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:
Изучение генезиса, причин и закономерностей развития процессов как в естественных условиях, так и в связи с хозяйственной деятельностью человека.
Изучение их распространения по площади и во времени.
Разработка методов прогнозов геологических процессов и явлений.
Разработка направлений, приемов и способов управления геологическими и инженерно-геологическими процессами в нужном человеку направлении.
Рекомендации по рациональному выбору участков размещения строительства, типа и конструкции сооружений.
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:
Естественно-исторические.
Экспериментальные.
Расчетно-теоретические.
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
д
исциплины.