Изучение и контроль карстовых процессов - Карст и карстовые процессы
Вследствие карстово-суффозионных процессов и явлений уменьшается устойчивость геологической среды, что приводит к катастрофическим последствиям (просадки, провалы, деформации сооружений).
В РФ карстовые процессы широко развиты в Архангельской, Ленинградской, Московской, Тульской, Курской, Нижегородской, Воронежской областях, республиках Башкортостан, Татарстан, Марий-Эл, Мордовия, Пермской, Самарской и Свердловской областях.
Повышенная опасность возникновения чрезвычайных ситуаций, вызванных активизацией карстовых процессов, характерна для урбанизированных территорий, испытывающих техногенное подтопление. По прогнозам МЧС России в 2005 году опасность проявления карстовых процессов высока в г. Москва, Казань, Уфа, Самара, Пермь,. Нижний Новгород, Дзержинск, Стерлитамак, Соликамск, Павлово и Кунгур, причем их активизация вызывается, как правило, несоблюдением норм строительства и эксплуатации городских подземных коммуникаций, а также нерациональной подземной разработкой полезных ископаемых.
Изучением карстово-суффозионных явлений занимается экогидрогеофизика.
Для изучения устойчивости геологической среды перед геофизикой ставятся следующие задачи:
- - Выделение регионов, где встречаются растворимые породы, оценка литологии и мощности перекрывающих пород, самих карстующихся пород и глубины залегания базиса коррозии, т. е. поверхности скальных пород, ниже которой нет закарстованности. - Изучение гидрогеологических условий: наличия водоносных и водоупорных пород, пластовых и трещинно-карстовых вод, их минерализации, динамики (скоростей движения и фильтрации). - Выявление трещинно-карстовых зон, отдельных карстовых форм, полостей и т. п. - Оценка динамики карстово-суффозионных процессов и устойчивости закарстованных территорий.
Возможность решения поставленных задач геофизическими методами определяется различием геофизических свойств закарстованных скальных пород по сравнению с теми же породами, но не затронутыми карстовыми процессами (ниже базиса коррозии), и перекрывающими, как правило, песчано-глинистыми породами. Закарстованные породы, несмотря на наличие в них полостей, заполненных воздухом, отличаются, тем не менее, пониженными удельными электрическими сопротивлениями и скоростями распространения упругих волн, существованием аномалий естественного электрического поля, повышением гамма-активности. Это объясняется наличием в них глинистых пород и трещинно-карстовых подземных вод, характеризующихся пониженными удельными электрическими сопротивлениями, а часто и скоростями упругих волн. Глинистые породы повышают гамма-активность, измеряемую при гамма-съемках, а трещиноватые - альфа-активность, измеряемую при эманационной (радоновой) съемке.
Решение первой задачи производится геофизическими методами, используемыми для картирования. В условиях круто слоистых сред применяются методы гравиразведки, магниторазведки, электромагнитного профилирования (методами естественного поля (ЕП.), сопротивлений (ЭП), низкочастотного (НЧП) и высокочастотного (РВП)), гамма - и эманационные съемки. В условиях горизонтально и полого залегающих пород используются электромагнитные зондирования (вертикальные (ВЭЗ), частотные (ЧЗ) или становлением поля (ЗС) или другие), а также сейсморазведка методом преломленных (МПВ) и отраженных (МОВ) волн.
Решение задач также проводится одиночными или режимными электромагнитными профилированиями, сейсморазведкой МПВ. С помощью скважинных геофизических исследований изучаются физические свойства горных пород вокруг скважин и между скважинами, определяются скорости движения и фильтрации подземных вод. Применение не менее двух методов, например одного электроразведочного и одного сейсмического, может дать более достоверное решение поставленных задач.
В качестве примера эффективности скважинных геофизических исследований при изучении карстово-суффозионных процессов можно привести результаты режимных наблюдений на территории г. Москвы, проведенные в рамках Программы мониторинга геоэкологических процессов в городе Москве на 2004-2005 год. Рассмотрим эту программу поподробнее.
Многолетнее хозяйственное освоение территории города Москвы существенно изменило гидрогеологические условия и вызвало активизацию неблагоприятных геологических процессов, нарушающих экологическую устойчивость окружающей среды города. Суммарная площадь карстово-суффозионных участков на территории города составляет 15 квадратных километров.
Многослойное строение толщи пород в верхах зоны пресных вод, ее малая мощность и отсутствие сдерживающих глинистых слоев в кровле карстующихся пород в пределах приречной части городской территории определяют необходимость ведения наблюдений за оползневыми и карстовыми процессами в долинном комплексе реки Москвы и некоторых ее притоков при приоритете организации стационарных инструментальных наблюдений на участках проявления активных глубоких оползней, а также участках с поверхностными формами проявления карста.
Многолетний (с 1974 года) опыт наблюдений за карстовым процессом показал, что большое практическое значение для прогнозирования возможных провалов имеют топографо-геодезические измерения оседания поверхности и визуальные наблюдения за деформациями зданий и земной поверхности.
Таким образом, развитие опасных процессов в геологической среде города нуждается в постоянном мониторинге.
Для организации мониторинга изучения и прогнозирования карстово-суффозионных процессов спроектирована новая сеть, которая включает 16 кустов ярусно расположенных скважин (по 3 скважины в кусте) и 11 одиночных скважин. Необходимость создания новой сети связана с особыми требованиями к зоне их размещения и характеристикам скважин по глубине. Расположение скважин ориентируется на участки нахождения переуглубленных долин, глубина составляет порядка 100 м.
Перечень измеряемых параметров и периодичность наблюдений для мониторинга карстово-суффозионных процессов включает такие параметры как уровни, температура, Ca, Mg, Na+K, HCO3, SO4, Cl, CO2(своб.), O2, pH, общая минерализация, общая жесткость, углекислотная и сульфатная агрессивность, Sr, органолептические свойства, микробиологический состав, гелиевая съемка.
Интересным также при изучении и контроле карстовых процессов является опыт создания геоинформационной системы (ГИС).
Геоинформационные системы с каждым годом приобретают все более важное значение для географической науки. Это объясняется простотой использования данных технологий и нарастающей многофункциональностью создаваемых систем.
Применение геоинформационных систем, позволяет избежать некоторых недостатков, ранее используемых количественных методов. Они, в частности, дают возможность значительно сэкономить время проведения исследований, позволяют избавиться от ошибок, связанных со сложными расчетами, а самое главное, - быстро и качественно визуализировать полученные результаты, воплотив их в тематическую географическую карту, график, или же представив цифровую информацию в виде результирующих таблиц.
Использование ГИС-систем в изучении карста, - дело относительно новое, хотя уже имеются некоторые наработки. Основным недостатком этих работ является использование стандартных "фабричных" ГИС, страдающих шаблонностью, так как при разработке первых систем, основной упор делался именно на модульность оболочки. Разумеется, эти ГИС позволяют производить весьма качественный материал, но стоит учитывать тот факт, что они не предназначены для изучения конкретной территории и конкретного процесса.
Основные составляющие ГИС - это тематическая и функциональная часть.
Тематическую часть можно подразделить на основные тематические базы данных и сопутствующие. Для предлагаемой системы основными тематическими базами будут являться те данные, которые соответствуют цифровой проекции условий карстообразования, - то есть генетическим факторам. Сопутствующие базы данных отображают факторы, влияющие на протекание карстового процесса.
Функциональная основа представляет собой машинную реализацию модели процесса, со всеми алгоритмами и функциями. В функциональную часть также входит топографическая основа.
Топографическая основа для ГИС-систем является важнейшей составляющей, на которую может накладываться любой изучаемый процесс или объект, и само существование ГИС обусловлено наличием топографической основы, как элемента создаваемого электронного географического пространства.
Как для любого из экзогенных процессов, для карста существуют необходимые условия его возникновения в случае, если они обладают категорией "достаточности". В связи с этим, методологической основой для разработки тематической базы "ГИС-Карст" являются представления Д. С. Соколова Соколов Д. С. Основные условия развития карста. - М.: Госгеолтехиздат, 1962. Стр. 269. о четырех основных условиях развития карста. (Наличие: 1 - карстующихся пород, 2 - их водопроницаемости, 3 - движущихся вод, 4 - и их агрессивности по отношению к вмещающим породам.)
Являясь, по сути, абстрактными понятиями, основные условия объективизируются конкретными факторами природной среды. Однако, из всего многообразия факторов, представляющих то или иное условие, необходимо выделить ведущие или определяющие факторы, которые должны отвечать следующим требованиям: оцениваться количественными параметрами, учитывать основные свойства условия и выражаться на площади, то есть предоставлять возможность картографирования объектов.
Ведущие факторы, отражая пространственную и временную изменчивость карстовой среды, могут являться основой инженерно-геологических, гидрогеологических и других оценок и прогнозов. В этом заключается возможность создания в функциональной части ГИС оценочно-прогнозного или управляющего блока.
Факторы, отражающие первое условие развития карста, - наличие растворимых пород, - объединяются в геологической базе данных, в которую входит:
- Распространение карстующихся пород по площади и в разрезе.
Основное внимание уделяется сочетаниям карстующихся и некарстующихся пород. В электронно-картографической части строятся геологические карты и разрезы.
- Мощность карстующихся пород.
От мощности зависит развитие глубинного карста;
- - Дислоцированность и неотектонический режим карстовых массивов, которые определяют, при достаточной мощности известняков, размеры карстовых пещерных и гидрогеологических систем; - Литологические особенности карстующихся и некарстующихся пород развитых в регионе; - Химический состав горных пород.
От чистоты известняков зависит степень их карстуемости, а от наличия некарстующихся пород, возможность поступления концентрированного поверхностного стока из области их развития. Создаются литологические карты и база данных химических анализов карстующихся пород.
Второе условие - наличие водопроницаемости карстующихся пород представлено геолого-структурной и тектонической базой данных. Сюда входят следующие факторы:
1. Условия залегания пород.
При достаточных углах падения пород межпластовые трещины становятся водопоглощающими;
- 2. Тектоническая трещиноватость. 3. Литогенетическая трещиноватость и трещины коры выветривания. 4. Тектонические разрывы различного ранга.
Строятся тектонические и геолого-структурные карты, локализованные диаграммы - розы трещиноватости и др.
5. Типы карстовых коллекторов: поровый, трещинно-карстовый, карстовый и др.
Третье и четвертое условие, - наличие движущихся агрессивных вод, объединяются в гидролого-гидрогеологическую базу данных:
- 1. Инфильтрационные воды. 2. Инфлюационные воды. 3. Конденсация в карстовых и трещинно-карстовых коллекторах. 4. Гидрологические данные, характеризующие поверхностный и подземный сток - слой стока, норма стока, коэффициент стока, модуль стока, водный баланс и др. Строятся гидрологические и гидрогеологические карты, микроклиматические базы данных и др. 5. Структурные условия карстовых массивов. 6. Геоструктурная позиция закарстованных территорий определяет формирование гидрогеологических бассейнов и массивов карстовых вод Дублянский В. Н., Кикнадзе Т. З. Гидрогеология карста Альпийской складчатой области юга СССР. - Наука, 1984. Стр. 255., их границы, поверхностные и подземные водосборы, гидрогеологическую зональность и скорости фильтрации карстовых вод. 7. Режим карстовых вод. 8. Разгрузка карстовых вод: переток в соседние водоносные системы, карстовые источники, субмаринная и русловая разгрузка. 9. Минерализация карстовых вод. 10. Химический состав и карбонатная емкость для известнякового карста. 11. pH и минерализация воды. 12. Наличие примесей, изменяющих растворяющую способность вод и др.
Результатом карстового процесса являются поверхностные и подземные карстовые формы:
- - Распространение; - Морфология; - Генезис; - Отложения; - Палеогеография; - Археология и - Использование карстовых форм слагают базу данных карстовых явлений.
Далее создаются карты распространения и плотности поверхностных и подземных форм и приводятся описания, планы и разрезы карстовых полостей.
При создании тематического блока ГИС, кроме основного, важно рационально построить и сопутствующий набор баз данных. В каждом конкретном случае, в зависимости от природных условий территории, антропогенной нагрузки и характера хозяйственного освоения, а также целей и задач создаваемой "ГИС-Карст", перечень сопутствующих баз может изменяться в достаточно большом диапазоне.
Рассмотрим особенности баз данных ГИС. База данных - это совокупность сведений, которая описывает некоторую систему. При их создании следует учитывать методы, благодаря которым база будет выводиться для просмотра и редактирования. Желательно реализовать функции, которые будут производить сортировку данных, их выборку, переход между полями и записями, сохранение внесенных изменений. Наконец, следует выбирать формат базы данных, исходя из конкретно поставленной задачи.
Программирование графики для ГИС-приложения - едва ли не самый сложный момент. Создание электронно-цифрового образа географической карты требует чрезвычайно высокой точности. Конечно, карту можно просто отсканировать и вставить в программу, но в этом случае теряется сам смысл информационной системы. ГИС, как правило, создается для удобства проведения дальнейших исследований. Поэтому создатель системы должен реализовать как можно больше возможностей для анализа графической информации. Предполагается, что должна быть использована многослойность в представлении карт, то есть наложение географических карт друг на друга. Должны быть реализованы возможности для построения новых синтетических карт, исходя из результатов послойного анализа. Например, после наложения таких слоев, как слой вновь образованных карстовых форм и слой всех известных карстовых форм, желательно, чтобы система могла построить карту активности карстового процесса в целом.
Внедрение ГИС в производство протекает в нашей стране довольно медленно. Но, принимая во внимание зарубежный опыт в создании геоинформационных систем, следует отметить, что управление регионов с помощью ГИС позволяет экономить гораздо большие средства и значительно повышает оперативность принимаемых решений.
Похожие статьи
-
ВВЕДЕНИЕ - Карст и карстовые процессы
Карстовые процессы распространены исключительно широко, по данным Г. А. Максимовича выходы карстующихся горных пород занимают около 50 млн. кв. км, то...
-
ТЕОРИЯ КАРСТОВЫХ ПРОЦЕССОВ - Карст и карстовые процессы
Скорость движения подземных вод мала, поэтому они воздействуют на рельеф большей частью не механически, а путем растворения горных пород. Растворяются...
-
Особенности карста - Особенности карста
Слово "карст" происходит от названия известнякового плато Карст в бывшей Югославии, примыкающего с юго-запада к Динарскому нагорью. Здесь карст связан с...
-
Уклон поверхности Площадь воронок От общей площади Распространения Карбонатных Пород, % Число воронок Процент воронок Средняя плотность воронок на 1 км2...
-
Под контролем процесса разработки понимают сбор, обработку и обобщение первичной информации о нефтяной залежи с целью получения сведений о текущем...
-
Методы и технические средства геологического изучения - Стадийность изучения недр Казахстана
Геологическое изучение месторождений полезных ископаемых как объектов промышленного использования направлено на решение двух основных задач: 1)...
-
Одной из основных задач инженерной геологии является изучение и оценка геологических факторов, влияющих на условия строительства и эксплуатации...
-
Карст и проблема строительства в Башкирии
В общей сложности почти 50% территории Башкирии поражено карстом. Любое строительство в условиях карста сопряжено с большими трудностями, особенно в...
-
Изучение процесса сорбции с определением оптимальных параметров В ионном обмене лимитирующими процессами являются диффузия ванадия в массу ионита и...
-
Методы изучения шлама - Геохимические методы исследования скважин
При изучении шлама получают информацию о составе и плотности горных пород, их прочности, абразивных, емкостных и фильтрационных свойствах, о характере...
-
Труболовка нефтеотдача пласт Основной реагент полиакриламид. Различают несколько модификаций: СПС - сшитая полимерная система, применяется высоко и низко...
-
Изучение процесса низкотемпературной сульфатизации с переводом ванадия в кислоторастворимые формы. Оптимизация основных параметров выщелачивания черных...
-
Измерения в процессе бурения - Измерения в процессе бурения
Измерения в процессе бурения для оценки искривления пород играют важную роль в управлении бурением скважин с большим зенитным углом и горизонтальных...
-
Инженерно-геологические процессы - Геологический разрез
Выветривание -- совокупность процессов физического и химического разрушения горных пород и слагающих их минералов на месте их залегания: под воздействием...
-
Анализ геоморфологии территории исключительно важен для жизнедеятельности человека, что связано с многоаспектностью влияния рельефа на многие особенности...
-
Оценка степени закарстованности горных пород - Особенности карста
Степень закарстованности горных пород - скважность по Ф. П. Саваренскому (1934г.), образовавшаяся в результате развития карста и характеризующая...
-
Проявление тектонических движений носит сложный характер и не всегда однозначно можно определить генетический вид движений, приведший к тому или иному...
-
Сравнительное изучение почвенного покрова на основе дистанционного зондирования земли и полевых исследований Разработка научных основ рационального...
-
Исследование процесса деформирования массива каменной соли, содержащего подземное нефтегазохранилище
Исследование процесса деформирования массива каменной соли, содержащего подземное нефтегазохранилище Практически важные задачи, связанные с добычей...
-
Состав и особенности образующихся из магмы горных пород определяются сочетанием следующих факторов: исходным составом магмы, процессами ее эволюции и...
-
Радиометрические методы - Методы изучения элементного состава минерального вещества
Атомы химических элементов состоят из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов оболочки. Ядро состоит из нуклонов, к которым...
-
В основе гамма-метода оценки напряжений в массиве лежит яв-ление ослабления радиоактивного излучения с повышением плотно - сти горных пород, которая в...
-
Почвообразовательный процесс - Генетическое почвоведение
Многие миллионы лет потребовалось для того, чтобы массивные горные породы, покрывающие землю, превратились в почву. Прежде чем начался...
-
В горных породах обычно содержится некоторое, хотя бы самое ничтожное, количество радиоактивных элементов, таких как уран, торий, радий, калий или их...
-
Бассейновый подход при изучении ландшафтов - Почвенно-растительные взаимосвязи бассейна реки Клязьма
Водосборный речной бассейн - это целостная и самостоятельная единица в организации ландшафтов и является важным моментом в определении его как важной...
-
Основными документами, на основании которых осуществляется строительство скважин, являются Технический проект и смета . Технические проекты разрабатывают...
-
Кислые промышленные воды ванадиевого производства многократно возвращаются в технологический цикл. При более чем трех возвратных циклах в элюатах...
-
Инженерно - геологические исследования - Методы изучения техногенных изменений природных ресурсов
Инженерно-геологические исследования, проводимые для оценки экологического состояния геологической среды, включают в себя изучение: * особенностей...
-
Методы исследований К геологическим методам относят геологическую съемку, включающую маршрутное и сетевое опробование, петрографические и...
-
Работы многих исследователей и опыт разработки нефтяных месторождений свидетельствуют о существенном влиянии геолого-физических условий залегания нефти и...
-
При исследовании внутреннего строения нашей планеты чаще всего проводят визуальные наблюдения естественных и искусственных обнажений горных пород,...
-
Объектами исследования служили представительные пробы черносланцевых руд, отобранных из месторождения Баласаускандык. В процессе химических и...
-
Проектные решения разработки Семь скважин Усть - Балыка и Мегиона дали за лето 134 тысячи тонн нефти. 1 апреля 1965 года был создан нефтепромысел №2...
-
Система контроля процессов разработки залежей нефти и газа должна обеспечить получение информации о распределении давлений по площади каждого пласта, о...
-
Геокриологические исследования - Методы изучения техногенных изменений природных ресурсов
Геокриологические исследования включают: Определение глубины залегания мерзлых пород, их мощности, суммарной влажности и плотности, наличия повышенной...
-
Первые сведения о различиях в смертности городского и сельского населения мы встречаем у М. П Птухи [46], который цитирует статью, опубликованную в...
-
Радиометрические исследования направлены на изучение естественного радиационного фона и радиоактивного загрязнения. При помощи гаммасъемки и...
-
Виды бурения - Стадийность изучения недр Казахстана
Существуют три основных способа бурения скважин: колонковый, канатно-ударный и роторно-турбинный. Колонковый способ является наиболее распространенным...
-
Новый взгляд на процессы переработки минерального сырья
В статье рассмотрены вопросы изменения парадигмы переработки минерального сырья; предложены новые подходы, позволяющие снизить энергозатраты, улучшить...
-
Умение рассчитывать при любых заданных условиях кривую распределения давления вдоль НКТ при движении по ним газожидкостной смеси позволяет по-новому...
Изучение и контроль карстовых процессов - Карст и карстовые процессы