Скромная геология

Не одни горные работы оказывают влияние на недра и земную поверхность. Любая стройка, сооружение большого или незначительного объекта в той или иной мере сказываются на их состоянии. Поэтому необходим комплексный подход к охране геологической среды, который учитывал бы всякое воздействие на нее и возможные последствия этого воздействия.

...В начале XX века горожане составляли два процента от всего населения планеты, к концу века составят почти две трети. На земную поверхность ляжет дополнительная тяжесть - новые городские постройки. Даже трех-пятиэтажный дом весит немало - до 15 тысяч тонн. Высотный дом Москвы тянет в 20 раз больше. Многоэтажные здания, различные массивные сооружения создают такие нагрузки, которые в некоторых случаях вызывают проседание поверхности на шесть метров.

Города занимают сравнительно небольшую площадь. Вместе с поселками, коммуникациями, горными разработками, водохранилищами всего четыре процента. Но в городской черте человек наиболее интенсивно воздействует на земную поверхность, это своего рода горячие точки планеты. Застройка территорий нарушает обмен между атмосферой и литосферой: увеличивается естественная влажность горных пород. Густая сеть водопроводных и канализационных труб, даже при самом тщательном уходе, всегда где-то протекает. Еще больше возрастает влажность естественного фундамента города. Начинается подъем уровня грунтовых вод. В Запорожье они поднялись так высоко, что привели к просадке лёссовых пластов и вызвали деформацию зданий. В Омске же произошло обратное... Подземные воды приблизились к неогеновым глинам, те набухли и нарушили спокойствие домов.

Откачка грунтовых вод также не проходит бесследно. Почти все крупные города оказываются в так называемых депрессионных воронках.

В городах крупнейшая геологическая сила проявляет себя с давних времен. Но в последнее время ее влияние стало сказываться и на гораздо больших территориях, к тому же не обязательно застроенных.

В пределах Западной Сибири открыто более сотни нефтяных и газовых месторождений. Добыча нефти в последнем году девятой пятилетки достигла 150 миллионов тонн, газа 35 миллиардов кубометров. Вследствие этого земная поверхность может просесть, а прогиб на несколько десятков сантиметров вызовет процесс коренного изменения природной среды в масштабах целого региона. Уровень грунтовых вод на большинстве месторождений лежит не глубже полутора метров, часто в 30 сантиметрах от поверхности. Если она слегка прогнется, подземные воды выйдут наверх. Болот и озер станет больше. Изменится не только гидросфера, но и биосфера Западной Сибири, ее климатические условия.

По данным нивелировок, Западно-Сибирская плита каждый год поднимается на 10-11,5 миллиметра. В конце века величина опускания может стать равной амплитуде опускания в отдельных местах Тюмени. Может ли пройти бесследно это встречное движение для природы Западной Сибири?

Часто земная поверхность болезненно реагирует на, казалось бы невинные действия человека. Сотни лет рубили лес в Карпатах, кончилось это возникновением селей и оползней там, где о них раньше не знали. Непродуманное расположение отвалов пустой породы порождает искусственные сели. Эти нежелательные процессы происходят на горных комбинатах в Северной Осетии и Кабардино-Балкарии. Бывает трудно предвидеть последствия тех или иных мероприятий, хозяйственных операций. Они обнаруживаются через некоторое время, косвенно, приходят с неожиданной стороны.

Известно, какие области науки и техники призваны заботиться о чистоте воды и воздуха, сохранности лесов и животного мира, рациональном использовании почв и недр. Но какая наука должна взять под защиту недра и земную поверхность, на которой так уютно живет человечество?!

"Инженерная геология!", - говорит лауреат Государственной премии 1977 года академик Е. М. Сергеев.

Инженерную геологию всегда заслоняла ее старшая и более знаменитая сестра - геология поисковая и разведочная. Она открывала новые территории, на них - месторождения полезных ископаемых, славилась интересными находками и событиями. Геологоразведка удовлетворяла одну из главных потребностей людей - в минеральном сырье; ее известность держалась на солидной материальной основе.

Инженерная геология шла следом... Ее скромные труженики появлялись во вновь осваиваемых районах и отвечали на множество вопросов: где размещать дома, заводы, гидротехнические сооружения, какие избрать для данных мест конструкции, как вести работы и уберечь построенное от опасных геологических процессов.

Конечным результатом работы инженерных геологов был прогноз о надежности и долговечности сооружений.

"Скромная геология" претендует сегодня на роль главной хранительницы земной поверхности, она в состоянии дать прогноз о последствиях любого вида работ, проводимых на Земле. Это может касаться отдельного дома, заводского здания, комплекса предприятий, шахты, рудника: они простоят, скажем, сотни лет при соблюдении соответствующих гидрогеологических и мерзлотных условий, правильном ведении подземных работ, определенной защите от оползней, провалов и т. д.

В наши дни инженерная геология способна составлять прогнозы для громадных территорий - целых регионов.

Охранять геологическую среду непросто, часто даже неизвестно, каким способом. Специалисты знают, что надо делать при загрязнении реки или водоема, при выбросе вредных веществ в атмосферу, эрозии почв, исчезновении какого-либо вида животных... В большинстве этих случаев опасные процессы можно приостановить, а затем изменить в лучшую сторону или, во всяком случае, уменьшить их размах.

Нарушения геологической среды почти всегда необратимы. Не вернешь горную породу, стронутую с места обвалом, не реставрируешь склоны и долины, растерзанные селем, не залатаешь дыру в земной поверхности, образованную провалом.

Мало того, изменения геологической среды под воздействием человеческой деятельности почти всегда происходит моментально, катастрофически. Загрязнение речных и океанских вод протекает постепенно, на глазах человека, а перемены в верхнем земном слое внезапны, случаются вдруг. Мировая статистика показывает, что геологические катастрофы застают людей врасплох.

Опасные геологические процессы можно прогнозировать в пространстве, сложнее предсказывать их интенсивность и совсем не удается предвидеть опасность во времени. Угрожающую геологическую ситуацию можно уподобить орудию, наведенному в цель: спусковой механизм взведен, офицер поднял руку для команды...

Известно: какая мишень будет обстреляна, что с ней станет в результате.

Неизвестно: когда офицер опустит руку. Поймать этот момент, предсказать его, строго говоря, составить количественный прогноз возможных геологических происшествий в пространстве и во времени - одна из первых проблем инженерной геологии.

Для точного прогноза необходимо хорошо знать природу горных пород. Казалось бы, сотни лет исследований пород не оставляют никаких неясностей... Но инженерная геология подходит к ним с необычной стороны - как к грунтам, как к фундаментам для разнообразного строительства. И при таком ракурсе они превращаются в сложные многокомпонентные системы, к тому же изменчивые во времени. Свойства грунтов зависят от твердых, жидких и газовых составляющих. В последние годы к ним присоединился еще один участник - микроорганизмы! В одном грамме грунта их может жить несколько десятков миллионов. Они выделяют поверхностно-активные вещества и газы, изменяющие окружающую среду.

Но кроме этого, на свойства грунтов влияют особенности их строения. Ученым приходится изучать их на микроуровне, используя рентген и электронную микроскопию.

Узнали в лаборатории свойства той или иной породы, но это не значит, что инженерный геолог сможет сказать, как будет вести себя весь массив. Образец гранита обладает величиной одноосного сжатия порядка 1000 кг/см². Возводи на гранитах сооружение любой тяжести. Но нет - массив может быть разбит трещинами, разломами, в нем встречаются выветрелые зоны, он неоднороден по составу. В итоге прочность гранитного участка, на котором собираются строить, оказывается в 10 раз меньшей.

Красноярскую ГЭС сначала предлагали построить вблизи города, но затем изменили решение, возвели подальше от него. Уже в процессе строительства была обнаружена зона повышенного тектонического дробления, расположенная в основании будущей плотины. Понадобилось большое количество бетона, чтобы придать монолитность этой зоне.

Токтогульская ГЭС на реке Нарын построена на мраморизованных слоистых известняках. Их прочность на одноосное сжатие 1200 кг/см². Но сам массив разбит тектоническими трещинами, другая система трещин проникает в породы на 80 метров от поверхности. Сделать глубокие выемки в бортах ущелья оказалось очень трудно, пришлось отказаться от строительства арочной плотины. К тому же в районе створа обвалоопасные склоны: понадобились защитные мероприятия.

Установка для изучения склоновых процессов

Методы снайперского прогноза оползней и других склоновых процессов сумели разработать сотрудники Всесоюзного научно-исследовательского института гидрогеологии и инженерной геологии. Это стало возможным после того, как сотрудники отдела инженерной геодинамики доказали, что оползневая деятельность зависит от солнечной активности.

Солнце - командир склонов? По его приказу начинается наступление земляных масс вниз, по его команде они останавливаются, дожидаясь нового сигнала к выступлению? О такой тайне и, казалось, невозможной связи менаду небесным светилом и комьями грязи и прежде догадывались некоторые ученые. Отдел инженерной геодинамики, возглавляемый кандидатом геолого-минералогических наук А. И. Шеко, развил эту мысль, довел до логического завершения и проверил в течение многих лет. Вот когда пригодилась любовь людей к теплу и загару на Южном берегу Крыма, где ученые проводили исследования. Она еще в прошлом веке заставила специалистов многих профилей думать о Черноморском побережье, охранять курортный берег. Здесь издавна велись тщательные метеорологические наблюдения, из года в год регистрировалось количество осадков, велся надзор за волнениями моря, штормами, за колебаниями уровня морской воды. Этот тщательный дневник был превращен учеными в многочисленные кривые, показывающие сухость и ливни за десятилетия, шквалы и штили на море, туманы и ясные дни... Когда эти кривые положили рядом с графиками солнечной активности и в эту компанию включили еще скачущие линии оползневой деятельности, то стало ясно: пики большинства кривых совпадают во времени, провалы - с провалами, ветви роста и спада также совпадают.

Располагая такими закономерностями в прошлом, геологи имели полное математическое право продлить их в будущее. Они составили прогноз оползневой активности для всего Черноморского побережья и в течение примерно десяти лет проверяли его. Предвидение подтвердилось: в предсказанные годы оползни активизировались, начинали свое тревожное движение там, где указывали исследователи, и набирали силу, о которой они также предупреждали.

Наиболее распространенные циклы солнечной активности - 11 лет или 22 года. Те же режимы соблюдают оползни. Для Солнечной системы известен цикл в 1850 лет. Не остаются равнодушными к нему и оползни: 1850-летний цикл накладывается на солнечный.

Перечислять все природные циклы невозможно и не нужно. Важно, что в орбиту их действия попадают и склоновые процессы, что они развиваются не случайно, а по указанию "свыше", подчиняются определенным законам, которые постепенно постигают ученые. Пока непонятен механизм действия: на Солнце появилось больше пятен - на Земле "расплодились" оползни. Видимо, как-то меняется энергетика Солнца, это сказывается на атмосфере, циркуляции воздушных масс, и самая подвижная оболочка земного шара передает космический импульс земной поверхности. Начинают буйствовать природные стихии, в том числе и геологические.

Механизм небесных и земных связей неясен, но известно начало воздействия и его результат. Этого достаточно, чтобы прогнозировать поступки земной природы. Иными словами, речь идет как бы о современной астрологии природы, и нынешние астрологи могут не без оснований воскликнуть: по расположению звезд, небесных тел, по состоянию светила предсказываем бури, извержения, цунами, оползни, сели!

Прогноз оползневых процессов для Черноморского побережья составлен до 2000 года. Он выражен в виде карты, которая цветом, условными обозначениями, контурами отвечает на три вопроса: где, когда и какой силы? Посмотрите эту карту, и вы узнаете о судьбе курортного побережья на ближайшие два десятка лет. Именно она поможет уберечь драгоценные метры уникального побережья от неожиданностей плывущего грунта.

Как прогнозировать оползни в краях, где нет длинных рядов наблюдений, где дневники климата ведутся всего несколько десятков лет? Например, район Байкало-Амурской магистрали... Экспедиции инженерных геологов установили, что эта территория сильно поражена склоновыми процессами: строителям БАМа грозят обвалы, осыпи, каменные россыпи, оползни, лавины, сели. В частности, сели по своей разрушительной мощи могут быть сопоставлены с землетрясением. Были случаи, когда они повреждали Транссибирскую магистраль, преграждали автомобильное движение через Баргузинский хребет. В тех же местах часты оползни, возникающие при большой влажности, сплывающие вниз словно дредноуты.

Исследователи обращаются к рассмотрению общих закономерностей, характерных для всего Северного полушария. Сопоставляют с ними те коротенькие ряды наблюдений, которые все же есть для территории БАМа. Спиливаются деревья и по их кольцам роста устанавливаются колебания климата в прошлом. На очереди - изучение состава этих колец, что еще полнее обрисует картины прошлого. Так, реставрируя былую обстановку, геологи обретают возможность заглядывать в будущее. Причем это касается не только оползней, но и других геологических стихий, в частности, селей, абразии, эрозии...

Сейчас инженерно-геологическим изучением охвачена территория хозяйственного освоения Байкало-Амурской магистрали. Планируются подобные работы для нечерноземной зоны европейской части РСФСР. Дело идет к обследованию всей территории Советского Союза. Это позволит решать инженерно-геологические задачи, следуя от общего к частному, выяснять отдельные вопросы на общей основе... Работа необъятная! На территории Западно-Сибирской плиты выделено 26 инженерно-геологических областей второго порядка. Сколько их окажется на одной шестой части мира?!

Пришла пора подумать об инженерно-геологической типизации всей Земли: выделить определенные типы территории, применительно к ним разработать инструкции по инженерно-геологическим изысканиям, строительные нормы и другие документы практического характера. Работа эта должна носить международный характер: государственные границы не совпадают с темп, что установлены при инженерно-геологическом районировании.

Развитие инженерной геологии сопровождается обособлением в ней нескольких направлений: инженерной геологии городов, месторождений полезных ископаемых, морской инженерной геологии... У каждой из них свои заботы. В городской черте широкое распространение получила мелиорация грунтов, когда их укрепляют с помощью инъекций цементирующих и вяжущих веществ, воздействуя на породу различными физическими полями. На месторождениях инженеры-геологи думают о сохранности бортов карьеров, сдвижении горных пород при добыче, влиянии тектонических разломов на подземные сооружения. Морской инженерной геологии предстоит Припять участие в освоении шельфа в связи с проектированием и строительством портовых гидротехнических сооружений, например плотины через Керченский пролив, при добыче полезных ископаемых.

Образцы с лунной поверхности, доставленные на Землю, вошли в специальную литературу под именем "грунты Луны". Тем самым признана активная роль инженерной геологии в освоении соседних планетных тел. Поверхность спутницы Земли рассматривалась как объект инженерного воздействия при посадке космических кораблей и автоматических станций. Видимо, те же вопросы предстоит решать десанту на Марс, Венеру... Инженерная геология выходит в космос, но главные ее заботы остаются на Земле.