В настоящее время существует проблема высокого уровня трансформации геологической среды в результате техногенных воздействий. Техногенная нагрузка происходит на все компоненты геологической среды в результате воздействия различных отраслей. Лидерами считаются добывающая и строительная. Техногенные деформации земной поверхности на нефтегазовых месторождениях. Факт активного развития деформационных процессов (оседания земной поверхности, горизонтальные сдвиги, приповерхностное разломообразование) в пределах разрабатываемых месторождений известен давно, одна из основных причин — отбор пластового флюида. Так на 8,8м за 38 лет опустилась поверхность на нефтяном месторождении Уилмингтон (США).
В горнодобывающей отрасли. Изменение гидрогеологических условий проявляется на всех стадиях освоения месторождений, поскольку ведение горных работ, как правило, требует осушения выработок. При этом формируются депрессионные воронки значительных размеров. Для предприятий угольной промышленности размер воронок обычно равен 1-5 км, на железорудных месторождениях диаметр воронок составляет 15-20 км, для крупных шахтных полей или групп карьеров — 80 км. К примеру, существенное изменение окружающей среды в результате осушения горных выработок произошло в зоне Миргалимсайского месторождения в Казахстане и в Березниках Пермского края.
Влияние отбора подземных вод. Понижение пьезометрических уровней подземных вод и изменений пластовых давлений вызывают изменения напряжений в горных породах, скоростей, а иногда и направлений движения подземных вод, что увеличивает интенсивность суффозионных и карстовых процессов. В одних и тех же условиях понижения уровней приводят к оседанию поверхности земли, а других к образованию провалов. Наиболее широко распространены оседания на тех территориях, где подземные воды заключены в хорошо проницаемых песчано-гравелистых породах с небольшой сжимаемостью, которые переслаиваются с глинистыми слабопроницаемыми, но хорошо сжимаемыми отложениями. При откачке снижается напор подземных вод, что увеличивает эффективное давление на скелет грунта и приводит к уплотнению сжимаемых отложений, а как следствие — к оседанию земной поверхности.
В строительной отрасли масштабы воздействия от понижения уровня подземных вод заметно меньше, но не менее опасны. Типичным примером, когда строители прибегают к водопонижению: создание котлованов, подземных паркингов, углубление цокольных этажей, так же при проходке тоннелей, в том числе для сетей метро или подземного перехода, автодороги, коммунальных сетей и т.д.
В городах в результате интенсивного отбора подземных вод может возникнуть целый ряд неблагоприятных для окружающей среды последствий:
- подтягивание к водозабору загрязненных подземных вод со стороны промышленных зон, участков расположения очистных сооружений, массивов орошения;
- переосушка и деградация растений в городских парках и скверах, гибель влаголюбивых растений;
- сокращение расходов малых рек, развитие процессов проседания земной поверхности;
- активизация многих геологических процессов, например, карстово-суффозионных, что приводит к возникновению провалов и разрушению домов.
В результате суффозии могут возникнуть не только воронки на поверхности земли, но и пустоты внутри породы, которые не имеют внешнего проявления. Они имеют разную форму: ниши, вытянутые щели и очень часто трубчатые каналы, достигающие ширины нескольких метров и длины измеряемой десятками метров. Последние, часто образуются в глинистых и лессовых породах. Наличие таких пустот сильно осложняет инженерно-геологическое освоение территории и требует специальных исследований.
Результат водопонижения — суффозионные провалы, которые стали распространены в последнее время. Проявления фиксируются в виде провалов, оседаний земной поверхности на автомобильных дорогах, над водонесущими коммуникациями, тепловыми сетями, и т.д. Свой вклад вносит и дождевая канализация.
Инженерно-геологическое обследование
Для фиксации поверхностных проявлений суффозионной активности и других негативных инженерно-геологических процессов проводится инженерно-геологическое обследование. В ходе обследования фиксируются поверхностные проявления суффозии. Так, часто описываются многочисленные трещины в асфальтовом покрытии прилегающей территории с привязкой. Они характеризуются различной протяженностью, размером и глубиной.
Нередко отмечаются различные проседания асфальтового покрытия. Выявляются участки разгрузки подземных вод, по рельефу, по химическому составу соответствующие химическому составу подземных вод на исследуемой площадке. Выявляются источники разгрузки вод на поверхность — самоизлив, ниже по рельефу.
Предпосылки для суффозии
Часто на глубинах от 15 м до 25 м присутствует слой супеси, которая под действием гидродинамического давления в течение нескольких месяцев подвергалась суффозионному выносу по подстилающим этот слой гравийным грунтам. В результате образовывается провал. При этом объем грунта суффозионного выноса примерно соответствует объему провала.
Намного сложнее обстоит дело с обнаружением подземных суффозионных проявлений, не говоря уже об их изучении или измерении их размеров. Ведущая роль здесь принадлежит геофизическим исследованиям, при чем для данной цели вполне приемлем арсенал средств, используемых в инженерном карстоведении. Перспективно так же применение динамического и особенно статического зондирования для поиска зон разуплотнения, полостей, погребенных провалов и замкнутых понижений в кровле скальных пород.
Малоглубинная сейсморазведка высокого разрешения
Для выделения аномальных участков, зон разуплотнения грунтовой толщи проводят малоглубинную сейсморазведку высокого разрешения. По ее результатам выявляются аномальные участки, строятся модели. Для заверки геофизических аномалий проводят бурение скважин и отбор монолитов.
Электроразведка и георадарная съемка
Для определения гидрогелогических параметров, направления потока подземных вод используется электроразведка. В дополнение к ней проводят радарные исследования, для детализации верхней части геологического разреза.
Статическое зондирование
Для закрепления результатов буровых работ и оценки свойств грунтов рекомендуется статическое зондирование, которое проводят до глубины коренных пород — песчаники, аргиллиты, гравийный грунт.
Бурение
Для изучения физико-механических свойств грунтов и контроля геофизических аномалий применяется бурение скважин до кровли коренных пород с заходом в нее на 2-3м. В процессе бурения ведется наблюдение за водопроявлениями. Отбираются пробы с нарушенной структурой и не нарушенной — монолит. По результатам бурения проводят лабораторные исследования. На конечном этапе все полученные данные обрабатываются, анализируются, сравниваются, сопоставляются.
Геологическое моделирование
По результатам проведенных исследований проводится геологическое моделирование с учетом всех данных, а также привлечением архивных материалов. Строятся геологические и гидрогеологические модели для исследуемого участка.
Совершенно очевидно, что при изучении сложных инженерно-геологических процессов природно-техногенного характера необходим комплекс методов. Представленный выше вариант данного комплекса на многих ответственных объектах проявил свою высокую эффективность.