Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Эволюционные аспекты трансформации инженерно-геологических условий в эпоху техногенеза

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Эволюционные аспекты трансформации инженерно-геологических условий в эпоху техногенеза"

СПИРИДОНОВ Дмитрий Алексеевич

ЭВОЛЮЦИОННЫЕ АСПЕКТЫ ТРАНСФОРМАЦИИ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ В ЭПОХУ ТЕХНОГЕНЕЗА (на примере Западно-Сибирской плиты)

Специальность 04.00.07 - инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Москва 1998

СПИРИДОНОВ Дмитрий Алексеевич

ЭВОЛЮЦИОННЫЕ АСПЕКТЫ ТРАНСФОРМАЦИИ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ В ЭПОХУ ТЕХНОГЕНЕЗА (на примере Западно-Сибирской плиты)

Специальность 04.00.07 - инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата гсолого-минералогическил наук

Москва 1998

Работа выполнена на кафегдее инженерной геологии и охраны геологической среды геологического факультета Московского Государственного Университета им MB. Ломоносова

Научный руководитель - доктор reo лого-минералогических

наук, профессор, академик РАЕН и МАН ВШ Трофимов В.Т.

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических

наук, профессор Николаев Н.И.,

доктор геолого-минералогических наук, профессор, член-корреспондент РАЕН Кофф Г.Л.

Ведущая организация - Всероссийский научно-иссдсдоватешэашй институт гидрогеологии н инженерной геологии (ВСЕГИНГЕО).

Защита диссертации состоится 17 апреля 1998 г. в 14.30 часов на заседании диссертационного совета по защите кандидатских диссертаций К 053.05.06. в Московском Государственном Университете им МВЛомоносова по адресу: Москва, Воробьевы горы, геологический факультет МГУ, ауд. 829.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке геологического факультета МГУ, зона "А", б этаж.

Автореферат разослан 10 марта 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета по защите кандидатских диссертаций К 0S3.05. Об, доктор геолого-ыин ер алогических наук/С^

В.Н.Соколов

ОБЩАЯ XAPAICТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Взаимодействие объектов техносферы с ¡шженеряо-геологичеашми условиями верхних горизонтов литосферы всегда рассматривалось в рамках инженерной геологии. При »том считалось, что результатом такого взаимодействия являются яшенсяня инженерно-геологических условий. Эта тематика хорошо изучена и изучается в настоящее время в теоретическом и практическом плане.

Однако до последнего времени в инженерной геологии уде-тялось мало внимания эволюционному подходу х этой проблеме. Эволюционная тематика не находила в инженерной геологии своего воплощения. Поэтому на настоящем этапе развития науки существует необходимость выработки подходов х познанию эв о лишенных вопросов, а тахже концепции эволюции ннжеоерно-гсо логических условий в эпоху теэсногенеза.

Цель работы. Целью данного исследования является разработка подходов, концепция а содержательного алгоритма изучения 5вопеэщш инженерно-геологических условий как в чисто теоретическом плане, Tai; и реализация созданных положений на примере конкретного региона (Западно-Сибирской плиты). Исходя из этого з работе решаются следующие задачи:

• выбор понятийных основ и общей стратегии работы;

- анализ возможностей различных аспектов системного подхода при решении проблемы;

- анализ особенностей использования системного подхода и эволюционных исследований в геологии и инженерной геологии;

- анализ подходов к изучению взаимодействия техносферы и Еггосферы с инженерно-геологических позиций и выявление предпосылок для эволюционного подхода в инженерной геологии.

- выбор и обоснование подходов к изучению эволюционных аспектов трансформации инженерно-геологических условий в эпоху гезшогеяеза;

- обоснование выделения элементарных эволюционных еди-

ннц;

- формализация (использование некоторых методов описания и анализа динамических систем) инженерно-геологических условий в пределах элементарных эволюционных единиц;

-г-

• составление алгоритма изучения эволюции инженерно геологических условий в пределах определенного региона;

- применение алгоритма в пределах Западно-Сибирской плиты и установление закономерностей трансформации ее ниже нерно-геологических условий в эпоху техногеяеаа. Щучвая НОИРва р^отц.

1. Впервые проанализированы возможности и предпошлю использования эволюционного подхода в инженерной геологии.

2. Выдвинута целостная концепция изучения эволюции ин жеиерно-геологических условий в эпоху хехногевеза.

3. Предложен содержательный алгоритм изучения тако* эволюции в пределах определенного региона.

4. Впервые использованы методы описания динамически: систем (в том числе при помощи теории графов) для описаш трансформации системы "инженерно-геологические условия".

5. Впервые предпринята попытка использования сисгемь биологических эволюционных понятий дня обобщения и систематн зации материала о взаимодействии литосферы и техносферы и, к га следствие, для изучения эволюции инженерно-геологических уело внй.

6. Впервые анализ взаимодействия природных н антропо генных геологических процессов проведен в пределах целостны: природных геологических образований - элементарных эволюцкон них единиц.

7. Выявлены н описаны эволюционные аспекты трансфер нации инженерно -геологических условий Западно-Сибирской пли ты в эпоху теяногенеза.

На защиту выносятся следующие позиции:

{.Подход и концепция изучения эволюции инженерно геологических условий.

2 Алгоритм изучения эволюции ннженерно-геологлчеаш: условий в эпоху техногеяеза в пределах определенного региона.

3. Подход, выделение, а также описание факторов инженер но -геологических условий в пределах элементарных эволюцнонны единиц Западно-Снбнрсхой плиты.

4. Закономерности взаимодействия природных и техногея ных геологических процессов в пределах эволюционных единиц За падно-Снбнрской платы.

5. Закономерности прогнозной трансформации ииженерно-гео логических условий Западно-Сибирской плиты, составленные с учетом изменения природной и техногенной обстановки.

Практическая значимость работы. Разработанная методика прогноза трансформации инженерно-гео л о гичеоснх условий, основанная на налички причинно-следственных езязен в системе "инженерно-геологачеасие условия", может быть использована для региональных прогнозных построений в пределах определенных регионов и, прежде всего, в пределах Западной Сибири.

Фактический материал. Автором использовались материалы, представленные в книгах "Инженерная геологи СССР. Западно-Сибирская и Туранская плиты", "Инженерная геолога СССР', Г.2, в монографии В.Т.Трофимова "Закономерности пространственно -временной изменчивости инженерно-геологических условий Западно-Сибирской плиты", монографии "Экзогеодинамика Западно-Сибирской плиты". Был использован ряд карт и сшл раз-тачной специфики, а также фондовая литература.

Апробация работы. Результаты исследований докладыва-яксь на Международной научной конференции "Эволюция инженерно-геологических условий Земли в эпоху теаногенеза", прошедшей в МГУ им. МВЛомоносова 28-29 мая 1997 г.

Пубяикащзд, По теме диссертации опубликовано б работ, I находится в печати.

Структура и обьем работы. Диссертационная работа состоят из введения, 4 глав, заключения и списка использованной литературы. Основное содержание изложено на 1(0 страницах. Диссертация содержит 45 рисунков, 4 таблицы. Список использованной штературы зключает 103 наименования.

Диссертационная работа выполнена в лабораторий региональной инженерной геологии и охраны геологичеасой среды гео-хогичеосого факультета МГУ под руководством академика РАЕН з МАН ВШ, профессора, доктора геопого-минералогнчеосих наук 8.Т.Трофимова, которому автор приносят свою искреннюю благодарность. Признательность автор выражает также всем сотрудникам лаборатории региональной инженерной геологии и охраны геологической среды за советы, помощь и поддержку в работе.

-Ч-

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ГЛАВА I. ОБЩЕНАУЧНЫЕ И ОБЩЕГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВАНИЯ ЭВОЛЮЦИОННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Рассмотрение вопроса об эволюции инженерно геологических условий целесообразно начать с выработки обще! стратегии познания данной темы. Ее глобальность заставляет обратиться к той концепции, которая отличается широтой охвата понятий - от философским ж частным научным. В качестве основы была выбрана концепция И.В.Крутя, в рамках которой при после доватеяьном переходе осуществляется взаимосвязь общефилофской категории "вещь" и общенаучного понятия "эволюция". Под эво люцией здесь понимается сложная форма изменения и развития, отличающаяся возникновение» и исчезновением видов, родов в уровней вещей-снсгем.

При разработке эволюционных вопросов в геопоган надс учитывать то важное обстоятельство, что само понята« "эволюция" имеет биологическое происхождение, а это наталкн вает на необходимость кратко остановиться на том, как трактуете это понятие самими биологами. А.ВЛбдоков и А-Г.Юсуфов, отме чая, что эволюционное учение является мегодологичеошм стсрж нем современной биологии, определяют биологическую эволюции как необратимое, в известной степени направленное историческое развитие живой природы, сопровождающееся изменением генетнче ского состава популяций, формированием адаптаций, образована ем и вымиранием видов, преобразованием биосферы в целом.

Для определения стратегии познания темы была построен; схема соотношения понятий, включающая, общефилософские кате горни, основные понятия естествознания, геологин, биологии и ин женерной геологии. В эту схему входит система понятий биологи ческой теории микроэволюции. Последняя, что очень важно, прохе каст в границах популяции за сравнительно небольшие промежутю времени. Был сделан вывод, что разработка темы должна базнро ваться иа обширном теоретическом материале, включающем част теории тех наук, понятия которых вошли в указанную схему.

В рамках выбранной стратегии были рассмотрены пред ставлення о естественных системах и системном подходе в геоло гни, о геологическом пространстве, времени, взаимодействиях. По

казано, что изучение пространственных и временных свойств геологических тел с позиций системного подхода позволяет в наибольшей степени выявить их эволюционные особенности. Был проведен последовательный и направленный анализ работ эволюционной тематики в геологии. Рассмотреть! работы А.АЛншина, Л.В.Пустовалова, А. Н.Оленников а, В.И.Драгунова,

Д.Г.Григорьева, Д.В.Рундависта, О.А.Богатнкова, В.С.Коваленко, М-А.Жархоза.Е.А.Басхова, В.АКирюхнна, О.Л.Кузнецова, где эволюционные проблемы решаются без применения системного подхода. Далее проанализированы те работы, где системный и эволюционный подход связаны (А.Н.Дмитриевсзснй,Ю.А.Урыанцев1 И.С.Деянщш, Ю.И.Белоцерковец). Очевидно, что получены данные, подтверждающие правомерность эволюционного подхода к изучению магматизма, геофизических полей, формаций, образования осадочных полезных ископаемых, гидросферы. В тоже время новая эволюционная парадигма в геопоган является еще недостаточно разработанной.

В той части работ, ще эволюция рассматривается без четкого применения системного подхода, прослеживаются аналогии между устоявшимся биологическим н формирующимся геологическим подходами к проблеме. В ряде работ имеет место прямой перенос бнологичеешх понятий на геологическую почву. Другие принципы познания эволюционной тематики доминируют в трудах, ще эволюционный подход связан с системным. Здесь на первое место выходят вопросы формализации объекта изучения, установления структуры сястены, ее границ и принципов функционирования. Понятие "эволюция" используется более строго и определенно - для обозначения изменений, свойственных конкретной динамической системе.

Формализованные методы применяются для описания динамических систем в работах В.И.Даннлова-Данильяна, ААРывхнна, Дж.Клнра, Ю. М. Плотин езеого, С.А.Пегова, ММесаровача, И.Такахары,Б.С.Фпейпшана, АК.Черкашнна, И.Пригожина, Р.Басакера, С.Саати, П.МХоиякова и других исследователей. Анализ работ позволил отметить, что важный метод описания эволюции динамических систем состоит в построении структурных схем причинно-следственных связей, являющихся ориентированными графами. Для изучения эволюционирующих си-

сгем используются еще кинематические графы и графы с вершина ми - состояниями системы, а также фазовое пространство.

Важный с точки зрения дальнейших исследований вывод со стоит в следующем. Два главных понятия работы - "система" i "эволюция". При этом выделены 2 типа их соотношения. Во первых, с представлением в качестве систем естественных тел, < концепцией "естественности" связано биологическое понимание эволюции. Изучая эволюцию геологических теп, мы акцентируем внимание на их пространственно-временных характеристиках, ю месте в общей иерархии геологической организации. Основной ре зультат такой эволюции • возникновение новых геологических си сгсм, их классов, процессов их преобразовали. Второй тип соотно шения увязывает понятие "эволюция" с описание» конкретной ди намической сястены. При этом под последней может понимать с обособленная сознанием часть реальности, обнаруживающая общ ноегь в процессе взаимодействия.

Следовательно, соотношения понятий выглядят так: 1. био логическая эволюция (возникновение и исчезновение классов при родных объектов) - "естественные" системы; 2. эволюция как изме ненне в структуре и смена состояний - динамические формалнзо ванные системы. Отметим также, что определенная условность та кого выделения заключается в том, что возможно, с одной сторо ны, описывать "естественные" системы при помощи строгих мето дов, а с другой - в выделенной произвольно динамической систезг (особенно если она является сложной) так представлять ее струи турные изменения, чтобы выделять в них черты, присущие эволю ции в ее биологическом понимании.

ГЛАВА 2. ПРЕДПОСЫЛКИ ДЛЯ ЭВОЛЮЦИОННОГО ПОДХО ДА В ИНЖЕНЕРНОЙ ГЕОЛОГИИ

Системный подход применяется в инженерной геологии самых различных аспектах при изучении разноплановых обьектог Прежде всего это относится к понятию об инженерно-reo логически условиях. Согласно представлениям И.В.Попова, Г.А. Голодеое ской, В.Т. Трофимова, можно разделять 2 понятия: "факторы фо| мировання инженерно -геологических условий" и "факторы инж< нерно-геологаческих условий", причем вторые являются следствие;

действия первых, причинных в сзоей основе. В.Т.Трофимовым был сделан вывод, что инженерно-геологические условия есть сложная, многофакторная га схема, современное состояние которой определяется как геопого-структурными, так в современными климатическими особенностями территории.

Следовательно, инженерно-геологические условия (основополагающее понятие инженерной геологии и настоящей работы) являются динамической (способной эволюционировать) сложной системой. При этом логично предположить, что такая система, современное состояние которой мы изучаем непосредственно, прошла через ряд состояний в течение геологической истории.

Инженерно-геологические подходы к изучению геологического пространства являются более разработанными, чем подходы к познанию временных отношений. Это имеет место в сяду того, что проблема времени и связанные с ней вопросы представляются более трудными для осмысления и в общенаучном, и в общегеологическом плане. В инженерной геологии есть 2 подхода к представлениям о пространстве. Первый подход (В.Т.Трофпмов, Т.И.Лверкниа) состоит в изучении инженерно-геологической неоднородности литосферы путем ее разделения на шпхеяерно-геолошчесше обстановки (структуры). Второй (Г.К.Бондарик) заключается а формировании литокомпозиции - набора параметров, ишользуегшх в шгжеяерно-геологнчеезеих целях Заслуживает внимания концепция О.МАд&меяхо и Г.И.Рудьхо, согласно которой пространственная организация геологической среды контролируется типами формаций.

Традиционный подход к проблеме времени в инженерной геологии основан на определении положения наблюдателя в воображаемом геологическом процессе. При этом, согласно В.Т.Трофимову, выделяются геологическая и физичеосая временные системы. Вопрос о типах взаимодействий достаточно разработан Г.К.Боодариком применительно к теоретичеосим основам инженерной геодинамики (зкзогео динамики).

Представления о динамических системах достаточно широко используются в инженерной геологии. При наполнении инженерно-геологическим смыслом формализованных понятий системной теории был создан ряд теоретике-множественных концепций геосистем или природно-техиичеошх систем (В.К.Епишин,

-s-

В.Т.Трофимов,Г.К.Бондаркк, В.Н.Экзарьян, М-АШубин Я.Е.Шаевич, А.А.Каган и др.). Различные разделы теории графо! используются в инженерной геологии для визуального представле ння структуры систшы (М.А.Шубнн), структурного выражение определенной научной задачи (М.А.Шубин, Ю.О.Зеягофер, Ф.И.Тютюнова). Используются также графы с вершинами состояниями снстемы(Ю.О.Зеегофер, Ф.И.Тютюнова).

Основы представлений о техногенных воздействиях на лито сферу закладывались А.Е.Ферсманом, A.B.Сидоренко и др. В нн жеяерной геологии этой тематике посвящены обобщающие работы Ф.В.Котлова, Г.А-Голодковской, Ю.Б.Елисеева, Н.И.Плотннкова В.Т.Трофимова. Важнейшими выводами являются констатацш эволюционного преобразования литосферы под влиянием техноге неза (Н.И.Плотников) и представления о зависимости проявляли техно гена а от различных геологических и климатических услови! (В.Т.Трофимов и тц>.).

Термин "эволюция" использовался в инженерной геологам £ до прямой постановки этого вопроса на конференции в 1997 г. Ча ще всего это делалось для обозначения динамики какой-либо га стемы (Ф.В.Коглов, Г.К.Бондарнк, Ю.О.Зеегофер, В.К.Епшшш) Важной особенностью некоторых работ являлось стремление рас сматривать техногенные изменения геологических условий на фон« их естественной эволюции (В.Т.Трофимов, Ю.О.Зеегофср, О.М Адаменко, Г.И.Рудько, В.С.Федоренко).

Анализ трудов конференции 'Эволюция инженерно геологических условий Земли в эпоху техногенеза" позволил еде дать следующие вывода. Подход к эволюции, согласно которому & основной чертой является возникновение новых классов геолошче схих образований, нашел воплощение в работах В.Т.Трофимова Е.Н.Огородниковой, Т.И.Аверкнной. Взгляд на эволюцию как иг динамику систем приведен в работах В.Т.Трофимова Г.А-Голодковской, М.Б.Куринова, Д. А. Спиридонова. Особен ностью многих работ являлось введение новых понятий "компонента эволюции ннжеиерно-геодогическнх условий" "эволюционный элемент инженерно-геологических структур"н т.п.

На данном этапе можно можно констатировать, что в цегюь постановка проблемы эволюции инженерно-геологических услови! осуществлена, однако положение ее в рамках инженерной reo по raí

осталось не вполне ясным, что, впрочем, следует признать закономерный на первом этапе ее разработки. Требуют дальнейшего обоснования и предложенные рядом авторов концепции.

ГЛАВА 3. КОНЦЕПТУАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗУЧЕНИЯ ЭВОЛЮЦИИ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ В ЭПОХУ ТЕХНОГБНБЗА

Подходы к изучению эволюции инженерно-геологических условий в эпоху техногеаеза. Общий подход к изучению темы базируется на выделенных ранее концептуальных линиях работы, которые увязываются с биологическим пониманием эволюции и использованием этого термина для описания динамических систем. Соответственно, эти линии слагают 2 частных подхода. В рамках первого из них должны быть введены представления об элементарной эволюционной единице, факторах эволюции, элементарном ззолгационпом материале, эволюционном процессе и явлении.

Второй частный подход связывает решение проблемы звоню щш шшодерно-геологачеошх условий с особенностями структуры объектной области инженерной геологии. При взгляде на ннже-нерно-геологические условия (объект науки) как на сложную динамическую систему задача изучения их эволюции трансформируется в проблему анализа, описания, визуального представления указанной сзспеты. Эта етстезза включает региональные и зональные геологические, а также техногенные факторы ннжеяерно-геологазеогнх условий. Эволюция может быть определена как преобразование этих факторов, определяющееся как техногенными, так и естественными природными причинами.

Выпеиеягае элементарных эводтопиотшх станиц при изучении эзодиени инженерно -геологических условий в эпоху техногенс-за . В рашах первого подхода центральным является вопрос о выделении элементарной эволюционной единицы.Одно из основных положений эволюционного ученая состоит в том, что эволюция может расшатрнватьс только в пределах таких единиц. В биологии к ним относятся популяция, выступающая как динамическое и генетическое единство. Можно утверждать, что локальные изменения компонентов инженерно-геологических условий, происходящие под влиянием прямых воздействий от инженерных сооружений, на являются эволюционно значимыми событиями. Эти изменения могут

стать эволюционными только в пределах "сообщества", а именно целостного геологического образования, имеющего и инженерно-геологическую значимость. Таким образом, эволюция внженерно-геологических условий может рассматриваться только в пределах элементарных эволюционных единиц.

Далее с инженерно-геологических позиций мы формулируем ряд требований к эволюционной единице и заключаем, что выделение последней должно быть связано с представлением о геоформациях, причем, как правело, рельефообразующих. Однако шш брать геоформацию в качестве эволюционной единицы, то не выполняется важное требование к ней - проявление действия зональных геологических факторов в ее пределах. В ряде работ В.Т.Трофимовым разработано понятие об инженерно-геологической формации - полипородном, многокомпонентном геологическом теле, включающем взаимодействующие те<5дую, жидкую и газообразную составляющие. С учетом этой вдш мы можем сделать вывод, что все требования к геологическому образованию как к эволюционной единице выполняются в том случае, если рассматривать в качестве последней инженерно-геологическую формацию.

Следовательно, локальные изменения ннжшерно-геологаческих условий представляются в виде элементарного ззо люциоиного материала, а антропогенные геологические процесс,: (элементарные эволюционные факторы) - факторы поставщик? этого материала. Эти изменения не приводят к собственно эволю ционному процессу. Он проявляется только тогда, когда на эволю ционную единицу относительно долгое время, наряду с элемент ар ными, воздействуют факторы эволюционного процесса, а под ниш целесообразно понимать естественные геологические процессы выражающие направленную и закономерную геологическую эво люцию. Идеей изучения эволюции инженерно-геологических уело вий будет рассмотрение закономерностей взаимодействия совре менных геологических процессов с антропогенными геологическим! процессами. Рассматривая такое взаимодействие, мы мождо выде лить элементарное эволюционное явление - качественное нзьзеяенн инжендшо-геологической формации. Явления составляют процес эволюционной трансформации инженерно-геологических условий 1 эпоху техногеяеза.

Теоретико-графнчедсая модель - фазовое пространство системы "инженерно-геологические условия". Инженерно-геологические условия как динамическая система могут быть отражены при помощи фазового пространства, в котором в качестве переменных выступают региональные геологические, зональные геологические и техногенные факторы. В этом общем случае пространство включает три взаимно перпендикулярные оса, соответствующие трем указанным группам факторов. При помощи анализа движения изображающей точки мы можем выразить определенную концепцию динамики изучаемой системы и дополнить ее содержательным теоретическим обоснованием. Поэтому такое пространство было названо теоретико-графической моделью инженер-но-геологичесжих условий.

В работе приведены отдельные теоретихо-графические модели природных и прир одно-технических лито систем применительно к решению морфологических, ретроспективных и прогнозных задач а инженерной геологии. При этом последовательно рассматривались случаи с включением в модель оси времени и без нее (Примеры теоретико-графических моделей показаны на рис. 1,2)

Теоретико-графическая модель изменшия_щщеяфво-

геолошчеошх условий под влиянием техногеяеза и их эволюции в эпоху техногеиеза. Пространственно-временные особенности эво-1ш>гош гашеясрно-гсологических условий. Отталкиваясь от традиционного использования фазового пространства для описания системы "шЕхеиерно-гсологачесхие условия", здесь мы используем теоретнко-графичеоую модель для концептуального моделирования. Тип движения изображающей точки будет соответствовать определенной концепции эволюции инженерно-геологических условий.

Мы выделяем 2 типа движения точки в фазовом пространстве. При рассмотрении изменений инженерно-геологических условий под влиянием инженерного сооружения в течение промежутка времени, за который принимается допущение о неизменности природных факторов, точка движется параллельно оси техногенных факторов и модель названа "изменение инженерно-геологических условий под влиянием техногенаа"(рис. 3). При трансформации трех групп факторов точка двигается по сложной траектории, форма которой определенся характером взаимодей-

Зональные геологические факторы и геологичес

Региональные геологические

факторы ннжеяерно-геопогачеасих условий

Рис.1. Теоретико-графическая модель инженерно-геологаческш условий как динамической системы ( природная пито система с осью времени). Точки М, М1.М2 характеризуют состояние системы в соответствующие моменты времени.

Техногенные факторы

инженерно-геологических М7

условий

Региональные геологические

факторы инженерно-геологических условий

Рис.2. Теоретико-графическая модель инженерно-геологических условий как динамической системы (природно-техническая литода-стена с осью времени). Точки М,М1,М2 характеризуют состояния системы в соответствующие отрезки времени

стлующлх природных и техногенных компонентов инженерно-геологнчесхнх условий. Эта модель называется "эволюция ипже-неряо-геологнчеоснх условий в эпоху техногеиеза"(рнс.4).

Инженсрно-геологачеосая формация как геологическое тело обладает собственными пространственно-временными характеристиками. Геоформациям соответствует определенный основной ряд пространств, а конкретной - свое частное пространство. То же самое относятся и к инженерно-геологичеосим формациям и их индивидуальным особенностям. Отличие в тон, что их пространство более дробное, при этом не совпадающее с пространством геоформаций. Критерий выделения пространственных ячеек - сочетание региональных н зональных геологических факторов.

Для характеристики временных особенностей эволюции инженерно-геологических условий могут быть выбраны несколько концепций. Это

представления о собственном времени инженерно-геологической формации, "процессная" точка зрения па системы (в качестве главной системы выступает единый глобальный процесс трансформации пнжеаерно-геологоческих условий, обладающий собственным интегральным пространством и временем), концепция, согласно которой эволюция рассматривается в настоящей геологическом времени, плоскость которого образована факторами ня-женерно-геэпогнчеосих условий.

Схема-граф пряштано-слсдствсиных связей в системе "инженерно-геологические условия". Содержательный алгоритм изучения эволюции инженерно-геологических условий в эпоху тех-ногенеза. Структура системы "инженерно-геологические условия" -это совокупность причинно-следственных связей между региональными геологическими, зональными геологическими и техногенными факторами этих условий. Структура формализуется математическим понятиш графа. Исходя из этого была построена схема-граф, где вершины соответствуют факторам, а ребра - причинно -следственным связям между ними (рис.5). Были последовательно рассмотрены все возможные факторные взаимодействия. Факторы з системе, взаимодействуя друг с другом, будут генерировать гео-логнчсссис процессы и сами из меняться под их влиянием благодаря наличию в системе обратных связей. Так будет эволюционировать система, от одного состояния к другому. Критерия принадлежности

-м-

Техногенные факторы

I/

/ Зональные геологические ' факторы инженерно -геологических условий

Региональные геологические факторы инженерно* геологических условий

Рис.3. Теоретико-графическая модель "изменение инженерно-геологических условий под влиянием тсхногенеза"

Техногенные! факторы

/ Зональные геологические _ \/ факторы инженерно

геологических условий

Региональные геологические факторы инженерно-геологических условий

Рис.4. Теоретико-графическая модель "эволюция геологических условий в эпоху техногенеза"

инженерно

Рпс.5. Схема-граф причинно-следственных связей между факторами в а1стс5!с ''шжшерно-геопогачесгие условия". X . геолого-сгруктурный фактор Х- геоморфологический ф актор ,Т|[- неотектонн-ческяй факторД? - гидро геологический фактор, X - геокриологический фактор, ТТ- климат,.^- поверхностные воды, 1-22 • причинно-следственные связи между факторами.

сисхемы определенному состоянию могут быть названы интегральными показателями.

На данном этане с учетом предложенной концепция мы можем сформулировать общий содержательный алгоритм изучения эволюции инженерно-геологических условий в эпоху техногенеза.

1. Производится выделение элементарных эволюционных единиц, описываются факторы инженерно-геологических условий в их пределах.

1 Анализируется наличие и взаимодействие техногенных геологических процессов в качестве элементарных эволюционных факторов и природных геологических процессов в качестве факторов эволюции также в границах выделенных эволюционных единиц.

3. Изучается индивидуальное развитие (онтогенез) инжеяер-но-геологических формаций и выделяются его этапы.

4. Осуществляется построение и анализ схемы-графа причинно -спедств енных (факторных) связей в системе "инженерно-геологические условия". Рассматривается функциональная среда системы.

5. На основе предложенных интегральных показателей состояния анализируется возможность переходов системы (в пределах эволюционной единицы) из одного состояния в другое. Глубокие качественные изменения эволюционной единицы, происходящие при этом, переход одного типа объекта в другой, как раз и позволяют выделить эволюционное явление.

ГЛАВА 4. ЭВОЛЮЦИОННЫЕ АСПЕКТЫ ТРАНСФОРМАЦИИ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ В ЭПОХУ ТЕХНОГЕНЕЗА В ПРЕДЕЛАХ ЗАПАДНО-СИБИРСКОЙ ПЛИТЫ

Разработанный алгоритм был применен при изучении эволюционных а сп остов трансформации инженерно -геологических условий в пределах Западно-Сибирской штаты.

Элементарные эволюпионные епшпшы и факторы инженерно-геологических условий в их пределах. В верхней части разреза платформенного чехла плкгы присутствуют формации, которые относятся к верхнешшоцеа-четвертнчному тектоно-сегшментационному комплексу. Это - сложно построенный комплекс морских и континентальных террнгеяных отложений, в со ста-

-Ilse которого развиты различные типы пород - от гравелитов н галечников до тяженых пшн п торфов. Весь комплекс слагает терри-геггоо-ползшпстовую сероцветную формацию, в составе которой В.Т.Трофимовым выделены 2 субформашга: морских терригеяных четвертичных отложений в континентальных терригеяных верх-иешшоцея-четзертнчных отложений. Последим субформация включает 3 подформации: терригенных преимущественно озерно-аллшвиалышх верхношноцен-четвертичиых отложений, терригеяных ледниковых четвертичных отложений, поздиечегвертичных терригеяных преимуществ еяно аллювиальных и озерно-аллювмальных отложений.

По особенности современного состояния пород верхней части разреза плиты выделяются пять зон: сплошного развития мно-голетишерзлых пород, зона масоганоостровиого развития ММП и талых шльноузлажиенных пород, зона редкоостровного развития ММП и талых гальноувлажнеяных пород, зона развития талых п пшерзлых сшзьноувлажнеяных пород, зона развития талых и не-нерзлых слабоузлажпелных пород.

Следовательно, в наличие есть все данные для выделения инженерно-геологических формаций в качестве элементарных эволюционных единиц в границах Западно-Снбпрсхой плиты. Схема выделения эволюционных единиц прав едена на рнс.6. Согласно алгоритму были охарактеризованы комплексы факторов инжеяер-но-геологшзеоснх условий в пределах каждой из единиц. Показано, что каждая из них отличается своими особенностями, что подтверждает правомерность такого выделения.

Взаимодействие природных н техногенных геологических процессов в пределах эволюционных единиц Западно-Сибирской плиты. На первом этапе с учетом данных о комплексах современных геологических процессов и явлений, развитых в пределах различных районов зон плиты, была составлена схема комплексов процессов уже в пределах эволюционных единиц.

В качестве основы для изучения взаимодействия природных и техногенных геологических процессов использована предложенная С.В.Григорьезой концепция, в рамках которой антропогенные (шга ен ерц о - reo л о гнч ecoi е) процессы подразделяются на тождественные (возникают и развиваются на участках, где наблюдаются те же естественные процессы), аналогичные (протекают на терри-

Субфориац ия морских террнгенны х отложений Подформа цих терри-геаных ледниковых отложений Подформа цня терри-генных озерно-аллювиаль ных отложений Подформа ция террв-генных ал-лювиальны х и озерно-аллювиаль ных отложений

Сплошное распространение ММП 1 2 3

Распространен ие массивно -островных ММП и талых сильно-увл. пород 4 5 6

Развитие ред-юэостровных ММП и талых сильноувлажне нных пород 7 8

Развитие талых и немерзлых сильно-срсднеувлажне нных пород 9 10

Развитие талых и немерзлых слабо- среднеувлажне нных пород 11 12

Рнс.6. Схаиа вьщшошя эволюционных единиц в пред сагах ЗападноСибирской плиты. Цифры в квадратах соответствуют шшераы единиц.

ториях, где в естественных условиях развиты слабо), своеобразные (возникают таи, где не наблюдается эта же процессы в естественных условиях). По характеру взаимосвязей двух групп процессов на территории Западной Сибири выделено пять типов строения грунтовых толщ. На основании этого и с учетом схемы распространения грунтовых толщ мы можем охарактеризовать взаимодействие элементарных эволюционных факторов и факторов эволюции в пределах таженерпо-геологнческнх формаций.

Сделаны выводы, что прямое тождественное взаимодействие двух групп процессов и, следовательно, интенсификация эволюционного развития проявится в пределах единиц 2 и 3, где преобладают глинистые многолегнемерзлые толщи и есть прямая зависимость между природными и антропогенными процессами. Кроме того, аналогичная зависимость будет преобладать в пределах едшшц 4,5,11, однако картина здесь осложняется наличием обратной шга нечеткой взаимосвязи на площадях распространения территориально подчиненных грунтовых толщ. Эволюционные едштцы 7,8,9,10 характеризуются общим преобладанием развития грунтовых толщ с обратной связью, а в пределах единиц 1,6,12 не отмечено закономерной взаимосвязи между двумя группами процессов.

Оитогснезы элементарных ЗВ9тпф1п^ст.рг едп^тд, Штагежу. но-геологвчеосая формация, как и геологическая, обладает своей собственной эволюционной судьбой в течение определенного отрезка геологачеосого врет сан. Такое развитие названо ее онтогенезом. На определенном этапе происходит становление тектонического н климатического режимов, которые выступают факторами формирования инженерно-геологической формации и инженерно -геологических условий в ее пределах После первого этапа развитие формации (последующие этапы онтогенеза) проявляется через смену региональных и зональных геологических факторов. Для каждого этапа характерен определенный набор факторов, взаимодействие которых обуславливает особенности формации как многокомпонентной системы. На современный этап приходится эпоха техиогедеза.

В работе рассмотрены онтогенезы всех 12 эволюционных единиц я отмечено, что среда этапов онтогенеза появляется новый -этап тезшогеиеза. Это явление носат название онтогенетическая

днффереяцнровка и свидетельствует об эволюционном характере развития таких объектов.

Функциональная среда системы "ияжеиерно-геологаческне условия". Прогноз эволюционной трансформации инжшерно-геологических условий в пределах Западно-Сибирской пикты. 11с-лесообразно построить 4 схемы-графа, выражающие функциональную среду системы в пределах 4 зон Западно-Сибирской плиты: сплошного развития ММП, совместного развития многолетнем «рз-лых и талых сильноувлажнеаных пород, развития талых енльио-увлажнениых, а также зоны талых слаб о увлажненных пород. Схемы были последовательно дополнены техногенными процессами, которые, согласно С.В.Грнгорьевой, вызываются изменениями теплового баланса и температурного режима грунтов (мерзлотные), изменением водного баланса и влажностного режима грунтов, изменением напряженного состояния грунта в массиве.

Следовательно, техногеяез в пределах Западной Сибири воздействует на геолого-сгруктурный, геокриологический, гидрогеологический факторы-компоненты системы и на внешний дда нее фактор - поверхностные воды. Прогнозировать состояния системы мы можем путем анализа контуров и маршрутов в графе. Известно, что наиболее глубокие изменения в снсгше вызывают ее взаимодействия с внешними системами и средами. Для нашей системы таковыми будут - климат, поверхностные воды и техногеяез. Тоща прогноз должен основываться на данных о перспективах изменения именно этих факторов.

В пределах эволюционных единиц 1,2,3 динамика системы определяется комплексом мерзлотных факторов, зависящих ох климатических условий. С учетом прогнозируемой рядом авторов тенденции к повышению среднегодовой температуры воздуха, которая сохранится до 2005-10 гг, мы рассматриваем контур в графе, соединяющий климатический, геокриологический и геолого-сгруктурный факторы. Такая динамика приведет к увеличению интенсивности термокарста. Причем это в большей степени относится к эволюционным единицам 1 и 3 из-за их большей льдисто ста. Следует также ожидать усиление процессов солнфлюкшт, термоэрозга и термоабразии на побережьях. Увеличение температур грунта (особенно для эволюционной единицы 3) позволяет предсказать более широкое развитие бугров пучения миграционного типа. Про

цессы, вызывающиеся ашженнем тшпературы пород, будут соответственно дпнашпсе климата подавляться (морозобойное растр ес-imnamie в пределах единиц 1 и 2).

Увеличение количества осадков приведет к интенсификации процессов заболачивания, которые будут подавляться воздьшани* ш территории, а тапке к усилению эрозионных процессов (в большей степени - д оя единицы 1).

Техногеяез в пределах зоны направлен на изменение теплового баланса и температурного режима грунтов. При этом очевидно, что процессы, вызванные повышением температуры грунта (термокарст, термоэрозия, солнфлюкцня, тепловые осадки) будут усиливать природные аналоги, с которыми они будут протекать однонаправлеано. В то же время техногенные процессы, вызванные поннжениш тшпературы грунта, буддут не совпадать по направлению с природной динамикой зоны сплошного развития ММП.

Эволюционные единицы 4,5,6 относятся к территориям, в пределах которых преобладают массавно-осзровные ММП. В целях прогноза здесь можно использовать те же данные, что н для предыдущей зоны. Поэтому мы можем констатировать формирование к сшивающейся мерзлоты, значительное усиление термокарста (преаде всего - для единил 4 и 5), интеншфихацию процессов солнфшшсцин. При этом снизятся интенсивность морозобойно-го растрескивания (егщвтщ 4 н 5) н наледеобразованш.

Повышение температуры воздуха и увеличение атмосферных осадков будут усиливать процесс заболачивания в пределах 4 и б эволюционных единиц. Эти же единицы будут отличаться повышенной эрозионной устойчивостью. В пределах зоны характер техногенного воздействия можно считать схожим с тш, что имел место у предыдущей зоны.

В пределах эволюционных единиц ? и 8 ММП пользуются редкоостровным распространенном, а преобладают талые сально-увлажненные грунты. Принимая во внимание прогноз климатической обстановки, констатируем увеличение интенсивности прежде всего термокарста, причем в большей степени для 7 единицы. Снизится интенсивность сезонного пучения и наледеобразования. Увеличение количества осадков позволяет прогнозировать дальнейшее повышение уровня подземных вод, развитие болотообразоватеяь-

ного процесса (единица 8), прогрессивное усиление эрозии (прежде всего - единица 7).

Характер техногеаеза определяется воздействием на геокриологический и гидрогеологический факторы. В результате техногенного повышения температуры грунтов усилится термокарст, в результате понижения - возможно новообразование мерзлоты, а также пучение. Процессы, связанные с понижением уровня грунтовых вод, приведут к уплотнению грунтов, опусканию земной поверхности. Они не будут совпадать по направлению с естественным развитием этой территории. Процессы, вызванные повышением грунтовых вод (подтопление и заболачивание), будут усиливать природные аналоги, что можно четко проследить на схеме-графе.

Изменение климата в пределах единиц 9 и 10 приведет к трансформации интенсивности сезонного пучения, причем в большей степени для первой из них. Можно прогнозировать интенсификацию болотообразовательного процесса, тле. территории относятся к плохо дренированным и интенсивно заболачивающимся. Деятельность поверхностных вод приведет к усилению размыва прежде всего песчаных и лессовых грунтов.

Теэшогенез воздействует на гидрогеологический, геолого-структурный и геокриологический факторы. При этом техногенное подтопление и заболачивание будут усиливать природные аналоги. Воздействие на геолого-схруктурный фактор генерирует уплотнение, тиксотропное разжижение грунтов, размыв и оплывание откосов. К существенному усилению процессов затопления и эрозионному размыву приведет тезногенное воздействие на поверхностные воды.

Прогнозная динамика инженерно-геологических условий в пределах единиц 11 и 12 определяется такими процессами, как набухание, суффозионно-просадочныфволюционная единица 11), эоловая аккумуляция, эрозионный размыв грунтов( в большей степени - для единицы 12). Из мерзлотных процессов развито только сезонное пучение. Очевидно, что те процессы, которые зависят от действия поверхностных вод (набухание, просадка, эрозия) при увеличении количества осадков существенно изменят свою интенсивность, что приведет к изменению инженерно-геологических условий.

Техногеяез влияет прежде всего на геолого-структурный и гадрогеологаческнй факторы. С повышением грунтовых вод связаны суффозиошзо-просадочные явления и подтопление. Эти процессы однонаправлеяы с природными и у сшивают их. С изменением напряженного состояния связано уплотнение грунтов (единица 11), оплывание о та о со з и эрозия (преимущественно единица 12). Техногенные факторы воздействуют на поверхностные воды, при этом усиление овражной эрозии способствует активизации природного аналога, а затопление не совпадает по направленности с естественными тенденциями развития эволюционных единиц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выводы в результате проведенных исследований могут быть сделаны следующие.

1. Изучение эволюции ивженерио-геологачесхих условий в эпоху техногсаеза должно базироваться на обширном теоретическом материале, включающем основы понятийного аппарата естествознания, геологии и биологии. Анализу должны быть подвергнуты основные понятия я ыетодологачеоса концепция инженерной гсодопш.

2. Два основных понятия работы - "система" н "эволюция". Установление типов их соотношения друг с другом позволяет определить подходы к позпаннш темы.

В рамках первого подхода центральным является вопрос о выделении элементарной эволюционной единицы, в пределах которой и должна рассматриваться эволюция инжеяерно-гешгогачеошх условий в эпоху техногеяеза. Идеей ее изучения является анализ взаимодействия природных и антропогенных гсоло-гичеошх процессов.

4. В рамках второго подхода, рассматривая ннженерно-гео логически с условия (объект науки) как динамическую систему, правомерно также говорить об эволюции такой системы в эпоху хекногеаеза.

Алгоритм изучения эволюции инженерно-геологических условий базируется на комплекдоровании двух подходов. Первый шаг - выделение эволюционных единиц, второй • описание динамической системы "ннжеяерно-геологачеосне условия" в их пределах

Результат • выделение эволюционного явления или тенденций к егс возникновению.

6. Прогноз эволюционной трансформации инженерно-геологических условий основывается на причинно-следственных факторных связях в системе. Взаимодействие факторов, порож дающее экзогенные геологичесхне процессы, характеризует фунт, циональную среду системы.

7. В инженерной геологии существуют определенные предао сылки для эволюционного подхода при познании закономерностей взаимодействия верхних горизонтов литосферы и техносферы. Су шествуют обобщения, касающиеся эволюционного характера изие нений природных условий под влиянием деятельности человека часто для этого используются представления о динамических са схемах.

8. Реализация подхода и алгоритма позволила выделить i пределах Западно-Сибирской плиты 12 элементарных эволюцнон ных единил - инжснерно-геолошческнх формаций. Все они характе ризуются определенным набором факторов инженерно геологических условий и комплексом геологических процессов, г также эволюционной судьбой.

9. Изучение характера взаимодействия природных и техно генных геологических процессов показало, что в пределах эвошэ ционных единиц может наблюдаться интенсификация естественной: развития в том случае, если между двумя группами процессов есп прямая взаимосвязь.

10. Изучение функциональной среды системы "инженерно геологические условия" позволяет констатировать, что в предел аз Западно-Сибирской плиты эволюционно значимым будет воздей сгвие техногенеза на мерзлотный и гидрогеологический факторь инжежрно-геологичесжкх условий. Именно их техногенное измене ние с накладывающимися на него природными тенденциями развн тля эволюционных единиц позволяет прогнозировать возникнове ние эволюционного явления. На территории Западной Сибири i числу эволюционных явлений можно отнести прогнозную транс формацию инженерно-геологических условий двух северных зон сплошного и массивиоостровного распространения многолетне мерзлых пород

Основные положения диссертации опубликованы в следую-их работах:

1. К вопросу о рассмотрении процесса эволюции верхних ризонтов литосферы в эпоху техногенеза как сложной динами-хзсой системы. Геология 3. М.: Изд-во Моск. ун-та. 1996.-413с. ¡рогранма "Университеты России"), с. 153-159.

2. Эволюционная основа систематизации данных о взаимо-йсгани литосферы и техносферы. В сб.:Новые идея в науках о жиге. Труды международной научной конфереяции.-М: 1997.-е.48.

3. Эволюция инженерно-геологических условий и ее внзу-гьное представление при помощи теории графов. В сб.: Эволюция шенерно-геологических условий Земли в эпоху техногенеза.- М.: ЕГУ, 1997.- с. 40-41.

4. Концепция и содержательный алгоритм изучения эволю-юнных аспектов трансформации инженерно-геологических усло-ш в эпоху техногенеза. В сб.: Проблемы инженерной и зхолога-мяой геологии. М: геол.ф. МГУ, 1998.- с. 13-16.

5.Теорегако-графнчесаая модель инженерно-геологических ловий - идея, содержание, принципы построения. В сб.: Новые теп в инженерной геология. - М.МГУ, 1996.- с.21-24. (Соавтор .Т. Трофимов).

6. Теоретико-графическая модель изменения инженерно-я логических условий под влиянием техногенеза и их эволюции в мху техногенеза. В сб.: Эволюция ниженерно-геологаческих усяо-Ш Земли в эпоху техногенеза. - М:МГУ, 1997.-c.34-35. (Соавтор .Т.Трофнмов).

7. Теоретико-графическая модель инженерно-геологических згавий и их изменения в эпоху техногенеза. Вестник Моск. Ун-та, р. геология. 1998, №2//находнтся в печати. (Соавтор .Т.Трофимов).

Подписано к печати 10.0298. Условных печатных листов -1.7 Тираж: 100 экз.

Отпечатано в фотомножительной лаборатории геологического ф-та МГУ Заказ № Z7