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). 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 (t_cp) от -3 до -1 °С и мощностью (М) мерзлой толщи от 0 до 100 м; 2-5 зона сплошного распространения МУГП: 2 - t_cp от -1 до -3 °С, М от 50 до 300 м; 3 - t_cp от -3 до -6 °С, М от 100 до 400 м; 4- t_cp от -5 до -9 °С, М от 200 до 600 м; 5 - t_cp 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 15^о, 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.