Геологическая деятельность человека

Динамические нагрузки приводят к опусканию в городах и  на промышленных площадках не только малых участков поверхности, но и  более крупных зон. Установлено, что вибрации городского транспорта могут проникать на глубину до 70 м. Поэтому в некоторых городах Голландии дома, примыкающие к старым автострадам, наклонены в сторону шоссе.

По данным К. Терцаги и Р. Пека, максимальная осадка возникает при частотах колебаний от 500 до 2500 в минуту.

Все шире при строительстве  используют взрывы. Их мощность нарастает. Один из крупнейших неатомных взрывов  произошел 5 апреля 1958 г. Между о. Ванкувер и Западной Канадой. Здесь в тоннеле, прорытом в большой подводной скале, заложили 1250 т взрывчатки. Подземные толчки от взрыва были зарегистрированы на расстоянии свыше 1000 км. Это сотрясение земных масс привело к нарушению первоначального строения пород в зоне, размеры которой очень велики. Еще более эффективна по своему воздействию термоядерная взрывная энергия. Мощные подземные атомные взрывы вызывают сейсмические колебания, отмечаемые даже в отдаленных уголках земного шара.

В этой связи следует подчеркнуть, что если для строителей имеет  главное значение направленный выброс земной массы с целью создания выемки определенных размеров, то для  инженерно-геологического обоснования  целесообразности таких мероприятий  требуется соответствующее изучение состава и свойств пород, подлежащих быстрому перемещению.

Таким образом, нарушения  в приповерхностной части литосферы  в результате инженерно-строительной деятельности по своим причинам и  последствиям могут быть многообразными. Они должны стать объектом специального углубленного изучения.

Влияние горнотехнической деятельности

Эта деятельность, затрагивающая  непосредственно недра, как правило, связана с более сложными процессами. В природных условиях известным  их аналогом являются нарушения, вызванные  карстовыми явлениями, суффозями и т.д., при которых возникают провалы и опускания земной поверхности из-за образования подземных пустот. Деятельность человека, связанная с созданием таких пустот, прежде всего проявляется в отборе из недр полезных ископаемых.

Здесь мы имеем дело либо с искусственно созданными пустотами  при подземной выемке твердых  полезных ископаемых, либо с последствиями  удаления жидких или газообразных наполнителей из пустот, ранее существовавших в  земной коре.

Отмечены и катастрофические нарушения. Они наблюдались в  гавани Лонг-Бич близ Сан-Франциско (Калифорния) на третьей по величине нефтяной структуре США — Уилмингтон. К 1957 г. Поверхность района опустилась почти на 8 м. Возникло своеобразное эллиптическое прогибание площади с осями длиной 10 и 65 км. Разрушились здания, мосты, дороги и промышленные сооружения. Ущерб превысил 100 млн. дол.

Скорость оседания соответствовала  темпам добычи нефти, давление в эксплуатируемых  скважинах снизилось со 150 до 15—22 кгс/см². Подземные воды тут получали с глубины 550 м и меньше, поэтому считалось, что в данном случае откачка вод не оказывала столь существенного влияния на оседание поверхности. Хотя прибрежный район Калифорнии является зоной современных движений земной коры, однако в последнее время не было зафиксировано усиление тектонических движений, обусловленных природными факторами. Причина, безусловно, заключена в хозяйственной деятельности человека.

Этот пример, в котором  не учитывалась возможность суммарного воздействия на поверхностную часть  Земли, нарушений, вызванных человеком  и одновременно стихийными геологическими силами.

При усиленном отборе жидких и газообразных полезных ископаемых одной из главных проблем является поддержание первоначального давления в пластах. Оно способствует максимальному  извлечению необходимых минеральных  веществ и сохранению стабильного  состояния определенных участков земной коры.

В результате искусственного освобождения пустот при эксплуатации подземных вод, жидких и газообразных полезных ископаемых, залегающих, как  правило, в осадочных породах, процессы изменения внутрипластового давления влекут за собой цепную реакцию других нарушений: изменяется термический, газовый  и геохимический режим в верхней  части литосферы.

Установлено, что понижение  пьезометрического уровня подземных  вод на каждые 10 м водоносной толщи увеличивает нагрузку вышележащих пород в среднем на 1 кгс/см².

Наиболее прочны скальные породы. Они практически не сжимаются. Глинистые образования, илы, сапропели, торфы дают большие осадки. Их степень уплотнения зависит от многих факторов: возраста, происхождения, влажности и т.д. Там, где залегают подобные породы, и отмечены наиболее заметные оседания поверхности — тектонические нарушения, связанные с хозяйственной деятельностью человека.

Совместное влияние инженерно-строительной и горнотехнической деятельности

Человек воздействует на приповерхностную часть литосферы чаще всего двусторонне. Там, где он занимается инженерно-строительной деятельностью, нередко эксплуатируются  и недра. Особенно это характерно для горнорудных районов. Подработка застроенных территорий заставляет подчас переносить поселки, а иногда и города на новые места или  ставить вопрос о прекращении  добычи полезного ископаемого.

Приповерхностные участки  на территории таких крупных поселений  могут деформироваться вследствие ряда причин. Это добыча строительных полезных ископаемых и возведение подземных  сооружений, понижение уровня грунтовых  вод при водоснабжении, сжимание и разрыхление земных масс под  влиянием осушения и увлажнения или  разложения органических веществ, количество которых все время возрастает в так называемых культурных отложениях.

Большинство подобных причин приводит к опусканию застроенных  территорий. Положение усугубляется тем, что деформации происходят не одновременно. По степени воздействия можно  выделить основные причины нарушений.

1. Понижение уровня безнапорных и напорных водоносных горизонтов в районах городов. Радиус распространения осадков здесь достигает тысяч метров. Возникшие локальные опускания имеют тенденцию к слиянию и переходу в региональные, так как водопотребление постоянно увеличивается.
2. Строительство подземных сооружений, в частности метрополитена. В данном случае опускается узкая полоса территории шириной несколько сотен метров.
3. Действие статических и динамических нагрузок. Под действием веса сооружения образуются осадочные воронки, которые распространяются за пределы зданий на десятки метров. Динамические нагрузки от транспорта распространяются вдоль дорог. На небольших участках сказывается действие вибрационных и других ударных механизмов.
4. Изменение режима влажности пород и разложение органических веществ в зоне аэрации.

Таким образом, речь идет о  комплексном сочетании горнотехнических (внутренних) и инженерно-строительных (внешних) причин.

Гидрогеологические исследования в Лондоне показали, что длительное искусственное понижение подземных  вод и создание депрессионных  воронок в зонах откачки привели  к возникновению новых процессов. Изменились гидродинамический, химический и температурный режимы водоносных горизонтов, переместились области  питания, стока и разгрузки вод. Это в свою очередь привело  к тому, что реки на отдельных  участках из естественной дренажной  системы превратились в источники  питания подземных вод. В окрестностях Большого Лондона отмечено исчезновение родников и мелких ручьев. Ухудшилось и качество пресной воды, из эстуария начали поступать солоноватые морские  воды. Так изменялась гидрогеологическая обстановка. Наряду с этим преобразовывались  осадочные породы. Происходил процесс  их осушения и уплотнения.

Следует отметить, что в  отличие от Москвы и Лондона в  ряде крупнейших городов мира тектонические  движения земной поверхности, вызванные  усиленным водоотбором, уже теперь приводят к катастрофическим последствиям, требующим принятия неотложных мер. Венеция возникла в лагуне, состоящей из 117 мелких островов. 15 тысяч домов города поставлены на миллионы свай длиной от 3 до 10 м. Сваи в илистое или песчаное дно. Венеция соединена с сушей почти четырехкилометровой дамбой. Казалось бы, со временем благодаря наносам с суши и уменьшению процессов размыва здесь будут накапливаться минеральные отложения. Иначе говоря, Венеция должна превращаться в сухопутное поселение. Однако каждое столетие она опускается примерно на 20 см в море. Когда-то вход в гавань охраняла крепость Св. Андрея. В 1950 г. Знаменитое творение зодчего Санмикели обрушилось. Относительно будущего этого уникального города пока преобладают пессимистические прогнозы.

С давних времен Япония усиленно потребляет подземные воды. Их откачка  привела к уплотнению массивов пород, сложенных осадочными образованиями. Теперь часть Токио располагается  ниже уровня моря. Оседание отмечено на площади в несколько сотен  квадратных километров. В отдельных  местах поверхность ежегодно опускается на 18-20 см. За полстолетия город опустился почти на 3,5 м, притом наиболее быстрые опускания происходили в последнее время. Любопытен и такой факт. К концу второй мировой войны многие скважины в Токио не работали, и оседание поверхности прекратилось. Это свидетельствует о том, что тектонические нарушения здесь, безусловно, связаны с хозяйственной деятельностью человека.

В последние десятилетия  проблемы городского строительства  и охраны окружающей среды поставили  на повестку дня задачу хозяйственного освоения недр под промышленными  и культурными центрами. Тысячи километров подземных дорог сооружены под  большими городами. Все это требует  продуманного изучения и прогнозирования  тех изменений, которые могут  возникнуть в результате развития работ, сочетающих в себе инженерно-геологические  и горнотехнические аспекты.

По данным вопросам, относящимся  к горной геомеханике, имеется достаточно обширная литература, которая может быть весьма полезной, в частности при теоретических и прогнозных разработках и в целом для комплексного рассмотрения проблем, связанных с влиянием деятельности человека на строение приповерхностных участков литосферы.

В горном деле, например, используют два основных вида защитных мероприятий: горные и конструктивные. Наиболее эффективными считаются горные мероприятия, так как они предусматривают  частичное или почти полное сохранение ранее существовавших природных  условий в породах, залегающих над  подземными выработками. В настоящее  время к числу таких общепризнанных мер относят закладку отработанных участков материалом, дающим наименьшую усадку

Применительно к постановке проблемы в целом следует лишь обратить внимание на то, что при  закладке нередко используются искусственно созданные смеси и естественные массы, которые без человеческой деятельности не могли бы проявиться в недрах.

Таким образом, мы должны учитывать, что инженерно-строительная и горнотехническая деятельность вызывает изменения не только в строении горных масс, но и  в их составе.