-Востока СССР возможно осуществить только путем магазшшрования поверхностных (речных) вод в подземных водохранилищах. Перемерзание рек зимой и соленые воды под­ мерзлотной толщи пород препятствуют иному решению этого важнейшего па сегодняшний день вопроса. Одпако непосред­ ственно под мерзлыми породами на указанной территории зале­ гают рассолы с отрицательной температурой, горизонты которых и следует оттеснить от линз пресной воды. Какова оптимальная температура закачиваемой воды, предотвращающая возможность ее замерзания, каково повышение температуры водовмещающнх пород и его последствия, каковы будут изменения температур воды и горных пород в результате многократного налива и от­

с в я з а н н ы х с н и м и в о д о х р а н и л и щ в р а й ­ о н а х р а с п р о с т р а н е н и я м е р з л ы х п о р о д , выдвигающее ряд проблем: прогноз, контроль и управление состоянием основания плотин и других крупных сооружений; прогноз скорости и глубины протаивания дна водохранилищ, масштабы и последствия фильтрации воды через оттаявшие по­ роды, разрушение берегов, сложенных мерзлыми породами; ха­ рактер и последствия изменений рельефа дна по мере протаива­ ния мерзлых пород и накопления осадков.

Следует оценить и реакцию мерзлой толщи па нагрузку вод­ ными массами, особенно при строительстве высоконапорных плотин. Опыт показывает, что наполнение крупных водохрани­ лищ сопровождается подземными толчками, балльность которых выше, если дно водохранилища сложено скальными породами. Возможно, это явление свойственно и области распространения мерзлых пород, поскольку даже рыхлые породы в мерзлом состоя­ нии обладают динамическим модулем упругости, близким к мо­ дулю талых скальных пород.

Несомненные трудности возникнут при возведении плотин и заполнении водохранилищ на мерзлых карбонатных породах, затронутых процессами древнего карста. Лед в открытых по­ лостях таких карстовых массивов при их подготовке к строи­ тельству может помешать надежной цементации основания пло­ тин и водослива. Последующее оттаивание льда приведет к ожив­ лению этих карстовых" полостей и интенсивной циркуляции по ним воды.

286

С о з д а н и е н е ф т е - п г а з о п р о в о д о в и д р у ­ г и х к о м м у II и к а ц и й, т. е. рассредоточенных объектов, строительство которых принципиально отличается от строитель­ ства объектов, сосредоточенных на определенной площадз, и требует особых инженерных решении. Это отличие диктуется прежде всего тем, что рассредоточенные объекты располагаются в неодинаковых мерзлотных и геологических условиях, и тем, что инженерные решения, пригодные для строительства сосредоточен­

м ы х на основе широкого применения геофизических и геохими­ ческих методов исследований, что требует учета наличия мерзлых пород и их криогенного строения на всех стадиях выполнения.

Освоение обширных пространств новых земель предполагает самое внимательное отношение к организации охраны природы, ибо восстановление первоначальных условий бывает невозмож­ ным из-за необратимости процессов, возникающих на Севере под воздействием человека. Наибольшее беспокойство вызывают:

1. Выемка и складирование огромных масс горных пород, уже сегодня приведшие к возникновению на некоторых площадях без­ жизненных лунных ландшафтов. Сказанное относится и к антропо­ генному рельефу, образованному отвалами от переработанных промышленными приборами песков, па поверхности которых не­ возможна регенерация растительности.

2. Нарушение почвенного покрова, приводящее к региональ­

центрировапных вод, приводящий, помимо других отрицательных последствий, к образованию искусственных мощных таликовых зон, инфильтрации в них промышленных стоков, загрязнению водоносных горизонтов, используемых для водоснабжения, и ухудшению водоотдачи пород вследствие кальматацин порового

пространства взвешенными частицами.

4. Непредусмотренное и неконтролируемое развитие процессов термокарста и термоэрозии в результате создания искусственных водоемов, каналов и других гидротехнических сооружений.

Все сказанное определяет необходимость обеспечения дей­ ственных мер по охране природы, включая меры по восстанов­ лению природного равновесия там, где оно нарушено.

Особое внимание должно быть уделено возможным послед­ ствиям реализации глобальных проектов (например, изменения направления течения рек и морских течений), могущих повлечь за собой изменения климата северных территорий. Разработка такого рода проектов должна сопровождаться прогнозом измене­

ния состояния мерзлой зоны литосферы.

Большинство задач, связанных с оптимизацией процесса про­ мышленного освоения области распространения мерзлых пород, сводится к двум проблемам:

2S7

1)прогнозированию изменения свойств и состояния того или иного участка (или региона) мерзлой зоны, течения и конечного результата идущих в нем или на его границах процессов при изме-г нении теплообмена и других форм внешнего воздействия;

2)управлению свойствами и состоянием данного участка мерзлой зоны, направлением и интенсивностью идущих в нем и на его границах процессов.

Эти проблемы, включая и охрану природы, должны определять основные пути развития мерзлотоведения в связи с промышленным

освоением территории мерзлой зоны. Разработка этих проблем

взначительной степени будет зависеть от развития исследований

вследующих направлениях:

зоны в зависимости от условий и процессов теплообмена на ее гра­ ницах и свойств среды;

3) региональные и зональные закономерности морфологии и криогенного строения мерзлой зоны, протекания криогенных процессов и явлений.

Прежде всего необходимо изучение главного объекта — мерз­ лой горной породы, ее свойств, природы и механизма процессов, определяющих ее криогенную текстуру. Только на этой основе возможно создание теории, позволяющей прогнозировать форми­ рование и развитие мерзлой зоны и тем более искусственное изменение различных физических свойств мерзлых горных пород в нужном направлении.

Для изменения свойств горных пород могут быть использо­ ваны различные приемы, выбор которых определяется уровнем развития науки и техники, рентабельностью и т. д., например:

1) спекание пород под воздействием высоких температур до состояния шлака и керамики. Этот метод может найти примене­ ние для подготовки основания сосредоточенных и особенно рассре­ доточенных объектов строительства. Достигаемый результат — повышение прочности и ликвидация зависимости деформации от длительности воздействия нагрузки, ликвидация пучения и т. п.;

2) гндрофобпзация рыхлых отложений в целях ликвидации пучения;

3) кольматацпя, уплотнение или осушение как меры сниже­ ния сезонных изменений физических свойств грунта, в том числе кольматацпя пластмассами и создание на этой основе инертных пород с заданными физическими свойствами.

Одним из перспективных направлений является использо­ вание новых материалов, в частности инертных, гидрофобных, с низкой теплопроводностью и в то же время достаточно прочных. В качестве основания дорог, а особенно трубопроводов — одного

288

П р и л о ж е н и е »

£,м

Номограммы для определения глубин сезонного промерзания и протаивания пород .

* Составлены В. А. Кудрявцевым и В. Г. Мелалитом.

З а м еч ен н ы е опеч атк и