Эколого-геокриологическая информация в общей системе инженерно-геологических знаний

Рекомендации по использованию

Работа предназначена для специалистов различных отраслей геоэкологии и инженерной геологии, а после тематического структурирования может стать полезной при составлении профильных образовательных курсов лекций. Ранее подход был реализован при подготовке и чтении курсов лекций: «Общая геология», «Инженерная геология», «Общее мерзлотоведение», «Геоэкология», «Основы комплексной (инженерно-геоэкологической, геокриологической, геоэкологической) съемки Севера» и других в Якутском государственном университете (сейчас Северо-Восточный Федеральный Университет).

Слайд 65 Чрезвычайно важным в геокриологии является понятие потенциального протаивания

или промерзания. О потенциальном протаивании говорят, когда tср >

0, т. е. в случае сезонного промерзания пород. Под этим

термином понимают глубину протаявшего грунта за лето, если бы к началу протаивания весь массив пород находился бы в мерзлом состоянии. Пояснить это можно на таком примере: допустим, на участке распространения талых пород (tср > 0) в зимнее время производили отсыпку некоторой насыпи достаточно большой мощности. Грунт, используемый для отсыпки, находился в мерзлом состоянии. Тогда в летнее время эта насыпь будет протаивать с поверхности, и если толщина насыпи достаточно велика, то за лето она не протает полностью. Мощность оттаявшего за лето слоя насыпи приблизительно будет отвечать потенциальному сезонному протаиванию. Аналогичный пример и для случая потенциального сезонного промерзания (tср

Слайд 47 И наконец, зависимость температуры пород от составляющих радиационно-теплового

годовых теплооборотов в породах G. Известна зависимость теплооборотов в горных

породах от температурного режима пород, их теплопроводности, теплоемкости и теплоты фазовых превращений воды.G = ξ(nАсрС + Qф) + √2 t ξ √ λТС/π. Зная, что G = R — LE — H, получаем, что:t ξ = / √ 2 λ ТС/ π,где ξ — глубина сезонного промерзания или протаивания пород; Аср — средняя в слое ξ амплитуда годовых колебаний температуры; С— объемная теплоемкость; λ — коэффициент теплопроводности пород Qф— теплота фазовых переходов воды в породах t ξ — среднегодовая температура на подошве ξ ; Т — период, равный одному году; n — коэффициент, равный примерно 2 при малых значениях Qф и √2 при возрастании Qф и λ.

Принципы систематизации эколого-геокриологической информации

Многолетний опыт геоэкологических исследований позволяет при исследовании преобразования окружающей среды в районах с различной спецификой воздействий выделить: территории горнодобывающей деятельности — добычи алмазов, олова, золота, угля; транспортировки и переработки углеводородов; зоны урбанизации и т.д. Именно районы горнодобывающей отрасли и урбанизированные территории являются в настоящее время сосредоточением геоэкологических проблем. Подчиненное и несколько менее губительное для природной среды значение имеют энергетическая, лесотехническая, транспортная и сельскохозяйственная отрасли. Тем не менее, в местах сосредоточения нескольких техногенных факторов, степень преобразования окружающей среды достаточно высока.

Очевидно, что во всех районах с экстремальными природными условиями естественным путем и в результате всей отмеченной деятельности формируются своеобразные природные (рис.1-4) и природно-техногенные комплексы (ПТК) (рис.5-6).

Рис.2. Арктические геосистемы с разрушающимися подземными льдами и вытаивающим бивнем мамонта. Побережье о-ва Бол. Ляховский. Фото М.Н.Григорьева

Под природно-техногенными комплексами мы предлагаем понимать сочетание определенных техногенных систем конкретной отраслевой принадлежности (одной или нескольких), функционирующих в конкретных природных условиях и отличающихся специфическими геоэкологическими последствиями своей деятельности.

Рис.3. Арктические геосистемы с разрушающимися подземными льдами. Обнажение Ойгосский яр. Фото М.Н.Григорьева

В последние годы по инициативе различных министерств и ведомств разрабатываются принципиальные подходы к систематизации геоэкологической информации в виде проблемно-ориентированных баз данных. Тематически, по своей специализации, работы по сбору, систематизации геоэкологической информации Севера и её структурирования в виде тематических баз данных могут быть разделены на несколько направлений.

Первое включает изучение территорий активной горнодобывающей деятельности, второе – зон интенсивной урбанизации, а последующие – аспекты, связанные с частными и интегральными последствиями деятельности энергетической, транспортной и иных отраслей промышленности.

Рис.4. Полигоны повторно-жильных льдов на побережье арктических морей. Фото М.Н.Григорьева

При систематизации геоэкологической информации в общем периоде создания природно-техногенных комплексов и их эксплуатации, следует выделить три временных этапа.

Первый из них включает проблемы, связанные с организацией природоохранных работ на стадиях изысканий и проектирования природно-техногенных комплексов.

Второй этап объединяет проблемы, возникающие при производстве строительных работ.

Третий этап связан с проблемами, появляющимися на стадии эксплуатации в конкретных инженерно-геологических условиях.

Рис.5. Маревые геосистемы по трассе нефтепровода Талакан-Витим. Юго-Западная Якутия. Фото М.М.Шац

Рис.6. Техногенные геосистемы в районе Депутатского месторождения. Фото из Googlе Earth

Проблемы сбора эколого-геокриологической информации, её достоверности, грамотной систематизации с использованием современных технологий и охватом основных составляющих геосистем осваиваемых территорий Севера, актуальны несколько последних десятилетий. В частности, для систематизации и наглядного отображения данных мониторинга эколого-геокриологических условий в связи с естественной и техногенной динамикой окружающей среды, успешно применяются ГИС-технологии. Данный подход позволяет практически в реальном режиме времени интегрировать и наглядно представлять самую разнообразную, в т.ч. «многослойную» информацию о состоянии окружающей среды и её динамике на различных стадиях освоения.

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.

Заключение

Особое значение разработка методов сбора и систематизации эколого-геокриологической информации приобретает так же и в связи с реализацией таких масштабных проектов, как строительство и эксплуатация соответственно газового, названного «Сила Сибири», и нефтяного – «Восточная Сибирь – Тихий Океан» трубопроводов, разработка в Южной и Юго-Западной Якутии крупнейших месторождений золота, жидких, газообразных и твердых углеводородов, урана, широкомасштабное административное и жилищное строительство и т.д. Отсутствие, либо недостаточность отмеченных выше материалов, как правило, приводят к неопределенности при выборе стратегии природопользования, связанной с невозможностью разработки плана конкретных природоохранных и компенсационных мероприятий. Их реализация позволяет существенно уменьшить ущерб от освоения.