Геоэкология

Накопление горнопромышленных отходов вблизи отечественных ГОКов (зачастую, градообразующих предприятий) приводит к необратимому нарушению экологического равновесия прилегающих территорий. Много лет назад возникла и к настоящему времени не предотвращена угроза полного затопления ценных пахотных земель вблизи Ганского ГОКа (Южный Урал) сильно концентрированными токсичными рудничными водами, обогащенными тяжелыми металлами.

Техногенное геохимическое загрязнение сопровождает не только разработку, но и разведку месторождений, где основными источниками загрязнения окружающей среды являются отвалы канав и штолен, рудничные и дренажные воды. Отвалы поверхностных горных выработок в золоторудных районах Камчатки обычно занимают площади от 1 до 3-5 км3 (Ю.Н. Николаев и др., 1998), на которых почвенный и растительный покров уничтожены или существенно нарушены. Средние содержания химических элементов в отвалах на месторождениях с повышенной сульфидностью золотосодержащих руд превышают ПДК: по Рb и As в 10-20 раз, по Sb, Zn, Mn в 2-3 раза. На месторождениях малосульфидного типа основными элементами-загрязнителями в отвалах канав являются As (до 20 ПДК), Нg, Рb и Аg (до 2 ПДК). Отвалы разведочных штолен - наиболее мощные локальные источники загрязнения окружающей среды. Загрязнение от штольневых отвалов распространяется на прилегающие к ним участки пойм речных долин (S = 1-3 тыс. м2).

Современная техногенная геохимическая аномалия, связанная с промышленной зоной Тырныаузского комбината (Северный Кавказ), сформировалась вследствие механической, водной и воздушной миграции вещества при эксплуатации месторождения и работе комбината, который в целом представляет собой комплекс предприятий, связанных с добычей и обогащением вольфрам-молибденовых руд (карьеры открытой добычи, обогатительная фабрика с хвостохранилищами). Техногенные потоки имеют полиэлементный состав: висмут, молибден, вольфрам, в незначительных количествах - олово, сурьма, мышьяк (Т.А Барабошкина, А.А. Махорин, 1999 г). Гидрохимический техногенный ореол в водах р. Баксан фиксируется на локальных участках ниже Былымского хвостохранилища и в местах сброса рудничных вод. В донных осадках в местах поступления в гидросферу рудничных вод формируются геохимические аномалии вольфрама, олова, молибдена и висмута. В пределах геохимических аномалий наблюдается резкий избыток Мо в травах (30-300) мг/кг. Среди типичных профессиональных заболеваний в районе Тырныаузского комбината, вызванных техногенной аномалией и пылевым разносом, отмечается пневмокониоз, хронический пылевой бронхит, пылевой ларингофарингит.

Техногенное геохимическое загрязнение по своим параметрам может существенно превосходить природное. Уральский регион вызывает пристальный интерес не только как зона экологического бедствия, но и как территория с многочисленными техногенными месторождениями, содержащими широкий спектр металлов, особенно благородных (золото, серебро) и редких. Важным источником цветных металлов и объектом для переработки на цветные, благородные и редкие металлы являются в первую очередь отходы медеплавильных комбинатов Урала, частично отходы ферросплавного производства, возможно, даже золы уральских ГРЭС. Грунты предприятия, перерабатывающего черновую медь, содержат Сu, Zn, Pb, As, Cr, Sn, при концентрации меди более 1% и довольно высоких концентрациях золота и серебра. При этом содержания ряда элементов (свинец, мышьяк) в отходах производства (шлаках) и грунтах несколько выше, чем в перерабатываемом рудном концентрате.

По оценкам экспертов, к началу XXI в. в общем потреблении меди, свинца, олова, алюминия и других цветных металлов доля вторичного сырья в развитых странах составит 30-50 %. Существующие запасы промышленных стоков и отходов горно-обогатительных комбинатов уже сегодня более предпочтительны для извлечения полезных компонентов, чем природные месторождения. Так, при производстве цветных металлов в США используется до 90 различных видов горных отходов. Степень же использования отечественных горнопромышленных отходов не превышает 10 % годового объема их накопления. В России плохо обстоят дела не только с извлечением ценных металлов, но и с утилизацией высокотоксичных техногенных отходов, которые подвергаются выветриванию и размыву.

В целом размеры техногенных геохимических аномалий урбанизированных территорий достигают сотен и тысяч км2. Конфигурация техногенных ореолов рассеяния зависит от розы ветров, рельефа, типа застройки, мест прохождения автотранспортных магистралей и т.д.

Вблизи крупных городов происходит накопление ТБО, которые при неправильном и несвоевременном удалении и обезвреживании могут загрязнять окружающую среду и создавать техногенные геохимические аномалии. По морфологическому признаку ТБО подразделяются на компоненты: бумагу (картон), пищевые отходы, дерево, металл (черный и цветной), текстиль, кость, стекло, кожу, резину, камни, полимерные материалы и пр. (не классифицируемые части). Сезонные изменения состава ТБО характеризуются увеличением содержания пищевых отходов с 20-25 % весной до 40-55 % осенью, что связано с большим потреблением овощей и фруктов в рационе питания. Способы обезвреживания и утилизации различны: складирование на полигонах, сжигание, компостирование, механизированная сортировка и др. В России 96,7 % массы ТБО лишь складируется на полигонах, зачастую специально не оборудованных. Все компоненты отходов в той или иной степени с различной скоростью со временем разрушаются. Продукты разрушения переходят с талыми и атмосферными водами в местные грунты, создавая специфические техногенные геохимические аномалии.

Геохимические агроаномалии соизмеримы с общей площадью сельскохозяйственных угодий. Их возникновению способствуют химизация почв, воздействие на угодья промышленных и бытовых отходов, механический износ используемых сельскохозяйственных орудий, выхлопные газы сельскохозяйственных машин и механизмов, эксплуатационные и технологические разливы топливно-смазочных материалов и их хранение в необорудованных складах. Около 30 % вносимых на поля пестицидов и минеральных удобрений поступают в водные объекты. Сброс загрязненных пестицидами вод с рисовых систем в Ростовской области, Краснодарском и Приморском краях приводит к загрязнению низовьев рек Кубани и Дона, озера Ханка. Источником агроаномалии остаются и крупные животноводческих комплексы, особенно свиноводческие, где для удаления навоза предусмотрен гидросмыв, а также птицефабрики. Большинство из них построены еще в 70-е годы, технологическое оборудование устарело и вышло из строя, а реконструкция и техническое перевооружение осуществляются крайне медленно. На значительных территориях вокруг таких комплексов происходит фильтрация жидкой фракции навоза в почву и грунтовые воды, образуются протяженные гидро геохимические аномалии.

Наиболее негативные воздействия на человека оказывают аномалии ртути, свинца, кадмия, фтора, таллия, бериллия, хрома, мышьяка.

Исследователи многих стран обращают внимание на так называемую "страшную троицу": ртуть, свинец, кадмий. Концентрации ртути влияют на иммунитет, расстройство половых функций, приводят к мутагенным последствиям. Избыток свинца вызывает интоксикацию, поражение центральной нервной системы, печени, почек, половых органов, разрушает красные кровяные клетки. Аномалии кадмия приводят к атеросклерозу, гипертонии, раку предстательной железы, распаду костных тканей.

фтор относится к элементам, для которых характерен относительно резкий переход от физиологически необходимых концентраций до вредных. Для фтора характерен один из самых высоких показателей глобальной деструктивной активности - почти как у Cd; выше он только у ртути. Много фтора попадает в окружающую среду с фосфатными удобрениями, пестицидами, с осадками отстойников и различными отходами горно-геологических предприятий. При определении экологического состояния территорий применяется такой биогеохимический показатель, как содержание F в укосах растений и растительных кормах (мг/сут): экологическое бедствие - при недостатке < 1 или при избытке > 200; чрезвычайная ситуация - 2-10 или 50-200; относительно удовлетворительная - 10-20 [27].

В ближайшем будущем прогнозируется резкое возрастание концентраций таллия и бериллия. Появление незначительных содержаний таллия в тканях и органах человека вызывает боли в сердце, суставах, выпадение волос; высоких - нарушение деятельности желудочно-кишечного тракта, галлюцинации, конвульсии и смерть от паралича легких.

Содержание бериллия над территорий Ладожского озера (чистый район) составило 0,6 мкг/м3, аномальные концентрации бериллия в Ленинградской зоне типичны для районов ТЭС (радиус 15 км) и достигали 8,0 мкг/м3 [27]. Поведение Be в техногенезе детально изучено для бериллиевых производств, которые весьма опасны в связи с чрезвычайно негативным воздействием этого элемента и его соединений на различные органы человека. Бериллий усиливает перерождение клеток, приводит к раку легких и остеосаркоме. Особенно опасны аварийные ситуации. Так, при возгорании бериллиевой пыли и взрывах на Ульбинском металлургическом заводе в 1994 г. пылегазовые выбросы, в 60-890 раз превышающие норму, распространились над большой территорией, на которой проживает около 120 тыс. жителей.

Горно-геологические добывающие бериллиевые предприятия, а также редкометалльные ГОК и месторождения, где получают Be попутно, экологическими исследованиями не охвачены, что является ближайшей задачей экогеохимии.

5.4. Характеристика неблагоприятных геодинамических процессов, влияющих на состояние геологической среды и биосферу

На состояние геологической среды и верхней части геологического разреза в первую очередь оказывают влияние природные экологически неблагоприятные экзогенные и эндогенные процессы. К первым относятся склоновые гравитационные процессы, формирующие подвижные и закрепленные осыпи, оползни, крип, разнообразные процессы, происходящие в областях развития многолетнемерзлых пород - в криолитозоне. Эти процессы экзогенной геодинамики создают поля развития неблагоприятных в экологическом отношении образований: крупнообломочных и щебенчатых отложений, скальных выходов и уступов и др.

Проявлениями экологически неблагоприятных эндогенных процессов являются зоны сейсмичности и сейсмоактивные разрывные нарушения, современный вулканизм и сопутствующая ему сольфатарно-фумарольная деятельность.

Экзогенные и эндогенные процессы часто взаимосвязаны друг с другом и причинно обусловлены. Так, землетрясения являются причиной опасных гравитационных процессов.

5.4.1. Гравитационные процессы

Гравитационные процессы выражаются в перемещении горных пород под действием силы тяжести из возвышенных участков рельефа в пониженные. Часто их называют склоновыми, так как они проявляются на склонах гор, крутых берегах морей, речных долин. Горные породы, находящиеся на поверхности земли в устойчивом положении, в ряде случаев легко могут быть выведены из состояния равновесия. Причиной нарушения равновесия могут служить землетрясения, подмыв склонов при боковой эрозии, абразии, работа подземных вод, антропогенная деятельность. Их движению способствуют также выветривание, перемещение воздушных масс и т.д.

Отложения, образующиеся в результате гравитационного перемещения, называют коллювием. Они состоят из разнообразных по размеру обломков горных пород: глыб, щебня, песков, алевритов, глинистых частиц. Современные коллювиальные отложения обычно рыхлые или слабосцементированные.

Гравитационные перемещения совершаются либо быстро, практически мгновенно (катастрофически), либо медленно. К ним относят провалы, обвалы, камнепады, оползни, осыпи.

Провалы возникают при наличии в горных породах подземных пустот, полостей, зон повышенной трещиноватости. Нависающие над этими полостями породы испытывают проседание и обрушение под действием силы тяжести. Провалы сводов подземных пустот часто происходят на глазах у людей.

Непосредственной причиной провалов часто являются землетрясения. Во время землетрясения 1868 г. в Чили в провальной котловине оказался город Кантакчи. Во время землетрясения 1862 г. в Прибайкалье под уровень вод озера Байкал опустился участок Цыганской степи площадью 100 км2, образовав залив Провал глубиной 8 м.

Часто случаются провалы в неглубокозалегающие карстовые пещеры, а также в заброшенные подземные горные выработки. В 1939 г. в Татарии возник Акташский провал. Свод карстовой полости провалился под тяжестью трактора, пахавшего поле. В результате образовалась "шахта" глубиной 52 м с овальным отверстием диаметром 4 м. Через 10 лет отверстие расширилось из-за обвалов до 30 м.

Вследствие провалов на поверхности образуются ямы, колодцы, котловины. Глубина последних бывает иногда огромна. Так, в Японии после землетрясения 1923 г. дно залива Сагами опустилось на 300 - 400 м.

Обвалы развиваются на отвесных и крутых склонах, параллельно которым закладывается система трещин бортового отпора. Под действием физического выветривания трещины расширяются. Часть пород, отделенная от коренного массива, отклоняется в сторону склона, а затем под действием силы тяжести опрокидывается на поверхность склона, распадаясь на отдельные обломки.

Наиболее грандиозные обвалы связаны с землетрясениями. Так, на Памире в 1911 г. обрушилась масса пород объемом 8 млрл т. Обломки перегородили р. Мургаб, образовав плотину высотой 600 м.

Разновидностью обвалов являются камнепады - отрыв и перемещение по склону вниз отдельных глыб и крупного щебня.

На крутых склонах, сложенных легко выветриваемыми породами, возникают осыпи - перемещающиеся по склону щебень и дресва, представляющие собой продукты физического выветривания.

Если склон сложен водоносными и водоупорными породами, то в результате гравитационного перемещения части склона образуются оползни. В оползневых перемещениях могут участвовать крупные блоки твердых пород (блоковые оползни), отдельные глыбы (глыбовые оползни), менее прочные, сильнотрещиноватые породы, рыхлые коллювиальные, делювиальные отложения, почвы.

Масса грунта, отделившаяся от склона и медленно сползающая вниз по наклонной поверхности скольжения (ложе оползня), часто сохраняет монолитность (рис. 5.4). Последним оползень отличается от обвала, при котором оторвавшаяся масса скатывается сразу, распадаясь при этом на отдельные обломки, рассеивающиеся часто на большое расстояние друг от друга.

Рис. 5.4. Продольный (вдоль оси) разрез оползня (по И.С. Рогозину)

Оползневые тела движутся по сравнению с обвальными значительно медленнее. Так, установлено, что крымские оползни перемещались в год на расстояние от 0,1 до 100 м. Это движение было неравномерным: фаза относительно быстрого движения сменялась медленными и даже длительного покоя.

Кроме ложа оползня выделяют также тело оползня - сползшую массу грунта, подошву оползня - его основание, нижний край, представляющий выход поверхности скольжения у подножия склона или близ него. Объемы оползневых тел достигают грандиозных размеров. В Дагестане известны оползневые тела объемом более 200 млн. м3, смещенные на 2 км.

Иногда масса оползня вследствие различных внутренних и внешних сопротивлений подвергается при сползании деформации. Поверхность оползня может приобрести неправильно- бугристый вид - образуются оползневые бугры. Если тело оползня сложено глинистой водоупорной массой, то в его западинах могут застаиваться атмосферные воды, образуя небольшие болотца в оползневых западинах. В местах развития оползней часто можно наблюдать очень характерное явление («пьяный лес»): стволы деревьев, произрастающих на оползневых буграх, приобретают различный наклон.

Активизация оползневого процесса может быть связана с боковой эрозией, абразией берегов. Дополнительные поступления воды в массив горных пород в период таяния снегов, ледников, после сильных и продолжительных дождей также активизируют процесс образования оползней. При землетрясениях возникают сейсмогенные оползни.

Деятельность человека вызывает появление антропогенных оползней. Это неумеренный полив расположенных по краю или вблизи водоразделов садов и огородов, спуск излишней воды по незакрепленным канавам, устройство поглощающих колодцев, образование вблизи верхнего края косогора и на водоразделе всякого рода естественных и искусственных скоплений воды (озерки, болотца, запруды, образуемые иногда железнодорожной насыпью, и т.д.) - вообще все, что может вести к обильному просачиванию воды в грунт и к усилению деятельности грунтовых вод при благоприятных гидрогеологических условиях.

В числе техногенных причин возникновения оползней также можно назвать следующие: подрезка склонов и устройство различных выемок; увеличение нагрузок на оползневые склоны в результате их застройки; уничтожение растительного покрова; активизация динамических нагрузок (удары, вибрация, работа транспорта и др.), разрыхление пород в связи с проходкой подземных выработок.

На Воробьевых горах, в Филях-Купцеве (Москва) массовые оползневые процессы отмечаются с периодичностью 9-11 лет. Активизация оползневых процессов зафиксирована здесь в 1962-63 гг., 1973-76 гг., 1983-1986 гг. Как раз на эти периоды приходятся и строительство филевской линии метро, и разрушение лифтовой галереи метромоста, который подрезает склон реки. Противооползневые мероприятия на правом, высоком (220 м) берегу Москвы-реки, которые все-таки здесь проводятся, замедлили оползневые процессы, но полностью их не предотвратили. Так, перемещения оползневых тел на Воробьевых горах отмечаются сегодня на протяжении 550-600 метров от бровки склона в сторону реки.

Оползни - бич национального хозяйства. В долинах рек это частое и широко распространенное явление. Обычно они приурочены к высоким правобережным склонам, нередко подмываемым жмущейся к ним рекой и сложенным часто из рыхлых песчано-глинистых отложений, переслаиваемых или подстилаемых водоупорными глинами. Особенно подвержено оползням высокое побережье Волги в пределах Горьковской, Ульяновской и Саратовской областей. Оползни известны также в долине р. Оки, в долинах Дона, Днепра (у Киева) и во многих других местах. Помимо речных долин оползни могут развиваться и на морских берегах (берега Черного моря у Одессы) или на береговых склонах (оползни Крыма, Черноморского побережья Кавказа). Оползни приводят к уничтожению сельскохозяйственных угодий, построек, мостов, дорог. В Саратове в 1884 г. оползнем на берегу Волги было уничтожено более 300 домов. Срочные дополнительные противооползневые мероприятия требуются в нижней части участка Коломенское (Южный округ, г. Москва), где по склону проложены две ветки действующих Чертановских канализационных коллекторов, аварийные выпуски которых предусмотрены в р. Москву. Разрыв коллектора диаметром 1400 мм уже имел место в конце 1978 г., что привело к загрязнению Борисовских прудов, куда на время ремонта коллектора был направлен сброс канализационных вод. Разрывы другой ветки коллектора диаметром 900 мм отмечались неоднократно. Построенные с опозданием (только в 1975 г.) и не в полном объеме противооползневые сооружения оказались неэффективными и потребовали осуществления дополнительных мер - сооружения в русле реки перед набережной упорной призмы шириной 30 м и длиной 400 м.

В декабре 2000 г. на севере Португалии, в 300 км от Лиссабона из-за оползня, вызванного проливными дождями, произошла крупная железнодорожная авария - сошел с рельсов пассажирский поезд. Погиб машинист поезда, пятеро из шестидесяти пассажиров получили ранения.

Помимо вышеописанных явлений существуют и медленные гравитационные перемещения дезинтегрированных отложений, называемые крипом.

Выделяют глубинный крип - перемещение материала в глубь Земли и склоновый крип - перемещение материала вниз по склонам. Крип обусловлен уплотнением рыхлых пород - лесса, глины на глубине; образованием на глубине разуплотненного вещества вследствие таяния и замерзания воды (криогенный крип) или откачкой подземных вод, нефти, газа и т.д. (антропогенный крип). В результате крипа на поверхности рельефа образуются плоские блюдцеобразные котловины, оголяются склоны, возникают холмистые нагромождения коллювия у подножий склонов.

В 1996 г. на севере Орловской области началась активизация «оползневых процессов», полоса которых правильной дугой проходила через города Волхов, Мценск, Знаменское, Новосиль и Хомутовский район. Однако, судя по описанию болховских оползней, здесь, по-видимому, шло интенсивное «всасывание» дезинтегрированного материала в большую котловину, связанное с антропогенным крипом. Летом 1999 г. вблизи болховских «оползней» можно было наблюдать постоянно осыпающуюся землю и даже слышать ее шуршание. К краю котловины местные жители подходить опасались - была опасность рухнуть вместе с осыпающейся землей прямо в глиняную жижу и утонуть в ней. На дне оползня образовались настоящие зыбучие пески, в которые, на глазах очевидцев, засосало бездомную собаку. Дома проваливались под землю с тихим скрипом, но очень медленно - так, что люди успевали покидать жилища. В результате крипа в г. Волхове было разрушено пять домов. Причин образования болховских «оползней» называлось много. Однако стоит заметить, что город в течение многих лет использовал подземные воды для местных нужд, до настоящего времени в городе действуют старинная водонапорная башня и водопровод времен Николая II.

5.4.2. Экологически неблагоприятные явления, связанные с деятельностью подземных вод и процессами, протекающими в криолитозоне

Геологическая среда и особенно верхняя часть геологического разреза являются областью активной циркуляции подземных вод, чему способствуют пористость, трещиноватость и водонасыщенность горных пород. Подземные воды определяют возникновение разнообразных форм и явлений, влияющих на характер экосистем и хозяйственную деятельность человека. К таковым относятся в первую очередь различные карстовые и суффозионные формы, а также явления, протекающие в областях распространения многолетнемерзлых пород - криолитозоне.

Поверхностные карстовые формы образуются в тех случаях, когда растворимые горные породы - известняки, доломиты, мел, гипс, каменная соль -- либо обнажаются на поверхности земли, либо неглубоко залегают под маломощным покровом рыхлых четвертичных отложений, контактирующих на глубине с водоупорными подстилающими породами (рис. 5.5). Циркулирующие на поверхности или внутри пород (по трещинам) воды, растворяют и уносят материал в виде раствора, нарушая связь между нерастворимыми или плохо растворимыми частицами. В результате возникают такие формы, как каровые поля, карстовые воронки и поноры, карстовые котловины, полья, колодцы, шахты и пропасти.

Каровыми полями называют обширные площади, покрытые карами - неглубокими (от нескольких сантиметровм до 1-2 м) углублениями рытвинообразной и дырообразной формы. Передвижение по ним очень утомительно и даже опасно.

Рис. 5.5. Идеальный карстовый массив (И.С. Щукан, 1064)

Размещено на Allbest.ru

.Известняковая толща (A-AV) водоупорные породы (В-В); воронки и крупные провалы Р над подземными пустотами; а-а - зона вертикальной циркуляции вод; в-в - зона глубинной горизонтальной циркуляции вод; S - места выхода источников воды; М - мешкообразная долина реки; направление подземной циркуляции вод показано стрелками.

Карстовые воронки имеют различные формы (конические, чаше - и блюдцеобразные) и размеры, достигающие 20-30 м глубины и первых сотен метров в поперечнике. На дне воронок располагаются вертикальные, наклонные, реже горизонтальные ходы в виде щелей или колодцев - поноры. Иногда поноры образуются и непосредственно на поверхности в результате расширения стенок открытых трещин и узлов их пересечения. Через поноры поверхностные воды проникают в глубь пород.

Карстовые котловины - замкнутые понижения, возникающие в результате слияния карстовых воронок.

Наиболее крупные из них - полья занимают обширные площади в десятки и сотни км3, достигая глубины многих десятков и сотен метров. Полья образуются главным образом в карстовых странах Балканского полуострова, на Ионических островах, на острове Ямайка, в горных областях. Одно из наиболее крупных - Ливанское полье в Боснии (Балканский полуостров) занимает площадь 379 км3.

Карстовые колодцы, шахты и пропасти формируются в результате дальнейшего расширения и углубления понор. Когда колодцы и шахты достигают нескольких сотен метров в глубину, они приобретают вид грандиозных пропастей.

Поверхностные карстовые формы превращают территории в труднопроходимые местности, непригодные для проведения механизированных сельскохозяйственных работ и дорожного строительства. С этими формами связаны также периодически исчезающие озера, известные в Ивановской, Нижегородской, Вологодской и других областях. На дне таких озер располагаются карстовые воронки, поноры которых закупорены озерными осадками. Исчезновение озерных вод, вероятно, связано с всасыванием отложений в водопоглощающие поноры и с понижением уровня подземных вод.

Карстовые воронки на юге Московской области используются населением для осушения болот и сырых лугов путем прокладки от обводненных участков дренажных канав к ближайшим понорам. Исследования в Тульской области показали, что в лощинах с карстовыми провалами луговые угодья отличаются от лощин без провалов лучшими качествами: поглощение поверхностных вод провалами предохраняет луговые угодья от заболачивания и эрозии [32]. Однако часто население карстовых районов использует карстовые шахты и колодцы в целях захоронения трупов павших домашних животных или как места для свалки бытовых отходов, что приводит к загрязнению карстовых источников питьевой воды.

Подземные карстовые формы создаются подземными водами внутри растворимых горных пород. Они представлены в первую очередь карстовыми пещерами и каналами, широко развитыми в горах и равнинных областях. Пещеры состоят из системы горизонтальных, наклонных, вертикальных, часто ветвящихся каналов, переходящих в огромные залы и гроты. Причудливые очертания пещер и каналов обусловлены сочетаниями трещин и неоднородностью состава карстующихся пород.

Наличие подземных карстовых полостей вызывает на поверхности образование правильных воронок и пропастей.

Образование подземных карстовых пустот часто приводит к катастрофическим последствиям и явлениям. Основными из них являются: 1) просадки и провалы жилых зданий и хозяйственных сооружений, расположенных над подземными полостями; 2) деформации железнодорожного и автомобильного полотна, требующие переноса и восстановления значительных участков дороги; 3) утечки воды из искусственных водохранилищ; 4) обильные притоки карстовых подземных вод в горные выработки, используемые при разработке полезных ископаемых.

Очень важно в хозяйственной деятельности учитывать процессы, протекающие в областях распространения карстующихся пород. Пустые и унылые ландшафты известнякового карста горных стран Европейского Средиземноморья не всегда являлись такими.

Некоторые из этих территорий некогда были покрыты лесами, которые, замедляя и ослабляя поверхностный сток атмосферных вод, способствовали сохранности на крутых склонах почвенного слоя и коры выветривания коренных пород [32]. Истребление лесной растительности на склонах гор привело к усиленной эрозии в рыхлых поверхностных образованиях. Последние были смыты и унесены, частично в подземные пустоты, в результате обнажились известняковые породы. Поверхность известняков покрылась каровыми рытвинами, многочисленными карстовыми воронками и превратилась в пространства, совершенно непригодные для сельскохозяйственного использования. В лучшем случае эти территории могут служить лишь скудным пастбищем для скота.

Печальными примерами недоучета особенностей карстующихся пород могут служить плотины Мария-Кристина, Монт-Хаке и Камаразе в Испании, плотина Сен-Гильельм-ле-Дезер во Франции, плотина Хэлс-Бар на р. Теннесси в США и др. Эти плотины оказались совсем неспособными держать воду: ее так много терялось из-за фильтрации, что приходилось затрачивать большие средства на уплотнение грунта. Некоторые водохранилища из-за большой трещиноватости и водопроницаемости горных пород, слагающих берега, оставались совсем без воды. Иногда вследствие провалов кровли над подземными пустотами разрушению подвергались и сами плотины, удерживающие воду.

Зарегистрированы случаи деформации железнодорожного полотна и полной порчи его образовавшимися провалами над карстовыми подземными пустотами. Такие случаи отмечались в ряде мест на Московско-Курской, Пермской, Крымской ж.д. В 1927 г. из-за образовавшегося огромного провала объемом в 8000 м3 на Уфимском карстовом косогоре на длительное время было прекращено движение поездов и потребовались большие восстановительные работы [33].

В Москве незначительные провалы в карстовые полости периодически происходят под фундаментами жилых домов (Хорошевское шоссе, Новохорошевский проезд) и на проезжей части дорог (ул. Куусинена -1973 г., проспект Маршала Жукова - 1996 г.), а также неподалеку от промышленных предприятий. Глубина провалов достигает 5-8 метров, а иногда и больше. Существуют подземные карстовые пустоты в районе ТЭЦ-16, хладокомбината № 7, использующего в производстве цинк и аммиак. Аварии на подобных предприятиях чреваты экологическими катастрофами.

В 80-е г. при строительстве новых домов в особо опасных районах решили устанавливать противокарстовую защиту - перекрывали сильно закарстованные участки сплошной железобетонной плитой. Это сняло часть проблем. Так, в мае 1987 г, на улице Маршала Тухачевского вблизи дома № 17 появилось воронкообразное углубление с рваными краями диаметром 15 м и глубиной около 2 м. Однако, благодаря такой защитной плите, дом не получил повреждений.

Приток подземных вод из водоносных карстовых горизонтов в подземные выработки (шахты, штольни), нередко внезапный прорыв вод могут угрожать жизни шахтеров. Классическим примером этих неприятных явлений может служить Кизеловское каменноугольное месторождение на Урале, где разрабатываемый пласты угля залегают под закарстованными известняками и доломитами.

Суффозионные западинные формы рельефа образуются в основном в рыхлых песчано-глинистых и лессовых толщах, из которых происходит значительный механический вынос подземными водами твердых частиц. Материал переносится в подстилающие закарстованные горные породы, в результате чего на поверхности возникают провальные формы, напоминающие карстовые, - суффозионный карст (такие образования еще называют ложным карстом, псевдокарстом). Механический вынос твердых частиц циркулирующими по трещинам водами играет главную роль в образовании подобных полых форм. Этому процессу подвергаются породы в основном обломочного происхождения: песчаники, конгломераты, брекчии, глинистые породы. На выходах подземных вод на склонах речных долин образуются небольшие полукруглые выемки - суффозионные цирки.

Суффозионные процессы в определенной геологической обстановке активизируются при прорыве залегающих на глубине водопроводных, канализационных, тепловых коммуникаций. Образующиеся при этом пустоты приводят к возникновению провалов, наносящих значительный материальный ущерб и приводящих к техногенным катастрофам. Так, ночью 14 мая 1998 г. в Москве, на ул. Б. Дмитровка, в результате прорыва водопроводной трубы возникла провальная суффозионная воронка, куда оказались затянутыми легковой автомобиль марки "Джип" и часть жилого дома. Только случайно обошлось без человеческих жертв.

Криогенные (мерзлотно-геологические) процессы широко проявляются в криолитозоне, характеризующейся мерзлым состоянием горных пород из-за присутствия в них льда. Лед заключен в порах и трещинах. Область постоянно мерзлых горных пород и грунтов (криолитозона) приурочена к высоким заполярным и субполярным широтам обоих полушарий (рис. 5.6, 5.7).

Рис. 5.6. Карта распространения многолетней мерзлоты

в Северном полушарии:

1 - зонa с плотного распространения постоянно мерзлых грунтов;

2 - зона прерывистого распространения постоянно мерзлых грунтов;

3 - зона спорадического распространения постоянно мерзлых грунтов |И.С. Щукин, 1964|

Рис. 5.7. Карта распространения многолетнемерзлых пород (ММП) на территории России и сопредельных стран ( К А. Кондратьева, 1976):

1 - зона редкоостровного, островного и массивно-островного распространения ММП со среднегодовыми температурами (tcp) от -3 до -1 °С и мощностью (М) мерзлой толщи от 0 до 100 м; 2-5 зона сплошного распространения МУГП: 2 - tcp от -1 до -3 °С, М от 50 до 300 м; 3 - tcp от -3 до -6 °С, М от 100 до 400 м; 4- tcp от -5 до -9 °С, М от 200 до 600 м; 5 - tcp ниже -9 °С, М от 400 до 900 м и более, 6 -граница зон ММП; 7 - южная граница криолитозоны.

В Северном полушарии, где широко развиты пространства суши и обусловленные этим континентальные условия климата, она простирается далеко к югу, захватывая не только таежную зону, но и проникая отчасти даже в зону степей (Забайкалье и Монголия). Данные бурения шельфа моря Лаптевых и Бофорта свидетельствуют о том, что многолетнемерзлые породы развиты под большим слоем воды и осадков на удалении от берега 50-80 км [29].

Выше многолетнемерзлых горных пород залегает поверхностный слой, промерзающий зимой и оттаивающий летом, который называется деятельным слоем. В весенне-летнее время он оттаивает на глубину от нескольких см до 1,5-2 м. Летом деятельный слой целиком насыщен водой или содержит воду над постоянно мерзлыми слоями (вечной мерзлотой), являющимися по отношению к ней водоупором. Это так называемые надмерзлотные воды. Мощность деятельного слоя имеет большое практическое значение при возведении различных построек в районах многолетней мерзлоты и при учете сельскохозяйственных возможностей территорий.

Осложнения при всякого рода строительствах на мерзлых грунтах заключаются в деформациях поверхности, возникающих из-за нарушения температурного режима грунтов и фазовых изменений содержащейся в них влаги, приводящих к изменению объема грунтов. Другие трудности возникают в связи с водоснабжением населенных пунктов, поскольку подземные воды находятся здесь большей частью в мерзлом, а значит, в неподвижном состоянии.

Под толщей многолетнемерзлых пород циркулируют подмерзлотные напорные воды, находящиеся вне сферы влияния климатических условий. В толще вечной мерзлоты в виде линз могут залегать также межмерзлотные и внутримерзлотные воды, образование которых связано с неравномерным распределением температур в самих многолетнемерзлых породах.

Участки талого грунта, к которым они приурочены, носят название таликов. Ограниченные по протяженности талики развиты под более многоводными реками и большими и глубокими озерами, а также в местах выхода на поверхность подмерзлотных вод в виде источников. Многолетнемерзлая толща в местах развития таликов оказывается как бы разорванной. Талики имеют большое гидрогеологическое значение, так как через них происходит взаимосвязь поверхностных и глубинных вод. Межмерзлотные и внутримерзлотные воды могут так же, как и подмерзлотные воды, приобретать напорные свойства. Напор обычно возникает осенью и зимой во время промерзания деятельного слоя и таликов, когда участки, насыщенные водой, постепенно сжимаются замерзающими и увеличивающимися в объеме окружающими грунтами.

К наиболее неблагоприятным в экологическом отношении криогенным процессам относят термокарст, образование наледей и бугров пучения, солифлюкцию.

Термокарст (т.е. температурный карст) представляет собой процесс таяния подземных льдов или рыхлых пород, насыщенных льдом, сопровождающийся проседанием и провалами поверхности земли и образованием отрицательных форм рельефа. В результате образуются термокарстовые понижения в виде "блюдец" протаивания, западин и котловин, часто округлой формы и глубиной от 8-12 до 20-30 м,

В случае существования поверхностного стока воды, образующейся при вытаивании льда, возникает сухое термокарстовое понижение и процесс вытаивания подземных льдов приостанавливается. Он может эпизодически возобновляться в наиболее теплые годы.

При отсутствии стока в понижениях возникают термокарстовые озера. Вода такого озера, благодаря относительно высокой температуре, способствует дальнейшему развитию процесса и приводит к прогрессирующему углублению озера.

Наледи (якут. - «тарын») образуются в зимнее время, при господстве сильных (до -30, -40 °С) морозов, в результате многократного излияния на поверхность речных, надмерзлотных и межмерзлотных вод и их послойного промерзания. Описываемое гидрологическое явление широко распространено с Восточной Сибири и на Дальнем Востоке. Название «наледь» относится не только к самому процессу излияния воды, но и к сформированной ледяной массе. Крайне распространены речные наледи, образование которых сопровождается постепенным промерзанием рек. Сужение живого сечения русла приводит к возникновению значительного напора подледной воды, которая, находя ослабленные участки, прорывается на поверхность и растекается по ней. Такой прорыв речных вод сначала снижает напор, но продолжающееся промерзание и дальнейшее сужение русла реки могут вызвать новый прорыв воды на поверхность.

Кроме того, возникновение ключевых наледей может быть связано и с излияниями напорных надмерзлотных и подмерзлотных вод. При замерзании деятельного слоя незамерзшая вода, заключенная между многолетней мерзлотой и уже промерзшей верхней частью слоя, приобретает напор, в результате чего она вырывается на поверхность и образует ключевую наледь. Наледи из подмерзлотных вод, имея постоянный источник питания (восходящие источники), действуют и растут в течение всей зимы и могут достигать огромных размеров.

Огромными ключевыми наледями, питаемыми мощными выходами подмерзлотных вод, изобилуют верховья р. Индигирки. Гигантские наледи ключевого происхождения известны также на севере Аляски. Подавляющее число ключевых наледей образуется на «солнцепеке», т.е. на склонах южной экспозиции.

Толщина наледей колеблется от десятков сантиметров до 7-10 м. Площадь их может занимать десятки квадратных километров. Летом большинство наледей растаивает, но некоторые, наиболее мощные, сохраняются все лето до следующей зимы. Примечательно, что поздно тающие наледи, оказывая охлаждающее влияние на прилегающие слои воздуха, создают над наледью и на небольшом расстоянии за ее пределами особый микроклимат: развитие растительности здесь задерживается, и все фазы жизни растений - цветение, плодоношение, созревание семян - запаздывают. Деятельность человека очень часто становится причиной образования наледей даже там, где они в естественных условиях не могли бы возникнуть. Всякая постройка в зоне многолетней мерзлоты способствует утеплению грунта, который не промерзает в зимнее время. Тем самым создаются места для прорыва на поверхность находящихся под напором поземных вод. Следствием является излияние этих вод и образование наледи в подвальных и нижних этажах жилых и хозяйственных помещений, сопровождающееся разрушением полов и даже стен в постройках. Внезапные прорывы наледных бугров могут причинить серьезные ушибы и ранения и даже вызвать смерть людей, случайно оказавшихся возле такого бугра. Для предупреждения прорыва иногда прибегают к проламыванию свода наледного бугра, из которого фонтанами начинает вырываться вода.

Особенно большие помехи создают наледи для транспорта. В узких долинах, заливаемых наледной водой во всю ширину, при образовании наледи, пока вода еще не промерзла, проезд часто бывает совершенно невозможен: выступившая вода, смешанная со снегом, намерзает на ногах лошадей, на полозьях саней и пр. Замерзшая наледь своей бугристой и скользкой поверхностью создает большие трудности для передвижения. Наледь, возникшая на полотне железной дороги, может совершенно перекрыть рельсы. Речные наледи, возникающие вблизи мостов и других сооружений, угрожают им разрушением и т.д.

Бугры вспучивакия (бугры пучения). Не всегда при начавшемся зимнем промерзании грунта напорные воды водоносного горизонта выходят на дневную поверхность. Часто они, не найдя выхода на поверхность, приподнимают и вспучивают в виде бугра верхний мерзлый слой почвы и грунта, образуя так называемые бугры грунтовых наледей. Бугры грунтовых наледей образуются также и при сезонном промерзании влажных или насыщенных водой пород таликов. Рост бугра в высоту продолжается, постепенно замедляясь, до тех пор, пока сопротивление приподнятых слоев нe уравновесит напор поступающей воды. Часто из бугра через трещину в его вершинной части вырывается фонтан воды, которая, разливаясь, замерзает вокруг бугра в виде наледи. Бугры грунтовых наледей разрушаются в ближайшее лето при таянии их ледяного ядра.

В Сибири и в Северной Америке известны также многолетние бугры вспучивания - гидролакколиты («булгунняхи» якутов, «пинго» эскимосов) - с ледяным ядром, из которых излияния воды на поверхность не происходит. Увеличение их объема при образовании льда также приводит к поднятию поверхностного слоя. Последующие промерзания в течение ряда лет формируют крупные гидролакколиты в форме округлых или овальных куполообразных холмов с довольно крутыми (40-50°) склонами и слегка приплюснутой вершиной, с ледяными ядрами. Такие холмы часто поднимаются среди идеально равнинных пространств тундры. Размеры гидролакколитов достигают 100-200 м в поперечнике и 30-60 м высоты. Они характеризуются продолжительным существованием: их рост длится десятки и, может быть, сотни лет, и также медленно происходит их разрушение.

Негативные последствия, связанные с образованием и ростом в грунтах криогенных трещин и наледных бугров проявляются спустя несколько лет после начала их роста. Так, например, деформация дорожных и аэродромных покрытий вследствие растрескивания расчищаемых от снега поверхностей и роста в трещинах жильного льда начинается через 5-7 лет после появления самих трещин. Изучение процесса криогенного растрескивания и образования наледных бугров проводилось в 1986-1990 гг. на аэродроме пос. Амдерма (северо-восток Европейской части СНГ). Первоначально ровная поверхность бетонного покрытия взлетно-посадочной полосы за 30 лет службы аэродрома была вся разбита сетью криогенных трещин, а растепление многолетнемерзлых пород нарушило гидрологический и гидрогеологический режимы грунтов. В Якутске, массовая застройка которого проходила в 60-70-е гг., сегодня разрушаются («плывут») фундаменты многих зданий.

Солифлюкцией называют процесс медленного оплывания и вязкого течения на склонах деятельного слоя.

Солифлюкция имеет характер простого вязкого течения переувлажненных поверхностных образований глинистого состава, происходящего под непосредственным действием силы тяжести. Скорость солифлюкционного перемещения пород вниз по склону достигает нескольких сантиметров в год. Развитию солифлюкции способствуют супесчано-суглинистые отложения, их высокая влажность и уклоны поверхности рельефа от 3 до 15о, обеспечивающие течение увлажненных пород. В ходе солифлюкции происходит формирование из стекающей толщи солифлюкционных потоков (языков) различной протяженности и ширины, а также солифлюкццонных террас. В результате солифлюкции склоны гор приобретают весьма своеобразный вид - на их поверхности образуются гирлянды из хаотично расположенных фестончатых оплывших уступов, которые очень затрудняют в маршрутах продвижение к водоразделу.

С горных склонов значительной крутизны (до 40-45°) происходит перемещение и беспорядочное нагромождение глыбового каменного материала, как правило приуроченное к днищам небольших ложбин. Каменные россыпи - грубые продукты физического выветривания покрывают более пологие участки склонов в виде «каменных морей» на больших пространствах или же спускаются по крутым склонам вниз в виде отдельных полос - «каменных рек», «каменных потоков». Такие каменные потоки называют курумами (тюрк.). Длина курумов колеблется от десятков метров до 1-1,5 км.

Образованию и движению курумов способствуют физическое, преимущественно морозное выветривание скальных пород, последующее выбывание щебнисто-дресвяного материала, заполняющего промежутки между крупными глыбами, и замерзание воды в образовавшихся пустотах в виде гольцевого льда. При подтаивании гольцевого льда происходит переувлажнение подстилающих пород, что может вызвать перемещение всей массы глыб.

Любые хозяйственные мероприятия, проводимые в криолитозоне, нарушают установившийся режим вечной мерзлоты и приводят к оттаиванию многолетнемерзлых пород и возникновению разжиженных масс грунта. Это в свою очередь вызывает деформацию сооружений, вплоть до их полного разрушения.

Растепление миоголетнемерзлых пород происходит также в процессе бурения скважин. В результате таяния подземных льдов породы вблизи скважины переходят в вязкотекучее состояние. В стволе скважины образуются крупные полости, учащаются обвалы пород, что обусловливает частые аварийные ситуации.

В пределах арктического шельфа встречаются мерзлые породы, залегающие непосредственно у поверхности океанического дна. Транспортировка теплой нефти или газа по трубопроводам может вызывать оттаивание медальонов многолетней мерзлоты, что в свою очередь, приведет к неоднородным просадкам дна и неравномерным деформациям самих трубопроводов. Вредные последствия этого процесса для окружающей среду очевидны, значительны затраты на восстановительные работы под водой.

5.4.3. Экологическое значение процессов эндогенной геодинамики - вулканизма и землетрясений

Основными эндогенными геологическими процессами, изменяющими характер экосистем и влияющими на хозяйственную деятельность людей, являются вулканизм, землетрясения и современные (голоценовые) тектонические движения. При этом первые два процесса относятся к катастрофическим, протекающим достаточно быстро, практически мгновенно.

Области проявления современной вулканической деятельности и сейсмической активности густо заселены, что определяет их экологическое значение. К таким областям относятся в первую очередь Средиземноморье, Японский, Индонезийский и Филиппинский архипелаги, Индокитайский полуостров, Центральная Америка, Тихоокеанское побережье Северной и Южной Америки и некоторые другие районы.

Вулканизм представляет собой совокупность процессов, связанных с извержениями на поверхность Земли, в атмосферу и гидросферу разнообразных продуктов вулканической деятельности. Вулканические процессы сопровождаются образованием геологических тел и форм рельефа, сложенных вулканическими горными породами.

Вулканические процессы - одно из наиболее ярких и мощных проявлений геологической жизни Земли; проявляются в форме извержения раскаленной магмы, пепла, вулканических газов, паров воды из недр по трещинам и каналам на земную поверхность, дно морей и океанов. При этом образуются вулканические конусы (вулканы), кальдеры, лавовые потоки, пемзовые покровы. Широко известны такие явления, сопровождающие вулканизм, как гейзеры, термальные источники.

Вулканизм известен с самых ранних этапов геологического развития Земли. На современном этапе вулканические извержения сосредоточены в геосинклинальных поясах - Средиземноморском, Тихоокеанском, в пределах островных дуг и срединно-океанических хребтов.

Экологические последствия извержения наземных вулканов многообразны и часто трагичны. Потоки лавы с температурой до 1000-1200 оС сжигают все живое на своем пути, вулканический пепел и бомбы (раскаленные куски лавы) разрушают постройки. При извержениях пепел способен подниматься в высокие слои атмосферы и тропосферу на 45-50 км и разноситься на сотни и тысячи километров. Объем выброшенного обломочного материала может достигать нескольких кубических километров.

Пепловые извержения нарушают атмосферные равновесия и вызывают опасные побочные явления - сильные ливни и грозы, селевые потоки, способные разрушить инженерные сооружения, уничтожить растительность и животных.

Извержения вулканов почти всегда сопровождаются землетрясениями различной силы, иногда разрывами земной коры, нарушениями вблизи очага всех природных геофизических полей, выделениями разнообразных эманаций, которые могут оказаться гибельными для человека и животных.

При извержении Везувия, расположенного на юге Италии, в 79 г. н.э. были полностью засыпаны раскаленным пеплом и погибли города Помпеи и Геркуланум.

В Восточной Африке в пределах Восточно-Африканской рифтовой системы, где находятся условно потухшие вулканы типа Килиманджаро и более 40 действующих, была обнаружена “Долина смерти”, где животные погибают от скоплений выделяющихся вулканических газов СO2, CO, H2S, CH4, H, HCl и недостатка кислорода.

Сравнительно кратковременные извержения вулканов сменяются длительными периодами поствулканической деятельности. В кратерах и на склонах действующих вулканов формируются термальные источники разнообразного состава, на фумарольных полях образуются месторождения самородной серы, гидротермальные рудные месторождения. После извержения вулканов районы снова заселяются людьми, так как на вулканических породах образуются плодородные почвы.

На самом юге европейской части России, в центральной части Главного Кавказского хребта, находится условно потухший двухвершинный вулкан Эльбрус - высочайший горный массив Кавказа, сохранивший свою внешнюю форму. В его пределах проявляется поствулканическая деятельность преимущественно в форме термальных углекислых минеральных источников. Район отличается повышенной сейсмической активностью.

На территории европейской части России известны проявления древнего палеозойского и мезокайнозойского вулканизма - в форме трубок взрыва, в том числе алмазоносных (Архангельская обл.), потенциально рудоносных и безрудных вулканических образований, гидротермальных месторождений молибдена, ртути, вольфрама, мышьяка (Главный Кавказский хребет).

Слои вулканического пепла обнаружены в четвертичных отложениях южных и центральных районов России. Проявления древнего вулканизма влияют на химический состав подземных вод, взаимодействующих с вулканогенными породами, обогащая их ртутью, мышьяком, бором и другими элементами.

Режим, т.е. периодичность извержений вулканов, даже тех, которые давно наблюдаются людьми, остается во многом неразгаданной тайной. Действующими считаются вулканы, извержения которых хотя бы один раз отмечены за последние 3500 лет. Их общее число на земном шаре - 947. Основные вулканы уже известны, новые вулканы иногда рождаются как подводные, образуя острова в морях и океанах. Точно предсказать место и время очередного прорыва лавы в пределах вулканической постройки достаточно трудно.