CC BY
313
Будем предполагать, что входной поток по-прежнему пропорционален свободной энергии системы
Ывх = аЕ . (14)
Подставляя (13) и (14) в уравнение (7), получим
йЕ 1 Еч а ^ а ^2
^ = аЕ (-------) = Е--Е2. (15)
Л П„р Ь Пкр Ь
а а
Введя обозначения а =------, р = —, можно записать уравнение динамики свобод-
Пкр Ь
ной энергии открытой системы для рассматриваемого случая в следующем виде:
йЕ
—— = аЕ-РЕ2. (16)
Ж
В случае биологической популяции, с учетом выражения (11), уравнение (16) переходит в уравнение
йх „ 2 , ч
— = ах - /Зкх , (17)
Л
известное в экологии как уравнение Ферхюльста, описывающее динамику популяции при ограниченных ресурсах среды.
Аналогичный подход может быть применен для описания динамики взаимодействующих популяций. Для этого необходимо дополнить схему рис. 1 резервуарами свободной энергии для каждой из популяций и описать связывающие их потоки энергии.
Список литературы
1. Базыкин А.Д. Математическая биофизика взаимодействующих популяций. М.: Наука, 1985. 182 с.
2. Петросян Л.А., Захаров В.В. Математические модели в экологии. СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 1997. 256 с.
МОНИТОРИНГ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
И.В. Грачева, Н.А. Плохих, Б.М.Шаргородский
Природные экзогенные процессы в геологической среде Челябинской области
Геологическая среда - это поверхностная оболочка литосферы, находящаяся под воздействием инженерно-хозяйственной деятельности человека и влияющая на эту деятельность. К экзогенным относятся процессы, протекающие в геологической среде при взаимодействии ее с гидросферой и атмосферой - внешними оболочками геосистемы Земля.
В статье приводится обзор экзогенных процессов в геологической среде Челябинской области, рассмотренных авторами в процессе разработки системы мониторинга геологической среды Челябинской области. Используются материалы из отчетов Территориального фонда геологической информации Челябинской области и собственные наблюдения авторов статьи. Важные результаты в помощь мониторингу экзогенных процессов получены тематической группой «ЮжУралТИСИЗа» (Г.А. Суворов, С.А.Раков,
В.В.Середа, Н.П. Петрова, Л. А. Зитева и др.) в ходе участия ее в создании генеральных планов городов и в других видах тематических инженерно-геологических исследований.
Возникновение и скорость течения процессов в геологической среде определяется многими факторами, существенно меняющимися по территории области. Для выделения объектов государственного мониторинга геологической среды (ГМГС) необходима типизация геологического строения и геоморфологических особенностей той или иной территории. Для каждого из процессов в геологической среде должны быть определены его признаки в комплексе геодезических, геоморфологических, геологических, инженерно-геологических, геофизических, геохимических и других данных, полученных наблюдениями на поверхности земли, в горных выработках, скважинах, а также дистанционно - при обследовании участков поверхности с самолетов и из ближнего космоса.
В результате такого анализа проведено районирование территории Челябинской области по условиям протекания экзогенных процессов. За методическую основу приняты рекомендации ВСЕГИНГЕО [5].
По геологическим, геоморфологическим, гидрогеологическим и инженерногеологическим данным на Южном Урале выделено три региона, в их составе - области, далее - районы и подрайоны.
Регион А - Русская (Восточно-Европейская) платформа (по гидрогеологическому районированию соответствует Предуральскому сложному бассейну пластовых и безнапорных вод).
Область А-1 - Денудационная равнина Предуралья.
Регион Б - Уральское складчатое сооружение (Больше-Уральский сложный бассейн корово-блоковых (пластово-блоковых и пластовых) вод).
Область Б-1 - Остаточные горы западного склона Урала.
Область Б-11 - Приподнятые горные массивы Южного Урала.
Область Б-Ш - Остаточные горы осевой части Среднего Урала.
Область Б-1У - Остаточные горы восточного склона Урала.
Область Б-У - Пенеплен восточного склона Урала.
Регион В - Западно-Сибирская платформа (мезокайнозойская) (Западно-
Сибирский сложный бассейн пластовых безнапорных и напорных вод).
Область В-1 - Континентально-морская цокольная и аккумулятивная равнина Зауралья.
Районов и подрайонов, выделенных в составе областей, более 100. В пределах подрайонов выделяются участки, которые представляют эти подрайоны в системе ГМГС.
Экзогенные процессы в гологической среде Челябинской области чаще носят площадной характер, но иногда локализованы и представляют непосредственную опасность для жизнедеятельности. Существенна зависимость экзогенных процессов от эндогенных, например, от неотектоники. Влияют на них гидрогеологические условия, особенности размещения и динамика открытых водоемов, гидрометеорологические и другие условия, сведения о которых должны быть включены в модели развития экзогенных процессов практически всех типов.
По данным В.П. Трифонова и А.Л. Алейникова, формирование грунтов в неоген-четвертичное время протекало в условиях неравномерных, пульсирующих, преобладающе сводово-блоковых воздыманий земной коры и ритмичного изменения климата в сторону похолодания. Большая амплитуда поднятий отмечена в неогене по Ашинскому и другим разломам земной коры. В плиоцене размах высот палеорельефа достигал 1 км. В плейстоцене Урал низкогорный, на Южном Урале идут делювиальные процессы, образуется кундравинская геологическая свита осадочных пород. Накапливаются суглинки
и глины со щебнем мощностью 10-35 м, в межгорных впадинах перигляциальные глины и суглинки со щебнем и глыбами мощностью до 100 м, с процессами солифлюкции, дефляции, термокарста и т.д. Позднеплейстоценовый цикл включает в себя три тектоно-климатические фазы - микулинскую, северную ледниковую и голоценовую (современную). В микулинскую фазу прошли подвижки (до 30 м). Климат теплее и суше современного. Аккумулировались нижние горизонты грунтов [10].
Голоценовая фаза характеризуется оживлением разнонаправленной тектонической активности, умеренно теплым климатом, формированием торфяников в междуречьях и длинах рек, поднятием поверхности земли на 3-5 мм в год, активным развитием разнообразных экзогенных процессов в верхней части земной коры, почвогрунтах.
На Южном Урале наиболее интенсивно проявлены и требуют постоянного наблюдения за ними следующие процессы.
Оползни. Дневная поверхность может быть представлена как совокупность склонов. Склоны любого происхождения могут быть устойчивыми и неустойчивыми. Непродолжительно существующий склон, сложенный дисперсными несцементированными породами, у которых внутреннее сцепление равно или близко к нулю, устойчив, пока его крутизна не превышает угла внутреннего трения (естественного откоса): песок
- 33, осыпь из обломков сиенита и гранита - 35-40, гнейса - 34, известняка - 32, сланца
- 26-29, мергелей и сухого леса - 25 градусов. В глинах угол внутреннего трения близок к нулю. Склоны, имеющие крутизну больше критической, всегда неустойчивы. Под воздействием собственной тяжести избыточные массы приходят в движение вниз по склону. Движение захватывает не только избыточные массы, но и подстилающие породы. Глубина захвата может достигать нескольких сотен метров. Существует много форм вдольсклоновых движений. Среди наиболее распространенных структурных форм различают гравитационные надвиги (покровы, шарьяжи) и сбросы, погребенные и блуждающие клиппы, наземные и подводные оползни [6].
В Челябинской области установлено несколько участков с активными оползнями. Они приурочены к крутым бортам речных долин, к лишенным растительности горным склонам. Влияние на жизнедеятельность некоторых оползней весьма ощутимое.
Природный оползень в городе Миньяр. Участок находится на левом коренном склоне р.Сим в поселке Максимовка (окраина г. Миньяр). Приведем описание оползня по отчету Отдела инженерной геологии института «Гипрокоммунстрой».
В основании коренного склона находится заводской пруд, выше уреза которого (на 3-5 м) вдоль пруда проходит автодорога Аша - Сим республиканского значения. Абсолютная отметка уреза воды 168 м, а высота вершины крутого склона 270 м. Средний уклон при ширине склона 300 м около 20 градусов.
Оползневый участок находится в нижней части склона над автодорогой, вдоль которой он протягивается на 450 м, в ширину колеблется от 40 до 120 м. Поверхность оползневого участка открытая, средняя и головная части оползня застроены жилыми домами.
В пределах участка в рельефе выделяются 6 оползневых полуцирков размером до 100х170 м, из которых наиболее крупный - центральный. На теле оползневых полуцирков зафиксировано большое количество открытых трещин оползневых уступов, небольшие свежие сплывы грунта, а также многочисленные родники и мочажины. Коренные породы -карбонаты миньярской свиты, перекрытые элювием и делювием - глинами.
Оползни происходили здесь еще до революции и в более позднее время, на участке существовали глубокие канавы для отвода вод, со временем засыпанные. Первый зафиксированный актом специальной комиссии оползень произошел 20-21 октября 1962 г.
Оползень носил катастрофический характер, произошел при температуре 7 градусов, во время ливеня, которому предшествовали снегопад и заморозки. Второй оползень произошел в ноябре 1964 г. также после наступления оттепели и дождей. Оползни завалили во многих местах проезжую часть автодороги. В зоне оползня находится часть жилых домов поселка. В 1962 и 1964 гг. засыпалось шоссе Миньяр - Сим, в 1962 г. деформировано 9 частных домов, из них 5 разрушено, оползень прошел в границах полуцирков 1, 2 и сместил много грунта на шоссе и в пруд. При подрезке оползневых грунтов бульдозером они снова пришли в движение и увлекли за собой бульдозер в пруд.
Наибольшая мощность оползневых накоплений - около 10 м, наименьшая 3-5 м. Механизм образования оползня следующий. В период снеготаяния или обильных дождей происходит переувлажнение оползневых накоплений атмосферными осадками. Резко снижается сопротивление сдвигающим усилиям и происходит смещение накоплений вниз по склону. При обильных осадках движения катастрофические. Оползни относятся к типу оползней-потоков, их подготовка происходит длительное время, а срыв - очень быстро.
Институтом «Гипрокоммунстрой» предложены противооползневые мероприятия. Первый проект предусматривает вынос всех жилых домов из оползневой зоны, перенос автодороги. Другой вариант предлагает наряду с выносом домов организацию каптажа родников и дренаж грунтовых вод, планировку и уположение склона, строительство нагорных канав, сооружение планировочной стенки вдоль подошвы оползневого склона, расширение дороги за счет подсыпки грунтов со стороны заводского пруда, устройство контрбанкета для удержания полотна дороги.
Участок Карабашский. По данным А. И. Левита, в предоползневом состоянии находятся элювиально-делювиальные массы на западном склоне горы Золотой. Представлены они глинисто-песчано-щебнистой смесью. Растительности нет: масса рыхлых пород располагается в пределах техногенной пустоши, образованной кислотными дождями, связанными с Карабашским медеплавильным комбинатом.
При срыве пород ущерб может быть нанесен автодороге Челябинск-Миасс и жилым постройкам старого города.
Участок Златоустовский. В 1998 г. оползень в Златоусте нанес значительный материальный ущерб (повреждение дорог).
Неравновесные речные долины с предоползневым состоянием рыхлых отложений на склонах показаны на карте районирования территории Челябинской области по условиям протекания эндогенных процессов. Кроме отмеченных выше, опасными являются участки п. Межевого, Миасский, Синарский, Ашинский, Караганский, горы Иркускан и некоторые другие. На Ашинском участке оползень случился уже в третьем тысячелетии. Оползни происходят пока неожиданно, что связано с отсутствием надежной системы наблюдений за неравновесными склонами.
Заболоченность, подтопления. Эти процессы широко развиты на территории области. Заболачивание и подтопление по существующей шкале относятся в основном к среднему и слабому и лишь Смолинский участок характеризуется сильным подтоплением.
Смолинский участок. Площадь озера Смолино 21,6 км2. Зона подтопления отмечается на расстоянии до 0,5-1,5 км от озера, на северном берегу - до 3,5 км. Восточный берег пологий, западный - крутой, местами скалистый. Озеро образовалось в результате суффозионных просадок и тектонического опускания в плиоцен-четвертичное время.
Колебания уровня степных озер известны с 1700 г. Амплитуда колебаний 4-4,5 м, период 20-46 лет (средний 35-36 лет). Колебания уровня озера Смолино: с 1930-35 гг. до 1965 г. уровень озера повысился с 213 до 216 м (процесс природный). В 60 - 90-е гг.
уровень озера повысился до 217-218 м, оно слилось с оз. Исаково, затопило берега. Без вмешательства человека уровень к 1985 г. должен был опуститься до 211 м, а затем к 2010 г. опять повыситься до 216 м. Но в связи с деятельностью человека к 1995 г. уровень достиг 217,5 м. Таким образом, в 60-е - 90-е гг. шло повышение уровня оз. Смоли-но и затопление берегов. В 70 - 80-е гг. повышение уровня озера на 1-2 м привело к подтоплению производственных и жилых объектов, дачных участков. Дальнейший ущерб остановлен перекачкой воды мощными насосами (Г.А. Суворов и др., 1993 ф)1.
Причина подтопления до сих пор не ясна. Работами УФАН СССР (устное сообщение В.И. Солуха) доказано, что погружение тектонического блока, на котором размещено озеро, не выходит из пределов вековых колебаний, характерных для Зауралья и не может существенно влиять на изменение уровня. Некоторые исследователи считали наиболее важной причиной подтопления заполнение Шершневского водохранилища, расположенного в 5 км западнее. Его уровень в 1991 г. составил 222 м, проектный - 225 м. Уровень же оз. Смолино в 1991 г. - 214 м. Однако специальные гидрогеологические исследования этот вывод не подтвердили. Скорость миграции вод Шершневского водохранилища в направлении озера Смолино слишком мала. Называются техногенные причины подтопления - увеличение сброса промышленных вод и инфильтрационного питания, а также образование масляной пленки, резко уменьшающей испарение.
Необходимы слежение за уровнем воды, комплексный анализ материалов по участку с целью выяснения причин затоплений, построения модели процесса, учитывающего взаимодействие озера с подземным карстом.
Для организации мониторинга рекомендуются также участки заболачивания средней степени. На этих участках необходимы изучение причин и динамики процесса, разработка мероприятий по защите земель от подтопления. На участках заболачивания и подтопления наблюдаются и другие процессы, ниже указанные в скобках: Шумихинский участок подтопления и затопления (карст, техногенное загрязнение, фоновые экзогенные процессы предгорий), Кокланский участок (фоновые экзогенные процессы степи), Алакульский участок (фоновые процессы лесостепи), Шелюгинский участок (фоновые экзогенные процессы степи, шахтный водоотлив).
Прочие известные участки заболачивания слабой-средней степени: Чусовской, Иткульский, Черновский, Щербаковский, Арыкульский, Булдымский, Вязовской, Колпа-ковский, Маякский, Акчакульский, Каслинский, Мамыкульский, Асановский, Агардяш-ский, Соболевский, Губернский, Нов. Соболевский, Миасский, Челябинский, Бол. Мунду-гу, Бол. Дунгузлы, Хохланский, Бол. Сарыкульский, Каратабаевский, Буташский.
Подтопления природного и техногенного характера наблюдались во многих населенных пунктах области, в том числе на участках различных сооружений.
Карст и суффозия. Карстом на Урале поражены значительные площади. На закар-стованных территориях построены города: Каменск-Уральск, Уфа, Усть-Катав, Аша, Миньяр, пос. Межевой, частично - Магнитогорск, Челябинск и другие.
В Челябинской области на 1987 г. было выделено большое количество карстовых районов, полей, геологами и спелеологами описано 330 пещер. Большинство пещер имеет научное значение, 28 из их - памятники природы, в т.ч. 5 - памятники археологии (в России памятниками природы являются 182 пещеры). После 1987 г. открыты еще десятки пещер, рекомендованных на статус памятников. Карстовые полости создают угрозу провалов, влияют на режим подземных и поверхностных вод, на их качество.
Наиболее подробно изучались пещеры (как форма проявления карста). М.Т. Соболев в 1967 г. описал пещеры Сухоаптинскую длиной 1300 м, Шумихинскую.
1 Здесь и далее - по данным отчета ТГФ.
Б.П. Тараскин в отчете 1967 г. описал и показал 218 пещер на карте масштаба 1:600000. Им приведены планы, разрезы пещер: Сихияз-Томакских (43 м), Кургазакской (200 м), Игнатьевской - (453 м), Серпиевской (172 м), Белой (126,5 м), Никольской (90 м), Лисьей (46 м и 87 м), Усть-Катавские (Хапова) №13 и 10, Станционной. В 1987 г. П.А.Матвейчук описал в отчете Киселевскую (830 м), Сугомакскую (97 м), Майскую (260 м), Колокольную (131 м), Серпиевскую (200 м), Плутонию (257 м) и т.д.
В наше время пещеры активно изучаются спелеологами, археологами, стали объектом туризма. Игнатьевская пещера - одна из двух в России, где выявлены наскальные рисунки палеолита. Перечислим в качестве примера некоторые районы активного карста.
Увельский район. Карстовые формы выделены при дешифрировании снимков и при геологических маршрутах (Е.П. Щулькин, 1986 ф). Выделяется современный открытый карст или погребенный четвертичными отложениями. Современные карстовые воронки протягиваются в виде цепочек согласно простиранию карстующихся пород, имеют размеры в поперечнике от 10 до 50 м, глубину 2-3 м. Древний карст установлен скважинами.
Район включает несколько карстовых полей и много пещер. В пределах района разведано Сухарышское месторождение подземных вод. Площадь Сухарышского массива известняков 320 км2. На нем выявлено 442 карстовые формы, 7121 воронок. Общая площадь карста 1,7 км2. Площадной коэффициент закарстованности известняков 5,28%. Поверхностные формы - воронки, покоры, ванны, котловины, ложбины, овраги. Воронки развиты в карстовых полях. Преобладают чашеобразные воронки (139 штук) глубиной 0,8-6 м, диаметром 5-50 м. Конусообразных воронок 230. Их глубина 10-15 м, диаметр 10-150 м. 19 колодцеобразных воронок глубиной 10-15 м, диаметром 20-50 м. Встречены покоры в форме щелей или колодцев (из отчета И.В. Денисовой, которая описала район по фондовым работам Н.П. Шелковниковой).
Глубинный карст - это пещеры. В скважине №56 пустоты встречены на глубинах до 250 м. Зафиксировано 13 пещер. Их входы - на дне крупных воронок. Известны четыре малые пещеры, шесть пещер-гротов высотой 2-3 м и три более крупные пещеры в южной части месторождения на правом берегу р. Увельки. С 1956 по 1967 г. установлен рост пещеры Лисья в 1,5 раза.
От п. Архангельского до Кичигино выделяется Коелгинская карстовая область. Река Увелька летом имеет расход 3,5 м3/сек, зимой 0,02 м3/сек, река Сухарыш в устье - 414 л/сек, питается карстовыми водами. В верхней части реки - суходол. Среди известняков развиты каньоны. Карстовые воронки известны у п. Коелга, рек Увелька, Сухарыш, Ка-банка, Сметанка.
Малокизильский и Янгельский участки. Эти участки располагаются к югу и юго-западу от г. Магнитогорска. Карстующиеся породы - известняки каменноугольного возраста. Это объекты режимных наблюдений партии мониторинга подземных вод (ГМПВ) ФГУГП «Челябинскгеосъемка», результаты которых ежегодно излагаются в фондовых отчетах партии (Н.И. Уланова, 1997-2000 ф.). Наблюдения за развитием карстово-суффозионных процессов с 1991 г. ведутся по стационарной сети реперов нивелированием III класса. Отмечаются неравномерные просадки поверхности земли, связанные с современным карстообразованием.
Участки являются источником снабжения г. Магнитогорска подземными водами хозяйственно-питьевого назначения. Янгельский водозабор г. Магнитогорска пущен в эксплуатацию в 1970 г., среднегодовая величина забора 42 тыс. м3 в сутки. Водоносный горизонт - закарстованные известняки карбона. С 1982 г. в долине реки в 500-600 м
выше водозабора отмечено образование провальных карстово-суффозионных воронок. Диаметр воронок 20-40, глубина 5-10 м. Эти процессы развиваются уже в пределах второго пояса санитарной охраны Янгельского водозабора, ниже устья Пещерного Лога. Новые карстовые воронки перехватывают весь поверхностный меженный сток р. Ян-гелька выше водозабора. Это изменяет сложившиеся процессы инфильтрации поверхностного стока и пополнения водоносных горизонтов водозабора, обеспечивающего примерно 26% водоснабжения г. Магнитогорска. Вода реки грязная, существует угроза загрязнения водоносного горизонта водой поверхностного стока, что подтверждается анализами воды. Возможны также просадки и разрушения капитальных сооружений водозабора, железнодорожного моста и т.д. (данные ФГУГП «Челябинскгеосъемка»).
На Малокизильском участке известен (с 1932 г. С.В. Альбов) карст Пещерный Лог с серией разнообразных пещер. С этим карстом связано деформирование логов Пещерного, Туш-Туй, Кременного и Базайгыр. Карст рассеянный (каверны, пустоты, каналы, раздувы) и локальный (пещеры, галереи, каналы, колодцы). Много карстовых пустот встречено гидрогеологическими скважинами. Из 36 пустот в долине реки М. Кизил 17 заполнены глиной, 5 - песком и 14 водой. В 1960 г. в верховьях Пещерного Лога отмечено образование новых карстовых провалов (П.И. Ноздрин, 1960 ф). В 1976 г. тектонику и карст на М. Кизильском месторождении подземных вод описал В.Т. Брок. Новейшая тектоника омолодила древний карст, создав новые пути для циркуляции подземных вод. Размеры полостей до 2, реже 3-5 м, они заполнены рыхлыми отложениями и водой. Раньше из них били родники (до откачек воды). Сейчас они сухие, есть карстовая пещера из трех ответвлений. Карстовые суходолы развиты вдоль рек Апалык и М. Кизил. В осенне-зимние сезоны маловодных лет р. М. Кизил ниже Смеловского известкового карьера, р. Апалык ниже пос. Смеловский имеют сухое русло на протяжении 7 км. Известен мощный источник карстовых вод у реки Малый Кизил - Матвеев Ключ (62 л/сек). Вместе с тем в карстовых областях многие постоянные водотоки исчезают.
В связи с актуальностью проблемы для г. Магнитогорска участки являются первоочередными при организации мониторинга экзогенных процессов.
В районе Магнитогорска известны и другие участки проявления карста.
Широко развит карст в карбонатных породах протерозоя и палеозоя на крыльях и в осевых частях синклиналей Каратауского комплекса на западе Челябинской области. Наиболее проявлен он на участке Ашинском Восточном, развит в карбонатных породах девона и карбона, прилегающих к долинам р. Аша, Берды, Миньяр, Киселевского Ключа и др. Часть карстующейся толщи лежит выше уровня подземных вод. В долинах карстовые воронки протягиваются по склонам от водоразделов к рекам, образуя карстовые лога. Глубины воронок и провалов от 1,5-6 до 50 м. В верховьях лога, впадающего слева в р. Берду, в 3 км выше ее устья, в известняках С1 на площади 3 км2 зафиксировано 30 крупных воронок глубиной до 60-70 м. В такое же сплошное карстовое поле превратился массив известняков С1 и Д, слагающий водоразделы р. Кислевского Ключа, Сима, Берды и Миньяра и проходящий от устья Киселевского Ключа через д. Н-Шаламово на северо-восток к долине р. Миньяр.
Интенсивный карст связан с дренирующим влиянием контактов карбонатов с не-карстующимися породами. Такими зонами дренажа являются несогласные контакты толщ известняков миньярской и катавской свит Д и С с водоупорными песчаноглинистыми отложениями инзерской и ашинской свит. Большинство крупных родников с дебитами 10-220 л/сек выходят в зонах этих контактов, неизменно сопровождающихся развитием карстовых провалов вдоль контактов (ключи «Синие родники», Ново-Шалашовский Ключ, Гремучий, Овечки, Шумный Ключ, родник№9 в долине р. Миньяр
и др.). Часто эти контакты являются не только проводниками подземных вод к долинам рек, но и очагами поглощения речных вод как это часто наблюдается в верховьях реки Берды, где потоки, устремляясь с хр. Воробьиных гор, доходят до контакта катавских известняков с озерскими песчаниками и целиком поглощаются в этой зоне, оставляя русло сухим.
Основные гидродинамические зоны этой части района включают в себя зону вертикальной нисходящей циркуляции и зону горизонтальной циркуляции. Зона вертикальной циркуляции имеет мощность 30-50 м. После выпадения атмосферных осадков или таяния снега воды устремляются по вертикальным трещинам и пустотам в глубину. В карбонатах характерно присутствие слоев кремнистых известняков, которые часто являются местными водоупорами. Потоки воды, достигая их, двигаются по ним к долинам рек и ручьев, где выходят в виде нисходящих родников высоко над урезом воды. Это так называемые подвешенные потоки карстовых вод. Таковыми являются карстовые потоки, дающие начало родникам Гремучий ключ по р. Сим с дебитом 70-12 л/сек, Новоша-лашовскому роднику с дебитом воды до 110 л/сек, роднику № 9 около г. Аши с дебетом 85-200 л/сек, Миковскому роднику около г. Аши с дебитом 40-90 л/сек, роднику Беленький по реке Аше с дебитом 400 л/сек и многим другим.
На участке Ашинский Западный разобщенные карстовые потоки присущи площади развития карбонатов нижней перми. Площадь закарстована равномерно до глубины 40-50 м. Вдоль тектонического контакта по водоразделу р. Аши и Мань-Елги идет цепь карстовых провалов, которые образуются и поныне. Интересен в этом отношении участок ручья Широкий Лог, который протекает в южной части г. Аши. Здесь ручей с дебитом от 13 до 55 л/сек в межень, дойдя до места, где Ашинский разлом пересекает его долину, полностью дренируется этим нарушением и идет вдоль разлома под углом к долине Широкого Лога, составляя часть расхода Миновского родника по р. Сим с дебитом от 35 до 110 л/сек (Медведев, 1963 ф; Чикишев, 1964 ф).
Карст на Ашинском участке представляет непосредственную опасность для жизнедеятельности и должен изучаться в режиме мониторинга. На это указывают, в частности, события в соседнем Башкортостане. В районе Уфы в Чебоксарском переулке в мае 2000 г. произошли крупные провалы, потребовавшие работы бригад ликвидаторов.
Широко развит карст и на других участках запада Челябинской области.
На ЮУБРе (Южно-Уральские бокситовые рудники) бокситовые шахты пересекали карстовые пещеры со сложной гидрогеологической обстановкой. Здесь же наблюдаются оползни, провалы поверхности земли и т.д. При строительстве Блиновской и Кургазак-ской бокситовых шахт горняки встретились с мощными потоками карстовых вод - подземным руслом р. Каменка. Воды этого русла в верховьях сухого лога раньше выходили в источнике Шумиха с дебитом 2000 л/сек. Встреча этих вод ставила шахты под угрозу затоплений и аварий. Комплекс инженерно-технических мероприятий по отводу подземных вод не дал желаемых результатов. Тогда были выполнены большие работы по отводу реки Каменка. Долину реки перекрыли поперек водосборным каналом в 763 м и перегородили дамбой. Сквозь гору пробили тоннель длиной 3305 м и по нему пустили воду из пруда в р. Ай. Воду гнали насосы, поставленные на глубине 240 м. В результате была осушена большая система карстовых ходов - пещера Шумиха. Эта подземная полость является сейчас своеобразной природной лабораторией, где на реальной модели можно изучать карстовые процессы, недоступные ранее из-за обводненности. Пещера Шумиха может стать объектом режимных наблюдений ГМГС. В 1972-1978 гг. пещера обследована М.Г. Соболевым. Длина ходов составляла 593 м, а в 1994 г. она оценива-
лась уже в 1120 м (С.М. Баранов). Возможно, пещера соединяется с пещерами Каменка, Надежда и Сухокаменская. Тогда длина всей пещерной системы составит 4-5 км.
Аналогичная ситуация сложилась при проходке Кургазакской бокситовой шахты.
На Кургазакском месторождении бокситов время от времени происходили карстовые провалы, сильно осложняющие разработку. При этом водопритоки возрастали до 9 тыс. м3/час. На месторождениях кургазакской группы диаметр депрессионной воронки от водоотлива составлял 8-10 км, глубина - 150 м.
На Бакальском карстовом участке в одном из карьеров Бакальского месторождения выявлена пещера Сидеритовая длиной 26 м. Она расположена в сидеритах, вскрыта в 1985 г. Бакальским рудоуправлением при ведении горных работ. В Теченской карстовой области у реки Теча известны карстовые блюдца. К западу и востоку - мелкобугристый суффозионный рельеф. Карталинская карстовая область охватывает юго-восток Челябинской области. Карст здесь мезозойский, верхнеолигоценовый, миоценовый и четвертичный. Мезозойские карстовые погружения имеют до сотен метров в длину и ширину и 100-150 метров в глубину. Олигоценовый карст выполнен песчано-галечником наурзумской свиты. С миоценовым карстом связано подтопление. Четвертичный карст имеет ограниченное распространение. Он развивался как в долинах рек, так и на водоразделах. Среди четвертичного карста встречаются погребенные карстовые воронки и пещеры.
Широко развиты также суффозионные ложбины и карстово-суффозионные формы рельефа. На Зауральском пенеплене они образуют мелкобугристо-котловинный рельеф (до 2 км и более). Развиты кустарники, заболоченный суффозионный карст, образовавшийся к юго-востоку от г. Карталы, к северо-востоку от п. Елизаветпольское, к северу от п. Андреевское, к юго-востоку от п. Южно-Степной.
Хорошо изучен Катавский карстовый район: крупные пещеры Хапова,
В. Провальная, Н. Провальная, Минская и другие. Пещера Соломенная - под дорогой Карауловка-Серпиевка - является памятником природы. Все пещеры опасны из-за возможности обрушений.
Несколько участков активного карста выделено в пределах Уфимского района. Памятником природы является Козитовый овраг, расположенный в 2 км к северу от железнодорожной станции Сказ в верховьях р. Сухая Шемаха. Здесь описаны провальные воронки и колодцы, пещеры № 6-13, Пещерный Лог - длина 80 м. П. А. Матвейчук в 1974 г. описал в Пещерном Логу пещеру Авдотьинскую. В долине р. С. Шемаха располагается Шемахинское карстовое поле - провальные воронки и колодцы. Пещера Шемаха (На-сиб-Таш, Сказовская) в 0,3 м выше железнодорожного полотна и в 2 км к юго-востоку от станции Сказ, левый берег р. Сух. Шемаха, - одна из крупнейших в области. Длина ее 1610 м. Крупной является пещера № 30 Глиняная (Холодная). В Уфимском карстовом районе выделяются также участки активного карста Араслановский, Нязепетровский, Ильинский.
Перечислим некоторые другие участки карста: Багарякский карстовый район - Ба-гарякский, Зотинский, Каслинский, Сугомакский участки; Симский карстовый район -Точилинский, Миньярский, Братские Могилы, Сухоахтинский, Игнатьевский, Серпиев-ский, Бедярышский; Юрюзанский карстовый район - Салаватский, Катавский, Орловский, Минкский, Шуйдинский, Александровский, Бакальский; Айский карстовый район
- Улуирский, Кусинский, р. Шулемка; Миасский карстовый район - Верх. Миасский, Челябинский. Отдельные карстовые поля: Уйское, Троицкое, Малокизильское,
Б. Кизильское, Зингейское, Брединское. Карстовые пещеры известны в Саткинском районе. Симский карстовый район - это карстовые поля, подземная река. Здесь проявлены эндогенные и экзогенные процессы гор, имеются геологические памятники природы,
существует опасность провалов, особенно вдоль железной дороги. Активные и значительные по масштабам карстовые процессы проявлены вблизи железной дороги Нязе-петровск - Соликамск. Карстовые явления есть на других участках области, но в меньших масштабах.
Известен также псевдокарст - десятки полостей в миаскитах, сидеритах, кварцитах и других некарбонатных породах.
Для изучения процессов суффозии нами рекомендуются участки: Тахталымский, Златоустовский, Челябинский, Копейский, Увельский, Троицкий.
Карстовые области имеют большое позитивное значение для водоснабжения холодной питьевой водой. Однако они мешают разработке полезных ископаемых прорывами вод (Кизеловский угольный бассейн, СУБР, ЮУБР), являются помехой при железнодорожном строительстве (Уфимские воронки на ЮУЖД). Вместе с тем, курорты построены главным образом в карстовых районах: Большие Ключи и др. (Кисловодск), курорты Н. Серги, «Курьи» в Свердловской области.
Мы привели только часть сведений о карсте Челябинской области, подробное его описание содержится в отчетах Территориального фонда геологической информации. Это квалифицированное описание геологов часто не принимается во внимание любителями карста.
Осыпи. Наиболее полно осыпи представлены курумами в горной части области. Обвалы - одна из причин образования курумов, другие причины - солифлюкция и морозное выветривание. Каменные останцы, палатки - результат выветривания. Для организации мониторинга геологической среды рекомендованы участки широкого развития осыпей: Зюраткульский, Нургушский, Таганайский, Уреньгинский и другие.
Селевые процессы. Эти процессы проявлены в Челябинской области слабо, но все-таки имеют место на участках Ашинском, Златоустовском, Карабашском, возможно, других.
Переработка берегов озер и водохранилищ, оврагообразование. Переработка берегов наблюдается на следующих водохранилищах: Долгобродское (Нязепетровский район), Шершневское (г. Челябинск), Саткинское, Златоустовское, Аргазинское, Миасский пруд, Кичигинское, Троицкое, Метлинский пруд, Водоем№11, Вехнеуральское, Магнитогорское и другие.
Размыв берегов водохранилищ наиболее активно проявляется в первые десятилетия после их сооружения. После образования Шершневского водохранилища в 60-х гг. за 30-35 лет восточный его берег продвинулся на восток местами примерно на 30 м. Движение продолжается. В настоящее время этот процесс представляет определенную опасность для садоводов сада «Медик».
Размыву наиболее подвержены берега крупных озер восточных предгорий Уральских гор: Иртяш, Увильды, Тургояк и другие. Прочие известные участки: озера Синара, Силач, Сунгуль, Бол. Касли, Уелги, Чебаркуль, Кузылташ, Первое, Второе, Смолино.
Для организации мониторинга экзогенных процессов этого типа рекомендуется участок Иткульский (оз. Иткуль). Участок выделяется для оценки скорости процесса.
Обмеление водоемов (Аргази, Чебаркуль, Увильды и другие) приводит к уменьшению абразивных процессов.
В Челябинской области скорость размыва берегов практически не изучалась. Представляет интерес опыт соседних регионов. На одном из водохранилищ Татарстана наблюдения за переработкой берегов ведутся на 17 участках по 72 створам. Основные показатели, характеризующие динамику берегов: геологическое строение, высота берегового уступа, линейное отступание бровки, объем размытых пород (надводная и подводная части), объем аккумулированных пород (надводная и подводная части), ширина
и крутизна отмели. Накопленные фактические данные по волноприбойной переработке берегов дают реальную основу для прогноза потерь земельного фонда и возможных потерь на перспективу (Ламбев и др., Татарстангеология [9]).
Речная эрозия распространена особенно широко. Скорость размыва берегов рек также рассматривалась в Татарстане. Она различна для право- и левосторонних меандр. Для правосторонних меандр в Закамье она составляет 0,4 м/год, меняясь от 0,06 до 1,5 м/год. Левосторонние меандры развиваются менее интенсивно (в среднем 0,25 м/год при максимуме в 1,33 м/год). Эти скорости необходимо учитывать при разработке природоохранных мероприятий. Блуждания рек разрушают сельхозугодья, трассы дорог, вызывают размывы, а затем и прорывы трубопроводов. Необходимы наблюдения (И.А.Се-ребренникова, Казанский университет [9]).
Для оценки овражной эрозии рекомендуются следующие районы Челябинской области: Нязепетровский, Катав-Ивановский, Саткинский, Уйский, Верхнеуральский, Че-баркульский, Карабашский, Златоустовский, Миасский и другие.
Эрозия, дефляция. Процессы эрозии и дефляции изучаются в рамках мониторинга земель, количественно охарактеризованы в Комплексных докладах КПР о состоянии окружающей природной среды Челябинской области (1996-2001 гг.), в трудах специалистов Комитета по земельной реформе и землеустройству [3 и др.]. Эродированные и эрозионно-опасные земли составляют около 30% от общего количества земель сельскохозяйственного назначения. Для сопоставления с процессами в геологической среде при организации ГМГС рекомендуются участки с интенсивной плоскостной эрозией (Каслинский, Теченский, Аргаяшский, Байрамгуловский), районы с активным эоловым переносом (Агаповский, Брединский, Верхнеуральский, Карталинский, Кизильский, Варненский, Нагайбакский, Троицкий, Чесменский).
Морозное пучение и растрескивание. С изменениями объема и физических свойств подземной воды и водонасыщенных пород при их сезонном промерзании и оттаивании связаны криогенные движения. Движения проявляются только в деятельном слое, мощность которого на Южном Урале не более 2 м. Возникает морозное пучение тонкодисперсных пород. Сегрегационное образование льда под торфяниками ведет к образованию «миграционных» бугров пучения высотой до 2-3 м, в поперечнике до нескольких сотен метров. При протаивании бугров возникают бугристые торфяники. Под воздействием промерзаний происходит выдавливание талых пород и вод из недр промерзающего слоя.
Под воздействием сжатия горных пород при сильном зимнем охлаждении возникают морозобойные трещины, которые в сезон потепления заполняются водой. При многократном повторении цикла раскол - обводнение - замерзание - раскол образуются ледяные клинья. Породы постепенно уплотняются, сминаются, выдавливаются вверх. На земной поверхности фиксируются валики. При оттаивании льдистые мерзлые породы уменьшаются в объеме, возникает термокарст, образуются термокарстовые впадины, термокарстовые озера. Криогенные процессы наиболее проявлены на Златоустовском, Тахталымском участках.
Крип. Процесс, при котором оттаивающие массы смещаются по склону, называется криогенной десерпецией. Скорость таких сползаний изменяется от 2-3 до 70 см в год. Пластичновязкое или вязкое вдольсклоновое течение увлажненных дисперсных масс в слое сезонного промерзания и оттаивания называют солифлюкцией, которая может быть медленной и быстрой. Быстрая солифлюкция проявляется на крутых склонах. Эти процессы наблюдаются на участках Златоустовском, Халитовском, Челябинском, Увель-ском и других, наибольшие помехи причиняют дорожному строительству.
Причиной скрытого медленного перемещения грунтов по склону является прежде всего периодическое изменение условий - промерзание и оттаивание, смачивание и
осушение и т.д. Однако к крипу относится и течение рыхлых пород вдоль склона под действием силы тяжести. Скорость таких движений различна. Она изменяется от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров в год. По крайней мере, по положению корней деревьев, по искривлению стволов устанавливается сдвижение их по склону за время жизни дерева. Приповерхностные горизонты почвогрунтов движутся по горизонтали с большей скоростью. Интенсивность крипа возрастает на крутых склонах. Смещение часто носит островной характер. Процесс нужно иметь в виду при строительных работах разного рода.
Все перечисленные экзогенные процессы в геологической среде могут быть активизированы технической деятельностью человека. В большинстве случаев они ускоряются. Однако при техногенезе проявляются и новые, не характерные для природы процессы. Таковы, например, провалы и опускания поверхности земли над разрушающимися горными выработками, полостями, образовавшимися при добыче подземных вод, газа, нефти, выдавливание горных пород в новые полости, горные пожары, дилатация и многие другие. Разнообразные природно-техногенные явления в геологической среде «заслуживают» отдельной статьи.
Методика работ при изучении экзогенных процессов определяется конкретным набором наблюдаемых на участке явлений и часто может быть весьма простой и недорогой.
Список литературы
1. Вартанян Г.С. и др. Проблемы региональных геоэкологических исследований и картографирования в гидрогеологии и инженерной геологии // Разведка и охрана недр. 1998. № 6.
2. Инженерно-экологические проблемы Урала / В.Н. Чуканов, П.В. Волобуев, В.А. Поддубный, А.В. Трапезников // Инженер. экология. 1995. №2. С. 46-55.
3. Казаченко А.П., Камеристова О.Р., Добровольский И.П., Даванков А.Ю. Научные основы мониторинга, охраны и рекультивации земель. Челябинск: Челяб. Дом печати, 2000. 247 с.
4. Комплексный доклад о состоянии окружающей природной среды Челябинской области в 2001 году / Под общ. ред. З.Б. Камалетдинова. Челябинск: ЦОТ «Площадь Революции», 2002. 174 с.
5. Методические рекомендации по организации и ведению государственного мониторинга экзогенных геологических процессов / А.И. Шеко, В.С. Круподеров, В.И. Дьяконова и др. М.: ВСЕГИНГЕО, 1997. 39 с.
6. Огильви А.А. Основы инженерной геофизики: Учеб. для вузов / Под ред. В. А. Богословского. М.: Недра, 1990. 501 с.
7. Пересунько Д.И. Концепция геоэкологоческих работ Мингео СССР // Сов. геология. 1991. № 7. С. 72-78.
8. Плохих Н.А. Экологические аспекты геологии Южного Урала // Экологический мониторинг в условиях радиационного и химического загрязнения окружающей среды. Челябинск, 1993.
9. Решение Первой Всероссийской конференции «Мониторинг геологической среды: активные эндогенные и экзогенные процессы». Казань, 1997.
10. Трифонов В. П., Алейников А. Л. О возможной природе неотектонических движений на Урале // Вопросы геологии и гидрогеологии Урала: Сб. науч. тр. Свердловск: Изд-во СГИ, 1960.
11. Ячменев В. А., Новоселов А.В. Проблемы организации мониторинга состояния экосистемы территории Челябинской области // Проблемы экологии Южного Урала. 1995. № 4. С. 40-44.
