Инженерно-геокриологический мониторинг объектов на многолетнемерзлых грунтах

Общая геокриология

вклю­ча­ет ряд на­прав­ле­ний ис­сле­до­ва­ний: фи­зи­ку, хи­мию и ме­ха­ни­ку мёрз­лых по­род, ди­на­мич., ли­то­ге­не­тич., ре­гио­наль­ную и ис­то­рич. Г. Фи­зи­ка, хи­мия и ме­ха­ни­ка мёрз­лых по­род (на­прав­ле­ние, сфор­ми­ро­вав­шее­ся к сер. 20 в.) изу­ча­ет с мо­ле­ку­ляр­но-ки­не­тич. и тер­мо­ди­на­мич. по­зи­ций при­ро­ду и за­ко­но­мер­но­сти те­че­ния фи­зи­ко-хи­мич., ме­ха­нич., те­п­ло­фи­зич., струк­ту­ро- и тек­сту­ро­об­ра­зо­ват. про­цес­сов в про­мер­заю­щих, мёрз­лых и от­таи­ваю­щих по­ро­дах. Ди­на­ми­че­ская Г. под­раз­де­ля­ет­ся на 2 на­прав­ле­ния. Од­но из них вклю­ча­ет раз­ра­бот­ку тер­мо­ди­на­мич. и те­п­ло­фи­зич. ос­нов фор­ми­ро­ва­ния толщ мно­го­лет­не- и се­зон­но­мёрз­лых по­род во вре­ме­ни и по пло­ща­ди рас­про­стра­не­ния, ба­зи­ру­ет­ся на изу­че­нии те­п­ло­об­ме­на в сис­те­ме «ат­мо­сфе­ра – ли­то­сфе­ра», ра­диа­ци­он­но- и вод­но-те­п­ло­во­го ба­лан­са, тем­пе­ра­тур­но­го ре­жи­ма и фа­зо­вых пе­ре­хо­дов вла­ги в гор­ных по­ро­дах, а так­же те­п­ло­вых про­цес­сов в верх­них сло­ях зем­ной ко­ры. Ис­поль­зуя мо­де­ли­ро­ва­ние, рас­чё­ты и ана­лиз, вы­яв­ля­ют на­прав­лен­ность и ха­рак­тер раз­ви­тия мерз­лот­но­го про­цес­са (де­гра­да­ци­он­ный, ста­биль­ный, аг­ра­да­ци­он­ный) для лю­бых при­род­ных об­ста­но­вок, а так­же оп­ре­де­ля­ют крио­ген­ный воз­раст мно­го­лет­не­мёрз­лых по­род в свя­зи с ко­рот­ко-, сред­не- и длин­но­пе­ри­од­ны­ми ко­ле­ба­ния­ми кли­ма­та. Дру­гое на­прав­ле­ние ис­сле­до­ва­ний ди­на­мич. Г. вклю­ча­ет изу­че­ние и про­гно­зи­ро­ва­ние мерз­лот­но-гео­ло­гич. про­цес­сов, в ре­зуль­та­те ко­то­рых фор­ми­ру­ют­ся мерз­лот­ные фор­мы рель­е­фа и но­вые крио­ген­ные гео­ло­гич. об­ра­зо­ва­ния (мо­ро­зо­бой­ные тре­щи­ны, под­зем­ные льды, бай­дже­ра­хи, буг­ры пу­че­ния, ку­ру­мы, со­лиф­люк­ци­он­ные фор­мы, тер­мо­эро­зи­он­ные ов­ра­ги, на­ле­ди и др.). Ли­то­ге­не­ти­че­ская Г. изу­ча­ет ве­ще­ст­вен­ный со­став, струк­тур­но-тек­стур­ные осо­бен­но­сти и свой­ст­ва мёрз­лых оса­доч­ных по­род и льдов; на ос­но­ве мерз­лот­но-фа­ци­аль­но­го и мерз­лот­но-фор­ма­ци­он­но­го ана­ли­зов вы­яв­ля­ют­ся осо­бен­но­сти и за­ко­но­мер­но­сти фор­ми­ро­ва­ния разл. ге­не­тич. ти­пов, фа­ций и фор­ма­ций этих по­род и льдов с це­лью ус­та­нов­ле­ния их ге­не­зи­са; про­во­дя мерз­лот­но-ста­ди­аль­ный ана­лиз, ре­кон­ст­руи­ру­ют ис­то­рию фор­ми­ро­ва­ния мёрз­лой оса­доч­ной по­ро­ды. Ре­гио­наль­ная и ис­то­ри­че­ская Г. ис­сле­ду­ет зо­наль­ные, вы­сот­но-по­яс­ные и ре­гио­наль­ные за­ко­но­мер­но­сти фор­ми­ро­ва­ния и раз­ви­тия толщ се­зон­но- и мно­го­лет­не­мёрз­лых по­род, пла­сто­вых и кли­но­вид­но-жиль­ных льдов и др., их рас­про­стра­не­ния по пло­ща­ди, ус­ло­вий за­ле­га­ния в раз­ре­зе, из­ме­не­ния ср. тем­пе­ра­ту­ры по­род за оп­ре­де­лён­ный пе­ри­од ко­ле­ба­ний кли­ма­та (го­до­вой, мно­го­лет­ний, ве­ко­вой), крио­ген­но­го строе­ния и мощ­но­сти мёрз­лых толщ, фор­ми­ро­ва­ние, раз­ви­тие и су­ще­ст­во­ва­ние мерз­лот­но-гео­ло­гич. про­цес­сов и яв­ле­ний. Про­во­дит клас­си­фи­ци­ро­ва­ние мёрз­лых гор­ных по­род и льдов по их со­ста­ву, крио­ген­но­му строе­нию, ге­не­зи­су, воз­рас­ту, ус­ло­ви­ям те­п­ло­об­ме­на, а так­же рай­они­ро­ва­ние и кар­ти­ро­ва­ние об­лас­ти их раз­ви­тия. Важ­ная на­уч. ветвь это­го на­прав­ле­ния Г. – раз­ра­бот­ка ис­то­рии воз­ник­но­ве­ния и раз­ви­тия мёрз­лых по­род в пре­де­лах рай­онов, ре­гио­нов, ма­те­ри­ков и зем­но­го ша­ра в це­лом.

Дополнительные технологии и материалы

Для успешного осуществления инженерного геокриологического мониторинга, особенно при применении данных, приводящихся в предстроительный период инженерных изысканий, большое значение имеет использование материалов топографических, аэрофото- и космических съемок. По материалам разновременных съемок, в том числе и с беспилотных летательных аппаратов, можно оценить изменение размеров очагов загрязнения территории, тенденции развития и затухания опасных геокриологических процессов, деформации различных сооружений – магистральных трубопроводов, земляного полотна железных и автомобильных дорог, переработки и эрозии берегов водохранилищ и др. При этом на современном уровне обработки космо- и аэрофотоматериалов можно получить данные не только на уровне контурного дешифрирования, но и в количественном виде .

Перспективным направлением для включения в программы проведения ГТМ представляется использование георадаров – приборов, основанных на направлении электромагнитной волны короткой продолжительности в многослойные среды, приеме и преобразовании отраженного сигнала. Они работают при температуре от минус 40 до плюс 40єС. Приборы компактные и не отличаются большой массой (1,5-15 кг). Имеют высокую производительность при записи среды в полевых условиях (от 5 до 30 км за смену), однако требуют продолжительной обработки в камеральных условиях (до смены на 500-1000 м разреза). Также георадары требуют заверочных буровых работ или шурфования. В настоящее время георадары достаточно широко применяются при обследованиях зданий и инженерных сооружений, автомобильных дорог, взлетно-посадочных полос и перронов аэродромов, плотин и гидроузлов, при разведке и оценке запасов строительных материалов в карьерах, инженерно-геологических изысканиях, археологических исследованиях и т.д. . Потенциал неразрушающих, высокопроизводительных, экологически чистых георадарных методов для использования при проведении геомониторинга несомненен.

“ГЕОЭКОЛОГИЯ” КАК НАУКА

Поскольку цель нашего исследования − определить правомерность применения термина “геоэкология”
в отношении к названным протонаукам, обратимся к тому, как определял науку Аристотель,
наделявший ее тремя основными чертами: 1) доказательностью – всеобщностью и необходимостью;
2) способностью объяснения; 3) сочетанием единства и наличием степеней подчинения.

В отношении доказательности Аристотель пишет, что наука есть вид бытия, способный
доказывать. Причем доказательство невозможно ни о случайном бытии, ни о том, что возникает
и разрушается, но только об общем. Научное знание об общем налицо, если мы знаем суть
бытия вещи (объекта науки – И.З.). Как всеобщность – географической оболочки, с одной стороны, так и геологической среды – с другой,
так и необходимость экологического подхода к их изучению, не вызывают сомнения, но именно как двух самостоятельных
объектов.

В понимании Аристотеля “способность объяснения” обусловливает объяснительный характер
знания. И это качество обеих “геоэкологий” не подлежит сомнению, поскольку определяется
различными аналитическими, методическими и др. подходами двух наук и теми знаниями
об объектах, которые получили представители (субъекты) этих протонаук.

Действительно, специалист с географической подготовкой, например, не сможет так оценить
и исследовать всю совокупность физико-механических свойств пород, возможность их использования,
нейтрализации негативных свойств грунтов и т.д. для конкретного вида строительства
или разработки месторождений, как этому обучен геолог. И, наоборот, геоэколог с геологическим
образованием не сможет оценить воздействие хозяйственной деятельности на деградацию
почв, состояние растительного покрова, загрязнение рек и воздушного бассейна, как
это может сделать географ.

Третья черта науки – это сочетание единства с наличием степеней подчинения. В нашем
случае уже доказанного внутреннего единства двух “ключевых” наук, основанного на совокупности
включенных в них составляющих, но никак не двух независимо развивающихся “геоэкологий”.

ПРОБЛЕМЫ ДВУХ НАУК

В.И. Вернадский писал: “Вся часть научного творчества, связанная с постройкой научных космогоний и научных
гипотез, находится в теснейшей связи с философской мыслью. В ней неизбежен, для нее
необходим философский анализ основных научных положений” []. Если обратиться опять к истокам учения о познании мира, то по мнению еще древних
философов, кроме объекта и субъекта, оно определялось еще и также наличием проблемы, возникшей в определенных исторических, социальных и экономических условиях и послужившей
причиной возникновения науки или научной теории.

Теоретик науки уже новейшего времени К. Поппер писал: “Мой тезис состоит в том, что любое новое продвижение в науке может быть принято только
исходя из того, что его исходной точкой является проблема или проблемная ситуация…” [].

Анализ проблем двух геоэкологий показывает, прежде всего, их глубинное различие. Так,
проблема геоэкологии, с позиций геологической науки, связана изначально со строительством,
для которого геологические условия являлись со времени появления первых сооружений,
дорог, мостов и т.д. главной исходной информацией

Важно отметить, что эта наука не
сводится только к инженерной геологии (грунтоведению, геодинамике и т.д.), но включает
и гидрогеологию, а в зоне многолетнемерзлых пород, и криогенные особенности пород
зоны хозяйственного воздействия. Иными словами, проблема, которая стоит в настоящее
время перед этой наукой, – обеспечение проектирования, строительства и безаварийной
эксплуатации сооружений, их совокупности, т.е

промышленных комплексов, городов, городских
агломераций, линейных, подземных сооружений и т.д., включая очень важный аспект –
разработку нормативных документов в части освоения и охраны геологической среды. Это
выражается в создании сектора науки, непосредственно замкнутого на потребности практики
.

Что касается геоэкологии в понимании географов, то наиболее кратко и точно ее определил
и назвал проблему С.П. Горшков: “геоэкология – это наука о природной среде в связи с ее антропогенными изменениями” или “область знания, призванная обеспечить выживание человечества”. Понятно, что речь не идет о технической стороне этой проблемы, а только об описательной
и рекомендательной .

ВЫВОДЫ

1. Современная наука эпистемология, предметом которой является философия познания,
дает достаточно ясные критерии определения науки и логики ее развития. К логическим
критериям научности относятся непротиворечивость, полнота, независимость, стройность,
внутренняя организация и т.п. При этом исходным пунктом критерия научности выступает
тезис неправомерности сведения одних наук к другим.

2. Согласно Аристотелю, существование предмета (объекта) предшествует появлению науки.
Обоснование необходимости разделения употребляемого номена “геоэкология” на две отрасли
наук основывается автором на обращении к исходным, прототипическим наукам, какими
являются геология и география, имеющим различные объекты исследования. Если “геоэкология”
географическая охватывает все сферы географической оболочки, то “геоэкология” в системе
геологических наук имеет приуроченность к тем горизонтам литосферы и геологическим
процессам, которые оказывают влияние на способы существования человека, осуществление
и безопасность его хозяйственной деятельности, обеспечивая охрану геологической среды.

3. Объект научной деятельности становится таковым лишь вследствие активной материально-практической
и теоретической деятельности исследователя – субъекта науки, в данном случае географа
или геолога

Как те, так и другие проявляют себя в аттестуемой профессии, что создает
коллективы специалистов, действующих в общем направлении своих объектов исследования.
С этой точки зрения важно, что субъект познания реализует общественные цели и осуществляет
познавательную деятельность каждый в своем специалитете – географическом или геологическом.

4. Исходной точкой науки является также комплекс проблем, которые она решает. Анализ
проблем двух “геоэкологий” показывает, прежде всего, их существенное различие. Так,
проблема геоэкологии, с точки зрения геологической науки, связана со строительством
и промышленным освоением территорий и месторождений, для которых инженерно-геологические,
гидрогеологические, геодинамические и геокриологические условия являлись со времени
появления первых сооружений, дорог, мостов и т.д. главной исходной информацией. Проблемы
геоэкологии в понимании географов – это состояние компонентов географической среды
в связи с ее антропогенными изменениями, “призванные обеспечить выживание человечества” (С.П. Горшков). Причем речь не идет о технической стороне этой проблемы, а только
об описательной и рекомендательной.

5. В настоящее время паритет фактически двух наук под одним названием признан как
наименьшее зло, позволяющее относительно мирно сосуществовать профессиональным научным
сообществам (кафедрам, институтам, журналам и т.д.).

6. Некритичность в отношении сложившегося принципа познания, когда разными специалистами
рассматриваются разные объекты и решаются разные, не сводимые вместе задачи, под одним,
общим названием, противоречит основам научной логики. Это позволяет говорить об обоснованности
разделения существующей “геоэкологии” на две науки под разными названиями, что облегчило
бы преподавательский процесс и освоение знаний, как в геологии, так и в географии.

7. Разделение существующего общего названия двух наук предполагается “пунктирным”,
что обосновано практикой совместной работы географов и геологов для решения смежных
проблем.

8. Засвидетельствованное выше необоснованное смешение под одним номеном двух разных
наук тормозит их развитие в теоретическом, практическом и образовательном аспектах.

Выводы и рекомендации

1. Инженерно-геокриологический мониторинг обязателен при проектировании, строительстве и в процессе эксплуатации геотехнических систем в криолитозоне.

2. Сеть инженерно-геокриологического мониторинга должна быть постоянной и обеспечивать исследования и измерения на протяжении всего жизненного цикла объекта.

3. Инженерно-геокриологический мониторинг проводится:

— в процессе геокриологических и инженерно-экологических изысканий;

— в период строительства и авторского надзора;

— в процессе эксплуатации (на протяжении всего жизненного цикла объекта).

4. При производстве инженерно-геокриологического мониторинга необходимо шире использовать тепловизоры, георадары и беспилотные летательные аппараты.

5. Неисполнение Регламентов геомониторинга приводит к авариям и катастрофам геотехнических систем в криолитозоне.