Лаборатория геологии техногенных процессов
Горбунова К.А., Максимович Н.Г. Техногенное воздействие на закарстованные территории Пермской области // География и природные ресурсы.-1991.-N3.-С.42-46. /0,3/
Техногенное воздействие на закарстованные территории Пермской области
К. А. Горбунова, Н. Г. Максимович
Распространение карста. Территория Пермской области (160,7 тыс. км2) расположена в пределах трех крупных геоструктур: восточной окраины Восточно-Европейской платформы, Предуральского краевого прогиба и складчатой зоны Урала. Карстующиеся породы — известняки, доломиты, гипсы, ангидриты, соли палеозойского возраста — выходят на поверхность или залегают неглубоко от нее на площади около 30 тыс. км2 [1]. С помощью многочисленных скважин в карбонатных породах обнаружены проявления древнего карста.
В юго-восточной части платформы на границе с Предуральским прогибом карст развит в сводах и на крыльях тектонических структур типа валов. В своде Уфимского вала, выраженного в рельефе в виде плато, закарстованы пологозалегающие известняки и доломиты артинского и частично кунгурского ярусов. Плато служит областью питания карстовых вод. По его окраинам вытекают карстовые родники.
Западное, восточное крылья и северное погружение Уфимского вала сложены гипсами, ангидритами, переслаивающимися с известняками и доломитами иренского горизонта кунгурского яруса нижнего отдела пермской системы. Севернее эти отложения распространены в своде Краснокамско-Полазненского вала. На всей этой территории встречаются карстовые брекчии. Карстовые формы представлены многочисленными воронками, котловинами, карстовыми логами, депрессиями, карстовыми озерами. В районе г. Кунгура расположена Кунгурская ледяная пещера (длина 5,6 км).
Для Соликамской и южной части Печорской впадин Предуральского прогиба характерен карст в солях кунгурского яруса. В местах выщелачивапия солей сформировались значительные по площади замкнутые понижения с большой мощностью рыхлых четвертичных отложений. На поверхность выходят солоноватые или соленые источники.
В складчатой зоне Урала закарстованы преимущественно известняки и доломиты девонской, каменноугольной, пермской, в меньшей степени ордовикской и силурийской систем. Карстующиеся породы залегают в виде антиклинальных и синклинальных складок, осложненных разрывными нарушениями. Типичны воронки, котловины, суходолы, исчезающие реки, родники, пещеры.
Виды техногенных воздействий на геологическую среду карстовых районов. Пермская область несет значительную техногенную нагрузку. Распределение по площади различных видов техногенных воздействий на окружающую среду обусловлено наличием полезных ископаемых, лесных и водных ресурсов, географическим положением области на границе западных и восточных районов страны, историей ее освоения. Наиболее сильные изменения геологическая среда карстовых районов испытывает в результате различных видов хозяйственной деятельности человека: 1) горно-добывающей промышленности (Кизеловский каменноугольный бассейн, Верхнекамское месторождение калийных солей, Волго-Уральская нефтегазоносная площадь); 2) гидротехнического строительства (Камская ГЭС и Камское водохранилище); 3) урбано-промышленного строительства (на базе полезных ископаемых, лесных и водных ресурсов в Пермской области возникли крупные промышленные центры — города Пермь, Березники, Кизел, Чусовой и др.); 4) коммуникационно-транспортных сооружений (область пересекают железнодорожные и автомобильные магистрали, линии электропередачи, нефте- и газопроводы); 5) водохозяйственных мероприятий (использование пресных питьевых, лечебных и промышленных минеральных вод); 6) лесохозяйственных и сельскохозяйственных мероприятий (вырубка леса, химизация сельского хозяйства) [2].
Все эти виды хозяйственной деятельности человека изменяют те или иные компоненты окружающей среды (покровные отложения и карстующиеся породы, рельеф, подземные и поверхностные воды, атмосферу, биосферу), что прямо или косвенно отражается на основных условиях и факторах развития карста и является причиной его активизации или затухания.
Техногенные изменения карстующихся пород и перекрывающих их отложений. При многих видах строительства, горных разработках, добыче полезных ископаемых и строительных материалов (особенно гипса м известняка) нарушается почвенный покров, частично или полностью удаляются покровные отложения, вскрываются карстующиеся породы. Иногда при строительстве используются насыпные техногенные грунты, формирующие агрессивные по отношению к карстующимся породам среды. Возводимые сооружения и их эксплуатация создают статические (промышленные и гражданские объекты, водохранилища) и динамические нагрузки (буровзрывные работы, интенсивное движение транспорта). Следствием этих видов хозяйственной деятельности является изменение напряженного состояния карстующихся пород, появление в них трещин, техногенного рельефа, концентрированных очагов поглощения атмосферных осадков и питания карстовых вод.
Активизация карста, вызванная нарушением покровных отложений и перераспределением поверхностного стока, наблюдалась в зоне магистральных газопроводов Сибирь — Центр — Запад [З]. Они пересекают западное крыло Уфимского вала южнее г. Кунгура, где закарстованы гипсы и ангидриты, в меньшей степени известняки и доломиты кунгурского яруса. Намечается связь карста и речной сети с тектоническими нарушениями. Наиболее закарстованы участки, где гипсы выходят на поверхность, покрыты почвенно-растительным слоем или элювием небольшой мощности. Количество воронок на 1 га здесь достигает 95, суммарная их площадь занимает около 50 % территории участка, среднее условное снижение поверхности за счет воронок 57 см. Начальные размеры провалов 2–3 м, средний диаметр сформировавшихся воронок 7–8 м. С мая 1983 г. по октябрь 1984 в полосе трассы газопровода шириной 40 м и длиной 5,4 км возникло 24 провала, а в 1985 г. их количество превышало 45. Диаметр большей части провалов не более 2,5 м, глубина 2 м и только в отдельных случаях 5 м [З].
Для использованных при строительстве трубопроводов подобные провалы не представляют особой опасности, но дальнейшая активизация провалообразования может иметь негативные последствия. С целью обеспечения безопасности строительства и эксплуатации газопроводов были рекомендованы противокарстовые мероприятия: заполнение карстовых впадин недренирующим материалом, формирование стока поверхностных вод, уменьшение транспортной нагрузки, исключение взрывных работ в зоне трассы. Ведется наблюдение за состоянием сооружений [З].
С сооружением промышленных и гражданских объектов не только возрастает интенсивность провального процесса, но увеличиваются и размеры провалов. Например, с 1960 по 1971 г. в районе г. Кунгура в кюветах построенной автомобильной дороги возникло 22 провала [4]. При открытой разработке известняка и гипса удаляются перекрывающие их отложения. Взрывы в карьерах приводят к образованию и раскрытию трещин в породах, что способствует инфильтрации атмосферных осадков. Активизация суффозии и растворения служит причиной появления многочисленных суффозионно-карстовых провалов, например в окрестностях гипсового карьера Ергач северо-западнее г. Кунгура.
Техногенные воздействия на подземные воды карстующихся массивов. Активизацию карста вызывает изменение уровенного режима и химического состава карстовых вод в районах водозаборов, при шахтном и карьерном водоотливе, систематическом дренаже. В этих случаях формируются депрессионные воронки, смещаются гидродинамические зоны, изменяется направление и возрастает скорость движения карстовых вод.
В Кизеловском каменноугольном бассейне угленосная толща визейского яруса нижнего карбона залегает под закарстованными карбонатными породами. Некоторыми шахтами пройдены полости и пещеры, заполненные водой. В зоне влияния карста водопритоки в шахты достигают 2000–2500 м3/ч. В результате дренажа карстовых вод развиваются депрессионные воронки, в зону активного водообмена и карстования вовлекаются мощные толщи карбонатных пород. При взаимодействии с серосодержащими угленосными породами гидрокарбонатные карстовые воды преобразуются в кислые сульфатные, обогащенные железом, алюминием и другими компонентами. Шахтные воды попадают в реки и частично поглощаются понорами. При движении по карстовым каналам в карбонатных породах кислые (рН 3—4) загрязненные шахтные воды частично нейтрализуются и очищаются. В южной части бассейна шахтные воды сбрасываются в р. Глухую [5], которая исчезает в пещере и 7 км течет подземным путем. Река питает родник в долине р. Чусовой, дебит которого в паводок достигает 10 тыс. м3/ч. После прохождения шахтных вод по подземным карстовым каналам в них в десятки и сотни раз снижается концентрация железа, алюминия, сульфатов. В то же время в пещерах происходит загрязнение сталактитов и сталагмитов гидросксидами железа, соединениями марганца. Некоторые полости, заполняясь осадками, исчезают.
Условия питания, движения и разгрузки, химический состав карстовых вод существенно меняются в зонах влияния гидроэлектростанций и водохранилищ. На р. Каме вблизи г. Перми в 1954 г. была построена Камская ГЭС [б]. В основании плотины под аргиллитами, песчаниками, загипсованными известняками и доломитами уфимского яруса, к которым приурочены водоносные горизонты, залегают гипсы и ангидриты кунгурского яруса, являющиеся региональным водоупором. После наполнения водохранилища усилилась фильтрация в основании плотины. На одних участках отмечалось опреснение подземных вод, на других — появление сульфатных, что указывало на растворение гипса. В этой ситуации проведено доуплотнение существующей цементационной завесы химическим гелеобразующим силикатным раствором [7]. Инъекционное закрепление и постинъекционные процессы обеспечили защиту гипса от растворения и повысили устойчивость плотины.
Наполнение Камского водохранилища вызвало подъем уровня воды на 20—22 м. Его берега в пределах Краснокамско-Полазненского вала сложены гипсами и ангидритами кунгурского яруса. Часть пещер затоплена. В зоне воздействия волн в гипсах образовались ниши выщелачивания и новые небольшие пещеры. Внедрение речных вод в карстующиеся породы, сезонные колебания уровня воды в береговой части, достигающие 7—8 м, вызвали активизацию суффозии, выноса материала из заполненных карстовых полостей, растворения гипса и провалообразования. В зоне влияния водохранилища на территории пос. Полазна с 1956 по 1961 г. образовалось 11 провалов, в то время как в предыдущие 50 лет — только 2 [8].
Активизация карста как в верхних, так и в глубоких горизонтах отмечается в результате буровых работ, связанных с добычей нефти, газа и соли, а также с разработкой нефтяных и калийных залежей на одних и тех же площадях. Скважины при несовершенстве их конструкции способствуют вертикальным перетокам и смешению минерализованных и пресных вод, что повышает их агрессивность по отношению к карстующейся породе. Некоторые заброшенные скважины фонтанируют, загрязняя реки. В настоящее время разработаны и применяются конструкции скважин, обеспечивающие изоляцию водоносных горизонтов.
Около 50 % запасов нефти приурочено к карбонатным трещинно-карстовым коллекторам. Эксплуатация большей части месторождений ведется с поддержанием пластового давления путем закачки пресных вод в законтурные скважины, что активизирует процессы растворения карбонатных и сульфатных солей в глубоких горизонтах. Этим процессам способствует деятельность сульфатредуцирующих бактерий. С целью интенсификации притока нефти производят закачку в пласт соляной кислоты (до 100 м3 и более) с концентрацией 10—20 %. В результате растворения карбонатных пород в призабойной части скважины объем трещинно-карстовых коллекторов и приток нефти возрастают. Как отмечают И. Н. Шестов и другие авторы [5], активное воздействие на карстующиеся породы эксплуатационных скважин распространяется в глубину на сотни метров.
Комплексный характер техногенных воздействий на окружающую среду в карстовых районах. На территориях со значительной техногенной нагрузкой существенно изменяются условия и факторы карстообразования вследствие необратимых преобразований рельефа и пород, загрязнения поверхностных и подземных вод, атмосферы и атмосферных осадков, деградации растительности. Примером может служить Верхнекамский промышленный комплекс, включающий кроме калийных комбинатов города и поселки, крупные водозаборы, линейные сооружения, предприятия лесоперерабатывающей и нефтяной промышленности [9]. Добыча соли ведется здесь более 500 лет. Соляная толща кунгурского яруса (подстилающая каменная, калийная и покровная каменная соль) и переходная толща перекрыты глинами, известняками, гипсами, мергелями, песчаниками уфимского яруса и четвертичными отложениями, к которым приурочены водоносные горизонты. При камерной разработке калийных солей образуются искусственные полости, происходят перераспределение напряжений в породах, раскрытие трещин в перекрывающих отложениях, медленные прогибания земной поверхности. По данным Г. В. Бельтюкова [5], при проходке и эксплуатации всех шахтных стволов в трещиноватых зонах отмечаются водопроявления. В отдельных пунктах в покровной каменной соли и в карналлитовой породе вскрыты карстовые полости объемом в сотни кубометров. В июле 1986 г. на одном из участков образовался провал, размером 40 Х 80 м и глубиной до заполнившей его воды 25 м. Провал сопровождался взрывом газа и световым эффектом [5].
В отработанных горных выработках конденсируется влага в виде небольших водоемов или капежа с кровли. На одних участках она растворяет соль, на других — из пересыщенных рассолов отлагаются сталактиты и натечные соляные коры.
Формированию зон выщелачивания солей способствовала рассоло-добыча в прошлом на соляных промыслах более чем из 200 скважин. Некоторые заброшенные скважины превратились в искусственные родники. При бурении скважин на бывших солепромыслах в солях вскрыты карстовые полости.
Соляные отходы калийных комбинатов занимают площадь более 700 га и возрастают ежегодно на несколько миллионов тонн. Отвалы и приемники промышленных стоков загрязняют окружающую среду и создают безжизненный техногенный ландшафт. В соляных отвалах под воздействием атмосферных осадков и временного поверхностного стока развивается своеобразный техногенный карст: многочисленные поноры, карры, небольшие воронки, каналы и пещеры [10].
Таким образом, различные виды хозяйственной деятельности человека, называемые техногенными воздействиями, изменяют течение карстовых процессов. Эти изменения носят различную направленность [11] и в большинстве случаев приводят к активизации карстовых процессов в результате деформации компонентов окружающей среды (пород, гидросферы, атмосферы, биосферы), которые определяют основные условия и факторы карстообразования. Активизация карста негативно отражается на инженерно-геологических объектах и может быть причиной аварийных ситуаций. Она проявляется не только в верхних, но и в более глубоких горизонтах пород.
Замедление или затухание карстового процесса является результатом осуществления тех или иных инженерно-геологических мероприятий на закарстованных породах. Реакция окружающей среды на техногенные воздействия зависит от типа карста: соляного, сульфатного, карбонатного. В результате горнодобывающей деятельности на земной поверхности скапливаются растворимые техногенные грунты, в которых проявляется «техногенный карст». Вынос растворенных компонентов из грунтов загрязняет окружающую среду.
Планирование хозяйственной деятельности человека в карстовых районах должно основываться на прогнозе развития карстового процесса с учетом изменения окружающей среды под влиянием существующих и проектируемых объектов. При этом следует предусматривать природоохранные мероприятия.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- Максимович Г. А., Горбунова К. А. Карст Пермской области.- Пермь , 1958.
- Горшков С. П. Экзодинамические процессы освоенных территорий.- М.: Недра, 1982.
- Костарев В. П., Димухаметов М. Ш.. Малахов В. Е., Спешков Л. Н. Активизация карстопроявлений при строительстве магистральных газопроводов (МГП) // Геологическая среда и рациональное использование минеральных ресурсов Пермской области.- Пермь, 1986.
- Лукин В. С., Ежов Ю. А. Карст и строительство в районе Кунгура.- Кунгур, 4975.
- Проблемы изучения техногенного карста // Тез. докл.- Кунгур: УрО АН СССР, 1988.
- Маменко Г. К. Камская плотина на р. Каме // Геология и плотины.- М.: Энергия, 1967.- № 5.
- Максимович Н. Г., Сергеев В. И. Влияние химического инъекционного закрепления на устойчивость гипса в основании гидротехнических сооружений // Гидротехническое строительство.- 4983.- № 7.
- Лукин В. С., Лаптиев Н. М., Шаньгин Ю. И. Исследование провальных явлений на закарстованных побережьях Камского водохранилища // Разведка и охрана недр.- 1963.- № 12.
- Зилинг Д. Г. Верхнекамский промышленный комплекс и геологическая среда // Инженерная геология.- 1983.- № 1.
- Андрейчук В. Н. К вопросу о карсте соляных отвалов // Карст Алтае-Саянской области и сопредельных стран.- Горно-Алтайск, 1989.
- Горбунова К. А. Морфология и гидрогеология гипсового карста.- Пермь, 1979.
|
|
|
