Мазур И.И., Молдованов О.И. Курс инженерной экологии. /Молдованов.О.И.; Под ред. И.И.Мазур; Высшая школа - М., 1999. - 345с.

Глава 3. Устойчивость природно-технических геосистем

3.1. Антропогенные процессы в геологической среде

Подавляющее большинство процессов трудовой деятельности оказывают непосредственное влияние на геологическую среду. Особенно это касается разработки полезных ископаемых, промышленного освоения территорий, строительства и эксплуатации промышленных объектов и сооружений. Механизм влияния техники и технологических процессов на геологическую среду весьма сложен и зависит от многих факторов: удельной мощности и масштаба техногенеза, экологической емкости и чувствительности территории, условий саморегенерации и т. д.

В результате одно и то же воздействие на природу может привести в различных условиях к несопоставимым последствиям. Так, например, даже самая глубокая колея, оставшаяся где-нибудь на равнинном месте в средней полосе, за один-два сезона зарастает травой, кустарником, а потом и вовсе перестает быть заметной на общем зеленом фоне местности. На горных склонах такая колея может послужить очагом активной водной эрозии и превратиться в овраг или глубокую промоину, а на юге, в степных и полупустынных районах, дать начало выдуванию из почвы мелкозема, постепенному разрушению почвы, вплоть до образования подвижных песков — барханов.

Рассматривая процесс взаимодействия техники и природы, в частности устойчивость природных комплексов и компонентов против техногенных воздействий, необходимо концентрировать внимание на нескольких факторах. Важнейший из них — состояние горных пород, образующих литогенную основу ландшафтов. С этих позиций правомерно разделить всю территорию страны на зону развития мерзлых (многолетнемерзлых или вечно-мерзлых) пород — криолитозону — и зону, для которой мерзлые породы нехарактерны.

Это одна из главнейших характеристик зональных условий формирования природной среды под воздействием техногенеза. Действительно, территория РФ, относящаяся к криолитозоне, составляет 7% общей площади страны. На этой территории наличие и характер распространения мерзлых пород и их соотношение с талыми породами определяют весь комплекс экзогенных геологических процессов и изменения, которые возникают в ландшафтах под влиянием техногенных процессов.

Вне мерзлой зоны характер, направленность и степень развития указанных процессов определяются комплексом других факторов, которые в криолитозоне не проявляются или проявляются слабо. Например, эрозионные процессы, разрушающие побережья водоемов, сложенные рыхлыми породами, вне криолитозоны протекают под механическим воздействием волн, а на территории криолитозоны — не только под механическим, но и под термическим их воздействием. Эрозионные процессы здесь значительно более активны в связи с протаиванием подземных льдов в породах, слагающих береговые уступы.

Объем чаши водоема вне криолитозоны, как правило, уменьшается со временем в связи с осаждением части твердого стока рек, а в криолитозоне в аналогичных равнинных условиях объем водоема длительное время продолжает увеличиваться в результате вытаивания трещинно-жильных льдов и льдов, цементирующих породы, слагающие борта и дно водоема. Другим важнейшим фактором, влияющим на состояние природной среды, является степень увлажненности территории, которая может быть оценена индексом сухости, т. е. отношением суммарной испаряемости с поверхности земли к величине осадков, выпадающих на той же территории. По этому признаку выделяют следующие подзоны: избыточно влажную с индексом менее 0,45 г; влажную — от 0,45 до 1,0; недостаточно влажную — от 1,0 до 3,0; сухую с индексом сухости более 3,0.

Степень увлажненности территории определяет условия рассеивания и нейтрализации промышленных и бытовых отходов в почвах, водных объектах и зоне аэрации. С этих позиций избыточно влажная и влажная подзоны характеризуются преимущественным рассеиванием загрязняющих веществ, если, конечно, скорость поступления последних не превышает соответствующих возможностей их выноса и нейтрализации природными процессами. В недостаточно влажной подзоне при сопоставимых количествах вносимых загрязнений могут иметь место как процессы рассеивания, так и накопления загрязнений, а в сухой подзоне всегда будут преобладать процессы концентрации загрязнителей или продуктов их нейтрализации.

Индекс сухости имеет значение не только как условие рассеивания или концентрации загрязнений. В сочетании с радиационным балансом он определяет характер растительности и продуктивности растительных ассоциаций. А от них во многом зависит устойчивость ландшафтов к техногенным воздействиям. Решающее значение имеют два обстоятельства: способность почвенно-растительного покрова предотвращать развитие эрозионных процессов и его способность воспринимать и нейтрализовать вредные химически активные вещества, выпадающие на поверхность земли из загрязненного воздуха.

Первую особенность почвенно-растительного покрова рассматривать нет необходимости—она общеизвестна, а на второй следует коротко остановиться.

Давно известно, что в районах рудных месторождений ткани растений отличаются повышенным содержанием металлов. На этом их свойстве основаны так называемые биохимические методы поисков. Аналогичная ситуация возникает и в случае рассеивания техногенных загрязняющих веществ, поступающих из атмосферного воздуха на растительный и почвенный покров. Растения и почвенные животные воспринимают этот поток, в процессе их жизнедеятельности происходят окисление и концентрация химически активных загрязняющих веществ в гумусовом слое или иллювиальном горизонте почвы в форме нейтральных, труднорастворимых соединений. В результате этого предотвращаются возможность загрязнения подземных вод и смыв загрязняющих веществ в поверхностные водные объекты. При этом в той или иной степени меняются характер почвенного профиля, состав почвенных животных и растительности — здесь многое зависит от степени токсичности загрязняющих веществ и интенсивности их потока.

Попробуем рассмотреть важнейшие факторы, определяющие последствия разработки месторождений твердых полезных ископаемых для окружающей природной среды и условия восстановления территорий, нарушенных горными разработками. Очевидно, что наиболее общие предпосылки осуществления разработок и, следовательно, возникновения связанных с ними нарушений ландшафтов обусловлены металлогенической и геолого-структурной обстановками. Именно они предопределяют основные закономерности распространения месторождений полезных ископаемых в регионе и их сочетания, которые могут быть охвачены единым технологическим процессом разработки и переработки. Например, сочетание месторождений коксующихся углей с железорудными во многом определило техногенные ландшафты Донецкого и Кузнецкого бассейнов, существенно отличающиеся от техногенных ландшафтов Прикаспия и Приобья, где ведется добыча нефти.

Таким образом, мегаллогеническая и геолого-структурная обстановки определяют региональный уровень взаимодействия человека с окружающей его природной средой:

1. расположение горнодобывающих и перерабатывающих предприятий, структуру и интенсивность транспортных, в том числе энергетических и сырьевых, потоков;
2. многообразие хозяйственных связей региона с соседними территориями;
3. уровень урбанизации и территориальной организации региона;
4. параметры разрабатываемых месторождений, а следовательно, конкретные изменения природы при этих разработках и мероприятия по восстановлению территорий, нарушенных горными работами.

Все это, в частности, зависит от общих запасов и содержания в рудах основного и сопутствующих полезных компонентов, состава и сложения руд, вмещающих и перекрывающих горных пород, геологических, гидрогеологических и инженерно-геологических условий разработки месторождений.

Именно эти условия в совокупности определяют схему технологии обогащения и переработки руд и горно-техническую схему разработки месторождения, т. е. представляют собой техногенные факторы, изменяющие состояние окружающей природной среды и (наряду с природным фактором — характером и степенью геохимической активности вмещающих пород), предопределяющие схему проведения рекультивационных работ и конечный их результат.

Нетрудно показать, что степень нарушения среды пропорциональна масштабу (запасам) месторождения и обратно пропорциональна содержанию полезного компонента в рудах. Действительно, чем больше запасы месторождения, тем больше при прочих равных условиях объемы извлекаемой из недр горной массы и тем значительнее нарушения поверхности. Однако при равных запасах месторождений нарушения будут меньше там, где выше содержание и концентрация полезного компонента.

Другим решающим фактором влияния технологии разработки месторождения и обогащения руд на состояние окружающей среды является их состав и сложение. Действительно, разработка месторождений, образованных химически нейтральными, труднорастворимыми породами (например, силикатными, карбонатными или оксидными), не повлечет за собой появления отвалов вмещающих пород или хвостов обогатительных фабрик, которые по составу входящих в них минералов и солей не могли бы осваиваться растительностью или привели бы к существенному загрязнению вод.

Иное дело, когда на поверхность земли извлекаются каменная соль, сера, сульфидные и токсичные минералы, пусть даже и в оксидной форме. Отвалы, сложенные такими породами, не могут осваиваться растительностью. Просачивающиеся сквозь них атмосферные осадки будут насыщаться солями и кислотами, в результате чего их состав станет опасным для живых организмов. В таких случаях рекультивация земель после разработки подобных месторождений значительно сложнее и дороже.

Однако состав и сложение пород — не единственный фактор, определяющий условия восстановления земель после отработки месторождения. Ряд характеристик, таких, как форма рудных тел и глубина их залегания, физико-механические свойства руд и вмещающих пород, условия обводненности геологического разреза, также определяют схему разработки месторождения, применение той или иной технологии и техники, приемов складирования вмещающих и перекрывающих пород, т. е. от них во многом зависят и характер воздействий разработки месторождения на природу и условия восстановления ландшафтов, а точнее — воссоздание (или реконструкция) ландшафтов после отработки месторождения.

Анализ существующего положения с эксплуатацией различных категорий ландшафтов в зависимости от тех их свойств, которые предопределяют предпочтительность того или иного вида использования ландшафта с учетом изложенных выше предварительных замечаний, позволяет сгруппировать ландшафты по степени их технофильности в следующий ряд.

1. Уникальные, или типичные, ландшафты, которые по своей значимости являются или могут быть объявлены памятниками природы, биосферными заповедниками, национальными парками, памятниками садово-паркового искусства. Все они могут использоваться только в соответствии с их назначением, а система охраны должна обеспечить сохранение первоначального состояния ландшафта на неопределенно долгое время.
2. Ландшафты, обладающие высокими рекреационными показателями, —курортные зоны, зеленые зовы внутри и вокруг городов, территории заказников и охотничьих угодий. Сохранность их должна обеспечиваться инженерным обустройством и биологической мелиорацией — постоянным восстановлением растительных сообществ, локализацией очагов повышенной нагрузки на почвенно-растительвый покров, регулярным уходом за насаждениями.
3. Ландшафты, несущие в своих недрах месторождения полезных ископаемых (кроме широко распространенных строительных материалов и пресных подземных вод). Направленность и характер их использования рассмотрены выше; здесь важно подчеркнуть лишь необходимость восстановления на заключительной стадии эксплуатации этих месторождений продуктивности ландшафтов.
4. Сельскохозяйственные и лесные ландшафты, которые используются для получения сельскохозяйственной или лесохозяйственной продукции. Их охрана состоит в рациональном, технологически и экологически грамотном использовании.
5. Ландшафты непродуктивные, которые малопригодны для сельского хозяйства или создания рекреационных зон, не содержат полезных ископаемых и могут быть использованы для промышленного или гражданского строительства. Вне зависимости от места, занимаемого ландшафтами в ряду, классификация подчеркивает характер их свойств, в известной мере предопределяющих возможные направления их комплексного использования и, следовательно, техногенных нагрузок, которые могут возникнуть в результате такого использования.

Что же такое устойчивость ландшафта к техногенным воздействиям и каковы критерии этой устойчивости? Строго говоря, устойчивость геологической среды можно оценить лишь на основе рассмотрения всех или по крайней мере большинства возможных техногенных процессов, в том числе затрагивающих устойчивость геологической среды опосредованно. Например, эрозионные процессы могут быть вызваны непосредственным механическим разрушением поверхности земли, а могут начаться вследствие уничтожения растительного покрова, в частности, под воздействием токсичных дымовых выбросов промышленных предприятий. Однако характер и интенсивность эрозионных процессов будут в конкретной зонально-географической ситуации определяться свойствами геологических тел, образующих литогенную основу ландшафта.

В этой связи представляется правомерным из всего многообразия техногенных процессов, происходящих в ландшафте, рассматривать только те, которые протекают или могут развиваться в геологической среде под влиянием механических воздействий — техногенных или природогенных, т. е. имеющих техногенное начало.

Заметим, что любое механическое разрушение почвенного слоя или поверхности земли и изъятие из недр некоторого объема горной массы, особенно открытыми горными работами, неизбежно приводит к возникновению или усилению экзогенных процессов, разрушающих природные ландшафты. В этом смысле механические нагрузки на ландшафты — весьма типичное явление техногенеза. Реакция геологической среды на эти нагрузки проявляется в активизации многих геологических процессов и в появлении новых их видов, ранее в данном районе не существовавших.

Можно полагать, что устойчивость геологической среды к техногенным механическим воздействиям сопоставима с устойчивостью ее к экзогенным геологическим процессам и определяется прежде всего прочностью горных пород. Следовательно, подходы к оценке геологической среды по степени устойчивости к механическому воздействию и к экзогенным геологическим процессам могут быть едиными.

Наиболее приемлемым из существующих приемов изучения устойчивости территории является метод оценки геодинамического потенциала, который определяет степень потенциальной подверженности территории геологическим явлениям. Следовательно, геодинамический потенциал — вероятностный показатель, отражающий возможность возникновения того или иного геологического явления или нескольких различных явлений, которые могут произойти в случае механического нарушения поверхности земли. Очевидно, что чем выше потенциальная возможность возникновения таких геологических явлений, тем ниже устойчивость геологической среды к техногенным нагрузкам.

Иначе говоря, степень устойчивости геологической среды к техногенным нагрузкам является величиной, обратной геодинамическому потенциалу. К факторам, которые обычно учитываются при определении геодинамического потенциала, относятся сложение и мощность четвертичных покровных и подстилающих их коренных пород, густота и характер тектонических разрывов, крутизна склонов, густота и глубина вреза речной сети, годовая сумма атмосферных осадков, гидрогеологическая обстановка (в частности, наличие и выдержанность водоносных горизонтов), распространение эрозионных и абразионных (на побережьях морей и озер) процессов и, наконец, степень нарушенности территории техногенными процессами.

При оценке устойчивости геологической среды обширных территорий, отличающихся сейсмической активностью, должен учитываться и этот фактор. Хотя в значительной мере его действие находит отражение в развитии современных экзогенных процессов, таких, как сейсмодислокация поверхности, оползни, появление эрозионных форм, наследующих ослабление зоны, и других, характерных для активных сейсмических районов морфологических особенностей склонов. В определенном смысле именно развитие современных экзогенных процессов во всем их многообразии является показателем устойчивости геологической среды. Значительно сложнее оценить устойчивость к механическому воздействию массивов мерзлых пород. Изменение теплового баланса поверхности земли, вызванное ее нарушением, в условиях мерзлой зоны нередко приводит к таянию подземных льдов и разрушению льдистых связей пород до полной потери их несущей способности.

Если принять во внимание, что содержание льда в массивах пород нередко измеряется десятками процентов, нетрудно представить себе последствия катастрофического таяния подземного льда. Здесь можно отметить три класса геологической среды, отличающиеся устойчивостью по отношению к механическому воздействию, сочетающемуся с тепловым.

1. Мерзлые массивы, сложенные достаточно крепкими породами с присущими им литогенетическими связями. Переход таких пород в талое состояние не вызовет каких-либо последствий, и оценка их устойчивости может осуществляться по принципам, изложенным выше для талых пород.
2. Мерзлые массивы, сложенные несвязными породами, находящимися в воздушно-сухом состоянии (так называемые морозные массивы). Переход их в талое состояние не сопровождается существенными изменениями прочностных свойств. Мерзлые массивы, сложенные породами, характер связей которых обусловлен их льдистостью. Таяние таких пород сопровождается потерей льдистых связей, переходом их в плывунное состояние, а при значительном содержании льда также существенным преобразованием рельефа в результате термокарстовой его переработки.

При региональной оценке устойчивости геологической среды на территории криолитозоны в качестве показателей устойчивости можно использовать степень распространенности криогенных геологических процессов, в первую очередь таких, как термокарстовые, термоэрозионные и др.

Итак, мы рассмотрели вопросы устойчивости геологической среды в отношении механического воздействия на нее, обычно связанного с изъятием вещества из недр земли или подготовкой поверхности для целей строительства. Однако необходимость оценки устойчивости геологической среды может возникнуть и в связи с иным характером техногенных нагрузок, например при складировании на поверхности земли массы вещества (такие случаи возникают при создании водохранилищ и строительстве городов), воздействии на поверхность земли токсичных выпусков и выбросов, создании подземных хранилищ, извлечении из недр жидких и газообразных полезных ископаемых.

Привнесение (и складирование) массы вещества на поверхности или в недрах земли вызывает широкий спектр воздействий, обычных при крупном строительстве, горных разработках, создании и заполнении водохранилищ. Принципиально отличается оценка устойчивости геологической среды к привнесению массы вещества на поверхность земли и в ее недра, например при создании подземных нефте- и газохранилищ, захоронении промышленных сточных вод в водоносные горизонты.

Оценка состояния геологической среды под нагрузкой сводится к обычной инженерной задаче определения устойчивости основания фундамента. Сложнее оценить изменения устойчивости геологической среды в границах таких крупных объектов, как современные города или водохранилища. Помимо частных оценок, связанных со строительством зданий, приходится также учитывать возможные изменения уровня грунтовых вод, несущей способности пород основания фундаментов, положения поверхности под нагрузкой и в связи с эксплуатацией подземных вод (что нередко вызывает опускание поверхности), а также последствия динамических нагрузок.

Извлечение из недр земли жидких или газообразных продуктов, включая попутные воды месторождений твердых полезных ископаемых и пресные подземные воды, вызывает широкий комплекс изменений геологической среды, из которых важнейшим и определяющим состоянием природных ландшафтов является образование обширных зон понижения подземных вод — депрессионных воронок, меняющих водный баланс поверхности, условия увлажнения корнеобитаемого слоя растений и вызывающих ряд других неблагоприятных последствий.

Крупные массированные откачки подземных вод бывают связаны с их эксплуатацией или с осушением месторождений твердых полезных ископаемых при их разработке. Однако это не значит, что при разработке таких месторождений всегда производится массовая откачка подземных вод и возникают отрицательные последствия. Например, если месторождение полностью залегает в мерзлых породах, а такие месторождения известны в Якутии, на Крайнем Севере и Северо-Востоке России, его разработка практически не требует откачки подземных вод. И, наоборот, мощные и обширные депрессионные воронки, приводящие к нарушению водного баланса поверхности, местному иссушению рек, верхних водоносных горизонтов и почв, ухудшению обшей экологической ситуации, формируются в тех случаях, когда месторождения эксплуатируются вне зоны распространения мерзлых пород, особенно на равнинах или в условиях относительно слабой расчлененности.

Неблагоприятные гидрогеологические последствия могут сочетаться здесь с геохимическими, если откачиваемые из недр воды обладают высокой засоленностью или содержат значительные количества растворенных тяжелых металлов, сероводорода и других токсичных соединений. В этих случаях откачиваемые рудничные воды могут обладать неблагоприятными свойствами и оказывать загрязняющее воздействие на поверхностные водные объекты.

Наконец, существенное воздействие на состояние геологической среды оказывает регулирование поверхностного стока путем создания и эксплуатации водохранилищ, строительства и эксплуатации мелиоративных систем. Эти мероприятия вызывают коренные изменения гидрогеологических условий, инженерно-геологической и геохимической обстановок, а также других характеристик геологической среды.

Приведенные суждения позволяют сформулировать основы охраны геологической среды, под которой правомерно понимать систему мероприятий, обеспечивающих выполнение следующих условий:

1. Полное извлечение из недр и рациональное использование запасов основных полезных ископаемых и сопутствующих им полезных компонентов, включая породы, перекрывающие или вмещающие полезные ископаемые, и подземные воды хозяйственно-питьевого или любого другого назначения. Понятно, что рациональное использование вскрышных или вмещающих пород подразумевает их применение в первую очередь для заполнения выработанного пространства или рекультивации земель, создания рукотворных, экологически полноценных ландшафтов на месте бывших открытых горных разработок.
2. Возможность использования геологической среды как пространства для подземного строительства; прокладки коммуникаций; размещения производств, не требующих наземного расположения; создания хранилищ нефти, газа и других веществ, материалов и продуктов, отходов производства, а также для создания искусственных запасов подземных вод, используемых для питья и хозяйственных целей.
3. Предотвращение загрязнения геологических объектов и содержащихся в них подземных вод при горных разработках, создании различных поверхностных накоплений, захоронении промышленных отходов и сточных вод или при иных видах использования геологической среды. Необходимо иметь в виду, что на десятки и даже сотни метров в глубину может простираться зона пресных подземных вод, которые используются для водоснабжения и могут выходить на поверхность в виде источников, питающих чистой водой реки и озера. Поэтому любое загрязнение подземных вод может пагубно отразиться и на состоянии поверхностных вод, и на возможностях эксплуатации подземных вод. Если к этому добавить, что самоочищение подземных вод происходит намного медленнее, чем вод поверхностных, то опасность их загрязнения представляется очевидной.
4. Сохранение стабильности оснований и фундаментов эксплуатирующихся и строящихся зданий, сооружений и комплексов, жилых массивов и транспортных магистралей с целью предотвращения их разрушения в результате изменения несущей способности горных пород, залегающих в основании этих сооружений, или развития неблагоприятных техногенных геологических процессов, например, карста, суффозии, оползней и др. По существу, за этим условием скрывается цепь событий, состоящая в том, что какие-то инженерные сооружения или комплексы через геологическую среду начинают воздействовать на другие геологические объекты, вызывая нарушение их эксплуатации или деформацию сооружений. Например, создание горных выработок вызывает нарушение пород кровли, оседание или провал земной поверхности и деформацию или разрушение наземных сооружений, оказавшихся в зоне депрессии или в воронке обрушения.
5. Регулирование баланса энергии, минерального вещества и влаги между атмосферой и геологической средой, отвечающего оптимальным условиям существования и развития ландшафтов и образованных ими экологических систем. Этим условием подчеркивается значение геологической среды как литогенной основы ландшафтов.
6. Сохранение или восстановление геологических объектов, представляющих особую научную, эстетическую или историческую ценность, которые можно определить как памятники природы, заповедники и национальные парки.

Необходимо иметь в виду, что многие изменения, происходящие в геологической среде, развиваются незаметно, а когда становятся очевидными, то оказывается, что дело зашло очень далеко, исправлять положение сложно, дорого и технически не всегда возможно.

Наиболее характерный пример в этом плане — загрязнение подземных вод. Оно может распространяться, оставаясь незамеченным, на многие километры, пока не достигнет какого-либо колодца или водозаборной скважины, и тогда обнаружится, что вода непригодна для питья и водозабор надо переносить, сооружать новую скважину; выясняется, что ареал загрязнения распространился и на новую, перспективную для сооружения скважины площадь.

Можно привести другой пример. Строительство города обычно вызывает значительные изменения в составе, температуре и условиях движения подземных вод. Не вдаваясь в детали и природу этих изменений, отметим лишь, что последствиями их могут быть активизация процесса выщелачивания горных пород и развитие в основании города на какой-то глубине техногенного карста, вплоть до образования значительных полостей и воронок, устремляющихся к поверхности, к основаниям отдельных зданий и сооружений. Процесс этот протекает совершенно незаметно, пока вдруг не обнаруживаются провальные воронки на поверхности земли, и хорошо, если вовремя будут выявлены те здания, которые оказались над еще скрытыми провалами.

Приведенные примеры позволяют лучше понять смысл изучения изменений, происходящих в природе под влиянием деятельности человека.