Инженерной геологии

В перечне направлений инженерно-геологических исследований по инженерной геологии и гидрогеологии, по существу, определены проблемы дальнейшего развития региональной инженерной геологии.

К числу наиболее важных проблем относятся:

1) разработка теории региональной инженерной геологии, в частности теории моделей формирования ИГУ Земли;

2) изучение закономерностей формирования ИГУ и опыта освоения различных регионов России;

3) разработка новых и совершенствование существующих методов региональных инженерно-геологических исследований, в частности скоростных и высокоэффективных дистанционных методов;

4) разработка теоретических и методических основ применения количественных методов и ЭВМ в инженерно-геологическом картографировании;

5) разработка логико-формальных основ регионального (индивидуального), типологического и оценочного инженерно-геологического районирования;

6) разработка теоретических и геолого-экономических оснований типизации территории применительно к …
требованиям различных видов строительства;

7) разработка методики геолого-экономической оценки сложности ИГУ;

8) планомерное опережающее инженерно-геологическое картирование территории осваиваемых и перспективных в народнохозяйственном отношении регионов России, в том числе криолитозоны и шельфа;

9) изучение закономерностей пространственного распределения современных геологических процессов и явлений, составление карты геологических явлений на территорию России и отдельные регионы;

10) разработка теории и методики оценки и картирования локальных и региональных изменений (измененности) геологической среды в результате основных видов инженерно-хозяйственной деятельности человека;

11) разработка теории и методики регионального (частного и комплексного) прогноза изменений геологической среды крупных регионов и районов в связи с инженерно-хозяйственной деятельностью человека;

12) разработка научных основ создания карт прогноза изменения геологической среды и районирования территорий по условиям ее рационального освоения;

13) разработка инженерно-геологических основ рационального использования, управления и охраны геологической среды различных районов России.

Необходимо подчеркнуть, что большая их часть (проблемы 1–8) является сугубо и традиционно регионально-инженерно-геологической, одна (9) – пограничной для региональной инженерной геологии и инженерной гидродинамики, четыре последних (10–13) относятся к числу новых, возникших в столь явном виде лишь на третьем этапе развития региональной инженерной геологии (как и инженерной геологии в целом). В известной степени они являются общими и решаются всеми научными направлениями – грунтоведением, инженерной геодинамикой и региональной инженерной геологией. Последней принадлежит важнейшая роль.

Принципиальное для дальнейшего развития региональной инженерной геологии значение имеет успешное решение первой из названных проблем – разработка теории региональной инженерной геологии. Сейчас, когда большинство инженеров-геологов прочувствовали не только роль геолого-структурного фактора, но и значение климата (точнее соотношение тепло- и влагообеспеченности территории) в формировании ИГУ, создался благоприятный момент для развития взглядов о превращении инженерной геологии в науку о формировании и пространственном распределении глобального набора инженерно-геологи-ческих обстановок. Это требует создания общей классификации таких обстановок, разработки теории и моделей их формирования с обязательным и одновременным учетом как региональных, так и зональных факторов формирования ИГУ. В этом направлении сделаны лишь первые шаги (работы Е.М. Сергеева, С.Б. Ершовой, В.Т. Трофимова, создание региональной части международной монографии “Инженерная геология”). Эти работы должны быть резко усилены, ибо без этого региональная инженерная геология не сможет стать наукой о многообразии ИГУ Земли.

С решением этой проблемы тесно связан и вопрос о совершенствовании формационного анализа в региональной инженерной геологии.

Ранее Г.А. Голодковской и В.Т. Трофимовым (1984) отмечалось, что большие перспективы в решении вопроса о формациях связаны с более детальным учетом роли четвертичной истории и современного климата в формировании и тенденций изменения состояния, состава и свойств пород формаций. Обогащение формационного анализа таким подходом может привести к необходимости выделения собственно инженерно-геологических формаций. Такой подход наиболее полно реализует основной методологический принцип региональной инженерной геологии–представления о том, что современный инженерно-геологи-ческий облик формаций есть результат ее геологической истории.

Реализация этого чрезвычайно принципиального положения может быть осуществлена разными способами. Один из них заключается в одновременном учете при выделении инженерно-геологических формаций, геолого-структурного и литологического признаков формаций и прямых их регионально выдержанных инженерно-геологических особенностей, например: современного состояния пород формаций, обусловленного фазовым составом и количеством воды в них.

Решение этого вопроса может способствовать изучению опорных разрезов, сложенных разными типами геологических пород, расположенных в районах с различной современной тепло- и влагообеспеченностью.

Необходимо начать работу по изучению опорных разрезов толщ многолетнемерзлых пород, а в дальнейшем и других типов толщ.

Важное место среди проблем региональной инженерной геологии занимает вопрос о методике получения инженерно-геологической информации. Несмотря на большие достижения в этой области, позволившие успешно осуществить изучение ИГУ многих крупных регионов, методика региональных исследований далека от совершенства. При дальнейшем ее развитии особое значение должно быть уделено оптимизации существующих (черно-белые, цветные и спектрозональные аэро- и космоматериалы, аэрогеографические методы) и разработка новых дистанционных методов, которые позволяли бы в сжатые сроки и с большой достоверностью получать инженерно-геологическую информацию.

Разработка и внедрение новых дистанционных методов исследований, комплексирование их с наземными методами получения информации будут способствовать ускорению изучения ИГУ, позволят проводить исследования действительно как опережающие, что существенно повысит социально-экономическое значение инженерно-геологической информации. Это, в частности, позволит ввести в практику так называемые дежурные карты ИГУ (или отдельных их компонентов). Анализ таких карт позволит получать оперативные и достоверные данные о динамике ИГУ. Это важно как с теоретической точки зрения, так и с практической. На этой основе можно будет совершенствовать инженерно-геологическое прогнозирование в целом и региональное в частности, более обоснованно осуществлять мероприятия по рациональному использованию и охране геологической среды, а в случае необходимости–и управлять ею с помощью системы ограничивающих или защитных мероприятий.

Не менее важное теоретическое и особенно практическое значение имеет проблема представления накопленной в процессе региональных исследований информации. В настоящее время она выражается в основном в виде карт, разрезов, блок-диаграмм, схем (графические модели) и специализированных описаний (словесные модели). Эти модели в геологии общеприняты; они универсальны, так как позволяют отразить главные особенности и такие детали изученного объема геологической среды, которые пока невозможно представить в других моделях. В то же время им свойственен целый ряд недостатков. Так разные исследователи, располагая одним и тем же фактическим материалом об особенностях одной и той же территории, в процессе обработки и анализа отбирают из него разные их объемы, нередко по-разному определяют существенные особенности этой территории. Графические и особенно словесные модели далеки от совершенства и в отношении свертывания инженерно-геологической информации. Г.К. Бондарик (1981) писал, что “анализ структур различных геосистем, основанный на установлении изоморфизма их моделей и являющийся мощнейшим орудием их диагностики и классификации, не может полностью раскрыть свои возможности при использовании словесными и графическими моделями геологической среды. Не ставя под сомнение необходимость дальнейшего использования в региональной инженерной геологии традиционных способов представления информации о структуре и свойствах геологической среды в настоящее время ощущается потребность в аналитическом способе описания ее свойств и в моделировании ее структуры, основанных на разработках теории, на применении математики и вычислительной техники”.

В дальнейшем при решении рассматриваемой проблемы особое внимание следует уделить разработке теории и методики применения количественных методов в инженерно-геологическом картографировании. При этом следует совершенствовать методику составления не только общих карт ИГУ, но и карт частных (аналитических), роль которых в отображении существеннейших черт ИГУ огромна. Именно этот вид карт легче всего разработать как карты нормализованные, по Е.Е. Ширяеву (1984), при составлении которых используется принципиально новая методика – с применением машинной техники. Такие карты имеют огромное преимущество – они могут быть “считаны” машиной, причем под машинным чтением карты понимаются считывание, распознавание и запись картографической информации на машинном носителе в цифровом виде при помощи автоматических считывающих устройств ЭВМ. Отсюда открываются широкие возможности для последующих количественных описаний отдельных компонент или ИГУ в целом, их типизация на логико-формальной основе.

Необходимо более активно вести разработку карт, на которых осуществляется оценка чувствительности ИГУ к планируемым техногенным нагрузкам. Определенный положительный опыт в этом плане, в частности, для районов развития многолетнемерзлых и лессовых пород уже накоплен. Разработка карт такого содержания должна вестись по пути создания как аналитических, так и общих карт, причем при составлении последних необходимо учитывать всю совокупность компонент инженерно-геологической обстановки и все виды планируемых воздействий.

Остановимся коротко на задачах развития теории и методики инженерно-геологической типизации и районирования. Развитие первой должно идти, с одной стороны, по пути создания классификаций ИГУ на основе учета требований конкретных видов строительства, с другой (теоретически наиболее важным) – по пути создания общей классификации инженерно-геологических обстановок Земли в целом. При разработке типизации и осуществлении районирования должны развиваться логические, формальные и комбинированные логико-формальные методы, когда на одних этапах используются логические построения, а на других – формальные. На практике это должно найти отражение в создании схем регионального (индивидуального), типологического и оценочного районирования России и Земли в целом.

Особо следует подчеркнуть необходимость развития теории и методики оценочного районирования, которое предусматривает оценку сложности ИГУ территориальных элементов одного из разных уровней. Его целесообразно использовать на заключительном этапе работ по инженерно-геологическому районированию на базе уже выполненного индивидуального или типологического генетико-морфологического районирования. В этом случае оценочное районирование, выполняемое, как правило, на формальной основе, становится более глубоким по существу, а формальные категории сложности получат четкое материальное содержание.

Еще большее значение имеет разработка теории и методики геолого-экономической типизации ИГУ, при которой необходимо учитывать не только сложность ИГУ, но и стоимость освоения территории в этих условиях применительно к различным типам инженерных сооружений. Необходимость разработки такого экономико-инженерно-геоло-гического подхода при выполнении региональных работ – задача сегодняшнего дня.

Необходимо остановиться на проблеме границ, которая имеет важное значение при любых региональных исследованиях. Особенно остро вопрос об обосновании типа границ (резкие, условные, комбинаторные) и принятого пространственного их положения стоит при выполнении инженерно-геологического районирования. В процессе его существования исследователь должен из многочисленных границ, которые свойственны любому природному объекту, выбрать лишь те, которые имеют существенное значение для решения поставленной цели. Этот выбор должен быть строго обоснован не только отбором признака районирования, но и четкой формулировкой признака проведения данной границы именно в этом месте.

К сожалению, в подавляющем большинстве работ вопрос о конкретном признаке проведения конкретной границы между территориальными таксономическими единицами не обсуждается. Между тем хорошо известно, что при одном и том же признаке районирования границы между смежными таксонами одного ранга проводятся разными исследователями неодинаково. Даже на мелкомасштабных схемах (1:10000000) видно, что границы регионов, которые практически все проводят по одному классификационному признаку–структурно-тектоническому, у разных исследователей занимают разное пространственное положение. Еще большее различие в положении границ наблюдается на схемах районирования более крупного масштаба. Это делает схемы районирования, составленные разными авторами, трудно сопоставимыми даже в том случае, если признак обособления таксонов данного уровня выбран ими одинаковый.

Все это позволяет выдвинуть в качестве важнейшего тезис: в работах, посвященных инженерно-геологическому районированию любой территории, исследователь обязательно должен четко сформулировать признак проведения границы между таксонами каждого уровня. В особых случаях целесообразно обсуждать альтернативные варианты проведения границы и принятое в данной работе ее пространственное положение. Требует более интенсивного развития изучение закономерностей пространственного распределения современных геологических процессов и явлений. Необходимо перейти к обобщению материалов, накопленных по отдельным регионам. Это позволит существенно углубить теорию региональной геологии, разработать серию карт, на которых найдут отражение закономерности развития геологических процессов и явлений на территории России, отдельных крупных регионов и Земли в целом.

Выше уже отмечалось, что к числу важнейших теоретических проблем региональной инженерной геологии, требующих активной разработки и имеющих чрезвычайно большое практическое значение, относится развитие теории и методики региональных частных и комплексных прогнозов и способов их отражения на специальных прогнозных картах. Особенно большие и пока во многих случаях трудно разрешимые вопросы возникают при составлении комплексных прогнозов. Поэтому научные разработки, направленные на совершенствование любого этапа прогнозирования, обсуждение полученных результатов и широкое их внедрение в практику исследований представляются чрезвычайно важным для совершенствования методики комплексного прогноза изменений ИГУ в целом.

Теперь коротко о методах регионального комплексного прогнозирования изменений геологической среды. Наибольшие перспективы в решении этой проблемы связаны с использованием метода аналогий и методов математического моделирования. На современном этапе исследований, когда методы последней группы к решению задач комплексного прогнозирования лишь начали разрабатываться в общей постановке, единственным действительно работающим является метод аналогий.

Он основан на использовании результатов наблюдений (в идеале долгосрочных режимных) изменений ИГУ определенных объемов геологической среды под влиянием антропогенных воздействий для прогнозирования ожидаемых изменений геологической среды аналогичного строения в другом районе при запланированных или осуществляемых подобных по типу и интенсивности воздействий. Но возможности этого метода используются явно недостаточно, и развивается он слабо. Во многом это обусловлено отсутствием достаточно полной классификации ИГУ (регионов, зон, областей, районов геологической среды различных иерархических уровней, классификации ПТК (природно-территориальных комплексов), классификации типов и главное комплексов антропогенных воздействий на геологическую среду, недостаточной изученностью реакции на эти воздействия, короткими и крайне немногочисленными рядами наблюдений. До сих пор нет ни одного достаточно объемного каталога, в котором содержался бы материал, отвечающий позиции “типы массивов геологической среды–типы и комплексы воздействий на нее – реакция среды на комплексное воздействие.” Без создания всех этих материалов эффективно использовать метод аналогий очень трудно. Большие перспективы в решении проблемы комплексного прогнозирования и управления состоянием геологической среды связываются с разработкой постоянно действующей модели объекта, в качестве которого могут выступать отдельный массив, инженерно-геологический участок, район, область или даже регион. Это обусловлено тем, что разработка такой модели предполагает реализацию комплексного подхода, полное и недостоверное воспроизведение геологических процессов (природных, продолжающих развиваться и антропогенных, вновь формирующихся), изменяющих в условиях комплекса антропогенных воздействий состояние и свойства геологической среды. Возможность “проигрывать” с помощью постоянно действующей модели различные ситуации (сочетания воздействий комплекса антропогенных факторов–нагрузок) и получать данные о соответствующих реакциях геологической среды позволяет подойти к оптимизации управления создаваемой или действующей природно-технической системы.

Совершенствование методов прогнозирования в целом и регионального, в частности, требует осуществления оценки степени достоверности составленных прогнозов и, в случае необходимости, их уточнения. При этом большая роль принадлежит дальнейшему внедрению в практику, так называемых, региональных перманентных прогнозов, учитывающих вновь поступающую информацию об изменениях ИГУ в процессе функционирования природно-технической системы. Такая система прогнозов позволит найти практические пути к разработке и последующей реализации инженерных мероприятий по рациональному использованию, охране и улучшению окружающей среды.

В заключение остановимся на двух требующих развития аспектах региональной инженерной геологии, связанных с решением проблем рационального использования и охраны геологической среды. Первый аспект связан с разработкой теории и методики оценки и картирования региональной и локальной изменчивости ИГУ в результате инженерно-хозяйственного воздействия на геологическую среду. Оценку изменчивости геологической среды можно определить как процесс и, главное, результат оценки изменений, сформировавшихся к моменту исследований под влиянием антропогенных воздействий, на основе системы качественных и количественных показателей. В случае региональной комплексной оценки изменчивости – это система показателей, учитывающих суммарный региональный результат разных, нередко разнонаправленных по своей природе и интенсивности воздействий.

К настоящему времени система необходимых показателей разработана лишь по отношению к некоторым элементам геологической среды (например, качество паводковых вод, устойчивость склонов и др.). Но применительно к комплексной региональной оценке измененности такой системы нет. Поэтому во многих случаях невозможно конкретно комплексно оценить характер региональной и локальной измененности геологической среды. Часто нельзя даже оценить, насколько близки сформировавшиеся изменения к критическим, “страшны” ли они? А между тем без этого объективно оценить измененность геологической среды нельзя. Поэтому разработка качественных и особенно количественных критериев комплексной оценки измененности геологической среды под влиянием антропогенных воздействий – актуальнейшая задача, без решения которой невозможно качественное решение всей проблемы в целом.

Второй аспект связан с необходимостью дальнейшей разработки концепции литомониторинга как необходимой основы системы рационального использования, управления и охраны геологической среды. Задачи региональной инженерной геологии в этой области связаны с разработкой его региональной подсистемы.

Литомониторинг – система контроля, прогноза и управления техногенными и природными изменениями состояния геологической среды. Его суть составляет система упорядоченного ряда процедур: наблюдение – оценка состояния среды по результатам этих наблюдений, прогноз дальнейшего развития геологической среды; управление, которое осуществляется постоянно и многократно во времени. При этом при втором и последующих циклах должна обязательно оцениваться точность прогнозов, проводиться их корректировка, а также уточнение управляющих действий.

Методами инженерной геологии при этом осуществляются:

1) режимные контрольные наблюдения за динамикой ИГУ;

2) оценка состояния геологической среды;

3) перманентные (непрерывные) прогнозы ее изменения;

4) решение оптимизационных задач и выработка инженерно-геологи-ческих рекомендаций;

5) геологический контроль за работой управляющих, в том числе и защитных сооружений.

Разработка и ввод в эксплуатацию локальных и региональных подсистем литомониторинга, объединение их в национальную систему – важнейшая государственная задача. Участие же в разработке теоретической модели и решении пространственно-организационных вопросов создания региональной подсистемы литомониторинга является одной из важнейших теоретических и практических проблем региональной инженерной геологии.

При этом при втором и последующих циклах должна обязательно оцениваться точность прогнозов, проводиться их корректировка, а также уточнение управляющих действий.

Методами инженерной геологии при этом осуществляются:

1) режимные контрольные наблюдения за динамикой ИГУ;

2) оценка состояния геологической среды;

3) перманентные (непрерывные) прогнозы ее изменения;

4) решение оптимизационных задач и выработка инженерно-геологических рекомендаций;

5) геологический контроль за работой управляющих, в том числе и защитных сооружений.