2.18 Влияние хозяйственной деятельности на литосферу
Современные технологии и технический уровень позволяют человеку существенным образом изменять геологическую среду. Огромные по масштабам воздействия на природную среду оказываются сопоставимыми с геологическими процессами. Именно объемы производимых работ и те изменения, которые претерпевает геологическая среда в результате хозяйственного освоения, дали основания академику В.И. Вернадскому признать действия человека «огромной геологической силой».
Техногенными, или антропогенными, воздействиями называют различные по своей природе, механизму, длительности и интенсивности влияния, оказываемые деятельностью человека на объекты литосферы в процессе его жизнедеятельности и хозяйственного производства. Антропогенное воздействие на геологическую среду по своей сути является геологическим процессом, так как оно по размерам и масштабам проявления вполне сопоставимо с естественными процессами экзогенной геодинамики. Разница заключается только в скорости течения процесса. Если геологические процессы протекают медленно и растягиваются на сотни тысяч и миллионы лет, то скорость воздействия человека на среду укладывается в годы. Еще одна отличительная черта, характерная для антропогенной деятельности, - стремительное нарастание процессов воздействия.
Точно так же, как и природные экзогенные процессы, антропогенное воздействие на геологическую среду характеризуется комплексностью проявления. В нем выделяют:
1) техногенное разрушение(дезинтеграция) толщ горных пород, слагающих геологическую среду – это аналог выветривания;
2) перемещение дезинтегрированного материала – это аналог денудации и транспортировки в процессах экзогенной геодинамики;
3) накопление перемещенного материала(дамбы, плотины, транспортные артерии, населенные пункты и промышленные предприятия) – это аналог аккумуляции осадков, их диа- и катагенеза.
В процессе добычи твердых (разнообразные руды), жидких (подземные воды и нефть) и газообразных полезных ископаемых производятся различные по характеру и объему горно-геологические работы. В процессе добычи твердых полезных ископаемых проводят как открытые горные выработки – шурфы и карьеры, так и подземные горные выработки – шахты, штольни и штреки. Геологопоисковые и геологоразведочные работы, а также добыча жидких и газообразных полезных ископаемых осуществляются бурением многочисленных поисковых, разведочных и эксплуатационных скважин, которые внедряются в приповерхностную часть литосферы на разные глубины – от нескольких десятков метров до нескольких километров. При проведении горно-геологических работ толщи горных пород дезинтегрируются и удаляются из земных недр. Такие же действия производятся при сооружении котлованов под жилые здания и промышленные предприятия, во время выемок при сооружении транспортных магистралей, во время сельскохозяйственных работ, в процессе строительства гидро- и тепловых электростанций и других работ. Антропогенная деятельность, называемая инженерно-хозяйственной, немыслима без воздействия на самую верхнюю часть земной коры. В результате разрушается твердое вещество верхнего слоя геологического разреза и нарушается связность его составных частей. При этом дробятся и измельчаются некогда твердые горные породы. При извлечении горных пород и полезных ископаемых на глубине возникают наземные и подземные пустоты.
Последствия антропогенного воздействия на геологическую среду специфичны и весьма разнообразны (табл. 2.19)
Приведенные антропогенные воздействия характеризуются прямыми экологическими последствиями воздействия человека на геологическую среду и обратными воздействиями на жизнедеятельность человека, природные ландшафты и биогеоценозы.
Активная хозяйственная деятельность человека не только преобразует природные ландшафты, но способствует развитию и более энергичному проявлению процессов экзогенной, а в ряде случаев и эндогенной геодинамики.
Проходка подземных горных выработок(шахт, штолен, штреков, вертикальных стволов) ведет к перехвату подземных вод, нарушению их режима, понижению уровня, а это, в свою очередь, сопровождается или осушением, или обводнением, или заболачиванием поверхностных территорий. Кроме того, подземные горные выработки стимулируют гравитационные процессы как на поверхности, так и в глубине. Происходят провалы, проседания, обвалы, оползни и смещения блоков горных пород.
Широкое использование методов подземного выщелачиванияпри добыче полезных ископаемых, закачка в специальные буровые скважины по контурам нефтяных месторождений морских и пресных вод, закачка в буровые скважины термальных вод в процессе добычи серы и тяжелой нефти, захоронение отходов химического производства приводят к резкой активизации процессов растворения горных пород. Возникают и начинают действовать рукотворные карстовые процессы. Вследствие возникновения подземных пустот и галерей на дневной поверхности появляются провальные гравитационные формы рельефа – воронки, просадки, полья.
В процессе сельскохозяйственного освоенияи бесконтрольного использования земель резко усиливаются поверхностная и боковая эрозии. Возникает овражно-балочная сеть. Особенно это характерно при массовой распашке земель и нерегулированном выпасе скота. Эти же действия способствуют бороздовой и плоскостной дефляции, в результате чего уничтожается плодородный почвенный покров и дерновый слой.
Большие изменения появляются вследствие нарушения теплового режима в криолитозонепри промышленном и городском строительстве, при прокладке транспортных магистралей, сооружении нефте- и газопроводов, при разработке месторождений полезных ископаемых. В многолетнемерзлых грунтах, выведенных на поверхность и подвергающихся тепловому воздействию, активизируются криогенные процессы. Увеличивается скорость вытаивания подземных вод; происходит разжижение грунтов; образуются термокарст, наледи и бугры пучения. На склонах усиливается солифлюкционное перемещение грунтов. Одновременно происходит деградация тундровых почв и ликвидируются или видоизменяются тундровые ландшафты.
Мелиорация болот, так же как и ирригация, нарушает гидрогеологический режим подземных вод. Эти процессы сопровождаются или дополнительным заболачиванием, или опустыниванием.
Вырубка лесов на склонах горне только оголяет их, но и способствует возникновению подводных осыпей и камнепадов, резко усиливает селеопасность территории и создает угрозу схода лавин.
Возникновение большого объема подземных пустотв процессе добычи полезных ископаемых, выкачка нефти и газа, меняющая внутрипластовое давление, а также создание больших по площади и глубине водохранилищ приводят к усилению напряжения в толщах горных пород. Внутренние смещения и обрушения пустот вызывают наведенные землетрясения, которые по своей силе приближаются к природным сейсмогенным явлениям.
Последствия антропогенных изменений состояния геологической среды
Инженерно-геологическая деятельность приводит к нарушениям сложившегося естественного напряженного состояния геологической среды. Деформации массивов и блоков горных пород на глубине и на поверхности активизируют перемещения блоков по дислокациям, вызывают опускания земной поверхности, порождают наведенную сейсмичность (антропогенные землетрясения), рождают горные удары и внезапные выбросы, разрушают инженерные сооружения.
Проседания блоков земной коры. На многих территориях промышленных и городских агломераций на фоне природных тектонических перемещений земной поверхности наблюдаются процессы внезапного опускания поверхности, вызванные техногенной деятельностью. По частоте проявления, скоростям и негативным последствиям техногенные опускания превосходят естественные тектонические движения. Грандиозность последних вызвана длительностью проявления геологических процессов.
Одной из причин опускания урбанизированных территорий является дополнительная статическая и динамическая нагрузка от зданий, сооружений и транспортных систем города, от возникающих под ними пустот после разрывов канализационных и водопроводных систем. Еще больший эффект оказывают пустоты, оставленные после извлечения из недр подземных вод и других видов полезных ископаемых. Например, территория г. Токио только за период 1970—1975 гг. опустилась на 4,5 м. На территории г. Мехико интенсивная откачка подземных вод привела в 1948— 1952 гг. к опусканию поверхности со скоростью до 30 см/год. К концу 70-х годов XX в. значительная часть территории города опустилась на 4 м, а его северо-восточная часть — даже на 9 м.
Добыча нефти и газа обусловила оседание территории небольшого городка Лонг-Бич вблизи г. Лос-Анджелеса (США). Величина опускания к началу 50-х годов XX в. достигла почти 9 м. От проседания серьезно пострадали промышленные и жилые здания, морской порт и транспортные магистрали.
Особенно актуальна проблема проседания для Западной Сибири, где добывают жидкие и газообразные углеводороды, Западного Приуралья, Поволжья и Прикаспия, а также для Кольского полуострова, на территории которого расположены многочисленные горнодобывающие предприятия. Опускания этих территорий даже на несколько десятков сантиметров довольно опасны. Так, в Западной Сибири они усиливают заболачивание, в Приуралье и Поволжье интенсифицируют карстовые процессы.
Наведенная сейсмичность.Суть наведенной сейсмичности состоит в том, что вследствие антропогенного вмешательства в геологическую среду в ней происходит перераспределение существовавших или образование дополнительных напряжений. Это влияет на течение природных процессов, ускоряя их образование, и порой играет роль своеобразного «спускового механизма». Тем самым увеличивается частота природных землетрясений, а антропогенные действия способствуют разрядке уже накопленных напряжений, оказывая триггерное действие на подготовленное природой сейсмическое явление. Иногда действие антропогенного фактора само является фактором накопления напряженности в сейсмических полях.
Возможность проявления наведенной сейсмичности резко возрастает, если антропогенному воздействию подвергается зона глубинного разлома, вдоль которой генерируются очаги возбужденных землетрясений. Изменение естественного напряженного состояния геологической среды приводит к регенерации отдельных разрывов, входящих в зону глубинного разлома, и вызывает сейсмическое событие.
Наиболее мощными объектами, в которых реализуется наведенная сейсмичность, являются мегаполисы и крупные промышленные центры, водохранилища, шахты и карьеры, районы закачки газовых флюидов в глубокие горизонты геологической среды, проводимые подземные ядерные и неядерные взрывы большой мощности.
Механизм воздействия каждого фактора имеет свою специфику. Особенности проявления наведенной сейсмичности в районе крупных водохранилищ рассматривались выше.
Промышленные центры, так же как и горные выработки, меняют естественное напряженное состояние среды. Их перераспределение создает в одних местах дополнительную нагрузку (мегаполисы, крупные промышленные центры), а в других — разгрузку (горные выработки) земных недр. Тем самым те и другие после накопления напряженности вызывают разрядку в виде землетрясения. Наведенная сейсмичность может возникать также в результате изменения гидростатического давления в геологической среде после откачки нефти, газа или подземных вод и при закачке различных жидких веществ в буровые скважины. Закачка проводится с целью захоронения загрязненных вод, создания подземных хранилищ в результате растворения каменной соли на глубине, обводнения залежей углеводородов для поддержания внут-рипластового давления. Примеры возникновения наведенных землетрясений многочисленны. В 1962 г. в штате Колорадо (США) произошли землетрясения, вызванные закачкой отработанных радиоактивных вод в скважину на глубину около 3670 м, пробуренную в докембрийских гнейсах. Очаги находились на глубине 4,5—5,5 км, а эпицентры — вблизи скважины вдоль проходившего недалеко разрывного нарушения.
На Ромашкинском месторождении нефти в Татарии в результате многолетнего законтуренного обводнения было отмечено повышение сейсмической активности и появление наведенных землетрясений силой до 6 баллов. Аналогичной силы наведенные землетрясения происходили в Нижнем и Среднем Поволжье в результате изменения внутрипластового давления, а возможно и в результате проведения подземных испытательных взрывов для регулирования внутрипластового давления.
Крупные землетрясения магнитудой более 7 произошли в 1976 и 1984 гг. в Газли (Узбекистан). По мнению специалистов, они были спровоцированы закачкой 600 м3 воды в Газлийскую нефтегазоносную структуру с целью поддержания внутрипластового давления. В конце 80-х годов XX в. вблизи ряда горнодобывающих предприятий на Кольском полуострове, в частности в Апатитах, произошла серия землетрясений силой около 6 баллов. По свидетельству специалистов, землетрясения были спровоцированы сильными взрывами при проходке подземных выработок и обрушением оставшихся в них пустот. Подобные наведенные землетрясения довольно часто происходят на территориях угледобывающих предприятий в Донбассе, Кузбассе, Воркуте в результате просадок поверхностных частей над шахтами.
Подземные ядерные взрывы сами по себе вызывают сейсмические эффекты, а в сочетании с разрядкой накопленных природных напряжений способны спровоцировать весьма опасные наведенные афтершоки. Так, взрывы подземных ядерных зарядов на полигоне в штате Невада (США) с тротиловым эквивалентом, равным нескольким мегатоннам, инициировали сотни и тысячи толчков. Они длились несколько месяцев. Магнитуда основного толчка из всех толчков была на 0,6, а других последующих толчков на 2,5—2 меньше магнитуды самого ядерного взрыва. Подобные афтершоки наблюдались после подземных ядерных взрывов на Новой Земле и в Семипалатинске. Сейсмические толчки были зарегистрированы многими мировыми сейсмостанциями.
Несмотря на то, что энергия афтершоков обычно не превышает энергию самого взрыва, случаются и исключения. После подземного взрыва в апреле 1989 г. на Кировском руднике в ПО «Апатит» на горизонте +252 м произошло землетрясение силой 6—7 баллов в эпицентре и магнитудой, равной 4,68—5,0. Сейсмическая энергия составила 1012 Дж при энергии самого взрыва 106—1010 Дж.
Горные удары и внезапные выбросы возникают в результате нарушения естественного напряженного состояния геологической среды при проходке подземных горных выработок, созданных при разработке полезных ископаемых. Горный удар — внезапное быстротекущее разрушение предельно напряженной части массива полезных ископаемых или массы горных пород, прилегающей к горной выработке. Он сопровождается выбросом пород в горную выработку, сильным звуковым эффектом, возникновением воздушной волны. Подобные явления довольно часто происходят в шахтах во время добычи полезных ископаемых. Они случаются при проходке туннелей при строительстве подземных линий метро и т. д.
Горные удары обычно происходят на глубинах свыше 200 м. Вызываются они наличием в массиве горных пород тектонических напряжений, превышающих по величине гравитационные в несколько раз. По силе проявления выделяют стреляния, толчки, микроудары и собственно горные удары. Наибольшую опасность представляют горные удары, возникающие при проходке шахт через хрупкие горные породы – сланцы и добыче каменного угля.
Степень удароопасности оценивают на основе регистрации явлений и процессов, сопровождающих бурение скважин (выход и размерность бурового шлама, захват бурового снаряда в скважине, раскалывание керна на диски сразу же после его поднятия на поверхность), а также по различным геофизическим параметрам (скорости прохождения упругих волн, электрическому сопротивлению).
Ограничить силу горного удара можно применением специальных проходческих комбайнов, созданием специальных щитов, податливой крепи, исключением особо опасных горных выработок из использования.
Внезапный выброс представляет собой самопроизвольный выброс газа или полезного ископаемого (угля или каменной соли), а также вмещающей горной породы в подземную выработку. Выброс длится всего несколько секунд. С увеличением глубины горной выработки частота и сила выбросов увеличиваются. Горная выработка заполняется природным газом (метаном, углекислым газом, азотом) и массой раздробленных пород. Самый мощный в мире внезапный выброс составил 14 тыс. т угля и 600 тыс. м3 метана. Это произошло в 1968 г. в Донбассе на глубине 750 м. Горные удары и внезапные выбросы приводят к разрушению подземных выработок и гибели людей, работающих под землей.