5683

ториях" (Подольск, 1983), Всесоюзной конференции "Подземные воды и эволюция литосферы" (Москва,1985), Всесоюзном совещании по техногенному карсту (Владивосток, 1987), Региональной конференции "Эффективные методы устройства оснований зданий и сооружений в сложных инженерногеологических условиях Горьковского Поволжья" (Горький, 1990), Международном симпозиуме "Инженерная геология карста" (Пермь, 1992), Всеуральском совещании "Подземные воды Урала и сопредельных территорий" (Пермь, 1992), научно-технических конференциях ННГАСУ (Н.Новгород 1995 - 1999 г.), Международной научно-практической конференции "Строительство - 99" (Ростов-на-Дону, 1999), Международном научно-промышленном конгрессе "Великие реки - 99"(Н.Новгород, 1999), на заседаниях кафедр "Основания, фундаменты и инженерная геология", "Экология и природопользование" (1997 - 1999 г.г.), научно-практических семинарах и конференциях.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 49 работ, в том числе 2 монографии.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка литературы, включающего 307 наименований работ отечественных и зарубежных авторов, 5 приложений. Работа содержит 265 страниц машинописного текста, 97 рисунков, 35 таблиц.

Автор искренне признателен академику PAACH Найденко В.В. за консультации при постановке задач, обсуждении большинства вопросов по теме диссертации и основных результатов работы, внимание и заинтересованность в результатах исследований. Автор благодарен к.г.-м.н. Тычине О.В., профессору Казнову С.Д., д.т.н., профессору Губанову Л.H. за участие в обсуждении результатов исследований, критические замечания и помощь в оформлении работы. Особую благодарность диссертант выражает д.г.-м.н., профессору Кригеру H.И. за многолетнюю духовную поддержку и научное сотрудничество. Автор признателен всем специалистам, участвовавшим под его руководством в разные годы в экспедиционных работах и камеральной обработке данных.

12

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определена актуальность проблемы, сформулированы цель и основные задачи диссертационной работы, отмечены ее научная новизна и практическая значимость.

Первая глава посвящена анализу отечественного и зарубежного опыта строительного освоения и использования водных ресурсов, разработке карбо- натно-сульфатных массивов закарстованных территорий.

Дается характеристика осложнений, характерных при производстве строительных и горных работ в карстовых районах, приводятся примеры карстовых деформаций на объектах промышленно-гражданского, железнодорожного, гидротехнического, горнодобывающего строительства, при эксплуатации крупных водозаборов подземных вод. Анализируются причины образования карстовых деформаций и применяемые схемы, методы и средства защиты от них, оценивается ущерб от активизации карстопроявлений.

Во второй главе рассматриваются особенности ресурсной базы в карстовых районах, эффективность ее использования, дается классификация природных ресурсов, связанных с прямым воздействием карста и анализируются обратные связи. Площадное распространение карстопроявлений имеет прямую взаимосвязь с функциональным использованием территориальных ресурсов. Проблема экономного и экологически безопасного использования территориальных ресурсов в регионах требует углубления теоретических основ прогнозирования возможных изменений природных условий под воздействием различных видов хозяйственной деятельности человека. На примере четырех субъектов Российской Федерации: Нижегородской области, республик Мордовии и Чувашии, Марий-Эл детально рассмотрена площадная пораженность карстом на основе многолетних полевых исследований и дешефрирования аэрофотокосмоснимков. Площадь закарстованных территорий в Нижегородской области составляет 25 - 27 %, в Чувашии - 8 - 10 %, в Марий-Эл - 45 - 47 %. Из

13

47 административных районов Нижегородской области 25 районов согласно TCH 22 -308 - 984 характеризуется значительной закарстованностью, большинство весьма значительной (рис. 1). Территории самых крупных городов Нижегородской области также подвержены воздействию карста, при этом площадная пораженность проявлениями карста варьируется от 25 до 100 % (рис. 2). Весь спектр используемых территориальных ресурсов по основным функциональным особенностям распадается на площади, занятые: 1) городами, промышленными и пригородными зонами, поселками, малыми населенными пунктами; 2) сельскохозяйственными угодьями; 3) транспортными магистралями и сооружениями: железными дорогами, мостами, автодорогами, аэродромами нефте - и газопроводами, линиями электропередач; 4) лесными массивами, заповедниками, заказниками, зонами отдыха; 5) гидротехническими сооружениями: плотинами, прудами, водохранилищами; 6) горнопромышленными объектами: карьерами, шахтами, штольнями, рудниками, водозаборами подземных вод. Каждая из выделенных выше категорий территория как показали исследования, используется многофункционально и с различной степенью интенсивности. При этом большую роль играет историческая унаследованность тех или иных функций отдельных территорий. Нижегородская область, например характеризуется как одна из ведущих индустриальных областей России, специализирующаяся на транспортном машиностроении, химическом, нефтехимическом, лесохимическом производствах, приборостроении, добыче и производстве нерудного сырья с достаточно развитой инфраструктурой сельского хозяйства. Поэтому она взята как наиболее типичная для анализа использования территориальных ресурсов закарстованных территорий, выявления их прямых и обратных связей с карстом.

Преобладающие площади на закарстованных территориях Нижегородской области занимают лесные массивы, заказники, зоны отдыха, садовые участки и сельскохозяйственные угодья, включая полигоны складирования отходов (рис. 3) Однако, как показал сравнительный анализ интенсивности проявления

Рис. 2 Степень пораженности карстом территориальных ресурсов городов Нижегородской области

Диаграмма использования территориальных ресурсов закарстованных территорий Нижегородской области под различные виды строительства и хозяйственной деятельности (в %)

территории городов, пригородных зон, поселков, малых населенных пунктов и промышленные зоны;

железнодорожные и автомобильные магистрали с твердым покрытием, газо-нефтепроводы, линии электропередач;

сельскохозяйственные угодья, полигоны складирования

отходов;

эксплуатируемые месторождения полезных ископаемых, карьеры, шахты, штольни, рудники, водозаборы подземных вод, включая зоны санитарной защиты, водоводы;

лесные массивы, заказники, зоны отдыха, садовые участки;

гидротехнические сооружения, плотины, пруды, водохранилища;

неиспользуемые или эпизодически используемые территории

16

карста на этих территориях с другими выделенными категориями территорий, они оказались на несколько порядков ниже. Особенно это характерно для лесных массивов, что свидетельствует об естественной эволюции карстового процесса. Для остальных категорий территориальных ресурсов, как показали проведенные исследования, особенно в пределах городских агломераций интенсивность карстопроявлений, в том числе образование современных карстовых провалов, в десятки и сотни раз превышает показатели интенсивности первых двух категорий территорий.

Установленные закономерности тесного взаимовлияния городских территориальных ресурсов и активности карста показывают, что города становятся основной средой обитания и жизнедеятельности человека. В настоящее время 74 % населения России проживает в городах (Осипов, 1998), примерно такой же процент городского населения характерен и для Нижегородской области. Строительство зданий повышенной этажности, создающих высокие нагрузки на грунтовые основания, уплотнение городской застройки, расширяющееся использованиеподземногопространстваприводяткконцентрированному воздействию техносферы на природно-территориальный комплекс города и резко активизирует карстовый процесс, заставляет решать задачу не только обеспечения устойчивости зданий и сооружений, но и обеспечения экологической безопасности жителей городов из-за большой концентрации промышленных производств в черте города и в непосредственной близости от него.

Основные закономерности взаимовлияния водных ресурсов и карста были получены на примере Южно-Горьковского месторождения подземных вод Они обусловлены прежде всего тем, что вода является одним из четырех обязательных условий развития карстового процесса (Соколов, 1962 г., Максимович, 1963г.).

На закарстованных территориях, как правило в трещиноватых и карбонат- но-сульфатных породах, сосредотачиваются большие запасы подземных пресных питьевых вод. Примером тому является одно из крупнейших в Европе

17

Южно-Горьковское месторождение подземных вод с запасами пресных вод более 1.0 млн.куб.м/сут. Проведение комплекса полевых, лабораторных, экспериментальных исследований на Южно-Горьковском месторождении подземных вод с применением новейших изотопных методов по оценке современного процесса растворения карбонатных пород (Поляков В.А. и др., 1988), моделирование параметров подземной гидросферы с учетом проектных уровней водоотбора позволило установить наиболее оптимальный режим эксплуатации месторождения без нарушения сложившегося экологического баланса и избежать активизации карстово-суффозионного процесса. Методология проведенных исследований универсальна и может применяться во всех регионах России, где водозаборы подземных вод расположены на закарстованных территориях.

Тесными связями характеризуются разрабатываемые массивы карбонатных, карбонатно-сульфатных пород и карст, как процесс, явление и следствие его развития.

Полевые экспедиционные исследования на эксплуатируемых месторождениях карбонатных и сульфатных пород в Нижегородской области и республике Мордовия "Гремячевское", "Сатисское", "Аламасовское", "Будаевское", "Анненковское", "Бебяевское" и на ряде других показали, что сильная трещиноватость, дезинтегрированность карстующихся пород резко снижает запасы продуктивной толщи месторождения, осложняет его разработку, ухудшает безопасность ведения горнопромышленных работ. При значительной обводненности массива возрастает опасность прорыва трещино-карстовых вод и затопления штреков и штолен, возникаетугрозажизни людей.

Был проанализирован большой материал по спектральному, химикоминералогическому, гранулометрическому составу карбонатных и сульфатных пород изучаемого региона. В полевых условиях были отобраны 538 образцов для лабораторных исследований из карьеров, естественных обнажений, штолен, керна разведочных скважин, чтобы проследить как изменяются структурнотекстурные свойства пород на различных стадиях карстования. Выяснилось, что при выщелачивании карбонатной юроды изменяется количество состав-

18

ляющих кальцита, доломита и нерастворимого остатка. При этом количество пор увеличивается, вследствие чего порода приобретает "ажурное" строение (рис. 4.5), изменяется ее механическая прочность и порода разрушается. Установлено (Зиангиров, Аносова и др., 1986, Сафронов, 1990), что наибольшее влияние на прочность пород оказывает пористость, что подтверждают лабораторные испытания и полученные зависимости предела прочности на одноосное сжатие от пористости. Верхняя часть карстующихся карбонатных пород, особенно, где они залегают близко к земной поверхности, значительно дезинтегрирована, разбита на глыбы, обломки различной величины, щебень. Полевые и камеральные работы на эксплуатируемых карбонатных месторождениях показали, что здесь широко распространен конечный продукт дезинтеграции карбо-

натных пород - карбонатная мука.

Проведенные автором натурные и экспериментальные исследования на Бебяевском и Аненковском разрабатываемых месторождениях гипса и ангидрита позволили установить основные закономерности взаимовлияния динамики карста и состояния карстующихся пород, гидрохимической структуры потока подземных вод и пространственного заложения штреков и штолен, выявить принципиальную зависимость скорости растворения гипса (см/сут.) от дефицита насыщения (Δ С) и скорости движения потока (V) подземных вод (рис. 6).

В третьей главе раскрывается историческая предопределенность техногенеза, подчеркивается постоянная опасность возникновения техногенных катастроф, связанных с энергоемкими, взрывоопасными промышленными производствами, объектами атомной энергетики, производствами по получению токсичных высококонцентрированных материалов, расположенными на закарстованных территориях, где высока вероятность образования современных карсто-

вых провалов.

Вопросам влияния техногенных факторов на условия развития карста посвящены работы многих известных российских ученых: Кавеев (1963), Лыкошин (1968), Котлов (1978, 1981), Печеркин (1972, 1992), Кутепов, Кожевникова (1987,1999), Гаев (1989), Саваренский, Миронов (1995), Толмачев и др.

Рис. 4 Известняк органогенный. Видны многочисленные остатки криноидей, фораминифер, выполненных кальцитом. Зерна кальцита неправильной формы, размеры 0,005 — 0,01 мм. в поперечнике. Порода содержит около 15 % пор размерами 0,02 - 0,015 мм в по-

перечнике.

(Будаевское месторождение, гл. отбора - 7,5 м)

Рис. 5 Известняк тонкозернистый, пористый с реликтами доломита. Первоначально порода была сложена тонкозернистым доломитом с зональным внутренним строением, с редкой фауной фораминифер

(Участок "Лесной" гл. - 6.5 м)

(1986, 1999) и зарубежных исследователей Toulemont (1974), Леггет (1976),

Kemmerli (1978), Уолтхем (1982), Reuter и др. (1990). Учитывая многофактор-

ность техногенных воздействий в разных карстовых районах, специфику задач

решаемыхвкаждомконкретномисследовании,повышеннуючувствительность

карста к техногенным нагрузкам проблема оценки и ранжирования техноген-

ных факторов при прогнозировании динамики карста остается до конца нераз-

решенной, а имеющиеся разработки требуют дальнейшего развития и совер-

шенствования.