CC BY
49
ЕКОЛОГИЯ
© В.Є. Іванов1, І.М. Малахов2, М.Є. Агаджанов2, О.С. Тополюк1,
Л.Л. Єфремцева1, 2010
1ЗАТ СІ ГІНТІЗ, Севастополь
2Відділення морської геологи та осадочного рудоутворення НАНУ, Кривий Ріг
ОСОБЛИВОСТІ РОЗВИТКУ ГРАВІТАЦІЙНИХ ПРОЦЕСІВ НА АНТРОПОГЕННИХ МОРФОСТРУКТУРАХ*
Показано, що у двох різних регіонах України (Крим та Кривбас) техногенні зсуви мають спільні риси. Прогнозування виникнення та розвитку зсувів на антропогенних морфоструктурах, що межують з морськими і річковими береговими смугами, потребує урахування комплексу чинників техногенного і природного походження.
Вступ. Нові техногенні форми рельєфу у місцях розробки родовищ корисних копалин, такі як кар’єри, відвали, шламосховища, зони зсуву та обвалення, мають детальні інформаційні описи й маркшейдерські заміри з використанням сучасних геоінформаційних технологій, орієнтованих на потреби виробництва. Наразі розробляються, а у деяких випадках уже існують різноманітні бази даних і окремі ресурсно-описові моделі масштабних техногенних об’єктів на кшталт перерахованих вище. На згаданих техногенних формах рельєфу - антропогенних морфоструктурах - з часом набувають поширення різноманітні екзогенні процеси, внаслідок яких утворюються різноманітні морфоскульптури. Зазвичай, розвиток геодинамічних явищ відбувається за законами природи. Але варто пам’ятати, що ці процеси генетично пов’язані з техногенними об’єктами - антропогенними мор-фоструктурами. На відвалах, складених пухкими породами осадочного чохла часто-густо виникають зсуви. Прогноз їх виникнення та розвитку набуває особливої актуальності у місцевостях із великою густотою населення і пов’язаною з цим інфраструктурою - житлові квартали, рекреаційні зони, дачні ділянки і т. і.
На цьому тлі виникає певна колізія: проектування, побудова та спостереження в процесі експлуатації за такими техногенними об’єктами, як відвали, відбувається за нормами, правилами й технологіями, дійсними у гірни-човидобувних галузях. Вивчення, прогноз розвитку й віддалені наслідки ек-зодинамічних явищ на техногенних об’єктах після припинення їх експлуатації здійснюють методами екологічної геології, для яких антропогенні мор-фоструктури являють собою геологічні об’єкти. Методичні засади еколого-
* Термін «антропогенні морфоструктури» уперше застосований одним з авторів цієї статті у посібнику «Экологическая геология Украины» - К.: Наук. думка, 1993. - 408 с. У подальшому обгрунтвання цього терміну викладено у [7],
Прим. редактора. Згідно із загальноприйнятою термінологією головною ознакою морфо-структур є ендогенний характер їх походження - на відміну від морфоскульптур, елементів рельєфу земної поверхні, в утворенні яких головну роль грають екзогенні процеси. Використання авторами терміну морфоструктура в контексті цієї статті редакция вважає необ-ґрунтованним.
геологічного дослідження техногенних об’єктів, викладені у [1, 2], відкривають можливості для проведення геоінформаційного опису з подальшим використанням його в майбутніх геоінформаційних моделях нових, техногенних форм рельєфу, яка дозволила би поєднати періоди експлуатації техногенних об’єктів і розвиток цих обґєктів у масштабах геологічного часу.
Нижче наведені описи розвитку зсувів на відвалах Псилерахського кар’єру Балаклавського рудоуправління та на Правобережному відвалі Південного гірничо-збагачувального комбінату (ПГЗК) у Криворізькому залізорудному басейні. Є низка спільних факторів геоінформаційної природи, що дозволяють порівняти розвиток екзогенних процесів на відвалах у доволі різних гірничо-геологічних умовах.
Зсув на відвалах Псилерахського кар’єру відкритої розробки флюсових вапняків*, що належить Балаклавському рудоуправлінню. По контуру кар’єру розташована низка з 12 невеликих, поєднаних між собою відвалів. Загальна ситуація розвитку зсуву відображена на рис. 1 (див. кольорову вставку).
Сучасні екзогенні процеси сформували у західній частині балки Васильєва розгалужену яружну мережу з площею водозбору понад 1,0 км2. Східний, більш крутий схил балки відчув суттєві техногенні зміни. Природна висота збільшилася на 30 м внаслідок розташування на схилі відвалів ІУ-ІХ.
Літологічний склад відвалів представлений сумішшю різноманітних суглинків і глин (орієнтовно до 30-40%) та уламкового матеріалу (вапняки, конгломерати, алевроліти - загалом 60-70%). Гранулометричний склад є вельми широкого діапазону - від брил розміром до 0,5 м і до вапняково-піщанистої жорстви й псефітів. За нашими оцінками у відвалах, розташованих на схилах балки, розміщено 4-6 млн. м3 (11-15 млн. т) порід розкри-ву. Восени 2006 р. на відвалах ІУ-УІ виник зсув, у який були утягнуті породи відвалу на всю його висоту. Наразі зсувні маси заповнили балку Васильєва. Наші попередні, досить умовні, оцінки вказують, що до активного зсуву може бути утягнуто до 1,0 млн. м3 породної маси.
Форма зсуву глетчеровидна. Загальна довжина зсуву по вісі зміщення складає 1200 м на кінець 2007 р. Ширина - пересічно 260 м. Площа - 0,30,4 км2. В поздовжньому розрізі простежуються три тераси висотою від 1,0 до 1,5 м. У головній частині зсуву є циркоподібне заглиблення, що концентрує опади та стік з ґрунтової дороги, розташованої вище на 50-60 м. У нижній його частині, складеній цілком з порід відвалів, сформувався вал заввишки від 15 до 20 м. Язик виходить у море на відстань до 30 м, змінюючи природну берегову лінію. Природно відбувається постійний його розмив внаслідок хвилювання моря, що значно посилюється під час штормів. Тим самим утворюються умови для постійної активізації екзогенних процесів у техногенно перетвореному урочищі, до складу якого входять схили балки, відвали та зсув.
Виникнення та розвиток зсуву у балці Васильєва зумовлені комплексом чинників. До нього варто зарахувати передусім фізико-механічні властивості порід відвалу, що підживлює своєю речовиною зсув. Важливу роль
* Детальний опис і дослідження викладені в [5].
відіграє тектонічна будова балки Васильєва. Вона утворена внаслідок скиду з амплітудою зміщення близько 41,0 м, вздовж якого масив вапняків опустився й утворив низину, що з часом завдяки водній та вітровій ерозії перетворилася на балку. Фактором сприяння екзогенним процесам слід визначити характерний для балок тимчасовий підземний водотік у днищі на глибині меншій за один метр. До нього припливають тимчасові бокові потоки. Проте насичення тіла зсуву водою відбувається здебільшого за рахунок атмосферних опадів та дренажних вод шламосховища. Наслідком цього в центрі зсуву, на місці злиття підземних водотоків та дренажних вод із шламосховища виникло заболочення. Значною мірою цьому може запобігти загальна організація відводу атмосферних вод.
Зсув на відвалах ПГЗК. На півдні Кривбасу відвали складені із суглинків, глин, глинисто-піщаних сумішей, уламків вапняків та глинисто-охристих сланців з домішками бідних окислених залізних руд кори вивітрювання та залізистих кварцитів.
Найпоширеніший мішаний тип, де наявні як скельні породи Криворізької серії, так і пухкі породи осадового чохла. Характерним у цьому відношенні є «Правобережний відвал» ПГЗК. На ньому поширені екзогенні явища, зокрема зсув, схожий з тим, що має місце у б. Васильєва. Як і у попередньому випадку, базисом зсуву є берегова лінія.
Відвал розташований у заплаві та на першій терасі р. Інгулець. Південно-західні схили засипали частину балки Тимашева на околиці селища Руднічне, Центрально-міського району Кривого Рогу. Південно-східна частина відвалу складена п’ятьма уступами. Висота перших двох - у межах 15-25 м, наступних - до 12 м. Тераси перших уступів завширшки до 150200 м, наступних - до 15-20 м. Відсипку цієї частини відвалу розпочато напочатку 60-х років і закінчено 15-20 років по тому. За цей час тут утворився трав’янистий покрив з окремими деревами (абрикос, акація, лох сріблястий), купами кущів шипшини та глоду. Північна і північно-східна частини відвалу складаються з незадернованих окислених залізистих кварцитів, відсипка яких продовжується дотепер.
Загальна висота західного борту 52 м, східного - 80 м. Східний борт Правобережних відвалів упритул підходить до річки Інгулець. У деяких місцях відстань від підошви відвалу до урізу води не перевищує 1-2 метри. Значна частина відвалів, площиною понад 1,50 км2, складена пухкими породами неогену та кайнозою (суглинки, глини, піски, вапняки - близько 77 млн м3. Північно-східна частина відвалів, площею трохи більше як
0,3 км2, складена окисленими залізистими кварцитами загальним об’ємом 10 млн м3.
Породи, що відіграють роль підстелюючих для відвалу, представлені в південній частині аркозовими пісковиками (вихід цих корінних порід в південно-західній частині відвалу біля правого берегу Інгульця) і кварц-хлорит-серицитовими та тальковими сланцями (вихід корінних порід в захід-південно-західній частині відвалу біля пересихаючої невеличкої водойми). В середній частині відвал підстелюють безрудні кварцити з виходом на поверхню у долині Інгульця. В північній частині підстелюючі породи представлені силікат-карбонат-магнетитовими кварцитами.
суглинки пісок, суглинки, уламковий матеріал ІV рослинність
Рис. 2. Розріз техногенного каньйону р. Інгулець
На лівому березі річки, на відстані від декілька десятків до 120 м, розташовані «Лівобережні відвали», складені окисленими кварцитами. Тому рівнинна у природному стані річка Інгулець на протязі 3-4 км протікає у своєрідному техногенному каньйоні. Її долина звужується до 80 -250 м, береги стають стрімчастими. Розвиток екзогенних явищ на бортах відвалів може призвести до перекриття річки. Розріз техногенного каньйону річки, утвореного правобережним та лівобережним відвалами, представлено на рис. 2.
Під час обстеження Правобережного відвалу виявлено високий рівень розвитку екзодинамічних процесів, які формують на східному, західному та південно-західному бортах чисельні морфо скульптури у вигляді зсувів, опливин, обвальів, яруг, розмивів.
На західному борту виявлено початок розвитку зсувного процесу, спрямованого у балку. Висота зсуву 13-14 м. Вздовж другого ярусу західного та південно-західного борту спостерігається відшарування смугою завдовжки 200 м. Ширина тріщин місцями сягає 0,4-0,5 м.
Найбільшої деформації зазнав східний борт Правобережних відвалів, рис. 3.
Упродовж приблизно 700 м борт відвалу, складений пухкими породами розкриву, з південного заходу на північний схід проходить вздовж річища Інгульця. Відстань від підошви відвалу до річища змінюється від 10 до 20м. У борту відвалу, оберненому до річки, спостерігається декілька невеликих зсувів, з різницею по висоті приблизно 6-8 м. Фронт зсувів близько 2-4 м.
Особливу увагу привертає зсув заввишки 35 м та завширшки приблизно 25-30 м, що замикає техногенний каньйон з півдня на правому березі. Він повністю знищив природну заплаву і змінив берегову лінію. Загальна довжина зсуву по вісі зміщення складає 120-150 м (на кінець 2008 р.).
Рис. 3. Підошва та перший східний ярус відвалу в заплаві р. Інгулець. (На півдні заплаву замикає зсув. Розріз штучного каньйону Інгульця по язику представлено на рис. 2)
Фронт зсуву вийшов за підошву відвалу на схід, у бік річища приблизно на 50 м. Загальний вигляд східної частини відвалу представлено на рис. 3. На рис. 4 крупним планом показано «язик» зсуву та його фронт. Частина «язика», що підходить до урізу вод, зрізана, що дозволило відновити місцеву ґрунтову дорогу.
Зсув у проекції зверху має форму трапеції, з меншою основою у верхній частині. Вік «язика» приблизно 10 років. Язик, у вигляді валу заввишки 2,0 - 3,0 м, складений з піщано-суглинистої суміші з включенням глинистих гнізд, уламків кварцитів, вапняків, бурих залізняків та конгломератів кори вивітрювання. Поверхня ковзання по вісі зміщення не має чіткої межі, рис. 4.
По обидва боки «язика» викопані дренажні рівчаки завдовжки до 10м у напрямку річки, завширшки 2,0-1,5 м. Глибина - 1,0-2.0 м. Як не дивно, але навіть такі, дуже прості методи дозволяють зменшити розвиток зсуву. Штучне оголення фронту «язика» було подовжено зачисткою рівчаків на 1,5 м та шурфом у заплаві, глибиною 4 м до порід плотика річки, що дало змогу установити характер контакту зсуву з підстелюючими породами заплави (колонка порід у таблиці) засвідчує, що зсув, як і південно-східний схил відвалу, розташовані на лесових заплавних грунтах.
Такі ґрунти мають фізико-механічні властивості, що суттєво залежать від зволоженості.
За нашими даними природна вологість порід зсувів на відвалах у південній частині Кривбасу змінюється від 16-18% влітку до 28-42% взимку.
Опади, що їх акумулюють неструктуровані породи відвалу, досить швидко сягають лесовидних порід підошви, зволожуючи їх. Влітку води залягають на 3-3,5 м нижче підошви відвалу. Проте у осінньо-зимовий період, коли
Рис. 4. Фронт язика зсуву Правобережного відвалу
природним є інтенсивне зволоження за рахунок атмосферних опадів, відбуваються також скиди мінеральних вод шламосховищ у річку. Під час таких скидів заплава підтоплюється, і рівень води досягає 0,5-1,5 м від підошви відвалу. Тим самим природно-кліматичні умови і техногенні осіннє-зимові повені утворюють умови для виникнення поверхні ковзання й подальшого розвитку зсуву з ризиком перекриття техногенного каньйону (див. рис. 3).
Порівняльний аналіз. Опис зсувів, що виникли на антропогенних мор-фоструктурах Західного Криму та Кривбасу і мають розвантаження у водне середовище (море і берег річки, відповідно), виявив певні споріднені риси їх розвитку. Розглянуті випадки зсувів мають спільне джерело походження - породи осадочного чохла, що складають відвали на схилах яких і відбуваються зсувні явища. Розвиток зсувів обумовлений комплексом техногенних і природних чинників. Характерним є те, що зсуви суттєво змінюють природну взаємодію води і берегів, впливають на надходження до водного середовища теригенного матеріалу.
До техногенних факторів слід зарахувати передусім фізико-механічні характеристики порід, утягнутих до зсуву. Обидва зсуви містять неструк-туровану суміш порід. Природні геологічні об’єкти мають певну структуру, що характеризується нашаруваннями порід різного віку. Неструктуро-ваність спостерігається лише у місцях тектонічних порушень. Антропогенні морфоструктури в більшості випадків містять в одному шарі породи різного геологічного віку і складу. У цьому сенсі вони неструктуровані. Їх фізико-механічні властивості, як от, наприклад, густина, вологоємність, опір
Геологічний розріз зсуву та підстелюючих порід
№ шару Опис порід Інтервал залягання шару, м Потужність шару, м
ВІД ДО
1 Породи щільні, злежалі, розріз не структурований. Суміш: суглинки, охрис-ті, зелені, червоні глини, бурі залізняки, залізисті кварцити, вапняки. Розмір включень до 300 мм 0 2,2 2,2
2 Заплавні лесові ґрунти, з рослинними залишками 2,2 2,4 0,2
3 Прошарок червоних глин, перемішаних з заплавними ґрунтами 2,4 2,6 0,2
4 Заплавні лесові ґрунти сірі, однорідні, з великою кількістю коренів рослин, пухкі, сухі з глибиною сіро-бурі, ущільнюються. Щільні суглинки, однорідні, пластичні. На глибині 5,5 м - вода 2,6 5,6 3,0
6 Лесові породи, однорідні, з залишками рослин, злегка обводнені 5,6 6,0 0,4
7 Лесові породи, з залишками рослин, відчувається на дотик дрібнозернистий пісок, сильно обводнені 6,0 6,1 0,1
Світло-сірі грунти, пластичні, з включеннями уламкового матеріалу, присутній пісок - дрібнозернистий 6,1 6,2 0,1
8 Глина бура, з включенням обкатаного уламкового матеріалу. Є дрібнозернистий пісок. Схоже на кору вивітрювання 6,2 6,4 0,2
9 Глина світло-сіра, з різно-зернистим піском, є включення уламкового матеріалу, кількість якого збільшується (розмір до 15 мм). В нижній частині кількість піску збільшується 6,4 6,6 0,2
зсуву та стисканню, питоме зчеплення і т.і. - мають значення, що наближає їх до брекчій чи навіть катаклазів у місцях тертя вздовж тектонічних розломів. Кути нахилу природних форм рельєфу (20°-30°) частково перекривають кути внутрішнього тертя порід відвалу (25°-34°). Виникають умови для розвитку екзогенних явищ.
Варто звернути увагу ще на одну обставину, що вирізняє техногенно-природні зсуви від природних явищ. Процеси, що відбуваються на техногенних формах рельєфу, суть геологічні процеси, що характеризуються геологічним часом. Однак термін виникнення антропогенних об’єктів визначається мірилом історичного часу - миттєвість за геологічними вимірами.
У проектах відкритих гірничих робіт та нормативах проектування велику увагу приділяють розрахункам, технологічним рішенням та спостереженням за станом бортів відвалів. Проте у проектних розробках відсутня функція часу [3, 9, 10]. Це є зрозумілим і виправданим з точки зору розробки родовищ. Адже термін технічної експлуатації відвалу складає, у середньому, 5-10 років. Визначення коефіцієнту запасу стійкості бортів відвалів також не враховує час [10]. Тобто в розрахунках вважають, що борти відвалів мають постійну усталеність, на яку не впливають природні геодинамічні процеси, як то: ерозія, неотектонічні рухи, зміни гідрогеологічної ситуації, еолові процеси та ін.
Стосовно природних чинників, то для описаних екзогенних процесів вони різняться. Для зсуву б. Васильєва характерним є тектонічна обумовленість рельєфу, зокрема крутизни схилів. На відвалі «Правобережний» до зсуву спонукають лесові породи підошви та ще один специфічний техногенний фактор - осіннє-зимові штучні повені [6].
Таким чином аналіз показав, що виникнення та розвиток розглянутих зсувів обумовлений комплексом природних та техногенних чинників. Важко визначити їх пріоритетність, що утруднює прогноз розвитку еколого-гео-логічної ситуації природно-техногенного комплексу: «відвал - природний схил - водне середовище»*. Поєднання двох комплексів факторів на єдиній методичній основі можливе, якщо застосовувати методи екологічної геології у геоінформаційних описах. Оцінка розвитку екзогенних явищ на антропогенних морфоструктурах набуде більшої змістовності, якщо вона увійде як елемент до комплексної геоінформаційної моделі. Такий підхід дозволить прогнозувати розвиток ситуації на визначений проміжок часу, враховуючи вплив системи «відвал - природний схил - водне середовище» на формування морської та річкової берегової смуги у місці контакту трьох середовищ (природного та техногенного суходолу й водного середовища). Наразі є спроби створити такі моделі для відвалів Кривбасу [8]. На жаль обсяги статті не дозволяють провести тут подальше обговорення цього питання.
Висновки. 1. Зсуви, що виникають на антропогенних морфострукту-рах Західного Криму та Кривбасу і розвантажуються у водне середовище, виявляють споріднені риси. Гірнича маса, утягнута у переміщення, являє собою неструктуровану суміш порід.
2. Оцінка загроз виникнення та розвитку зсувів потребує урахування комплексу чинників техногенного і природного походження, а техногенні чинники мають бути функціями часу. Для оцінки загроз виникнення й розвитку геодинамічних явищ, зокрема зсувів, на відвалах перспективними є геоінформаційні моделі. В них органічно поєднуються техногенні й природні чинники та історичні й геологічні шкали часу.
* У таких випадках у нагоді стає багатофакторна оцінка ризиків [4, 11, 12].
1. Багрій ІД, Білоус А.М., Вілкул Ю.Г., Гожик П.Ф. та інші. Досвід комплексної оцінки та картографувіння техногенного впливу на природне середовище міст Кривого Рогу та Дніпродзержинська.- К.: Фенікс. - 2000.- 108 с.
2. Багрій ІД., Блінов П.В., Білокопитова НА. та ін. Геоекологічні проблеми Криворізького басейну в умовах реструктуризації гірничо-добувної галузі. - К.: Фенікс, 2002. - 192 с.
3. Васильев М.В., Штукатуров К.М., Ткачев А.Ф. Железорудные карьеры. - М.: Недра, 1982. - 231 с.
4. Гошовський С.В., Рудько Г.І., Преснер Б.М. Екологічна безпека техногенних систем у зв’язку з катастрофічним розвитком геологічних процесів. - Львів -Київ, 2002. - 624 с.
5. Иванов В.Е., Горбатов В.И. “Отчет об инженерно-геологических изысканиях”.
- Севастополь, ЗАО ГИНТИЗ, 2007 г.
6. Літологія сучасних донних осадків поверхневих водойм Криворізького залізорудного басейну // /під ред. І.М.Малахова./ - Кривий Ріг, Октан Принт, 2008.
- 110 с. - сер. Геологічне середовище антропогенної екосистеми.
7. Малахов И.Н. Новая геологическая сила. - Кривий Ріг, «Український Дім», 2009. - 312 с.
8. Орлинская О.В., Терешкова ОА., Алексеев АА. “Модель физико-химических преобразований в Левобережных отвалах ЮГОКа //Наук. вісн. НГУ, 2005. -№9. - С. 99-102
9. Попов И.И., Окатов Р.П. Борьба с оползнями на карьерах. - М.:Недра, 1980.
- 185 с.
10. Ржевский В.В. «Открытые горные работы”. - М.: Недра, 1985. - 509 с.
11. Чумаченко С.М., Дудкін О.В., Коржнєв М.М., Яковлєв Є.О. Методичні аспекти оцінки і ранжування загроз для біорізноманіття в Україні.//Екологія і ресурси, - вип.7. - Київ - 2003. - с.77-86.
12. US EPA 1996: Guidelines for Ecological Risk Assessment. EPA/630/R-95/002B.
- EPA. Washington, DC, - 1996. - 212 p.
Показано, что в двух разных регионах Украины (Крым и Кривбасе), техногенные оползни имеют общие черты. Прогнозирование развития оползней на антропогенных морфоструктурах, граничащих с морскими и речными прибрежными полосами, требует учета комплекса факторов техногенного и природного происхождения.
Revealed, that in two different regions of Ukraine (Crimea and Krivbass) has similar traits developed of technogenic landslides. Forecasting of antropogenical morfostructures landslides appearance requires taking in to account complex of technogenic and natural factors. It will be useful geo-information models for estimate influence of the geodynamical phenomenon. Therefore it is possible to merge technogenic and natural factors, also historical and geological time scales, using of a geo-information model.
Одержано 8.12.2009 р.
