Сила разуплотнения поверхностного слоя воды и ее роль в геологических процессах (стр. 48 )

По существу, предложенный способ стабилизации грунтового массива в сейсмически опасных районах с целью предотвращения катастрофических землетрясений выглядит несколько фантасти­ческим. Но, по существу, это практически единственный доступный людям и наиболее кардинальный способ воздействовать на зем­ные недра, чтобы повлиять на характер происходящих там текто­нических движений и таким образом защитить себя от землетря­сений.

Непосредственным опытом, подтверждающим возможности такого способа предотвращения землетрясений, является прове­дение в США работы по закачке загрязненных радиоактивных от­ходов военного производства в скважину с целью их утилизации (Bardwell, 1970). Скважина  проникла в разрез большой складки вдоль фронта Скалистых гор (штат Колорадо) на глубину около 3,6 км. В течение 4 лет использования скважины для закачки отхо­дов проводились ежемесячные записи объемов закачанной жидко­сти и сопоставлялись с количеством небольших землетрясений, зарегистрированных в данном районе.

При изучении статистической связи между ними было уста­новлено, что число мелких землетрясений в данном месяце прямо коррелируется с объемом грязной воды, закачанной месяцем раньше (Девис, 1990, с. 263). Корреляция показала, что тектониче­ский отклик на операцию закачки возникает очень быстро и рас­пространяется на период около месяца. Исследователи сделали вывод, что закачка жидкости послужила увеличению подвижности складки в результате ее смазки. Значит, в данном случае тектони­ческие стрессы не накапливались, с тем, чтобы проявиться в виде сильного тектонического удара, а распылялись на серию мелких безопасных землетрясений.

Здесь осуществляется принцип так называемой наведенной сейсмичности, т. е. небольшой техногенной сейсмичности, искус­ственно создаваемой людьми. Такая сейсмичность создается также при заполнении крупных водохранилищ и при подземных ядерных взрывах (Горная энциклопедия, т. 2), инициирующих се­рию небольших безопасных землетрясений, или служащих в неко­торых случаях как бы спусковым крючком достаточно крупного, но контролируемого по времени землетрясения. Предложен также способ снятия напряжений в геологической среде, воздействуя на нее путем пенетрации твердыми телами массой 100–100 000 кг, длиной 5–20 м, направляемыми на эпицентр очага напряжений со скоростью 0,5–15,0 м на глубину до нескольких сотен метров от поверхности с помощью ракет или боевых самолетов (авторы и др., патент № 000, МПК 6G01V 9/00, приоритет от 23.07.92). Предложен также способ снижения запасов энергии в очаге землетрясения посредством изучения энергии радиоволн через скважины (авторы и др., патент № 000, МПК 6G01V 11/00, 3/00, 1/00, приоритет от 26.03.98). С целью предотвращения землетрясений предложено также соеди­нять стационарным проводником эпицентры предполагаемых зем­летрясений и места расположения ближайших нефтяных скважин, чтобы постоянно выравнивать электрические потенциалы между углеродсодержащей оболочкой Земли и очагом землетрясения (авторы и др., патент № 000, МПК 6G01V 9/00, 1/00, 3/00, приоритет от 27.06.97).

Предложенный мной способ стабилизации грунтового мас­сива использует принцип наведенной сейсмичности только час­тично. Хотя производится закачка жидкости через скважины и на­веденная сейсмичность, по-видимому, будет возникать, но воздей­ствие на горные породы поверхностно-активных или химически агрессивных веществ должно способствовать уменьшению силы и количества даже небольших наведенных землетрясений или пре­дотвращать их, особенно если изменение состава подземных вод будет осуществляться без большого силового нагнетания жидко­сти в земные недра, а путем использования эффективных диффу­зионно-инфильтрационных способов насыщения подземных вод компонентами, применяя легко растворимые вещества, учитывая направление потоков подземных вод, их глубину и т. д.

Закачка растворов поверхностно-активных веществ в горную массу уже используется с целью предотвращения образования взрывоопасных зон возникновения под действием горного давле­ния в шахтах и для предотвращения внезапных взрывов угля и газа в угольных пластах (Alexeev et al., 1998).

Глава 9. ГЕОКРИОЛОГИЯ

В геокриологии наиболее существенную роль играет такое свойство поверхностного слоя воды как пониженная температура замерзания. Из-за этого свойства даже в самые сильные морозы до 70 єС в грунтах не замерзает тонкая поверхностная пленка воды между частицами пород. Одним из наиболее существенных следствий этого процесса является возникновение такого вредного явления как морозное пучение. Сквозь незамерзающую пленку вода подсасывается в зону морозного пучения и, замерзая здесь, с силой вспучивает все грунты и поднимает и разрушает располо­женные на них здания и сооружения.

В настоящее время притягивание воды в зону морозного пу­чения объясняется адсорбционно-пленочным механизмом, со­гласно которому перемещение влаги к фронту промерзания проис­ходит за счет частичного вымерзания связанной пленочной воды на минеральном скелете грунта, высвобождения части поверхно­стной энергии грунтовых частиц и подтягивания адсорбционными силами грунта дополнительного количества влаги (Основы гео­криологии, 1999). Считается, что создаваемые при этом напряже­ния пучения вызваны увеличением объема кристаллизующегося льда и действием расклинивающего давления жидких пленок (Ер­шов, 1985, 1990; Дерягин и др., 1989). Пониженная температура замерзания пленочной воды объясняется взаимодействием воды с активными центрами твердого тела, вызывающими нарушение сетки водородных связей в воде (Квливидзе и др., 1988).

Основываясь на представлении о Т-СРПС, механизм мороз­ного пучения грунтов можно представить следующим образом. В замерзающих водонасыщенных грунтах на поверхности льда в контакте с частицами грунта всегда существует тонкая незамер­зающая поверхностная пленка воды. Когда температура понижа­ется, лед наращивается и надвигается на непосредственно приле­гающий к нему более плотный слой пленки. При этом происходит увеличение всего объема пленки, так как плотность льда меньше плотности прилегающего слоя воды. Это создает давление на грунт и его раздвигание с силой расширения кристаллического льда. Но при этом поверхностная водная пленка не выдавливается из зазора между льдом и грунтом, потому что замерзание проис­ходит на коротком расстоянии и поэтому очень быстро, почти мгновенно, в то время как пленка, обладая очень большой инерт­ной массой в продольном направлении, сложной конфигурацией и относительно повышенной вязкостью, просто не в состоянии за это же время перейти в подвижное состояние.

В ходе замерзания внутреннего более плотного слоя водной пленки концентрация молекул воды в целом в пленке уменьша­ется, так как незамерзшим остался только самый внешний наибо­лее сильно разуплотненный слой с низкой концентрацией в нем молекул. Поэтому сюда вдоль пленки по закону сообщающихся сосудов начинается «подсасывание» и медленное продвижение более плотной водной массы из соседних незамерзших участков грунта. Эта масса, попадая в узкую щель между льдом и грунтом, увеличивает концентрацию молекул и затем за счет действия Т-СРПС с силой температурного расширения отодвигает грунт от новообразованного льда, приводя таким образом водную пленку в состояние прежней толщины и концентрации. Затем все повторя­ется сначала, создавая рост линз льда и раздвигание ими грунтов. При этом Т-СРПС действует гораздо быстрее на расширение пленки поперек, прежде чем большая инертная  масса последней способна перейти в подвижное состояние в продольном направле­нии и выдавиться назад.

Таким образом, на основе представления о Т-СРПС возможно объяснить, каким образом в зоне морозного пучения грунтов, где создается огромное давление, поверхностная водная пленка не только не выдавливается, а, наоборот, всасывает в себя воду, действуя как своеобразный ледовый насос, забирающий воду из прилегающих еще не замерзших участков грунтов.

Глава 10. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ

В инженерной геологии поверхностной пленке связанной воды уделено внимания больше, чем во всех остальных геологи­ческих науках, так как при возведении и эксплуатации различных инженерных сооружений и зданий она существенным образом влияет на прочность грунтов и горных пород, на которых они стро­ятся. Например, в монографии (1978) по инженер­ной геологии дана подробная классификация связанной воды, су­ществовавшая в то время. Отмечается ее влияние на важнейшие физико-химические свойства грунтов, такие как набухание, пла­стичность, тиксотропные свойства, усадка, просадка, раствори­мость, морозостойкость, теплота смачивания. Все это влияет на физико-механические свойства грунтов – деформационные, рео­логические, сопротивление одноосному сжатию, разрыву и сдвигу. Отмечается, что высокодисперсные минеральные частицы грунтов при взаимодействии с водой приобретают строение, характерное для коллоидных агрегатов. Образование оболочек связанной воды вокруг грунтовых частичек обусловливает распад микроагрегатов, а уменьшение толщины этих оболочек способствует обратному явлению – коагуляции частиц, образованию микроагрегатов. Од­нако следует обратить внимание, что механизмы воздействия и способ образования поверхностного слоя в книге даны очень кратко, буквально в несколько предложений, что объясняется сла­бой изученностью этих механизмов.

Предлагаемое мной новое объяснение формирования по­верхностного слоя воды на основе действия СРПС может сущест­венно прояснить эти вопросы. В частности, становится понятным, что здесь задействована огромная сила, которая способна прояв­ляться в различной форме, начиная от слабого расклинивающего давления Дерягина, способного только не допускать соединения двух свободно плавающих коллоидных частичек, до сил морозного пучения, способных поднять толщу грунтов любого веса вместе с находящимися на них зданиями и сооружениями и взломать эту толщу. Именно эта сила и создает многие важнейшие свойства грунтов, от которых зависит устойчивость инженерных сооружений, поэтому необходим новый этап детального изучения поверхност­ного слоя воды, где действует эта сила, в первую очередь в грун­товедении.