Земная кора и геологическая деятельность человека

Из основных геофизических наук, изучающих Землю и ее оболочки, выделяются научно-прикладные разделы. Например, геофизика воздушной оболочки содержит физику космоса и атмосферы, метеорологию, климатологию и др. Геофизика гидросферы включает в себя гидрофизику, океанологию, физики моря, лимнологию (изучение озер), гидрологию (изучение рек), гидрогеологии (изучение подземной гидросферы), гляциологию (изучение ледников) и др. Из геофизики литосферы можно выделить прикладную и промысловую геофизику, которые содержат методы: гравиразведку, магниторазведку, электроразведку, сейсморазведку, терморазведку, ядерную геофизику и геофизические исследования скважин (ГИС). Научно-прикладным разделом геофизики биотехносферы становится экологическая геофизика. 

Предметом исследований прикладной и промысловой геофизики является земная кора, т.е. часть литосферы мощностью до 70 км на суше и до 10 км в океанах. Целью этих научно-прикладных дисциплин являются исследования глубинного строения земной коры, кристаллического фундамента, осадочного чехла, поиск и разведка полезных ископаемых, изучение геологической или геофизической среды мощностью в первые сотни метров, верхней части разреза земной коры (ВЧР) мощностью порядка 100 м и окрестностей скважин на основе косвенной информации об интенсивности и структуре различных физических полей.

Основными задачами геофизических исследований земной коры являются следующие: выяснение состава, структуры и состояния горных пород, слагающих земную кору, выявление полезных ископаемых, изучение геологической среды как основы для промышленного, сельскохозяйственного, гражданского, военного освоения и сохранения ее экологических функций, как источника жизни на Земле.

Геофизические методы исследования один из важнейших факторов ускорения научно-технического прогресса в геологии и горном деле. С их помощью повышается геологическая и экономическая эффективность изучения недр. В соответствии с решаемыми задачами основными прикладными направлениями геофизических исследований земной коры являются: глубинная; региональная; разведочная, ( нефтегазовая, рудная, нерудная, угольная); инженерная (инженерно-геологическая, гидрогеологическая, почвенно-мелиоративная, мерзлотно-гляциологическая, археологическая и техническая); экологическая геофизика.

3.2.2 Геологические методы исследования земной коры

Геологические методы базируются на результатах непосредственного изучения толщ горных пород в обнажениях, горных выработках (шахтах, штольнях и пр.) и скважинах. При этом исследователи могут использовать любые методы исследования строения и состава, что определяет высокую степенью детальности получаемых результатов. Вместе с тем, возможности этих методов при изучении глубин планеты весьма ограничены – самая глубокая в мире скважина имеет глубину лишь -12262 м (Кольская сверхглубокая в России), еще меньшие глубины достигнуты при бурении океанического дна (около -1500 м, бурение с борта американского исследовательского судна «Гломар Челленджер»). Таким образом, непосредственному изучению доступны глубины, не превышающие 0,19% радиуса планеты.

 Геологические методы исследования  — геологическое картирование и бурение. Они позволяют непосредственно изучать лишь земную кору и самую верхнюю часть мантии; более глубокое проникновение в недра Земли осуществляется с помощью геофизических методов.

Глава 4. Изменения в строении земной коры

Тектонические явления — это нарушения природного равновесия в строении земной коры.

  Эти явления, происходят при смещениях земной коры (напр. землетрясения). Причины таких нарушений весьма разнообразны и взаимосвязаны. Они обусловлены в основном действием геофизических и геологических сил как эндогенного (внутреннего), так и экзогенного (внешнего) происхождения. В последнее время человек оказывает очень сильное воздействие на поверхностную часть литосферы. Так что можно считать что многие тектонические явления - антропогенные, т.е. созданными человеком. Иногда нарушения развиваются медленно, в течение десятилетий, или даже столетий. Такие процессы распространяются, как правило, на сравнительно большие площади, при этом захватывая десятки и сотни квадратных километров и проникая в глубь земной коры на сотни метров. Быстрые нарушения длятся дни и месяцы, чаще всего распростаняются на небольшие по площади, проникают вглубь на единицы, десятки а иногда и сотни метров.  Выделим  основные группы причин, которые вызывают антропогенные тектонические изменения в земной коре.

Внешние причины обычно обусловлены  воздействием поверхностных нагрузок, которые нарушают природное равновесие в нижележащих земных массах, и наиболее часто создаются инженерно-строительной деятельностью.

Внутренние причины возникают, в основном из-за добычи полезных ископаемых. При этом также нарушается природное равновесие, главным образом вышележащих масс. Такие причины, как правило, порождаются горнотехнической деятельностью.

Сложные причины представляют собой сочетание внешних и внутренних. В этом случае природное равновесие нарушается наиболее существенно. Происходит как бы суммирование искусственно созданных процессов, обусловленных преимущественно механическим воздействием, нарушающим первоначальную структуру сложения горных пород. Иначе говоря, речь идет об изменениях, которые не могли бы возникнуть без вмешательства человека(геологической деятельности). При более подробном рассмотрении можно выявить элементы не только механического воздействия, но и химического, активно влияющего на ход этих процессов.

4.1 Влияние инженерно-строительной деятельности

Инженерно-строительная деятельность – комплекс работ связанный с возведением зданий, плотин и других сооружений.

Эта деятельность человека приводит к созданию преимущественно внешних факторов, постоянных переменных. Они оказывают дополнительные нагрузки на земные массы и, как правило, вызывают ограниченные по зоне воздействия нарушения.

Когда возводят здания, плотины и другие сооружения, создают условия для возникновения антропогенных тектонических процессов.

Особенно наглядно подобные процессы проявляются в быстрых нарушениях строения земных масс при гидротехническом строительстве. Плотина Баньцяо была построена в начале 1950-х на реке Жу, в провинции Хэнань, для борьбы с наводнениями и производства электрической энергии. Плотина имела 118 метров высоты и объем резервуара 375 млн.м.куб.В результате ошибок проектирования и строительства, немедленно после ввода плотины в эксплуатацию в ней появились трещины и протечки, которые были ликвидированы при участии советских инженеров. По новому проекту плотина была усилена стальными конструкциями, и стала считаться несокрушимой. 6 августа из-за стремительного накопления воды в резервуаре, руководство Баньцяо запросило разрешение на открытие всех водоспусков, в котором им было отказано, из-за наводнений ниже по течению. 8 августа вода хлынула через верх плотины Баньцяо, и она  рухнула. 
Объем стока составлял 78,8 тыс. м.куб./сек, за 6 часов прошло 701 млн. тонн воды, а всего за время стихийного бедствия 15 738 миллиард. тонн.

Согласно данным департамента гидрологии провинции Хэнань, всего в результате наводнения погибло 26 000 человек, еще 145 000 погибло сразу после, из-за голода и эпидемий. Было разрушено 5 960 000 домов, так или иначе пострадало 11 000 000 человек. Авария стоила жизни многим людям и принесла большие убытки. Если бы плотина возводилась с учетом возможных тектонических нарушений и соответствующим их предупреждением, этого бы не произошло.

4.2 Влияние горной  деятельности

Эта деятельность, затрагивает  недра земной коры, как правило, связана с более сложными процессами. В природных условиях известным их аналогом являются нарушения, вызванные карстовыми явлениями, суффозями и т.д., при которых возникают провалы и опускания земной поверхности из-за образования подземных пустот. Деятельность человека, связанная с созданием таких пустот, прежде всего проявляется в добыче из недр полезных ископаемых.

Ежегодно при добыче полезных ископаемых, строительстве и других видах деятельности из недр Земли извлекается и перекладывается с места на место не менее 100 млрд тонн горных пород. В пересчёте на одного жителя планеты получается, что он «перелопачивает» около 25 тонн каменного материала. Таким образом Земля теряет примерно 3 млрд тонн нефти и газа в год, которыми обогреваются наши дома, приводятся в движение машины. Ещё больше расходуется каменный уголь. 
 
Человек извлекает из недр Земли необходимое сырьё. Попутно он перемещает огромные массы «бесполезных ископаемых», под которыми или внутри которых находится желанное вещество. В результате назревает вопрос: «Что делать с отходами?» Чаще всего их складируют неподалёку, засоряя, обезображивая и фактически уничтожая природу окрестностей.  
В настоящее время свыше 4% площади суши занимают «погибшие» земли, которые по вине людей полностью утратили плодородие и стали непригодными для жизни. Это прежде всего горные разработки: отвалы, карьеры и возвышающиеся конусоподобные терриконы. Негативную картину представляют собой созданные человеком пустыни — бедленды.

Бедленд (бэдленд)— вид сухого рельефа с глиняными почвами, состоящего из сети холмов с узкими гребнями, пересеченных оврагами. Возникает в результате размыва (эрозии) глиняных пород ветром и сезонными ливневыми потоками, чаще всего из-за геологической деятельности человека. Чрезвычайно сложен для передвижения. Бедленд часто окрашен в самые разнообразные цвета, от чёрных и красных до светлых глин.

Самое губительное воздействие человек оказывает на земную кору, когда хозяйничает в её недрах, добывая полезные ископаемые. Но не только это изменяет лик Земли.

4.3 Совместное  влияние горной и инженерно-строительной  деятельности

Поверхностная и приповерхностная части литосферы - среда обитания человека,она является всеобщим средством его труда. Здесь он живет и осуществляет хозяйственную деятельность: строит наземные и подземные сооружения, из недр добывает разнообразные твердые, жидкие и газообразные компоненты, проводит мелиорацию земель и т. д. Исходя из выше сказанного приповерхностную часть литосферы, взаимодействующую с орудиями и продуктами человеческого труда, целесообразно назвать геологической средой (как часть окружающей среды).

Человек воздействует на приповерхностную часть литосферы чаще всего двусторонне. Там, где он занимается инженерно-строительной деятельностью, нередко эксплуатируются и недра. Особенно это проявляется в горнорудных районах. Подработка застроенных территорий заставляет   переносить поселки, а иногда и города на новые места или ставить вопрос о прекращении добычи полезного ископаемого.

Приповерхностные участки на территории этих поселений могут деформироваться вследствие ряда причин:

• добыча строительных полезных ископаемых и возведение подземных сооружений;
• понижение уровня грунтовых вод при водоснабжении;
• сжимание и разрыхление земных масс под влиянием осушения и увлажнения или разложения органических веществ  

Подобные причины приводят к опусканию застроенных территорий. Положение усугубляется тем, что деформации происходят не одновременно. По степени воздействия можно выделить основные причины нарушений.

1.Понижение уровня безнапорных  и напорных водоносных горизонтов  в районах городов. Радиус распространения осaдков в этих зонах достигает тысяч метров. Возникшие локальные опускания имеют тенденцию к слиянию и переходу в региональные, так как водопотребление постоянно увеличивается.

2.Строительство подземных сооружений, например метрополитена. В этом  случае опускается узкая полоса  территории шириной несколько  сотен метров.

3.Действие статических и динамических  нагрузок. Под действием веса  сооружения образуются осадочные  воронки, которые распространяются  за пределы зданий на десятки метров. Динамические нагрузки от транспорта распространяются вдоль дорог. На небольших участках сказывается действие вибрационных и других ударных механизмов.

4.Изменение режима влажности пород и разложение органических веществ в зоне аэрации

Итак, можно сказать, что человек оказывает комплексное  влияние на приповерхностную часть литосферы, благодаря  горнотехническим (внутренним) и инженерно-строительным (внешним) работам.

Водопонижение - искусственное понижение уровня подземных вод путем поверхностного или глубинного водоотбора.

Депрессионная воронка - пониженная поверхность подземных вод, обусловленная водоотбором.  

Проводя, гидрогеологические исследования лондонские ученые доказали, что длительное искусственное понижение подземных вод и создание депрессионных воронок в зонах откачки приводят к возникновению новых процессов. Их наблюдения показали, что изменились гидродинамический, химический и температурный режимы водоносных горизонтов, переместились области питания, стока и разгрузки вод. Это соответственно привело к тому, что реки на отдельных участках из естественной дренажной системы превратились в источники питания подземных вод. В окрестностях города наблюдается исчезновение родников и мелких ручьев. Ухудшилось и качество пресной воды, из эстуария начали поступать солоноватые морские воды. Так изменилась гидрогеологическая обстановка. Вместе с этим преобразовывались осадочные породы. Произошел процесс их осушения и уплотнения.

Однако в мире есть города, где положение более катастрофично, чем в Лондоне, например в Венеции.   Каждое столетием она опускается в море примерно на 20 см под воду(в море).

Для решение данных вопросов, которые относятся к горной геомеханике имеется достаточно большое количество литературы, которая может оказаться весьма полезной при решении проблем, связанных с воздействием человека на земную кору.

В горном деле, например, используются два основных вида защитных мероприятий: конструктивные и горные. Наиболее эффективны горные мероприятия, так как они предусматривают частичное или почти полное сохранение ранее существовавших природных условий в породах, залегающих над подземными выработками. В настоящее время к таким мерам можно отнести закладку отработанных участков материалом, который дает наименьшую усадку

Говоря об этой существенной проблеме, следует отметить, что при закладке нередко используются естественные смеси и искусственно созданные массы, которые без человеческой деятельности не могли бы проявиться в недрах.