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. Особое внимание необходимо уделить районам распространения гипсового и соляного карста, являющимся наиболее опасными.
Развитие гипсового карста оказывает комплексное влияние на все компоненты природного ландшафта и на хозяйственную деятельность человека: происходит частичное или полное выщелачивание горных пород, концентрация в воде сульфат-ионов и ионов кальция; выпадение из воды CaCO3 (табл. 1).
Таблица 1
Влияние гипсового карста на ландшафт и хозяйственную деятельность человека [2]
|
Компоненты ландшафта |
Направление процесса |
Следствие процесса |
Характерные элементы ландшафта |
Влияние на хозяйственную деятельность |
|
Горные породы: |
Вынос |
Частичное или полное выщелачивание пород |
· почвы небольшой мощности; · локальное увеличение мощности рыхлых отложений; · карстовые брекчии; · карстовые воронки, провалы, котловины, рвы, депрессии; · своеобразный микроклимат; · пятнистый растительный покров |
· неблагоприятные инженерно-геологические условия; · сокращение площади пахотных земель; · осложнения с применением техники в сельском и лесном хозяйствах; · ухудшение качества леса; · рекреационное и другое использование |
|
Поверхностные и подземные воды |
Аккумуляция |
Концентрация в воде ионов SO42- и Ca2+ ; выпадение из воды CaCO3 |
карстовые озера |
использование для разведения птиц, рыбоводства, редко для водоснабжения |
|
· перевод поверхностного стока в подземный; · малые реки сульфатного состава; · карстовые источники сульфатного состава; · локальная обводненность; · сульфатные карстовые воды; · сульфатные грунтовые воды |
неблагоприятные условия водоснабжения |
|||
|
· сероводородные грязи; · сероводородные воды |
использование в лечебных целях |
По инженерно-геологической классификации закарстованных территорий Пермского края выделяется четыре категории территорий, отличающихся различной степенью устойчивости для инженерных сооружений [1].
1 категория – территории неблагоприятные в инженерно-геологическом отношении. К ним относятся районы преимущественно гипсового карста.
2 категория – территории относительно благоприятные в инженерно-геологическом отношении. К ним относятся районы развития карста в карбонатных породах.
3 категория – территории с небольшими участками, неблагоприятными в инженерно-геологическом отношении (Предуральский прогиб).
4 категория – благоприятные территории, карст отсутствует.
Классификация закарстованных территорий также предложена по интенсивности образования карстовых деформаций и их среднему диаметру (табл. 2, 3) [8].
Таблица 2
Категории устойчивости закарстованных территорий по интенсивности образования карстовых деформаций
|
Категории устойчивости территорий относительно карстовых деформаций |
Интенсивность образования карстовых деформаций, случай/км2·год |
Степень опасности закарстованной территории |
|
I – очень неустойчивые территории |
свыше 1,0 |
Опасная |
|
II – неустойчивые |
свыше 0,1 до 1,0 |
Опасная |
|
III – недостаточно устойчивые |
свыше 0,05 до 0,1 |
Опасная / потенциально опасная |
|
IV – с пониженной устойчивостью |
свыше 0,01 до 0,05 |
Потенциально опасная |
|
V – относительно устойчивые |
до 0,01 |
Потенциально опасная |
|
VI – устойчивые территории |
образование исключается |
Практически неопасная |
Таблица 3
Категории закарстованных территорий по средним диаметрам провалов
|
Категории территорий по средним диаметрам карстовых провалов |
Средний диаметр карстовых провалов, м |
Степень сложности конструктивной защиты зданий |
|
А |
свыше 20 |
крайне затруднена или невозможна |
|
Б |
св. 10 ÷ 20 |
затруднена |
|
В |
св. 3 ÷ 10 |
достаточно сложна |
|
Г |
до 3 |
не применяется или применяется в ограниченном объеме |
Таким образом, оценена карстоопасность и возможность возникновения аварийных ситуаций на закарстованных территориях. По данному признаку намечено 5 групп районов, из которых районы развития сульфатного и соляного карста входят в первые три [3].
1. Районы интенсивного сульфатного (гипсо-ангидритового) карста платформенного типа (Ксенофонтовский, Полазненский, Нижнесылвенский, Иренский, Кишертский). Условия строительства определяются наличием площадок от I (очень неустойчивых) до IV (с несколько пониженной устойчивостью) категорий. Отмечается активизация карста в связи с техногенными воздействиями. Возникновение провалов может создавать аварийные ситуации. Условия водоснабжения неблагоприятны.
2. Районы соляного закрытого карста впадин и депрессий (Вишеркский, Соликамский), где отмечается активизация карста на старых солепромыслах, при эксплуатации подсолевых месторождений, бурении скважин, добыче соли, интенсивном водозаборе. Негативные процессы: медленные опускания земной поверхности (в многолетнем масштабе), заболачивание, загрязнение (засолонение) подземных вод зоны активного водообмена. В местах интенсивной техногенной нагрузки возможны аварийные ситуации при обрушении кровли подземных выработок и карстовых полостей.
3. Районы с локальным проявлением закрытого сульфатного (гипсо-ангидритового и соляного) карста малых структур депрессий (Осинцевский, Ачитский, Кордонский). В местах неглубокого залегания гипсов возможно возникновение провалов. Активизация вероятна в местах перетока минерализованных вод нижних горизонтов в зону активного водообмена, а также при инженерных работах, сопровождающихся нарушением покровных отложений.
Наибольшую опасность для инженерных сооружений представляют деформации земной поверхности, весьма характерные для территорий с развитием сульфатного карста. Свыше 200 провалов зафиксировано в границах автомобильных дорог и их отводов. Большая часть из них образовалась в кюветах и в резервах грунтов и «спровоцирована» антропогенным воздействием на геологическую среду. При этом среди основных факторов, активизирующих карст и проявление его на поверхности, отмечается сокращение мощности (до обнажения карстующихся пород) и изменение состава и свойств (в частности, при увлажнении) покровных отложений, трансформация рельефа, приводящая к появлению (или расширению) очагов повышенной инфильтрации и инфлюации поверхностных, как правило, весьма агрессивных вод, динамические нагрузки [6].
Серия провалов была зафиксирована в Соликамском карстовом районе. Первый провал глубиной 100 м произошел в июле 1986 г. и сопровождался взрывом газов и мощными световыми вспышками. В августе 1986 г. воронка, имеющая удлиненную форму, заполнилась водой. Размеры по поверхности воды около 150×70 м, по кромке леса – 210×110 м.
В июле 2007 г. на месте прорыва грунтовых вод на первой шахте ПАО «Уралкалий» был зафиксирован второй провал диаметром около 380 м (по данным на июль 2015 г.) (рис. 2), что повлекло за собой перенос железнодорожных путей.
Начиная с 2010 г. почти ежегодно, за исключением 2012 и 2013 годов, происходило проседание грунта в окрестностях г. Березников. Последний провал был зафиксирован в феврале 2015 г. в районе школы № 26 непосредственно в самом городе, и по данным на 01.07.2015 г. составляет 30 м в диаметре.
Большую опасность карст представляет для устойчивости железнодорожных сооружений, что обусловлено как региональными особенностями развития данного явления (меридиональная вытянутость районов развития карстующихся пород и довольно большое их площадное распространение), так и спецификой конструкции железных дорог (тяготение к речным долинам, мягкое сопряжение пути с основанием, активное динамическое воздействие на основание, линейная непрерывность и т.п.) [11].
Общая протяженность железнодорожных магистралей по Пермскому краю – 1642,1 км, из них 576,6 км (35%) проходят через карстовые районы (рис. 1). Провалы в полосе железных дорог особенно опасны и требуют изучения. Только за последние 40 лет произошло более 20 таких случаев. Примером является провал на железнодорожной станции г. Березников в ноябре 2010 г., в результате которого здесь были остановлены транзитные перевозки. Размеры провала на июль 2015 года – 110×85 м (рис. 3).
Рис. 1. Схема магистральных трубопроводов и железных дорог в карстовых районах Пермского края [10].
Рис. 2. Провал на территории БКПРУ-1 ПАО «Уралкалий».
Рис. 3. Провал на железнодорожном полотне в г. Березниках.
Значительное развитие в Пермском крае получил трубопроводный транспорт. По территории региона проходит ряд крупных магистральных нефте- и газопроводов общероссийского и международного значения. Это две трассы нефтепровода Сургут – Полоцк, пять магистральных нефтепроводов Уренгой – Центр, экспортный газопровод Уренгой – Помары – Ужгород [7]. Протяженность магистральных трубопроводов достигает 11,2 тыс. км, из них 1,3 тыс. км нефтепроводов и 9,9 тыс. км газопроводов. Через территорию региона проходит около 22% добытой в стране нефти и 53% добытого природного газа.
Особую опасность представляет антропогенная активизация карста в совокупности с другими опасными геологическими процессами: суффозией, эрозией, подтоплением, обвалами, землетрясениями и др. Так, строительство магистральных газопроводов в Кунгурско-Иренском междуречье, проводившееся с нарушением гидрологического режима территории и использованием взрывного способа рыхления скальных и мерзлых грунтов, привело к резкому повышению интенсивности провалообразования [6].
Магистральные трубопроводы и железные дороги пересекают почти все карстовые районы (Полазненский, Чусовской, Иренский, Кизеловский и др.), а также и наиболее опасные районы развития соляного (например, Соликамский карстовый район) и сульфатного (например, Нижнесылвинский карстовый район) карста (рис. 1, табл. 4). Карстовые районы являются местом повышенного риска для строительства объектов транспортно-коммуникативной сети.
Известно большое количество аварий на магистральных трубопроводах и железных дорогах, приуроченных к карстовым районам (табл. 4, рис. 1).
Таблица 4
Приуроченность к карстовым районам трубопроводов и железной дороги
|
Карстовые районы [4] |
Наличие |
Протяженность |
Случаи аварий |
|
|
газопроводов |
нефтепроводов |
|||
|
Полазненский (Пл) |
+ |
+ |
85,6 |
+ |
|
Нижнесылвинский (Нс) |
+ |
+ |
47,5 |
+ |
|
Иренский (Ир) |
+ |
+ |
29,1 |
+ |
|
Уфимского плато (Уп) |
+ |
|
28,9 |
+ |
|
Кишертский (Кш) |
+ |
|
19,4 |
+ |
|
Соликамский (Сл) |
+ |
+ |
73,6 |
+ |
|
Осинцевский (Ос) |
|
|
17,3 |
+ |
|
Ачитский (Ач) |
|
|
10,3 |
|
|
Кордонский (Кр) |
|
|
6,0 |
|
|
Кизеловский (Кз) |
+ |
|
146,0 |
+ |
|
Чусовской (Чс) |
+ |
+ |
112,9 |
+ |
|
Верхнеусьвинский (Ву) |
+ |
|
|
|
|
Всего в карстовых районах (в % к общей протяженности) |
|
|
576,6 (35%) |
|
В.В. Толмачевым [9] на основе анализа аварий и повреждений сооружений на закарстованных территориях был составлен условный ряд степени тяжести их последствий.
1. Катастрофические разрушения (потеря общей устойчивости сооружения или повреждение технологического оборудования), приводящие к гибели людей или недопустимому заражению местности вредными химическими, радиоактивными и другими веществами.
2. Частичные разрушения и повреждения, приводящие к временному прекращению нормальной эксплуатации сооружений.
3. Повреждения, приводящие к существенному затруднению нормальной эксплуатации сооружений.
4. Повреждения, могущие при определенных условиях привести к временному затруднению нормальной эксплуатации сооружения.
5. Повреждения, практически не приводящие к затруднению нормальной эксплуатации сооружения.
С учетом разрушительного воздействия тех или иных видов карстовых деформаций опасность карста для некоторых типов сооружений можно представить следующим образом (табл. 5).
Таблица 5
Опасность карста для различных типов сооружений [9]
|
Тип сооружений |
Возможные последствия карстовых деформаций |
|||
|
провалы |
проседания |
просадки |
оседания |
|
|
Гражданские и промышленные здания |
1-4 |
1-4 |
2-4 |
2-4 |
|
Высотные здания башенного типа |
1-3 |
1-3 |
1-4 |
1-4 |
|
Атомные и тепловые электростанции |
1-2 |
1-2 |
1-4 |
2-3 |
|
Дымовые трубы |
1-2 |
1-2 |
1-3 |
1-4 |
|
Мосты и путепроводы |
1-2 |
1-2 |
1-3 |
2-4 |
|
Главные пути магистральных железных дорог |
1-3 |
1-4 |
1-5 |
3-5 |
|
Дорожная конструкция автомобильных дорог |
1-4 |
2-4 |
3-4 |
3-4 |
|
Магистральные трубопроводы |
2-5 |
2-5 |
4-5 |
4-5 |
Закарстованность территории Пермского края усложняет ведение хозяйственной деятельности и повышает риск возникновения аварийных и чрезвычайных ситуаций. Опыт освоения карстовых районов показывает, что наименьший ущерб нанесен тем из них, где до начала деятельности осуществлялось детальное изучение особенностей развития карста, разрабатывались и проводились научно обоснованные противокарстовые мероприятия [5].
Таким образом, наличие карстовых пород, особенно на территории с высокой степенью техногенной нагрузки, является причиной значительных проблем для инженерных сооружений и окружающей среды. В связи с этим необходимо проводить специальные защитные мероприятия для снижения негативных последствий и больших затрат на их ликвидацию.
Работа выполнена при финансовой поддержке со стороны Минобрнауки России в рамках базовой части государственного задания № 2014/153 № 269 в сфере научной деятельности.
Рецензенты:
Земсков А.Н., д.т.н., вице-президент по науке и технической политике ГП «ЗУМК», член Высшего горного совета России, г. Пермь;
Середин В.В., д.г.-м.н., профессор, генеральный директор ООО НИППППД «Недра», г. Пермь.