Принципы и приемы управления мерзлотными процессами

При освоении криолитозоны постоянно приходится решать вопросы, связанные с необходимостью изменения геокриологических условий в нужном для народного хозяйства направлении. Постановка задач об управлении геокриологическим процессом уже сама по себе требует знания тех природных условий и той геокриологической обстановки, которые существуют на данный момент в естественных условиях и которые будут в дальнейшем подвергнуты искусственному преобразованию.

Комплекс работ, проводимых с целью управления геокриологическим процессом, осуществляется в определенной последовательности. Первоочередным и обязательным является изучение природных (в том числе и геокриологических условий территории освоения. Изучение геокриологических условий базируется на выявлении частных и общих закономерностей формирования и развития сезонно- и многолетнемерзлых пород и их характеристик в зависимости от комплекса природных условий и от каждого элемента геолого-географической среды. Эта задача представляет собой непосредственную цель геокриологической съемки. Поэтому очевидно, что геокриологическая съемка должка входить составной частью в комплексные исследования, но управлению мерзлотным процессом. Завершается этот этап составлением геокриологических карт.

Следующий этап работы включает характеристику и типизацию планируемых при освоении территории техногенных нагрузок и воздействий, выявление сопутствующих им изменений природных условий. Этот этап исследований проводится с целью получения исходных данных для геокриологического прогноза.

Далее, на основе выявленных закономерностей формирования геокриологических условий и учета техногенных воздействий составляется геокриологический прогноз, при котором оцениваются вероятные изменения среднегодовой температуры, состава и свойств грунтов, глубин их сезонного и многолетнего оттаивания и промерзания, характера развития криогенных процессов.

В задачи следующего этапа исследований входит выявление участков, на которых могут сформироваться геокриологические условия, не отвечающие предъявляемым к ним требованиям. При проектировании зданий и сооружений это могут быть участки, на которых не представляется возможным реализовать принятый принцип строительства. На этих участках на основе результатов прогноза обосновывается необходимость целенаправленного изменения геокриологических условий (распространения и условий залегания многолетнемерзлых пород, температурного режима, глубин сезонного промерзания и оттаивания, состава, строения, свойств сезонно- и многолетнемерзлых пород, развития криогенных процессов).

Такое целенаправленное изменение отдельных характеристик мерзлых пород может быть осуществлено с применением различных методов и приемов мелиорации. Поэтому в каждом конкретном случае необходимо выбрать наиболее приемлемые, рациональные способы. Для этой цели прежде всего необходимы исследование приемов водно-тепловой мелиорации и обоснование возможности применения в данном районе того или иного метода для направленного изменения природной обстановки с целью формирования нужных мерзлотных условий. Должна быть дана оценка экономичности использования мероприятий с учетом времени, отведенного для их проведения.

Необходимо отметить, что каждый прием наряду со своим основным (прямым) воздействием на отдельные элементы природной обстановки косвенным образом в большей или меньшей степени обусловливает изменения всех прочих элементов геологической среды. В некоторых случаях это может приводить к нежелательным изменениям геокриологических условий. Итогами этого этапа являются составление проекта мероприятий по целенаправленному изменению мерзлотных условий, районирование территории с выделением участков, характеризующихся одинаковыми мерзлотными условиями и требующих определенных приемов (или комплекса приемов) по управлению мерзлотным процессом.

На заключительном этапе исследований дается характеристика каждого из выделенных участков мелиорируемой территории по тем искусственно созданным геолого-географическим и геокриологическим условиям, которые будут иметь место после осуществления мелиорации. Составляются после мелиоративные геокриологические карты.

Для целенаправленного изменения геокриологических условий; проводят ряд мероприятий в следующей последовательности:

1. Изучение геокриологических условий территории в процессе, проведения геокриологической съемки.

2. Характеристика и типизация техногенных воздействий и нагрузок.

3. Прогноз изменения геокриологических условий.

4. Обоснование необходимости целенаправленного изменения геокриологических условий.

5. Составление проекта мероприятий по целенаправленному изменению геокриологических условий.

6. Составление послемелиоративных карт.

Таблица 7.2

Классификационная схема приемов управления мерзлотным процессом

Методологические основы геокриологии базируются на законах, которые являются отправными пунктами для построения научных концепций в геокриологии. Так, наиболее общий закон об эволюционном характере количественных изменений и скачкообразности перехода (на определенном этапе) количества в качество по существу и предопределил возникновение и развитие самой геокриологии. Действительно, изменение температуры пород в положительной или отрицательной области (без перехода через О°С) приводит только к преобразованиям количественных показателей горных пород, которые продолжают оставаться в одном и том же классе пород. При переходе же температуры горной породы через О°С происходит фазовый переход воды в лед и породы из немерзлого состояния в мерзлое (или наоборот). При этом практически скачкообразно происходит глубокое качественное преобразование породы, которое проявляется прежде, всего в существенном отличии состава, текстуры, структуры и большинства свойств мерзлых пород от немерзлых или талых. При этом возникает новый минерал — лед и образуются новые специфические породы — криогенные, т. е. образуется качественно новый геологический объект — мерзлая горная порода.

Весьма важным для геокриологии представляется верное понимание и толкование закона отрицания- отрицания применительно к процессу перехода немерзлых осадочных пород в мерзлое состояние, а затем последующего оттаивания мерзлых пород и перехода их в талое состояние. Первичное отрицание немерзлой породы в данном случае заключается не просто в переходе осадочных образований в мерзлое состояние, а в существенном изменении их гранулометрического, микроагрегатного и химико-минерального состава, текстуры, структуры и свойств. Поэтому вторичное отрицание, т. е. возвращение мерзлой породы вновь в немерзлое (талое) состояние (собственно «отрицание отрицания»), никогда не приведет эту мерзлую породу к ее первоначальному качеству. Именно поэтому в геокриологии приходится рассматривать не только немерзлые (никогда не промерзавшие) и мерзлые породы, но и талые породы, претерпевшие процесс промерзания.

В целом же осадочные образования в криолитозоне в соответствии с принципом неразрывности единства и борьбы противоположностей претерпевают сложный эволюционный путь, никогда не возвращаясь в исходную позицию. В природе, таким образом, должен работать закон непрерывного, развитая криолитосферы. Мерзлые породы являются сложным и весьма динамичным природным объектом, формирующимся в специфических геосистемах. Последние представляют собой определенным образом взаимосвязанное множество природных компонентов (с характерными для них структурой, свойствами, процессами), образующих целостное единство в виде природно-территориальных комплексов. Естественно, что подход к изучению) мерзлых пород поэтому должен быть системным, комплексным базирующимся на законах о всеобщей и причинной связи процессов и явлений, о непрерывности развития, о переходе количества в качество. Методологическое значение такого подхода состоит в том, что многолетнемерзлые породы изучаются в зависимости от каждого элемента комплекса (системы) в отдельности и, от конкретного их сочетания как единого целого. При этом определяются зависимости и устанавливаются частные и общие закономерности. Под первымиобычно понимаются двухсторонние зависимости либо между отдельными геокриологическими характеристиками и отдельными природными факторами, либо между двумя геокриологическими характеристиками, из которых одна рассматривается как фактор-причина, другая — как следствие.

Под общей закономерностью понимается суммарный результат воздействия всех природных факторов, свойственных данному природному комплексу, на формирование одной из геокриологических характеристик, выраженной либо температурным режимом пород, либо мощностью или криогенным строением многолетнемерзлых толщ, либо определенным типом сезонно и многолетнемерзлых пород.

В основе изучения закономерностей лежат анализ и синтез. Изучение многолетнемерзлых пород можно разложить на ряд задач, связанных с изучением отдельных характеристик, таких как состав, строение, свойства, мощность, температурный режим и др. Каждая из геокриологических характеристик отражает определенное качество объекта и его связь с другими характеристиками (свойствами, проявлениями). В целом все характеристики природной среды образуют единый природный комплекс - геосистему. В то же время все геокриологические характеристики находятся в сложной взаимосвязи между собой.

Весь процесс познания природных геокриологических систем возможен при проведении комплексной геокриологической съемки, которая позволяет в натурных исследованиях экспериментально, а также путем логических и математических построений (основанных на эксперименте) выявить зависимости и установить закономерности распространения и динамики различных типов сезонно- и многолетнемерзлых пород со свойственным им характеристиками.

Мерзлотная (геокриологическая) съемка представляет собой комплекс полевых, лабораторных и камеральных работ, имеющих целью изучение, закономерностей формирования и развития сезонно- и многолетнемерзлых горных пород и мерзлотно-геологических процессов и явлений в зависимости от существующих природных условий, от их естественных изменений на протяжении плейстоцена — голоцена и под влиянием техногенных воздействий, а также составление мерзлотных карт и мерзлотного прогноза. Основным методом мерзлотной съемки является ландшафтно-ключевой метод, сущность которого заключается в следующем. На первом этапе проводится типологическое ландшафтное районирование (микрорайонирование) территории по факторам и условиям, с которыми связано формирование и существование определенных типов сезонно- и многолетнемерзлых пород. Далее, на основе карты ландшафтного районирования, выбираются ключевые участки, являющиеся представительными для выделенных типов ландшафта, на которых в полевой период с помощью различных методов изучаются частные и общие геокриологические закономерности, гидро- и инженерно-геокриологические условия; затем составляются геокриологические карты путем распространения полученных закономерностей на типы ландшафта — аналоги изученным на ключевых участках и прослеживаемым на карте ландшафтного районирования.

Изучение мерзлотных условий территории должно вестись с учетом динамики всей природной обстановки. Так, например, формирование, пространственную и временную изменчивость сезонно- и многолетнемерзлых толщ горных пород необходимо рассматривать в связи с общей геологической историей развития территории в позднем кайнозое, т. е. с историей формирования осадков и с их фациальными особенностями, с историей развития рельефа, гидрогеологических и гидрологических условий, растительности, климата и т. д. Необходимость учета динамики многолетнемерзлых толщ является одной из основных положений геокриологической съемки. Логическим завершением изучения динамики мерзлых пород является восстановление истории их развития в пределах изучаемого района и прилегающих территорий в неогене и плейстоцене.

В связи с неизбежным нарушением естественных условий в результате широкого хозяйственного освоения области распространения многолетнемерзлых пород резко изменяются и мерзлотные условия. Поэтому в ходе геокриологической съемки проводятся специальные работы по составлению прогноза (т. е. ожидаемого изменения) мерзлотных условий, как в процессе естественного развития природы, так и в результате антропогенного воздействия на природную среду.

Для изучения геокриологических условий, закономерностей их формирования, определения классификационных признаков мерзлых пород, таликов, геокриологических процессов и явлений используется большой комплекс полевых, лабораторных и камеральных методов.