Основные научные положения, понятия и определения – биосфера и ноосфера, окружающая и геологическая среда

Введение.

В настоящее время на территории СНГ сложилась тревожная экологическая обстановка. Окружающая природная среда испытывает существенную техногенную нагрузку под влиянием развития эксплуатации множества промышленных транспортных и сельскохозяйственных объектов. Особенно интенсивное техногенное и радиогенное загрязнение природной среды – воздуха, почвы, поверхностных и подземных вод, растительного покрова и животного мира отмечается в горно-промышленных районах, таких как, Урал, Кузбасс, Мосбасс и др., где сосредоточены крупнейшие - горно-рудные и угольные предприятия. Радиоактивное загрязнение окружающей среды происходит в районах деятельности химических заводов (Урал, Поволжье и др.), при ядерных взрывах («Новая Земля»), эксплуатации и авариях на атомных электростанциях (Чернобыльская АЭС). Сложная экологическая обстановка складывается и с использованием пресных подземных вод питьевого водоснабжения. Так, по данным Госкомприроды, в России выявлено около тысячи очагов загрязнения подземных вод (Московская, Вологодская, Кемеровская обл.), растет количество водозаборов, проявляющих признаки истощения запасов (Московская обл., Тульская обл., Калуга, Орел, Рязань и др.). Наблюдается негативное изменение геологической среды в промышленных городах (Москва, Пермь, Челябинск и др.), связанных с формированием техногенных процессов - подтопления промышленных и гражданских сооружений, проявления суффозионно-карстовых провалов и деформации земной поверхности и поверхностных сооружений. Значительная техногенная нагрузка на окружающую среду связана так же с интенсивным ростом нефтеперерабатывающих, нефтехимических и химических комплексов (Урало-Поволжье, Норильск и др.).

Как показывает практика, оба направления геологических исследований - гидрогеология и инженерная геология относятся к наиболее «экологизированным». Они направлены на изучение геологической среды и решение задач, связанных с возникающими в ней экологическими проблемами. Из многолетнего опыта видно, что проводимые исследования гидрогеологии и инженерной геологии имеют много общего в методах, методиках, технических средствах и задачах, учитывая тот факт, что функционирование гидрогеологических объектов часто обеспечивает инженерная геология.

Сформировавшаяся в фундаментальной гидрогеологии и инженерной геологии – экологическая гидрогеология и инженерная геология имеют и свои отличительные особенности в ранее сложившихся традиционных направлениях, таких как, съемка, поиски, разведка и эксплуатация подземных вод, инженерно-геологические изыскания и др.

Эти особенности в теории, методах, методике, технике проведения, интерпретации исследований и прогнозировании, кратко рассмотренные в настоящем пособии, связаны с решением экологических проблем при выполнении гидрогеологических и инженерно-геологических задач, возникающих в процессе освоения территорий и месторождений полезных ископаемых.

1. Теоретические и методические основы экологической гидрогеологии и инженерной геологии

Гидрогеология и инженерная геология эти научные направления являются наиболее «экологизированными» научными направлениями в прикладной геологии изучают геологическую среду (литосферу) с целью прогнозирования и решения экологических проблем, возникающих под влиянием инженерной и хозяйственной деятельности человека, в результате:

- загрязнения подземных и поверхностных источников, используемых для водоснабжения;

- истощения естественных запасов подземных вод при интенсивном водоотборе;

- заражения подземных вод и окружающей среды при захоронении промышленных, бытовых и токсичных (в т.ч. химических и радиоактивных) отходов в подземные и наземные хранилища;

- техногенного подтопления основания сооружений на застроенных территориях;

- освоения территорий месторождений полезных ископаемых в сложных гидрогеологических и инженерно-геологических условиях;

- суффозинно-карстового выщелачивания карбонатных пород в связи с увеличением градиента фильтрационного потока;

- оседания земной поверхности в результате уплотнения пород при их вторичной консолидации в процессе водопонижения и осушения.

Как показывает практика, проводимые исследования в экологической гидрогеологии и инженерной геологии имеют много общего не только в постановке задач, но и методах, методиках и средствах их решения. В целом они направлены на получение информации, необходимой для разработки аналитических моделей геоэкологических условий исследуемых территорий и пространственных объектов (например, месторождений полезных ископаемых, подземных водных бассейнов, объектов хранения токсичных и радиоактивных отходов, технолитозон городов и т.д.), с целью прогнозирования и управления качеством геологической среды и предотвращения необратимых вредных последствий как для человека, так и для любых объектов природы.

Таким образом, предметом изучения экологической гидрогеологии, и инженерной геологии являются подземные воды, горные породы и техногенные процессы, формирующиеся в геологической среде под действием техногенеза и негативно влияющие на развитие биосферы и жизнедеятельности человека.

К теоретическим основам экологической гидрогеологии и инженерной геологии относятся принятые в современной практике такие научные понятия и определения как: биосфера и ноосфера, окружающая и геологическая среда, техногенные и криогенные процессы, техногенез; ведущая роль подземных вод в существовании и развитии биосферы; значение общего круговорота вещества и тепла (тепломассообмен) в прогнозной оценке процессов техногенеза.

В методических основах, рассматриваемых научных направлений изучаются: методы прогнозной оценки техногенных гидрогеологических и инженерно-геологических процессов и их влияние на компоненты геологической среды, биосферные условия и человека; эколого-гидрогеологические основы охраны рационального использования и защиты окружающей среды от негативного влияния техногенеза; методы и методологические приемы проведения эколого-гидрогеологических и эколого- инженерно-геологических исследований, мониторинг подземных вод и геологической среды (литомониторинг).

Наиболее важные из приведенных выше теоретических и методических основ экологической гидрогеологии и инженерной геологии кратко рассмотрены ниже.

Основные научные положения, понятия и определения – биосфера и ноосфера, окружающая и геологическая среда.

Биосфера, по В. И. Вернадскому, это «единая целая закономерно оформленная верхняя часть оболочки Земли, охваченная живым веществом. Вне биосферы – нет жизни.» В.И.Вернадский обосновал геологическую сущность биосферы. В основу этого представления им впервые были введены следующие научные положения [ 14 ].

1. Формирование оболочек Земли происходило в геологическую стадию развития планеты. Вначале сформировалась литосфера, а затем после появления жизни – биосфера.

2. Современное живое существо генетически связано с живым веществом всех прошлых геологических эпох. Эволюция биосферы диалектически связана с эволюцией форм живого вещества в геологической истории. Следовательно, жизнь является специфической формой движения материи. Жизнь – есть совокупность всех живых организмов в биосфере со всеми их изменениями в ходе геологического времени.

3. В глобальном масштабе геохимическую роль живого вещества следует рассматривать как мощный, исторически сложившийся геологический фактор массо- и энергопереноса. Химический состав живого вещества по существу регулирует всю геохимическую историю биосферы.

4. Биосфера по своей структуре охватывает часть других геосфер – атмосферы, гидросферы, верхние части литосферы и гидрогеосферы. Эти сферы планеты взаимосвязаны между собой биогеохимическими циклами миграции вещества и энергии. Литосфера, гидрогеосфера, живые организмы, гидросфера и атмосфера тесно связаны между собой и являются внутренней функцией развития планеты. Такие геологические объекты, как газы атмосферы (кислород, азот, углекислый газ), природные воды, каустобиолиты (нефть и угли), известняки, глины и их метаморфические производные, в своей основе связаны с деятельностью живых веществ планеты.

5. Основным движущим фактором развития процессов в биосфере является биогеохимическая энергия живого вещества. Эта энергия охватывает всю биосферу и по существу определяет ее геологическое значение (например, интенсивную миграцию химических элементов в земной коре и др.)

Главным процессом, протекающим в биосфере, является глобальный кругооборот энергии и вещества (тепломассообмен и тепломассоперенос), который следует рассматривать как исторически сложившуюся форму взаимоотношений живых организмов и растительности с окружающей средой.

Биосфера под воздействием биогеохимических процессов без влияния человека сформировала по существу технологию природного производства вещества. По выражению А.П.Виноградова, природные производительные силы представляют собой безотходное производство – продукты жизнедеятельности одних организмов используются для жизни других. В природных технологических схемах, таким образом, все утилизируется. Важнейшим составляющим элементом биосферы является почва, играющая большую роль в существовании живого вещества. В гидрогеологическом отношении почвенный покров и населяющие его микроорганизмы – это универсальный биологический адсорбент, естественный фильтр, вечный естественный санитар и нейтрализатор загрязнений. Процессы глобального кругооборота энергии и вещества формируют динамическое равновесие и обеспечивают в естественных условиях сравнительно небольшую во времени изменчивость окружающей среды.

В антропогенный период развития Земли, особенно в эпоху современной научно-технической революции, быстро растет и развивается новая форма энергии, связанная с жизнедеятельностью общества людей. Эта новая энергия, которую В.И. Вернадский назвал энергией человеческой культуры, по своим масштабам выдвигается на первое место. Следовательно, создание новой культурной биогеохимической энергии является важным фактором в геологической истории биосферы. Именно под влиянием энергии мирового производства происходят региональные изменения растительного и животного миров, почвенного покрова, состава атмосферы, микроклимата гидросферы и техногенное изменение гидрогеосферы.

Человек живет в биосфере и своей активной деятельностью постоянно преобразует ее. Рациональное, разумное преобразование биосферы – вот стратегическая проблема в использовании природных ресурсов.

По мнению В.И.Вернадского, «…геологически мы переживаем сейчас выделение в биосфере царства разума, меняющего коренным образом и ее облик, и ее строение – ноосферы». В.И. Вернадский развил материалистический характер термина ноосфера в следующих выводах: 1) человек в процессе эволюционного развития становится мощным геологическим фактором планетарного масштаба; 2) в процессе исторического развития человек приобретает такой активный рычаг своей деятельности, как разум; 3) развитое социально организованное общество, все сферы производства, наука и разум человека позволяют более осмысленно развивать биосферу; 4) человек стал творческой сознательной геологической силой, поэтому может сам строить будущее своих поколений.

«Ноосфера,- писал В.И. Вернадский,- есть геологическое явление на нашей планете. В ней впервые человек становится крупнейшей силой. Он сможет и должен перестраивать своим трудом и мыслью область своей жизни, перестраивать коренным образом по сравнению с тем, что было ранее». Таким образом, В.И. Вернадский в своих исследованиях обосновал научное и социальное значение термина ноосфера, придал ему более глубокое геологическое и биологическое содержание.

Преобразование биосферы в ноосферу – есть процесс разумного использования природы и ее ресурсов, который должен полностью исключить отношение к природе как к прибыльному мероприятию. Перестройка биосферы, по В.И. Вернадскому, должна происходить в интересах мыслящего человека. Такая направленность требует, чтобы общество было не пассивным созерцателем преобразований и поставщиком вещества и энергии, а рассматривалось как активный фактор, позволяющий во взаимодействии с окружающей средой разумно управлять природой и ее ресурсами. Ноосфера, таким образом, по своему содержанию является новым объектом научного познания в условиях взаимодействия производительных сил общества и производительных сил природы. Идея, заложенная В.И. Вернадским в понятие ноосфера, является фундаментальным положением новой группы наук о ноосфере, целесообразное развитие которой – важнейшая задача нашего времени. Одно из новых направлений в современной гидрогеологии в этом отношении – техногенная гидрогеология. В свете этого положения весьма важно развивать разделы гидрогеологической науки, которые изучают гидрогеологические аспекты проблемы охраны и защиты окружающей среды, рационального использования природных ресурсов, в том числе ресурсов подземных вод различного типа. В указанных направлениях интенсивно развиваются и основные разделы гидрогеологической и инженерно-геологической науки, а также геокриологии.

Гидрогеологию и инженерную геологию объединяет общая теоретическая основа – всестороннее изучение гетерогенной системы: горные породы – подземные воды - газы - органические вещества. Кроме того, их объединяет также общая проблема современности – геологические аспекты охраны и защиты окружающей среды. Следовательно, эти научные дисциплины входят в группу наук о ноосфере (биология, ботаника, зоология, почвоведение, климатология и др.).

Окружающая и геологическая среда.

В Большой Советской Энциклопедии окружающая среда определяется как среда обитания и производственной деятельности, как окружающая природная среда. Под окружающей средой следует понимать ту часть биосферы, в которой активно протекают обитание и производственная деятельность человека. По мере развития научно-технического прогресса человек во все нарастающих масштабах развивает огромную деятельность, поэтому границы окружающей среды будут изменяться. В структурном отношении окружающую среду следует рассматривать как материальную систему, состоящую из шести компонентов: атмосферы, гидросферы, гидрогеосферы, растительного и животного миров и почвы.

Роль атмосферы в жизни единой водной оболочки весьма велика. Достаточно отметить ее значение в процессах глобального кругооборота влаги.

Непосредственно на поверхности Земли формируется внешняя часть прерывистой водной оболочки – гидросфера. Под гидросферой принято понимать совокупность поверхностных вод океанов, морей, озер и рек. Эта часть водной оболочки Земли занимает около 71% всей поверхности планеты; здесь формируется основная масса природных вод. Поверхностные воды океана являются основным источником влаги, участвующей в непрерывно действующих планетарных процессах кругооборота.

Под поверхностью Земли формируется часть единой водной оболочки – гидрогеосфера, представляющая собой совокупность всех типов подземных вод различного фазового состояния. В пределах горно-складчатых областей и Мирового океана – прерывисто-сплошное. Для характеристики окружающей среды основное значение имеет верхняя часть разреза гидрогеосферы которая располагается в пределах так называемой зоны интенсивного подземного стока. В ней формируется основное богатство планеты – пресные подземные воды, участвующие в постоянно действующих процессах глобального влагооборота. Таким образом, природные, в том числе подземные, воды являются неотъемлемой частью окружающей среды и играют решающую роль в жизни и производственной деятельности человека. Вода – это та необходимая составная часть окружающей среды, которая создает условия для существования и развития всего живого на Земле. Только в условиях благоприятного водного режима в природной среде обеспечивается существование нормально и активно развивающихся и жизнеспособных растительных и животных сообществ. В.И, Вернадский, отмечая роль воды в формировании окружающей среды, писал: «Вода стоит особняком в истории нашей планеты. Нет природного тела, которое могло бы сравниться с нею по влиянию на ход основных, самых грандиозных, геологических процессов». Исключительно большое значение в формировании окружающей человека среды имеет, как отмечалось выше, исторически сложившийся глобальный кругооборот влаги. Как известно, на поверхности нашей планеты по климатическим условиям четко прослеживается широтная географическая зональность – распространены криолитозона, гумидная и аридная зоны. Во всех этих зонах подземные воды играют решающую роль в формировании и структуре окружающей среды, особенно в аридной зоне. Последняя характеризуется сухим климатом и преобладанием испарения над количеством атмосферных осадков . Реки второго порядка часто не имеют здесь постоянных поверхностных водотоков или они теряются в песках. В пределах этой зоны располагаются все пустыни и полупустыни. Поземные воды являются здесь единственным источником водоснабжения и орошения. Они определяют возможность жизни и особенности окружающей среды. Еще одно обстоятельство убедительно подтверждает исключительно важную роль подземных вод в формировании окружающей среды – это распространение их в почвенном покрове (парообразная влага, естественная влажность и временный горизонт почвенных вод). Без этих факторов существование живого в почвах невозможно. В этом отношении хорошо известна роль почвенной влаги в развитии всех сельскохозяйственных культур. Осушенная почва – безжизненная среда, очень быстро подвергающаяся ветровой эрозии.

Геологические аспекты рассматриваемой проблемы состоят еще и в том, что различные горные породы так же, как и подземные воды, являются составной частью окружающей среды и играют существенную роль в жизни и производственной деятельности человека. Человек использует природные ресурсы, с одной стороны, непосредственно для своего обитания, а с другой – для развития производительных сил.

Итак, окружающая среда – это четко выраженная материальная система, составные части которой находятся во взаимодействии, формируя закономерный механизм прямых и обратных связей. Нарушение закона прямых связей всегда приводит к изменению режима взаимодействия основных природных компонентов окружающей среды – воздуха, растительного покрова, почвы, природных вод, животного мира. Загрязнение окружающей среды ухудшает ее экологическое качество и способствует возникновению локальных, региональных или глобальных экологических кризисов. Познать очень сложный механизм прямых взаимосвязей основных компонентов окружающей среды в естественных и нарушенных условиях – значит овладеть теорией и практикой рационального использования природных ресурсов и предотвращения отрицательного воздействия производительных сил на окружающую среду. Именно в этом направлении должны развиваться наука и техника, а также разработка новых технологических схем малоотходного и безотходного производства с тем, чтобы обеспечить преобразование биосферы в ноосферу.

Характеризуя содержание инженерно-геологической науки на современном уровне ее развития, Е.М. Сергеев предложил следующее определение понятия геологической среды: «Под геологической средой мы понимаем любые породы и почвы, слагающие верхнюю часть литосферы, которые рассматриваются как многокомпонентные системы, находящиеся под воздействием инженерно-хозяйственной деятельности человека, в результате чего происходит изменение природных геологических процессов и возникновение новых антропогенных процессов, что в свою очередь вызывает изменение инженерно-геологических условий определенной территории». Следовательно, в современном понимании геологическая среда, рассматривается как верхняя часть литосферы, входящая в состав окружающей среды, в строении которой участвуют четыре важнейших компонента – горные породы, подземные воды, природные газы и микроорганизмы. Эти компоненты вполне определенной материальной системы в естественных и нарушенных условиях постоянно находятся во взаимодействии, формируя динамическое равновесие. Наибольший интерес при изучении геологической среды представляет та ее часть, с которой непосредственно связана активная форма жизни и производственной деятельности человека. Именно здесь в результате инженерной и хозяйственной деятельности человека постоянно возникают техногенные процессы, негативное влияние которых приводит к изменению геологической, а нередко и окружающей среды в целом. Таким образом, геологическая среда является составной частью биосферы. За верхнюю границу геологической среды принимается поверхность земли (включая почву), где геологическая среда активно взаимодействует с атмосферой и гидросферой. Это взаимодействие определяется комплексом постоянно действующих естественных процессов, таких как глобальный влагооборот, взаимосвязь подземных и поверхностный вод, инфильтрация атмосферных осадков, взаимодействие горных пород с влагой в зоне аэрации и в зоне полного насыщения, процессы проникновения в верхние слои литосферы солнечного тепла, природных газов (кислорода, углекислого газа и др.). Нижняя граница геологической среды, определяется глубиной проникновения производственной деятельности человека в недра Земли. На современном этапе ее граница определяется главным образом глубиной эксплуатации нефтяных и газовых месторождений порядка 4000-5000 м.

Геологическая среда обладает определенными физическими, гидрогеологическими, инженерно-геологическими, геокриологическими, геохимическими и биологическими свойствами. К фундаментальным общим свойствам геологической среды относятся: 1)изменчивость среды в пространстве и во времени; 2) неоднородность среды, проявляющуюся в гидрогеологическом отношении в неоднородности фильтрационных свойств различных горных город; 3) самоорганизующуюся способность, т.е. способность среды изменяться в новых естественных и нарушенных условиях; 4) дискретность геологической среды, проявляющуюся в таких свойствах горных пород, как трещиноватость, закарстованность и др. Под влиянием техногенных процессов эти свойства геологической среды могут изменяться либо в позитивном, либо в негативном направлении.

Сущность рационального использования природных ресурсов при инженерной деятельности человека состоит в познании процессов взаимодействия основных компонентов геологической среды с различными инженерными сооружениями (обводнительными и осушительными) и предотвращении негативного воздействия техногенных процессов на окружающую и, прежде всего, геологическую среду. Структура и свойства геологической среды в нарушенных условиях, когда интенсивно проявляются процессы взаимодействия между основными ее компонентами и инженерными сооружениями, изучены пока очень слабо. Поэтому некоторые свойства основных компонентов геологической среды на основе имеющихся данных могут быть представлены только в общем виде.

Большое значение для формирования геологической среды имеют гидрогеологические, инженерно-геологические и геокриологические свойства горных пород. Геологическая среда, как отмечалось выше, в водоносном пласте представлена двухфазной системой (горная порода – подземная вода), а в зоне аэрации трехфазной (горная порода – подземная вода- воздух). Важнейшими гидрогеологическими свойствами геологической среды, определяющими отношение горной породы к находящейся и двигающейся в ней воде, являются: водопроницаемость, влагопроводимость, влагоемкость, водоотдача, водопоглощение, водопроводимость, уровне- и пьезопроводность. Они в совокупности характеризуют фильтрационные и емкостные свойства гидрогеологических систем.

Водопроницаемость, влагопроводность, влагоемкость, водоотдача, водопоглощение (недостаток насыщения) являются свойствами, которые характеризуют горную породу как геологическую среду независимо от ее объема и, следовательно, являются свойствами гидрогеологических элементов и системы в целом. Водопроводимость, уровне- и пьезопроводность характеризуют свойства только системы в целом, когда она представлена не образцом (монолитом), а значительным объемом горных пород, например пластом.

Водопроницаемость – способность горных пород пропускать через поры и трещины гравитационную свободную воду при наличии градиента напора и в условии полного заполнения пор водой. Степень водопроницаемости оценивается коэффициентом фильтрации (м/сут или см/с).

Влагопроводность – способность горной породы пропускать через себя свободную и физически связанную воду в условиях, когда часть порово-трещинного пространства занята воздухом (зона аэрации). Это свойство оценивается коэффициентом влагопроводности и влагопереноса к_в (м/сут), характеризующим фазовую проницаемость пород зоны аэрации.

Влагоемкость – способность пород поглощать и удерживать воду. Влагоемкость подразделяется на гигроскопическую, адсорбционную, молекулярную, капиллярную и полную. Показатель влагоемкости q - величина, выраженная в объемных (весовых) процентах.

Водоотдача – способность породы отдавать свободную гравитационную воду при снижении уровня воды или давления. По механизму отдачи воды различают гравитационную и упругую водоотдачу. В первой случае (гравитационная водоотдача) объем породы отдает воду и осушается в результате вытекания воды из пор и трещин под действием силы тяжести. Показатель свойства – коэффициент гравитационной водоотдачи µ, который представляет собой отношение объема стекающей под действием гравитационных сил воды V_в к объему породы площадью F, осушенной при снижении уровня воды на ΔН: µ = V_в/ (FΔН).

Для раздельнозернистых пород коэффициенты гравитационной водоотдачи изменяются от 0,3 – 0,2 (крупнозернистые пески, гравий) до 0,1 – 0,2 (мелко- и среднезернистые пески); для связных пород (суглинков) – от 0,01 до 0,1. Во втором случае (упругая водоотдача) объем породы, полностью насыщенной водой, отдает ее без осушения в результате расширения воды и уменьшения пористости в объеме. Показатель свойства – коэффициент упругой водоотдачи µ^*. Коэффициент упругой водоотдачи оценивает то количество свободной воды V^*_в, которое может быть отдано без осушения единицей объема пласта площадью F, мощностью m за счет упругого расширения воды, сжатия скелета породы и изменения объема порово-трещинного пространства в результате перекомпоновки зерен и блоков породы при снижении напора на величину ΔН:

µ^*: = V_в^*/(F *ΔН).

Оба показателя выражаются в долях единицы.

Водопроводимость – свойство выдержанного по разрезу слоя горных пород пропускать через себя некоторое количество свободной воды при полном его насыщении и характеризующее систему в целом. Водопроводимость T измеряется в квадратных метрах в сутки и характеризуется показателем водопроводимости Т = к m, где m- мощность водоносного слоя.

Уровне- или пьезопроводность характеризует способность пласта как системы проводить с той или иной скоростью, созданные в нем изменения пьезометрического уровня или давления. Если рассматривается распространение по пласту изменений пьезометрического уровня в виде колебаний уровня грунтовых вод, то свойство называется уровнепроводностью. Если в пласте распространяется изменение пластового давления (напорные воды), то свойство называется пьезопроводностью. Обе величины измеряются в квадратных метрах в сутки и характеризуются показателем а. Для грунтовых вод он определяется зависимостью

а =Т/ µ,

для напорных вод

а^*=Т/µ^*

Размерность показателя а, (м/сут)*м, отражает способность пласта проводить созданные в нем возмущения с определенной скоростью (м/сут), на определенное расстояние (м).

Одно из основных гидрогеологических свойств горных пород – водопроницаемость - имеет большое значение в формировании техногенных процессов при эксплуатации водозаборных и осушительных сооружений. В этом отношении все горные породы Н.И. Плотников подразделяет на пять групп.

Первая группа объединяет различные по литологическому составу и структуре рыхлые горные породы, которые характеризуются хорошей водопроницаемостью, формируя в геологической среде коллекторы для накопления подземных вод в виде водоносных горизонтов и водоносных комплексов. К этой группе относятся пески, гравий, галечники, реже супесчаные образования и суглинки. Внутриструктурным элементом этой группы пород является пористая среда, для фильтрации и накопления подземных вод. При осушении рыхлых пород, например во время разработок месторождений полезных ископаемых, всегда с разной степенью интенсивности развиваются техногенные процессы, такие как вторичная консолидация и, как следствие этого, процессы деформации поверхности, что нередко приводит к деформации поверхностных сооружений, подземных коммуникаций и горных выработок. Такие же процессы возникают и при осушении рыхлых пород при эксплуатации крупных водозаборных сооружений.

Ко второй группе относятся коренные горные по­роды различного состава и происхождения, имеющие относи­тельно высокие прочностные связи между минералами. Это различные интрузивные, эффузивные и метаморфические породы (кроме карбонатных), обладающие весьма слабой химической активностью. В гидрогеологическом отношении трещиноватые породы характе­ризуются фильтрационной неоднородностью в плане и разрезе. Открытая мелкая трещиноватость — среда, благоприятная для фильтрации и накопления подземных вод.

При осушении горных пород второй группы (на водозаборах или осушительных устройствах) в ослабленных зонах тектониче­ских нарушений могут возникнуть фильтрационно-суффозионные-техногенные процессы, с которыми связаны эрозионная деятель­ность подземных вод, деформации поверхности, поверхностных со­оружений и подземных коммуникаций.

Третья группа объединяет водопроницаемые карбонатные породы, обладающие большой химической активностью (мраморы, известняки, доломиты, мергели). Их структурными признаками являются трещиноватость и закарстованность, весьма неравномерно распространенные по простиранию и по мощности.

В нарушенных условиях при осушении водоносных карбонат­ных пород в них интенсивно развиваются вторичный суффозионно-карстовые процессы, вызывая образование больших воронок (так называемый карсто­вый ландшафт) и, как следствие этого, деформацию поверхностных сооружений.

Четвертая группа включает различные по составу дис­персные образования, относящиеся по своим гидрогеологическим свойствам к слабоводопроницаемым породам. Их фильтрацион­ные свойства характеризуются низкими значениями коэффици­ента фильтрации (менее 1 м/сут). По условиям залегания они могут формировать покровные образования или разделяющие слои в разрезе водоносных комплексов.

Для развития техногенных процессов большое значение имеют условия литогенеза покровных рыхлых образований. Так, например, в лёссовых породах при обводнительных мероприятиях интенсивно проявляются процессы просадочности, которые нередко приводят к значительной деформации сооружений. При осушении водоносных горизонтов слабоводопроницаемые покровные обра­зования или разделяющие слои играют существенную роль в формировании техногенных процессов взаимодействия между поверхностными и подземными водами (процессы перетекания под­земных вод через разделяющие слои и др.).

Пятая группа — это породы, в гидрогеологическом отноше­нии практически водонепроницаемые. Среди них особое место за­нимают мягкие пластичные глинистые породы, которые характе­ризуются очень своеобразными гидрогеологическими и инженерно-геологическими свойствами. Глинистые породы имеют низкую прочность, высокую сжимаемость, весьма низкую водопроницае­мость и большую влагоемкость. Было установлено, что фильтрационные свойства глин в нарушенных условиях существенно зависят от температурных условий среды, характера слоистости, минера­логического состава и степени минерализации подземных вод.

При значительном снижении пластового давления водоносных напорных горизонтов в глинистых породах довольно интенсивно развиваются процессы вторичного депрессионного уплотнения, что часто отражается в деформации поверхности и изменении общего ландшафта. Эти процессы активно проявляются, например, при эксплуатации нефтяных и газовых месторождений, при интенсивной эксплуатации напорных вод артезианских бассей­нов и др.

В формировании геологической среды большое значение имеют инженерно-геологические свойства горных пород. В ин­женерной геологии весь комплекс горных пород подразделяют на: скальные, полускальные, и рыхлые несвязные, мягкие связные (дисперсные), породы особого состава и свойств (многолетнемерзлые и др.).

В группу скальных пород включены магматические (глубинные интрузивные, полуглубинные жильные и эффузивные), метаморфические (массивные и сланцеватые) и осадочные (песчаники, конгломераты, известняки, доломиты) породы.

Для скальных пород характерны высокая плотность (2,65 – 3,10 г/см³), низкая пористость (доли процента), они практически не влагоемки, водопроницаемы только по трещинам (к_ср<10м/сут). Прочность пород высокая: сопротивление сжатию 50-400 МПа, разрыву 2-15 МПа.

К группе полускальных пород относятся: магматические, метаморфические и осадочные породы сцементированные, трещиноватые, выветренные; породы глинистые высокой плотности, породы органогенные и др. Для полускальных пород отмечается пониженная плотность (2,20-2,65 г/см³), пористость (15-35%), естественная влажность (15-20%), влагоемкость и водопроницаемость измеряется в зависимости от трещиноватости и выветренности пород (к_ф≈0,5-30 м/сут). Породы слабосжимаемы (Е<2000 МПа), крепость пород (f_кр=2,8).

Группу рыхлых несвязных пород объединяют породы осадочного генезиса – обломочные образования: песок, галька, гравий. Так, физические свойства песков характеризуются: степенью влажности – маловлажные (G<0,5), влажные (G=0,5-0,8) и водонасыщенные (G>0,8-1,0); относительной плотностью – плотные (Y_d<0,66), средней плотности (Y_d-0,33-0,66) и рыхлые (Y_d<0,33); углом внутреннего трения – гравелистые (φ=38-43º), средней крупности (φ-35-40º), мелкие (φ=28-38º), пылеватые (φ=2-28º)

В группу мягких связных пород входят глины, суглинки, супеси делювиального, элювиального генезиса. Для них характерно в составе присутствие тонкодисперсных частиц размером 0,02 мм, состоящих из глинистых минералов: каолинита, монтмориллонита и гидрослюд.

Физическое состояние глинистых пород зависит от влажности, плотности и показателя консистенции. По степени влажности различают маловлажные (G<0,5), влажные (G=0,5-0,8) и водонасыщенные (G>0,8-1,0) глинистые породы. По степени уплотяемости они делятся на рыхлые (k_d<0), начальной стадии уплотнения (k_d=0), средней уплотняемости (0<k_d<1), плотные (k_d=1) и переуплотненные (k_d>1). По показателю консистенции различают породы твердой (В_L<0), пластичной (0< В_L<1) и текучей консистенции. Глинистые породы относятся к сжимаемым и сильносжимаемым породам, модуль общей деформации изменяется от 5 до 100 МПа, крепость небольшая (f_кр<2).

Кгруппе пород особого состава, состояния и свойств относятся многолетнемерзлые породы, искусст­венные насыпные и намывные породы, почвы, ил, торф и др. Как видно, в данную группу включены широко распространенные в России многолетнемерзлые породы, продукты горного производства - отвалы, терриконы, шламохра