ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СОВРЕМЕННЫХ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ЯВЛЕНИЙ КАК ПРОЯВЛЕНИЯ ДИНАМИКИ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ

Т.Я. Емельянова

ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОДИНАМИКА

Допущено Учебно-методическим объединением по образованию в области прикладной геологии ив качестве учебного пособия по дисциплине «Инженерная геодинамика» для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 130302 (080300) «Поиски и разведка подземных вод и инженерно-геологические изыскания» направления подготовки 130300 (650100) «Прикладная геология» и направлению 130100 (553200) «Геология и разведка полезных ископаемых».

2-е издание

Издательство

Томского политехнического университета

УДК 624.131

ББК 26.3 (075.8)

Е 60

Емельянова Т.Я.

Е 60 Инженерная геодинамика: учебное пособие / Т.Я. Емель-янова. – 2-е изд. – Томск: Изд-во ТПУ, 2009. – 134 с.

В пособии рассмотрены основные теоретические положения «Инженерной геодинамики». Дается инженерно-геологическая оценка современных геологических процессов и явлений с целью решения проблем и задач инженерной геодинамики. Особое внимание уделено характеристике современных методов прогнозирования процессов, оценки уровней их опасности и риска, подробно наиболее рассмотрены широко распространенные геологические процессы, в том числе и в сибирских регионах.

Предназначено для студентов специальности 130302 «Поиски и разведка подземных вод и инженерно-геологические изыскания» и направления 130100 «Геология и разведка полезных ископаемых».

УДК 624.131

ББК 26.3 (075.8)

Рецензенты

Кандидат геолого-минералогических наук,

генеральный директор ТЦ «Томскгеомониторинг»

В.А. Льготин

Кандидат геолого-минералогических наук, доцент ТГУ

В.И. Стреляев

политехнического университета, 2009

ПРЕДИСЛОВИЕ

Инженерная геодинамика входит в блок специальных дисциплин в подготовке специалистов специальности 130302 «Поиски и разведка подземных вод и инженерно-геологические изыскания». Она изучает геологические процессы и явления как естественные, так и возникающие в связи со строительством сооружений и хозяйственным освоением территорий. Все геологические процессы представляют огромный интерес в инженерном аспекте в связи с их влиянием на жизнь и деятельность человека, на устойчивость природно-технических систем и разного рода сооружений. Широкое развитие и распространение разных геологических процессов и явлений вызывает необходимость учета их влияния при рациональном использовании территорий, их защиты и охраны геологической среды, жизни и деятельности человека от опасного проявления и влияния процессов, а также их прогноза. Успешно решать эту проблему инженер-геолог может, только зная теорию геологических процессов, как компонента геологической системы, закономерности, причины и условия развития процессов, основы и методы их прогнозирования, теоретическое обоснование и методы управления геологическими процессами.

Настоящее учебное пособие имеет цель дать студентам знания по перечисленным вопросам. Пособие представляет собой отдельные разделы дисциплины «Инженерная геодинамика», изучаемой студентами. Имеющиеся по данной дисциплине учебники (В.Д.Ломтадзе «Инженерная геодинамика», 1977 и Г.С.Золотарев «Инженерная геодинамика», 1983) в настоящее время стали библиографической редкостью (единичные экземпляры в библиотеке вуза). За последние 15–20 лет накоплен большой фактический материал по изучению процессов, сформировались новые представления по теории процессов, их классифицированию, прогнозированию и другими вопросами, многие из которых хорошо разработаны в учебнике И.П.Иванова и Ю.Б.Тржцинского «Инженерная геодинамика», 2001, к сожалению, имеющего небольшой тираж. Появились новая научная литература и нормативные документы. Все это и вызвало необходимость составления настоящего пособия.

Пособие не дает полного содержания инженерной геодинамики, а предполагает помощь в самостоятельном освоении некоторых тем. Здесь приводится характеристика некоторых основных разделов дисциплины, включающие общую характеристику геологических процессов и явлений как предмета инженерной геодинамики, причины, условия и факторы их развития, современные методы прогнозирования процессов. Последняя тема в названных учебниках изложена очень кратко, в самых общих чертах.

В пособие включен раздел, кратко освещающий такую весьма актуальную современную проблему, как оценка опасности, ущерба и риска от воздействия современных геологических процессов. Дается характеристика этих понятий, приводятся примеры решения настоящей проблемы с целью достижения экологической безопасности.

Приводятся примеры развития процессов и их влияния на деятельность человека, известные из отечественной и региональной практики изысканий, проектирования и эксплуатации сооружений.

С учетом региональной компоненты образовательного стандарта Томского политехнического университета в пособии детально описываются процессы – оползневой и болотообразование, довольно широко распространенные в регионе Западной Сибири.

Завершает пособие характеристика геодинамической обстановки Западной Сибири, весьма специфический по природным условиям и с интенсивной техногенной нагрузкой региона, где работает большинство специалистов после окончания нашего университета.

Кроме студентов специальности 130302 «Поиски и разведка подземных вод и инженерно-геологические изыскания», настоящее пособие будет полезно для студентов специальности 280302 «Комплексное использование и охрана водных ресурсов» и 020804 «Геоэкология», изучающих инженерную геологию, и студентов направления 130100, изучающих дисциплину «Гидрогеология и инженерная геология».

ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОДИНАМИКА,

ЕЕ СОДЕРЖАНИЕ, ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ

В настоящее время инженерная геология определяется как наука о геологической среде – о ее свойствах, строении и динамике; о ее рациональном использовании и охране; в связи с инженерно-хозяйственной, прежде всего, инженерно-строительной деятельностью человека, наука о геологических условиях хозяйственной, особенно инженерно-строительной деятельности человека.

Таким образом, предметом инженерной геологии является геологическая среда. Что же это такое?

По определению Е.М. Сергеева [25]: геологическая среда – это любые горные породы и почвы, слагающие верхнюю часть разреза литосферы, которые рассматриваются как многокомпонентные системы (твердая часть, воды, газы, микроорганизмы), находящиеся под воздействием инженерно-хозяйственной деятельности человека, что приводит к изменению природных геологических процессов и возникновению новых антропогенных (инженерно-геологических) процессов, изменяющих инженерно-геологические условия определенной территории.

История развития инженерной геологии как науки началась в 1920-х годах и развитие этого направления на первых этапах его возникновения было связано с потребностями гидротехнического строительства, с воплощением в жизнь Ленинского плана ГОЭЛРО. Большой вклад в развитие науки внесли ученые Ф.П.Саваренский, В.А.Приклонский, Г.Н.Каменский, И.В.Попов, Н.Н.Маслов, Л.Д.Белый, Н.В.Коломенский, В.Д. Ломтадзе, Г.С.Золотарев, Г.К.Бондарик и др.

В истории развития инженерной геологии нашей страны выделяются три основные этапа [5]. Главный итог первого из них (1923–1945 гг.) – возникновение инженерной геологии как новой научной дисциплины, которая по существу состояла из двух направлений: грунтоведения и инженерной геодинамики в современном понимании этого термина. Она развивалась, с одной стороны, в тесной связи с науками геологического цикла, а с другой – со строительными дисциплинами. В 1937 г. вышла книга Ф.П. Саваренского «Инженерная геология», где сформулированы основы науки.

В первый этап развития начинается подготовка специалистов. В 1929 г. открывается кафедра инженерной геологии в Ленинградском горном институте, в 1931 г. – в Московском геологоразведочном институте, в 1930–31 гг. – кафедра гидрогеологии и инженерной геологии в Томском политехническом институте. В 1940 году создан Всесоюзный государственный институт гидрогеологии и инженерной геологии (ВСЕГИНГЕО).

Второй этап охватывает 1946–1978 годы. Его главная черта – формирование третьего научного направления в инженерной геологии – региональной инженерной геологии. Начинается восстановление хозяйства, развитие строительства в сложных условиях, освоение районов вечной мерзлоты, подземное строительство. В этот же период оформляются прикладные разделы инженерной геологии: инженерная геология месторождений полезных ископаемых, инженерная геология городов, мелиоративная инженерная геология и др. Для этого этапа в методическом плане характерно, с одной стороны, все большее проникновение в микромир грунтов, познание природы их свойств, а с другой – изучение свойств массивов грунтов. Создаются учебники, монографии, методические руководства, рекомендации и т.д.

В этот этап создан Производственный и научно-исследова-тельский институт инженерных изысканий для строительства (ПНИИИС), Научный совет по инженерной геологии и гидрогеологии при АН СССР (первым возглавил академик Е.М. Сергеев), в 1964 г. – Международная ассоциация инженеров-геологов (МАИГ) и советская секция инженеров-геологов (возглавил Сергеев Е.М.), т.к. инженерная геология стала развиваться и за рубежом (Франция, страны социалистического лагеря).

Третий этап с 1979 г. и настоящее время. В настоящее время человек стал мощным геологическим фактором! (до 100 млрд т породы извлекается из недр в год, развиваются геологические процессы, создается новый генетический тип пород – техногенные до 100 м мощностью). На Международном геологическом конгрессе в 1982 г. в связи с этим было предложено настоящее время считать новым геологическим периодом – пятеричным. Инженерная геология в настоящее время призвана разрабатывать новую проблему – разработка вопросов рационального использования и охраны геологической среды, под которой понимают ту часть разреза литосферы, где осуществляется инженерно-хозяйственная деятельность человека. Именно под ее влиянием в пределах геологической среды возникают антропогенные геологические процессы, отсутствовавшие в исходной (природной) ситуации и оказывающие огромное, нередко негативное влияние на состояние биосферы в целом. Так как в последнее время под влиянием инженерной деятельности человека возникают в геологической среде неблагоприятные процессы и явления, а часто и катастрофические: оползни, землетрясения, карст, сели, деградация и аградация вечной мерзлоты и т.п. Перед современной инженерной геологией стоят следующие задачи:

Создание теоретических основ рационального использования и охраны геологической среды.

Создание теоретической модели взаимодействия геологической среды и человека.

Разработка научных основ прогнозирования и составления карт прогноза изменения геологической среды и районирования территорий по условиям рационального освоения.

Разработка инженерно-геологических основ литомониторинга – длительной системы комплексных наблюдений за состоянием, изменением в пространстве и времени геологической среды и составлением прогнозов.

Современная инженерная геология включает три раздела:

Грунтоведение – изучает строение и свойства геологической среды.

Инженерная геодинамика – изучает динамику геологической среды и решает вопросы рационального использования и охраны.

Региональная инженерная геология – изучает геологическую среду определенных территорий (строение, свойства, динамику).

Объектом изучения инженерной геодинамики являются геологические и инженерно-геологические процессы и явления, в которых проявляется динамика геологической среды.

Предметом инженерной геодинамики являются знания о законах и закономерностях возникновения природных и техногенных геологических процессов и явлений в результате взаимодействия геологической среды с другими средами или функционирования только внутренних факторов самой геологической среды.

Инженерная геодинамика – это научное направление инженерной геологии, изучающее морфологию, механизм, причины и пространственно-временные закономерности развития в геологической среде природных и антропогенных (инженерно-геологических) геологических процессов в связи с осуществляемой и планируемой инженерно-хозяйственной деятельностью человека. Основное внимание уделяется изучению геологических процессов, протекающих в приповерхностной части геологической среды, как в природной обстановке (экзогенные и эндогенные геологические процессы природной геологической системы), так и на освоенных территориях (антропогенные, или техногенные, или инженерно-геологические процессы природно-технической системы). Динамика геологических процессов анализируется при этом в двух временных системах: в геологическом времени – при исследовании закономерностей развития древних и современных (по И.В. Попову) геологических процессов, обусловивших формирование определенных геологических явлений в современном рельефе или толщах горных пород, важных при оценке инженерно-геологических условий той или иной территории; в физическом времени – при анализе тех же закономерностей применительно к современным действующим геологическим процессам [30].

Значение геологических процессов, протекавших и протекающих в приповерхностной части геологической среды, чрезвычайно велико. Известный советский геолог академик А.В. Сидоренко оценил их роль с учетом деятельности человека так: «Ныне внимание человечества обращено на освоение космоса. Одновременно геологи планируют проникновение в глубокие недра Земли для достижения так называемой верхней мантии. Бесспорно, что познание этого уровня земной коры будет иметь огромное значение для понимания многих геологических процессов, проходящих в земной коре, и в первую очередь причин тектонических движений ее – ведущих процессов развития Земли. Однако нельзя забывать и огромного значения тех геологических процессов, которые протекают непосредственно на поверхности и в приповерхностной части Земли. Проблема изучения этих процессов, особенно учитывая вмешательство в них человека, имеет не меньшее значение, чем проблема освоения космоса, околоземного пространства или глубоких недр земли» [30]. В свете этого главная проблема инженерной геодинамики заключается в разработке научных основ и методов количественных пространственно-временных прогнозов экзогенных и приповерхностных проявлений эндогенных геологических и антропогенных процессов с целью предотвращения или уменьшения вредного влияния этих процессов на геологическую среду, хозяйственную деятельность и жизнь людей. Она тесным образом связана с проблемой охраны и рационального использования геологической среды как части всей природной среды.

Следует подчеркнуть, что геологические процессы изучает не только инженерная геодинамика, но и динамическая геология. Это обстоятельство не противопоставляет эти две геологические дисциплины, так как каждая из них исследует геологические процессы в своем аспекте. Динамическая геология изучает геологические процессы, протекающие в природе независимо от человека. Это необходимо для решения, главным образом, проблем общегеологического характера. Инженерная геодинамика исследует влияние на геологические процессы деятельности человека и геологических процессов на жизнь и деятельность людей, а также изучает процессы, возникающие в результате инженерно-хозяйственной деятельности. Поэтому понятие «геодинамическая обстановка» имеет различное значение в динамической геологии и инженерной геодинамике. В последней геодинамическая обстановка определяется совокупностью природных и антропогенных, техногенных геологических процессов и созданных ими явлений, причем с развитием научно-технического прогресса роль геологической деятельности человека постоянно возрастает, и вместе с этим увеличивается значение антропогенных геологических процессов и явлений в формировании геодинамической обстановки [30].

В связи с этим в работе [7] авторы предлагают называть современную инженерную геодинамику – экологической геодинамикой.

Основные задачи современной инженерной геодинамики следующие:

1. Изучение генезиса, причин и закономерностей развития процессов как в естественных условиях, так и в связи с хозяйственной деятельностью человека.

2. Изучение их распространения по площади и во времени.

3. Разработка методов прогнозов геологических процессов и явлений.

4. Разработка направлений, приемов и способов управления геологическими и инженерно-геологическими процессами в нужном человеку направлении.

5. Рекомендации по рациональному выбору участков размещения строительства, типа и конструкции сооружений.

6. Создание инженерно-геологических основ организации мониторинга геологической среды.

Задачи очень нужные, интересные и имеют большое как теоретическое, так и практическое значение.

Методы исследований в инженерной геодинамике, как и в целом в инженерной геологии, следующие:

1. Естественно-исторические.

2. Экспериментальные.

3. Расчетно-теоретические.

4. Моделирование (математическое, физическое) и др.

Связь инженерной геологии (а следовательно и инженерной геодинамики) с другими науками представляется в таком виде (рис 1).

Физика. Химия. Математика. Механика.

Географические

дисциплины.

Инженерная геология

Горное дело. Строительное дело. Геологические дисциплины.

Рис 1. Схема связи (одна стрелка) и взаимодействия (две стрелки) инженерной геологии с другими науками

Методологической основой решения проблем и задач инженерной геодинамики являются следующие положения. Прежде всего, геологические процессы изучаются как геологическая форма движения материи (горных пород как многокомпонентной системы), как вид изменчивости геологической среды. Изучение процессов основывается на учете следующих законов развития природы (и общества):

а) законов причинно-следственных связей между различными процессами и явлениями, существующих в объективном мире;

б) законов, отражающих неизбежность развития геологических процессов и явлений при наличии определенных несоответствий и противоречий в геологической среде (в материи), законов единства и борьбы противоположностей;

в) законов перехода количества в качество – количественные изменения в геологической среде в результате геологических процессов приводят к качественным изменениям, разрушениям, загрязнениям, формированию новых генетических типов пород.

Сегодня, когда до 35–40 % населения нашей страны живет на территории с экологически неблагоприятными условиями, созданными в том числе и геологическими процессами, роль науки инженерной геодинамики и ее задачи приобретают все большее значение.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СОВРЕМЕННЫХ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ЯВЛЕНИЙ КАК ПРОЯВЛЕНИЯ ДИНАМИКИ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: