CC BY
28
ГЕОЛОГО-МИНЕРАЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ
ИСТОРИЧЕСКИЙ АСПЕКТ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРИ РЕШЕНИИ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ ОСВОЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОДЗЕМНОГО ПРОСТРАНСТВА МЕГАПОЛИСОВ (НА ПРИМЕРЕ
САНКТ-ПЕТЕРБУРГА)
Дашко Регина Эдуардовна
доктор г.м.н, проф. кафедры ГиИГНМСУ «Горный», г. Санкт-Петербург
Горская Валентина Алексеевна
аспирант кафедры ГиИГ НМСУ «Горный», г. Санкт-Петербург
АННОТАЦИЯ
В статье рассмотрены основные источники поступления микробиоты в подземную среду. Перечислены и раскрыты основные решения инженерно-геологических проблем освоения и использования подземного пространства.
ABSTRACT
The article is described the main sources of the microbiota in the underground space. The basic positions were listed in solving geotechnical problems of development and utilization of underground space.
Ключевые слова: подземное пространство, исторический аспект, контаминация, песчано-глинистые грунты, микробиота, подземные конструкции, биохимическая газогенерация, биокоррозия.
Keywords: underground space, the historical aspect, contamination, sand and clay soils, microbiota, underground structures, biochemical gas generation, biocorrosion.
Санкт-Петербург один из немногих крупнейших мегаполисов мира, имеющих точную дату основания. Несмотря на то, что возраст Санкт-Петербурга исчисляется только 312 годами, вся его градостроительная предыстория и хозяйственное использование территории началось многими столетиями раньше в пределах земель Восточной Ингерманландии.
При изучении многочисленных архивных источников: писцовых книг, документальных материалов шведского периода, отмечается многовековое освоение территории будущей столицы дореволюционной России, по
типу других городов мира - Парижа, Лондона, Рима, Новгорода, Киева, Москвы.
Согласно картографическим данным по берегам Невы и других рек располагались поселения еще в VI-IX вв (рис. 1). С IX в. до 1478 г. эти территории входили в состав Водской пятины Великого Новгорода, а с 1478 г. присоединены к Московскому княжеству. В 1470-е -1490-е гг. здесь располагались 998 селений, в том числе, 8 крупных селений-погостов с церквями и монастырями [1].
Рис.1. Крупнейшие поселения допетровского времени в центре современного Петербурга [6].
В XVII в. на правом берегу р.Невы в устье Б.Охты существовал город Ниенштадт с обширными предместьями, двумя соборами, госпиталем. Все селения были расположены среди лесов и болот, однако значительную площадь уже занимали участки пахотных, пастбищных и охотничьих угодий, отмечены крестьянские дворы, рыбный ток, а также поместья крупных землевладельцев.
Таким образом, полученные сведения позволяют сделать вывод, что негативное воздействие хозяйственной деятельности на подземное пространство (ПП) началось уже в допетровскую эпоху и продолжается до сих пор. История формирования городской инфраструктуры Санкт-Петербурга позволяет выделить основные этапы контаминации подземного пространства (табл.1) [2].
Подземное пространство города следует рассматривать как многокомпонентную и динамичную систему, в
Негативное преобразование одного из них может привести к потере устойчивости всей системы. В условиях сложной геоэкологической обстановки анализ динамики изменения компонентов подземной среды необходимо проводить с учетом их контаминации [2].
Таблица 1
Этапы загрязнения подземного пространства (ММ) Санкт-Петербурга
состав которой входят песчано-глинистые грунты, содержащие подземные воды, микробиоту, биохимические и глубинные газы, подземные конструкции. Все эти компоненты находятся в тесной взаимосвязи друг с другом.
Эта пы Период Особенности освоения территории Характер и степень загрязнения территории Природное и техногенное воздействие на грунтовые воды и грунты
I XIV-XVII в.в. Существование деревень, пахотных, охотничьих угодий, поместий землевладельцев. Неорганизованный сброс стоков различного происхождения. Локальное приповерхностное загрязнение подземной среды. «Земля, смешанная с навозом» -шведские данные. Воздействие болот за счет обогащения подземной среды органическими соединениями абиотического и биотического генезиса, а также привнос техногенной органики. Загрязнение грунтовых вод компонентами жизнедеятельности человека.
II XVIII -начало XIX в. Период интенсивного строительства и роста города. Система дворовых выгребных ям для нечистот. Первая лив-нево-дренажная сеть -95 км. Переход к региональному загрязнению по площади и по глубине. Сброс сточных вод без очистки в водотоки города. Начало прогрессирующего загрязнения грунтовых вод и верхней толщи подземного пространства. Хозяйственно-бытовое загрязнение, активизация микробиологической деятельности, формирование восстановительной обстановки подземной среде.
II Середина XIX в. -начало XX в. Интенсивное развитие городской инфраструктуры и промышленного производства широкого спектра. 1864-1917 г.г. -первые нереализованные проекты систем канализации. 1/3 территории города не имеет канализационной сети. Хозяйственно-бытовое загрязнение, существование смешанных свалок. Усложнение состава загрязняющих компонентов. Инфильтрация нечистот из выгребных ям. Более 100 км городских водостоков - открытые канализационные коллекторы. Повышение содержания органических и неорганических соединений, дополнительный привнос микрофлоры, формирование богатых биоценозов. Активная микробиологическая деятельность в ПП, развитие негативных экзогенных процессов, вызванных контаминацией подземной среды. Сохранение анаэробной обстановки в ПП.
IV XX в. по настоящее время Дальнейшее развитие города, промышленности, транспорта. 1925г. - начало строительства региональной канализационной системы города. Интенсификация загрязнения подземной среды нефтепродуктами, промышленными стоками и кана-лизационно-бытовыми утечками. Глубина зоны загрязнения - десятки метров. Прогрессирующее загрязнение подземной среды утечками из систем водоотведения, канализационными стоками, нефтепродуктами, повышение содержания органических и неорганических соединений, привнос специфической микробиоты, сохранение анаэробной обстановки в ПП.
Важное влияние на формирование состояния подземной среды оказывает высокая микробиологическая по-раженность, которая может рассматриваться как с точки зрения природных условий, так и учитывая исторический аспект развития города и специфику его хозяйственного освоения.
К природным факторами, оказывающими влияние на численность и активность микроорганизмов в подземном пространстве относятся болотные отложения. Согласно многолетним исследованиям, проводимыми под руководством проф. Дашко Р.Э., негативное влияние болот на грунты и подземные воды прослеживается на глубину 50-70 метров, за счет их обогащения при нисходящем движении болотных вод. В зонах воздействия болот отмечается снижение окислительно-восстановительного потенциала (Eh ниже - 100 мв) при обогащении отложений органическими соединениями.
Следует отметить, что помимо погребенных болотных массивов, высокой степенью микробной пораженно-сти характеризуются межморенные микулинские слои, обогащенные битуминозной органикой, которые прослеживаются в юго-восточной, восточной и северной частях
Санкт-Петербурга (рис.2). Эти слои генерируют метан, азот и диоксид углерода, при загрязнении микулинских отложений - еще и сероводород.
К региональными источникам техногенного поступления микроорганизмов относятся канализационно-бытовые и промышленные стоки. С момента существования мегаполиса и до появления региональной сети водо-отведения, строительство которой началось в Ленинграде только в 1935 году, речная система Невы и городские каналы служили местом сброса хозяйственно-бытовых стоков. Свыше 100 км городских водотоков были превращены в открытые канализационные коллекторы. Известно, что канализационные стоки содержат 58% органических веществ и 42% минеральных. В качестве примера следует привести изменение значений компонентов канализационных стоков (табл. 2). Следует отметить, что в 1 мл канализационных стоков присутствует 107-108 клеток микроорганизмов.
В настоящее время согласно официальным данным, протяженность систем водоотведения составляет 6782,5 км, из которых приблизительно 1200 км находятся в предаварийном состоянии.
Обухово
Рыбацкое
"»** г '"'г _1»»8 Г. _2000 Г.
Условные обозначения
мнкулинскне газогенерирующие отложения
- участки газопроявлений: - направление действия газодинамического давления
Рис.2 Схематический геолого-литологический разрез в юго-восточной части Санкт-Петербурга [5]
Химический состав коммунально-бытовых стоков
Таблица 2
№ п/п Показатели Численные значения
1 рН, ед. рН 6,7
2 БПК5, мгО2/дм3 9012
3 ХПК, мгО2/дм3 18928
4 Перманганатная окисляемость, мгО2/дм3 11335
5 Взвешенные вещества, мг/дм3 5154
6 Гидрокарбонаты, мг/дм3 859,0
5 Азот аммонийный, мг/дм3 156,0
7 Нитраты, мг/дм3 1,3
8 Нитриты, мг/дм3 <0,02
9 Сульфаты, мг/дм3 <2,0
10 Хлориды, мг/дм3 251,0
11 Фосфаты, мг/дм3 35,4
12 Сероводород, мг/дм3 1,3
13 Железо общее, мг/дм3 18,5
14 Кальций, мг/дм3 117,9
15 Магний, мг/дм3 30,6
16 Натрий, мг/дм3 154,5
17 Калий, мг/дм3 8,4
Влияние утечек из этой сети прослеживается на глубину 50 м и более, обогащая песчано-глинистые отложения в разрезе подземного пространства органическими соединениями биогенного и абиогенного генезиса.
Активное поступление региональных контаминан-тов в обводненную толщу грунтов фиксируется в местах хозяйственно-бытовых отходов. Согласно экологическим исследованиям, в центральных районах города на 1 км2 сконцентрировано от 2 до 3 тысяч тонн хозяйственно-бытовых отходов 18-19 в.
К локальным техногенным источникам принадлежат действующие и ликвидированные кладбища, уничтоженные грунтовые могильники ХШ-ХУ вв. в районе Шереметьевского дворца и в устье р. Охты, которые привносят в толщу грунтов белки, жиры, соединения азота, фосфора, сапрофитные и гетеротрофные микроорганизмы [1]. Согласно архивным данным, на территории мегаполиса зафиксировано 62 ликвидированных кладбища [3,4] (рис.3).
Кроме того, в качестве источника поступления мик-робиоты необходимо выделить районы засыпанной гидрографической сети (рис.4), составляющие примерно 3,7% территории города (5315 га). Большая часть объектов погребенной гидросети находится в центральных районах: на Василеостровском районе - 33% территории (555 га), в Центральном районе - 27% (475 га), в Адмиралтейском районе - 23% (310 га) и в Петроградском районе - 20% (402 га).
На сегодняшний день деятельность микроорганизмов в подземной среде рассматривается со следующих позиций.
1. Накопление микробной массы в виде живых и мертвых клеток микроорганизмов и продуктов их метаболизма в песчано-глинистых грунтах приводит к негативному изменению их состояния и физико-механических свойств: снижение водоотдачи и коэффициента фильтрации песков и их преобразование в состояние плывунов. Глинистые грунты трансформируются в квазипластичные разности.
2. Микробная деятельность в подземной среде, в азота, водорода - малорастворимых газов; диок-
первую очередь гетеротрофных микроорганизмов в сида углерода, сероводорода и аммиака - хорошо
анаэробных условиях приводит к образованию ор- растворимых газов.
ганических кислот, а также к биохимическому газо- На рис. 5 показаны участки биохимической газоге-
образованию, в том числе метана, молекулярного нерации в пределах территории Санкт-Петербурга.
Рис. 3 Карта-схема действующих и ликвидированных кладбищ и могильников на территории Санкт-Петербурга ^ - могильник ф - ликвидированное кладбище "1" - действующее кладбище
Погребенная гидросеть
Щ Погребсннан площадная гидросыпь и наиыв береаоа | ] Погребенные болота и долины рек
-Поэрвбоинио водотоки
Рис. 4 Карта распространения погребенной гидросети на территории Санкт-Петербурга
Накопление малорастворимых газов в водонасы-щенной толще грунтов способствует появлению и развитию газодинамического давления и соответственно изменению напряженно-деформируемого состояния грунтов. Защемленные в порах мельчайшие пузырьки газа с высокой величиной поверхностного натяжения и большим внутренним давлением приводят к значительному разуплотнению песчано-глинистой толщи. В таких условиях
существенно возрастает тиксотропность песчано-глини-стых грунтов, что проявляется даже при незначительных динамических и вибрационных воздействиях.
Хорошо растворимые газы, такие как сероводород оказывают разрушительное воздействие на металлы и бетоны, подкисляя подземные воды.
Диоксид углерода предопределяет развитие углекислой агрессии по отношению к цементам бетонов и растворов.
Следует также отметить, что малорастворимый газ - молекулярный водород (Н2) повышает хрупкость металлов, что способствует преждевременному разрушению труб инженерных сетей, в том числе систем водоотведе-ния.
В аэробных условиях тионовые бактерии вырабатывают серную кислоту, а нитрифицирующие микроорганизмы - азотную кислоту.
В качестве примера проявления и воздействия биохимической газогенерации в подземной среде служит перегонный тоннель Петербургского метрополитена «Обу-хово-Рыбацкое», расположенный в юго-восточной части города в зоне влияния микулинских газогенерирующих отложений.
Рис.5 Схематическая карта территории исторического центра Санкт-Петербурга с обозначением факторов преобразования физико-химических условий подземной среды
Специальные исследования, направленные на оценку длительной устойчивости функционирующей трассы метрополитена, показали, что наибольшая концентрация газов приурочена к линзам водо-газонасыщенных песков, залегающих в микулинских отложениях. Модуль общей деформации этих грунтов в процессе их газонасыщения может снижаться до 5 МПа и ниже.
Следует отметить, что в пределах трассы «Обухово - Рыбацкое» активно протекают процессы биокоррозии
чугунных тюбингов и цементных растворов, что подтверждается аномально высокими значениями БПК5 (до 2227,0 мгО2/дм3) и ХПК (2277,0 мгО2/дм3) в водных вытяжках, приготовленных из образцов расслоенного чугуна, тампонажных растворов и натечных форм а также данными исследования микробной массы в отобранных пробах (табл.3). Среди микроорганизмов, определенных в деградированных материалах, доминируют железобактерии, тионовые и нитрифицирующие бактерии.
Таблица 3
Величина микробной массы (ММ) в деградированных материалах пер регонных тоннелей «Обухово - Рыбацкое» [2]
Место отбора пробы ПК 321+35 ПК 322+81 ПК 324+87 ПК 343+99
Значение ММ мкг/г 142 137,5 112,5 104,0
Характеристика пробы конструкционного материала Разрушенный чугун со слизью Выщелоченный там-понажный раствор Натечные формы на железобетонной обделке Выщелоченный там-понажный раствор со слизью
Кроме того, на локальных участках трассы наблюдались деформации подъёма тоннельных конструкци, выше первоначальной отметки, вызванные газодинамическим давлением в результате накопления малорастворимых газов (метана, азота) в грунтовой толще.
В современных нормативных документах проблемам биохимического газообразования и его влиянию на эксплуатационную надежность различных сооружений, а также развитию биокоррозионных процессов не уделяется внимания.
Устойчивое развитие анаэробных условий в подземной среде за счет ее обогащения органическими компонентами природного и техногенного характера создает условия для обогащения подземных вод и грунтов соединениями в восстановительной форме, прежде всего железа, серы и азота.
В анаэробной среде наблюдается развитие электрохимических процессов в металлических конструкциях, что снижает толщину стенок труб и уменьшает диаметр стальной арматуры.
В связи с этим геоэкологические исследования при оценке инженерно-геологических проблем освоения и использования ПП мегаполиса следует производить на основе его анализа как многокомпонентной системы, учитывая не только особенности природных условий, но и специфику исторического аспекта контаминации изучаемой территории, принимая во внимание ряд факторов.
1. Влияние деятельности микроорганизмов на негативные изменения состояния и свойств грунтов и развитие экзогенных процессов, а также биокоррозии.
2. Необходимость определения значений окислительно-восстановительного (ЕК) и кислотно-щелочного (рН) параметров в полевых условиях для прогнозирования состояния водонасыщенной грунтовой толщи и развития электрохимических процессов.
3. Воздействие биохимической генерации газов на напряженно-деформируемой состояние грунтовой толщи и развитие агрессивности подземной среды по отношению к конструкционным материалам.
Литература
1. Археологические исследования и проблемы сохранения культурного слоя на территории Санкт-Петербурга //Сорокин П.Е.// Археология Петербурга № 1, СПб, 1996.
2. Дашко Р.Э., Власова Д.Ю., Шидловская А.В. Геотехника и подземная микробиота: Институт «ПИ Геореконструкция» - СПб. 2014.
3. Исторические кладбища Петербурга. Справочник-путеводитель. Кобак А.В., Пирютко Ю.М., Санкт-Петербург, 1993.
4. О кладбищах в Санкт-Петербурге, составлено членом Комиссии, учреждений для проведения в исполнении Высочайшего повеления по устройству столичных кладбищ, В. Беляевым, Санкт-Петербург. 1872 год.
5. Особенности инженерно-геологических условий Санкт-Петербурга// Дашко Р.Э., Александрова О.Ю., Котюков П.В. и др. Развитие городов и геотехническое строительство №13, СПб, 2011
6. Сорокин П.Е. О системе расселения в Приневье в допетровское время //Сельская Русь в К^'У! вв. -М. 2008.
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФЛЮИДОМИГРАЦИИ В НЕФТЕГАЗОНОСНЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ ВАНКОРСКОЙ ПЛОЩАДИ (СЕВЕРО-ВОСТОК ЗАПАДНОЙ СИБИРИ)
Исаева Елена Ринатовна
Аспирант, ассистент Национального исследовательского Томского политехнического университета, г. Томск АННОТАЦИЯ
Для более ясного представления о генезисе продуктивных отложений, необходимо изучить механизм аккумуляции углеводородов, а также условия формирования пустотного пространства, учитывая не только седиментацион-ные, но и эпигенетические процессы. Для оценки влияния данных процессов на формирование пород-коллекторов в данной работе использовались особенности поведения урана. Зоны растворенных, высокопористых и проницаемых пород сопровождаются отрицательными аномалиями урана, а отложения с повышенным содержанием органического вещества фиксируются по наличию положительных аномалий. Таким образом, с помощью особенностей распределения урана можно выделить перспективные нефтегазоносные отложения ABSTRACT
For more in-depth study of the hydrocarbons accumulation mechanism and conditions of the void space formation is necessary to consider not only sedimentation, but and epigenetic processes. To assess the influence of these processes on the reservoir rocks _ formation is possible with the help of the behavior uranium. Zone dissolved, highly porous and permeable rocks are accompanied by negative anomalies of uranium and rocks with a high content of organic matter _ fixed by the presence of positive anomalies. Thus, using the geochemistry of uranium can distinguish promising oil and gas deposits
Ключевые слова: флюидомиграция, геохимия, уран, нефть и газ, Пур-Тазовская нефтегазоносная область, Западная Сибирь
Keywords: migration of fluid, geochemistry, uranium, oil and gas, Pur-Tazovskaya oil and gas area, Western Siberia
В последнее время все больше исследователей склоняются к мнению, что месторождения углеводородов связаны с тектонически ослабленными зонами - рифто-выми и более мелкими разломами, зонами трещиновато-сти, рассланцевания, катаклаза и кливажа, где происходит дегазация внутренних оболочек Земли [4,стр.278]. В результате флюидодинамических процессов происходит химическое нарушение природных систем, которое и приводит к возникновению зон преобразованных пород (наложенного эпигенеза) [3,стр.11]. И многие исследователи подтверждают, что данные процессы оказывают влияние не только на образование вторичных высокопористых пород, но и на миграцию и скопление самих залежей углеводородов [6,стр.22]. В данной работе для изучения процессов флюидомиграции и их влияния на образование и преобразование нефтегазоносных отложений используются особенности распределения урана.
В основе методики интерпретации результатов прикладных ядерных литогеохимических [7,стр.494-495] исследований лежит представления о наложенном эпигенезе [3,стр.100]. Как известно, в терригенных отложениях
уран, в основном, содержится в алюмосиликатных минералах. Это подтверждают качественные исследования, проведенные с помощью метода радиографии [1,стр.222]. В условиях углекислотного метасоматоза исходные алюмосиликаты разрушаются, при этом хорошо растворимые в воде соединения урана с карбонатным ионом, выносятся, что приводит к обеднению ураном продуктов реакции. Таким образом, реакции в системе «вода-порода» ответственны за формирование отрицательных геохимических ореолов в осадочных бассейнах.
Исследования проводились по керну и шламу 8 глубоких скважин, пробуренных на территории Ванкорской площади (Пур-Тазовская нефтегазоносная область). Район исследования расположен в северо-восточной части Западно-Сибирской плиты, которая является рифтогенным седиментационным бассейном [2, стр.16] и находится на стадии инверсионного развития. Следовательно, на изучаемой территории существует вероятность проявления флюидодинамических процессов, что подтверждается и литолого-петрографическим исследованием.
