Тема 8. Геологічне середовище міста.

1. Антропогенні зміни рельєфу.

2. Ґрунти міських територій.

3. Забруднення міських ґрунтів.

4. Літогенна основа міських територій.

1. Геологічні фактори – форма рельєфу, якість ґрунтів, властивості гірських порід, наявність корисних копалин, а також екзогенні і ендогенні процеси впливають на вибір місця закладення міста і на його подальшу долю.

З розвитком технічного озброєння людства вплив господарської діяльності на геологічне середовище збільшується. Ефект антропогенного впливу на геологічне середовище має тенденцію до акумуляції. Активізація небезпечних геологічних процесів в містах України, обумовлена техногенною діяльністю людини, призвела до ряду катастрофічних наслідків. Великі економічні збитки, пов’язані з цими процесами, а також і людські жертви, свідчать про необхідність особливої уваги до еколого-геологічних факторів під час господарського освоєння територій.

В процесі урбанізації рельєф міської території піддається змінам відповідно з потребами певного етапу розвитку міста. На кожному історичному етапі відбуваються суттєві перетворення: зникають водойми або річні протоки, яри і балки, спрямовуються русла річок і струмків, відбуваються зміни в висотних відмітках на території міста.

Основною тенденцією в змінах міського рельєфу можна вважати його вирівнювання, пов’язане з плануванням території в процесі підготовки місць під будівництво.

Негативні форми рельєфу антропогенного походження – це будівельні котловани, траншеї для прокладення транспортних магістралей, кар’єри при розробці корисних копалин.

Позитивні форми рельєфу пов’язані з появою насипів при прокладанні транспортних магістралей. В містах, де концентрується добувна промисловість, формуються позитивні зміни рельєфу в наслідок накопичення твердих промислових відходів у вигляді відвалів. Після проведення необхідних рекультиваційних робіт, що включають планування та озеленення, ці відвали можуть перетворюватись в елементи міського ландшафту. Приклади подібних ландшафтних рішень можна бачити в районах видобування вугілля у Німеччині, а також в деяких містах Донбасу.

На сьогоднішній день у зв’язку з дефіцитом вільних земель на території міст, ростом їх населення, розширенням транспортних мереж та інженерних комунікацій, виникла тенденція заглиблення міських будівель нижче рівня поверхні землі. В Москві, Парижі, Лондоні, Нью-Йорку під землею розташовані торгові центри, концертні зали, складські приміщення. Підземні споруди залежно від призначення і характеру використання поділяються на наступні групи:

• транспортні споруди (підземні пішохідні переходи, станції метро, гаражі та автостоянки);

• підприємства торгівлі, підприємства комунально-побутового обслуговування, підприємства зв’язку, холодильники;

• адміністративні, спортивні та концертні споруди;

• об’єкти міських інженерних мереж (трубопроводи, теплотраси, водопостачання, каналізація).

Глибина розташування підземних міських споруд досягає 40 м і більше.

В деяких містах використання підземного простору пов’язане з наявністю старих порожнин, які утворились при видобуванні корисних копалин і будівельного матеріалу, наприклад в Одесі, Керчі, Артемівську.

В результаті будівництва міст виникають геолого-динамічні процеси, які не тільки порушують рельєф, але й можуть призвести до катастроф. До таких процесів відносяться просадки і провали, карстові явища та суфозні процеси, яроутворення.

Просадки виникають при надмірному заборі з підземних горизонтів води для побутових та господарських цілей.

Провали часто виникають на територіях, де розташовані шахти та інші підземні виробки.

Утворення карстових провалин відбувається за рахунок руху підземних вод в вапнякових та інших нестійких породах, наприклад таких, як гіпс, доломіт чи солі,що виносяться водою товщі пласта. В містах цей процес частіше всього є наслідком техногенного порушення водонапірних порід буровими чи сватовими свердловинами. Через них вода потрапляє в карстові породи.

Карстові порушення поширені нерівномірно. Канали в породах приймають різні форми, і їх шляхи важко прослідкувати геологічними дослідженнями. Тому ніколи не можна бути впевненому, що під будь-якою ділянкою землі, розташованою в карстовій області, немає прихованих порожнин.

Суфозні процеси характерні для наносних дрібнозернистих ґрунтів. Вода, що потрапляє внаслідок техногенного порушення геологічної породи на місцевості, рухається з великою швидкістю і вимиває дрібні частинки з ґрунту, при цьому ґрунти втрачають частину своєї міцності.

Можливі просадки лесових ґрунтів, складених з принесених вітром дрібних частинок кварцу,польового шпату, кальцію та слюди. В сухому стані лес досить міцний, але при зволожені втрачає значну частину міцності, оскільки вода руйнує зчеплення частин і пористу структуру відкладів. Виникає процес прогресуючого руйнування, що приводить до значного просідання породи.

Яри утворюються за рахунок струменевої ерозії, викликану періодичною дією водяних потоків, що утворюються в період танення снігу чи сильних злив. Утворення ярів – досить тривалий процес. Спочатку на місцевості з’являються витягнутої форми промивини, що називаються депресіями рельєфу. Потім вони поглиблюються і приймають різну форму, утворюючи яри.

Зміна рельєфу міських територій викликає двояку оцінку. Зменшення обривів, засипання ярів та кар’єрів, планування та ущільнення будівельних майданчиків з одного боку значно зменшує кількість ерозійних процесів, з іншого – при цьому зменшуються дендруючі властивості територій, а це призводить до підвищення рівня ґрунтових вод, а нерідко і до підтоплення місцевості

Підтоплення території, як правило, є наслідком людської діяльності. Гідрогеологічний режим змінюється при осушенні боліт,що є природним випарником ґрунтових вод. Засипання боліт стимулює порушення режимів випаровування та природного водообміну на прилеглих територіях.

Великі заасфальтовані майданчики, засипані яри також змінюють природні умови випаровування вологи і переміщення фільтраційних стоків на місцевості.

2.Різноманіття природних умов на Землі призвело до формування неоднорідного ґрунтового покриву з певною закономірністю зміни типів ґрунтів за природними зонами і в зв’язку з висотною зональністю.

На формування певного типу ґрунтів впливає клімат, материнські гірські породи, рельєф, характер водообмін них процесів, тип природної рослинності, тваринний світ та мікроорганізми, що знаходяться в ґрунті. В останнє століття важливим фактором ґрунтоутворення стала діяльність людини. На урбанізованих територіях з’являються ґрунти, які отримали назву «техноземи». Це ґрунти, що утворені внаслідок діяльності людини в процесі господарської діяльності, а також внаслідок рекультивації окремих ділянок. Техноземи частково зберігають зональні властивості ґрунтів, а частково формуються під впливом сучасної техніки. Для них характерна відсутність виділених горизонтів, підвищена щільність і, відповідно, менша пористість.

Ґрунти, які близькі по структурі до природних, зберігаються в містах тільки в зонах лісопарків і старих парків.

Основною оцінкою властивості ґрунтів є їх родючість. Родючість обумовлена вмістом в ґрунтах органічних і мінеральних речовин, певними параметрами структури, газообміном і обміном вологи, фізико-хімічними характеристиками (концентрацією солей і іонів водню), що підтримують нормальне протікання фізіологічних процесів в рослинах. Родючість ґрунтів забезпечує біологічну продуктивність рослинності і урожай сільськогосподарських культур. Таким чином ґрунти є важливою ланкою в кругообігу речовин, вони продукують основний харчовий і енергетичний матеріал для мешканців планети. При цьому ґрунти виконують функції регулятора, що підтримує природний баланс біосфери за рахунок перетворення біоти, що відмирає і продуктів виробничої діяльності людини. Само ця функція ґрунтів робить їх важливішою складовою екосистем міста. Використання ґрунтів в містах не носить сільськогосподарського характеру. Вони використовуються в основному для створення парків, скверів, газонів. Завдяки поглинаючим здібностям ґрунти відіграють роль фільтра для очищення поверхневих стоків. Глини і суглинки використовують на полігонах твердих побутових і промислових відходів міста для протифільтратних екранів. Глини, суглинки і пісок використовують при будівництві, шаром дерну викладають відкоси при будівництві транспортних магістралей.

3. На території міст ґрунти зазнають механічного, хімічного і біологічного забруднення.

Механічне забруднення полягає в засміченні ґрунту уламками будівельного сміття, битого скла, кераміки, пластмас та ін. Це сміття не викликає змін фізико-хімічних властивостей, але негативно впливає на механічні властивості ґрунту.

Біологічне забруднення пов’язане з внесенням в ґрунти і розмноженням в них мікроорганізмів, небезпечних для людини. Бактеріологічні і гельмінтозні показники стану ґрунтів міста визначають рівень їх епідеміологічної небезпеки. Цей вид забруднення підлягає контролю на території селітебних та рекреаційних зон.

Хімічні забруднення пов’язані з проникненням в ґрунт речовин, що викликають зміни природної концентрації хімічних елементів до рівня, що перевищує норму.

На урбанізованих територіях забруднення хімічними речовинами пов’язане в першу чергу промисловими викидами, автотранспортом, викидами підприємств теплоенергетики, впливом побутових і промислових відходів, а також за рахунок використання мінеральних добрив і пестицидів на дачних і присадибних ділянках. Викиди промислових підприємств є джерелом забруднення міських ґрунтів важкими металами, канцерогенними речовинами, сполуками азоту та сірки. Важки метали та інші токсичні речовини, що викидаються підприємствами в атмосферу, з часом осідають на ґрунт, забруднюючи його.

Для міських умов забруднення ґрунтів розглядають перш за все, як джерело вторинного забруднення атмосфери. На основі досліджень встановлена можливість використання рівня забруднення ґрунтів, як індикатору стану забруднення атмосфери, а також для оцінки рівня загального забруднення території і небезпеки для здоров’я населення.

Базою для оцінки рівня забруднення ґрунтів є значення фонової концентрації токсичних речовин в ґрунтах регіону.

Геохімічним фоном називають середній вміст хімічного елемента в ґрунтах згідно даних вивчення статистичних параметрів його поширення. Геохімічний фон є регіональною або місцевою характеристикою ґрунтів і порід.

Ділянка землі, в межах якої концентрація хімічного елементу перевищує значення геохімічного фону називається геохімічною аномалією.

Геохімічні аномалії, в межах яких вміст забруднюючих речовин досягає концентрацій, що негативно впливають на здоров’я людини, називають зонами забруднення.

Рівень забруднення характеризується величиною коефіцієнта концентрації Кс_і

Кс_і = С_і / С_ф ;

де С_і – концентрація забруднюючої речовини в ґрунті, (мг/кг);

С_ф – фонова концентрація забруднюючої речовини, (мг/кг).

Забруднення ґрунтів, як правило , буває полі елементним і для його оцінки визначають сумарний показник забруднення. Він визначається, як сума перевищень коефіцієнтів концентрацій над фоновим рівнем:

Z_с = ∑ Кс_і – (n – 1);

де Кс_{і –} коефіцієнт концентрації і-го елемента;

n – кількість елементів з Кс > 1.

Величину сумарного показника забруднення ґрунтів використовують для оцінки рівня небезпеки забруднення території міста. Значення сумарного показника забруднення до 16 відповідає допустимому рівню небезпеки для здоров’я населення міста; показник від 16 до 32 - помірно небезпечному рівню; 32-128 – небезпечному рівню; більше 128 – надзвичайно небезпечному рівню.

Негативний вплив на стан ґрунтів в місті проявляє використання кухонної солі (NaCl), яку використовують для боротьби з ожеледицею. Хлориди натрію і кальцію руйнівно діють на ґрунтові колоїди і в певних концентраціях викликають загибель рослин. В талій сніговій воді великих міст концентрація іонів хлору в 100-150 разів більша, ніж його вміст в річковій воді.

Для відновлення ґрунтів, сильно забруднених важкими металами та іншими токсичними речовинами, універсальної методики не існує. Найбільш поширеними методами відновлення ґрунтів є вилужнення їх шляхом внесення вапна і фосфатів з додаванням органічних сполук, при цьому легко-рухомі катіони важких металів переходять у важко-рухомі форми і втрачають рухливість.

Крім фізико-хімічної обробки ґрунтів, забруднених токсичними речовинами, використовують метод перемішування забрудненого верхнього шару ґрунту з незабрудненим ґрунтом або (при дуже сильному забрудненні) зняття верхнього шару і його захоронення, а на його місце насипання привозного чистого ґрунту.

Для відновлення ґрунтів, забруднених нафтою і нафтопродуктами, використовують методи мікробіологічного очищення, а також обробку ґрунту негашеним вапном з поверхнево-активними речовинами.

Для того, щоб запобігти забрудненню ґрунтів необхідно, в першу чергу, обмежити викиди промислових підприємств і транспортних засобів, ліквідувати на території міста стихійні сміттєзвалища побутових і промислових відходів, а захоронення відходів проводити за межами міста відповідно існуючих екологічних норм.

Міські агломерації великих міст включають в себе ділянки техногенного ландшафту, тобто територій, особливості яких полягають у зміні рельєфу за рахунок видобування корисних копалин. Просторово техногенний ландшафт поєднується з урболандшафтом. При розробці корисних копалин і будівництві промислових комплексів порушується рослинний покрив, змінюється рельєф і тваринний світ, забруднюються атмосферне повітря і поверхневі води.

Після закінчення будівництва, а також після закінчення експлуатації родовищ корисних копалин, необхідно проводити рекультивацію земель, тобто комплекс робіт, направлених на відновлення продуктивності ґрунту і покращення умов навколишнього середовища. Рекультивація земель повинна бути кінцевою стадією тих виробничих процесів, які призводять до порушення ґрунтового покриву та літогенної основи території міста.

4. Літосфера, включаючи материки і дно океанів, не є суцільною твердою оболонкою. Вона складається з ряду літосферних плит, які повільно, але безперервно переміщуються одна відносно другої. Наприклад, плити, межа між якими проходить по західному узбережжю США, рухаються в зустрічних напрямках з швидкістю 5 см на рік, таким чином міста Лос-Анжелес і Сан-Франціско через 10 млн років зіллються.

Межа між Євразійською, Африканською і Австралійською плитами пролягає через Альпи, Кавказ, Гімалаї, включаючи в прикордонну смугу Карпати і гірські райони Криму. Зони контакту між плитами характеризуються активним тектонічним режимом: частими землетрусами, підвищеною вулканічною активністю. Це має своє відображення в умовах будівництва, побуту та інших аспектах практичної діяльності населення в містах, що заходяться в цих зонах. В середині плит тектонічний режим в сучасну геологічну епоху спокійний, так званий – «платформний». Місто Луцьк, до речі, знаходиться в середині Волинсько-Подільської плити, в спокійній тектонічній зоні.

Більша частина України відноситься до структур «платформ енного» типу. Їх геологічний устрій схематично можна уявити собі, як тришаровий пиріг: покрив сучасних і четвертинних відкладень лягає на осадову основу, яка базується на кристалічному фундаменті, що являє собою масивну товщу магматичних і метаморфічних порід.

Основна інженерна та будівельна діяльність в межах міських територій пов’язана з верхнім і осадовим шаром, але залежно від специфіки виробничої діяльності людини важливу роль у формуванні міського середовища можуть відігравати і породи нижчих ярусів.

Усі гірські породи (якщо дивитись в будівельному аспекті) можна розглядати, як основу для будівництва, як сировину для будівництва, а також як середовище, в якому можуть розміщуватись споруди (наприклад – метро). Гірські породи, а також сучасні відкладення природного і техногенного походження, мають назву – ґрунти.

З інженерно – геологічних позицій усі гірські породи поділяються на два класи – породи скельні і породи нескельні.

Скельні породи залягають глибше від поверхні і відносно рідко (порівняно з нескельними осадовими породами) служать основою для міських споруд і будинків. Як правило, вони служать середовищем, в якому відбувається підземне будівництво – шахти для видобування корисних копалин, тунелі метро, підземні виробки іншого призначення. Вихід на поверхню таких порід можна побачити в таких містах, як Севастополь, Запоріжжя, Ізюм, в містах передгірської зони. Характерною особливістю таких порід є їх монолітність, яка обумовлена міцними зв’язками між частинками скельної породи. Ці зв’язки мають кристалічну структуру і обумовлюють високу щільність, малу пористість і велику міцність породи.

Зниження міцності скельних порід і збільшення їх водопроникності пов’язане з розвитком в масивах порід тріщинуватості. При показнику пористості більш 5% міцність скельних порід значно зменшується і їх вже класифікують як напівскельні породи. Під дією струменів води тріщинуваті і пористі породи можуть утворювати карстові порожнини. Під дією будівельних навантажень скельні і напівскельні породи поводяться, як пружні тверді тіла.

Серед нескельних порід виділяють піщані, глинисті і пилово-глинисті породи. Взаємодія між частинками таких порід, які мають назву зв’язних порід, обумовлена наявністю водно-колоїдних зв’язків. Різний характер зв’язків цих порід обумовлює різницю в їх властивостях і поведінки в міському середовищі.

Характерною властивістю піщаних та інших нескельних порід є їх добра водопроникненість. Показником водопроникненості породи є коефіцієнт фільтрації, величина якого залежить від пористості породи і її структури.

Характерною властивістю пилувато-глинистих порід є здатність змінювати свою консистенцію залежно від вологості. Показниками граничних станів є межа текучості і межа пластичності. Якщо вологість ґрунту нижча межи пластичності, то глинисті породи мають тверду консистенцію і близькі по властивостям до твердих тіл. При вологості вище межи пластичності порода набуває текучу консистенцію і властивості рідини. Вміст води в таких породах може досягати 50%. Глинисті породи характеризуються такими властивостями, як набухання при збільшенні вологості і усадка при висиханні породи. При цьому відбуваються значні коливання об’єму породи. Деформація породи значно знижує міцність ґрунтів на схилах котлованів, кар’єрів, природних схилах.

Проблеми під час будівництва створює просідання породи під дією власної ваги, або зовнішнього тиску. Просідання поверхні землі може відбуватись на декілька десятків сантиметрів, що може призвести до руйнування і деформації будівель і споруд, побудованих на таких породах. Такими породами на Україні є леси і лесові породи, що в степовій та лісостеповій зонах створюють покрив на річкових терасах і вододілах.

Просідання ґрунту на території міст може відбуватися при відсутності регулювання поверхневого стоку, при витіканні води з підземних комунікацій і підтопленні території ґрунтовими водами. Під спорудами вологість лесових порід збільшується на 10-15%, а лесові породи містять в собі велику кількість солей, які легко розчиняються у воді. Таким чином , при підвищеній вологості, лесові породи втрачають несучу здатність.

Сучасні техногенні відкладення є невід’ємною частиною грунтів міських територій. Джерелами таких відкладень є господарська і будівельна діяльність в місті, а також тверді відходи підприємств. Загальною ознакою для цих відкладень є неоднорідний склад, підвищена розсипчастість. Найбільший об’єм і площу розповсюдження мають відходи гірнічно-добувної промисловості. Наприклад, в Донецьку 15 км² площі міста займають терикони.

Крім насипних техногенних відкладень бувають намивні. В Києві і в Харкові є цілі житлові райони, що побудовані на намивних ґрунтах. В містах, де здійснюють видобування корисних копалин, характерні відкладення відходів, збагачених рудами.

Недооцінка властивостей сучасних техногенних відкладень може призвести до небезпечних геологічних процесів, деформації і руйнування будинків і споруд, до людських жертв.

Антропогенна дія на компоненти геологічної структури міст проявляє себе :

• в збільшенні інтенсивності вивітрювання за рахунок змін складу атмосферного повітря (випадіння кислотних дощів і кислотної роси);

• в змінах рівня ґрунтових вод та їх складу, що призводить до змін властивостей ґрунтів;

• в зміні складу літогенної основи міських територій за рахунок насипних і намивних техногенних відкладень;

• в зміні характеристик фізичних полів в межах міських агломерацій.

Кислотні опади діють не тільки на рослинність і водойми, вони руйнують будівлі і конструкції, в першу чергу зроблені з вапняку, мармуру, піщанику, металу.

Під впливом зміни рельєфу, порушенні цілісності підземних трубопроводів, регулюванні поверхневого стоку води відбуваються зміни гідрогеологічного режиму міської території. Як слідство, підвищується рівень ґрунтових вод, відбувається підтоплення окремих районів деяких міст. Пов’язане з цим насичення порід водою знижує міцність цих порід і веде до деформації і руйнування будівель.

Фізична дія великого міста з розвинутою транспортною мережею, промисловістю, енергетичним потенціалом проявляє себе в змінах температурного, електричного і магнітного полів. Виникають вібраційні поля. Формується фізичне забруднення геологічного середовища міста. Накопичення надлишкової енергії в середовищі, яке служить основою фундаментів будівель, інженерних споруд і комунікацій, призводить до погіршення якості цього середовища.

Вібраційне поле діє на літогенну основу міста залежно від типу породи, на яку впливає вібрація. Скельні і напівскельні породи вібрацію не поглинають і передають її від джерела до об’єктів без змін. На дисперсні породи вібраційне поле діє більш впливово – відбуваються зміни структурних порід, зменшується міцність зв’язків між частинками породи. Це призводить до таких геологічних процесів, як обвали, зсуви і пересування ґрунту, пливунові явища. Основним джерелом вібрації по відношенню до літогенної основи міста є транспортні магістралі. В якості верхньої межі допустимої вібраційної дії на геологічне середовище прийняте 73 дБ за показниками віброшвидкості та віброприскорення.. Такі умови створюються, коли вздовж транспортної магістралі одночасно рухаються автомобільний і рейковий транспорт, наприклад трамвай.

Теплове забруднення геологічного середовища полягає в підвищенні температури цього середовища відносно природного значення. З підвищенням температури збільшується швидкість хімічних реакцій в зоні контакту ґрунту з підземними спорудами. Швидкість корозії металів пропорційно збільшується з підвищенням температури середовища, в якому ці метали знаходяться. Досліджено, що зміна температури в містах досягає глибини проникнення до 150 м вглиб. При цьому відбувається розширення порід по об’єму, що призводить до надмірних напружень і деформації окремих шарів порід і інженерних конструкцій, які розташовані в цих шарах. Найбільш впливовими джерелами теплового забруднення є тепломагістралі і мережі гарячого водопостачання.

Електричне поле виникає в основному від впливу рейкового електротранспорту. Дія цього поля підвищує корозію металів. При підвищеному рівні електричного поля термін експлуатації трубопроводів, які підпадають під дію цього поля, скорочується вдвічі. Витікання рідини з таких трубопроводів в свою чергу призводить до збільшення забруднення геологічного середовища в місті.

Для того, щоб уникнути негативного впливу цих полів, необхідно вчасно зробити довгострокове прогнозування взаємодії об’єктів техносфери з геологічним середовищем.

Природним джерелом радіаційного опромінення є гірські породи. Від вмісту в породах радіонуклідів радію, торію, цезію залежить ступінь зовнішнього і внутрішнього опромінення жителів міста. Високий вміст радію спостерігається в гранітах, а серед осадових порід – в глинистих сланцях, які є джерелом виділення радіоактивного газу радону. В породах з підвищеною тріщинуватістю виділення радону іде більш інтенсивно. В Україні підвищене природне радіаційне виділення спостерігається на території Українського кристалічного щита (північно-західні райони Донбасу).