7.1. Итоги развития инженерно-геологического картографирования
7.2. Задачи развития инженерно-геологического картографирования содержательного плана
7.2.4. Об отражении зональности инженерно-геологических условий на аналитических картах
7.1. Итоги развития инженерно-геологического картографирования
Инженерно-геологические карты стали составляться лишь в ушедшем столетии. Наиболее бурные дискуссии об их содержании, классифицировании и методике составления происходили, как было показано в главе 1, во второй половине 30–50-х гг. прошлого века, а наибольший объем инженерно-геологических картосоставительских работ был выполнен в его 60–80-х гг. Итоги развития инженерно-геологических картографических работ целесообразно представить в виде следующих позиций:
а) достигнут консенсус о содержании инженерно-геологических карт. Главный тезис этой позиции заключается в следующем: общепризнанно, что инженерно-геологические карты могут и должны быть разнообразными по масштабу, содержанию и назначению;
б) разработаны классификации инженерно-геологических карт по различным критериям: по масштабу, по содержанию, по практическому назначению, по характеру обновления передаваемого материала, по способу производства и др. В частности, по содержанию инженерно-геологические карты подразделяются на четыре типа: карты инженерно-геологических условий, карты инженерно-геологического районирования, карты инженерно-геологические прогнозные и карты измененности инженерно-геологических условий (геологической среды), в рамках которых выделен целый ряд видов и подвидов. Общепринятым стало подразделение инженерно-геологических карт по практическому назначению на две категории: общие и специальные (первые — многоцелевые, вторые — для решения конкретной задачи);
в) созданы общегосударственные и отраслевые нормативно-методические документы, определяющие методику построения инженерно-геологических карт разного содержания, масштаба и назначения;
г) составлено большое число инженерно-геологических карт разного масштаба и содержания, в том числе средне- и крупномасштабных инженерно-геологических карт, позволивших осуществить проектирование, а затем строительство и успешную эксплуатацию крупнейших добывающих, энергетических, транспортных и промышленных комплексов страны. Разработаны на большие площади листы инженерно-геологических карт в ходе создания Государственной геологической карты СССР масштаба 1:200 000. Созданы инженерно-геологическая карта СССР масштаба 1:2 500 000, обзорные и мелкомасштабные инженерно-геологические карты многих геологических и административных регионов страны; ряд таких разработок (по территории Байкало-Амурской магистрали, Западной Сибири, вопросы инженерно-геологического картографирования в военной геологии) был удостоен Государственных премий СССР и РСФСР;
д) разрабатываются новые по содержанию инженерно-геологические карты — карты устойчивости геологической среды к природным и техногенным воздействиям, карты геологического риска, карты инженерно-геологических структур, карты геологического информационного обеспечения страхования земель и др.;
е) освоена новая компьютерная технология (системы ГИС) создания преимущественно аналитических по содержанию инженерно-геологических карт.
7.1.2. О востребованности инженерно-геологических карт разного содержания и масштабов в зависимости от характера инженерно-геологических обстановок и решаемых задач
Наиболее востребованными инженерно-геологическими картами являются карты инженерно-геологических условий, которые отражают главные факторы, определяющие инженерно-геологическую обстановку и влияющие на условия проектирования, строительства и эксплуатации инженерных сооружений. Они составляются во всех масштабах — от обзорных до крупно масштабных и при решении любых инженерно-геологических задач. За более чем полувековой период существования карт этого типа накоплен большой опыт в их составлении, который обобщен и отражен в многочисленных методических разработках. Аналитические карты этого типа составляются при необходимости выявления закономерностей изменения какого-то наиболее значимого для решения конкретной задачи компонента инженерно-геологической обстановки. Составление аналитических карт приобретает особое значение в настоящее время, когда компьютерная техника с использованием пакетов прикладных программ позволяет достаточно быстро проводить их анализ и создавать, путем наложения аналитических карт, синтетические.
Карты общего генетико-морфологического инженерно-геологического районирования являются многоцелевыми по своему назначению и предназначены для решения вопросов, связанных с планированием и проектированием массовых видов строительства. Они составляются часто в обзорном и мелком масштабах. Расцвет разработки этого вида карт пришелся на 70–80-е гг. прошлого века.Изданные и опубликованные карты этих масштабов и их легенды могут выполнять роль методических пособий для составления карт этого типа. Позднее принципы, признаки и подходы в генетико-морфологическом районировании продолжали развиваться, уточняться, детализироваться.
В последние годы практикой были востребованы специальные крупномасштабные, реже среднемасштабные карты генетико-морфологического районирования для конкретных литотехнических систем. На таких картах территориальные элементы выявляются и обособляются с учетом специфики определенного вида строительства.
Широкое распространение получили карты оценочного районирования, особенно сравнительного (качественного и количественного), которые часто составляются при всех видах инженерно-геологических исследований и являются как общими, так и специальными. Такие карты имеют большое практическое значение. Они должны составляться на основе карт генетико-морфологического районирования и содержать оценку сложности инженерно-геологических условий выделенных территориальных единиц. В этом случае оценочное сравнительное районирование становится более глубоким по содержанию, а формальные категории сложности получают материальное обоснование и содержание. Например, одинаковые категории сложности инженерно-геологических условий могут быть обусловлены в одном случае развитием сильнольдистых многолетнемерзлых пород, в другом — сильной заболоченностью, в третьем — сильно расчлененным рельефом и т. п.
Карты второго вида оценочного районирования — геолого-экономического (количественного) составляются, к сожалению, достаточно редко. Они используются в основном при крупномасштабных работах, носят специальный характер. Это обычно стоимостные карты, которые отражают стоимость строительства на перспективных для застройки участках с учетом инженерно-геологических условий, типа застройки, характера предполагаемых технологических решений.
Карты измененности геологической среды стали активно составляться в конце 80-х — начале 90-х гг. прошлого века, когда остро встали вопросы охраны геологической среды. Они составлялись в разных масштабах и обычно как специальные; на них оценивается измененность геологической среды от определенного вида хозяйственной деятельности. В настоящее время особенно востребованы карты изменения геологической среды под влиянием техногенных факторов, которые отражают динамику развития во времени одного или нескольких негативных техногенно-геологических процессов. Но такие карты известны в единичных экземплярах. Трудности их составления заключаются в том, что они должны базироваться на результатах многолетних наблюдений за развитием процессов, изменяющих геологическую среду, которые достаточно трудно получить.
Прогнозные инженерно-геологические карты, отражающие пространственно-временной прогноз изменения инженерно-геологических условий в процессе хозяйственного освоения территории и эксплуатации инженерных сооружений, широкое развитие получили в последней четверти прошлого столетия. Это карты устойчивости, опасности, риска и ущерба. В зависимости от масштаба карты на ней дается прогноз глобальный, региональный или локальный. В последние годы особый интерес инженер-геологи проявляют к составлению карт опасности и риска разных масштабов. Считается, что обзорные карты этого типа составляются для всей территории России и отдельных ее крупных регионов и предназначены для федеральных органов представительной и исполнительной власти, а также для проектных и научно-исследовательских организаций для обоснования постановки инженерно-геологических исследований. Мелкомасштабные карты опасности и риска составляются для территорий субъектов федерации и содержат долговременный прогноз возможных последствий и ущерба от развития экзогенных геологических процессов. Среднемасштабные карты опасности и риска составляются для административных районов на основании карт пораженности территорий ЭГП. Что касается крупномасштабных карт для отдельных хозяйственных объектов, населенных пунктов, несмотря на востребованность карт риска и опасности развития геологических процессов, то существуют большие проблемы с их составлением из-за недостаточной разработанности оценочных критериев и из-за отсутствия соответствующих узаконенных СНиПом требований.
7.2. Задачи развития инженерно-геологического картографирования содержательного плана
Задачи развития инженерно-геологического картографирования сформулируем в виде таких позиций:
а) усовершенствование содержательной стороны инженерно-геологических карт разных типов и разных масштабов, прежде всего крупномасштабных, за счет использования количественных критериев оценки компонентов инженерно-геологических условий. В этой области выделим следующие задачи:
• необходимость разработки нового поколения аналитических инженерно-геологических карт, ориентированных на сугубо количественную характеристику отображаемых параметров;
• необходимость разработки карт оценочного инженерно-геологического районирования на базе количественных подходов;
• необходимость разработки карт оценки измененности инженерно-геологических условий и прогнозно-аналитических инженерно-геологических карт на базе количественных подходов;
б) необходимость создания инженерно-геологических карт нового содержания. В этом плане отметим следующие задачи:
• необходимость разработки карт, в равной степени отражающих как региональные, так и зональные факторы инженерно-геологических условий;
• переход от изображения на инженерно-геологических картах геологических формаций к формациям инженерно-геологическим;
• создание карт пространственного распределения инженерно-геологических зон в пределах крупных регионов различных континентов и Земли в целом;
• необходимость создания карт пространственного распространения инженерно-геологических структур Земли, отдельных ее континентов и регионов;
• создание карт, отражающих эволюцию инженерно-геологических условий в эпоху техногенеза;
• создание объемных, прежде всего крупномасштабных, инженерно-геологических карт;
в) необходимость разработки так называемых экономико-инженерно-геологических карт, в том числе карт для обоснования «страхового дела»;
г) необходимость дальнейшей разработки и широкого практического использования новых технологий создания инженерно-геологических карт на базе ГИС-технологий. Реализация на основе этого идеи создания дежурных инженерно-геологических карт.
7.2.2. Многофакторность, открытость системы «инженерно-геологические условия» и их картографические следствия
Инженерно-геологические условия, отражаемые на инженерно-геологических картах, определяются как комплекс современных геологических особенностей (параметров, факторов и др.), определяющих условия инженерных изысканий, строительства и эксплуатации инженерных сооружений (обычно на средне- и крупномасштабных картах) или условия инженерно-хозяйственной деятельности человека в целом (чаще на обзорных и мелкомасштабных картах). В этот комплекс современных геологических особенностей входят, как обязательно отражаемые на картах, четыре группы характеристик: состав, строение, состояние и свойства горных пород разного генезиса и возраста, слагающих выделенные массивы (1), его рельеф (2), гидрогеологические или геокриолого(мерзлотно)-гидрогеологические особенности (3) и комплекс развитых современных геологических процессов разного генезиса (4). Интенсивная измененность геологической среды в результате хозяйственной деятельности человека привела к расширению традиционных представлений о факторах инженерно-геологических условий. В последние годы на инженерно-геологических картах часто отражается характеристика загрязненности территории, техногенные воздействия и т. п. При этом в результате востребованности экологических оценок авторы карт называют их геоэкологическими, хотя они остаются по сути инженерно-геологическими, поскольку на них только дополняется характеристика инженерно-геологической обстановки, но нет оценки характера и степени влияния ее на живое.
Наряду с многофакторностью инженерно-геологические условия обладают и второй чрезвычайно важной особенностью: они представляют собой открытую систему. Именно поэтому В. Т. Трофимовым было предложено рассматривать инженерно-геологические условия как открытую, сложную, многофакторную, изменяющуюся во времени систему, современное состояние которой определяется как структурно-геологическими, так и современными климатическими особенностями территории, а на освоенных массивах — и характером техногенных воздействий (Трофимов, 1976, 1977). Вследствие этого при составлении карт особенно важно учитывать современное пространственное (координатное) положение исследуемой территории, контролирующее тектонический режим и климатические условия. Последние определяют тесную связь инженерно-геологических условий с ландшафтным обликом местности. И то и другое изменяется зонально в соответствии с закономерностями распределения тепла и влаги и их соотношением между собой. Именно различный приток тепла и влаги, их различное соотношение являются той главной причиной, которая обусловливает формирование различных инженерно-геологических условий на разных широтах и высотах в пределах одинаковых в структурно-геологическом отношении территорий (Трофимов, 1974, 2002). Особенно остро вопрос о необходимости отображения зональных геологических факторов инженерно-геологических условий стоит при составлении сводных инженерно-геологических карт крупных регионов и страны в целом.
Зависимость инженерно-геологических условий от современной тепло- и влагообеспеченности территории обусловливает необходимую приоритетность отображения на картах факторов, определяющих современную инженерно-геологическую обстановку в пределах каждой конкретной территории. В районах сплошного распространения многолетнемерзлых пород наибольшее внимание уделяется показу на карте мощности, льдистости, среднегодовым температурам, глубине сезонного протаивания и т. п. На территориях распространения немерзлых и талых пород существенное значение имеет их влажность. В случае сильноувлажненных пород большое внимание уделяется степени заболоченности, свойствам болотных отложений, глубине залегания подземных вод и т. п. Для районов распространения умеренно и слабоувлажненных грунтов важное значение приобретает степень минерализации и агрессивность подземных вод, при наличии лессов на картах прежде всего отражается их просадочность, характер ее изменения по площади; в аридных областях — существенное значение имеет степень засоленности пород.
7.2.3. О необходимости отображения на инженерно-геологических картах инженерно-геологических формаций
Главный фактор инженерно-геологических условий, который должен быть отражен на карте, — это грунты, их строение, состав и состояние. Поэтому в основу построения инженерно-геологических карт, особенно обзорных, мелко и среднемасштабных, положен формационный анализ строения структур в соответствии с идеями И. В. Попова. Для этого инженер-геологи использовали разработанное геологами учение о геологических формациях, не учитывая того, что при их выделении горные породы рассматривались только как однокомпонентные системы. Рядом исследователей делались попытки разработать более строгие критерии обособления геологических формаций при инженерно-геологических исследованиях, но они не сняли многие теоретические и практические вопросы (Голодковская, 1968, Бондарик, 1982). Поэтому В. Т. Трофимовым была высказана идея о необходимости выделения инженерно-геологических формаций путем одновременного учета геолого-структурных и литологических признаков формаций (точнее — геологических формаций) и такого прямого их инженерно-геологического регионально выдержанного признака, как современное состояние пород (многолетнемерзлое, талое и немерзлое, слабоувлажненное, сильноувлажненное и т. д.), обусловленное фазовым составом и количеством жидкой (а следовательно, и газовой) компоненты в них. Исходя из этого под инженерно-геологической формацией им было предложено понимать полипородное многокомпонентное геологическое тело, включающее взаимодействующие твердую, жидкую и газообразную составляющие: 1) объединяющее парагенетически связанные геологические тела меньшего объема и сформировавшееся в определенных тектонических и климатической обстановках, 2) претерпевшее впоследствии в ходе геологической истории воздействие одних и тех же геологических процессов, 3) находящееся в настоящее время в однотипном и регионально выдержанном состоянии, обусловленном фазовым состоянием и количеством жидкой компоненты в нем (Трофимов, 1997).
Соотношение объемов геологической формации и инженерно-геологической формации может быть различным. В крайней ситуации они (объемы) могут совпадать в тех случаях, когда породы, слагающие геологическую формацию, находятся в одинаковом состоянии (например, породы терригенной формации верхнеплиоцен-четвертичного или палеогенового возраста находятся в многолетнемерзлом состоянии). Однако в большинстве случаев объем геологической формации больший, поскольку разные ее части могут находиться в настоящее время в разном состоянии (например, часть в многолетнемерзлом, а другая часть — в немерзлом) и, исходя из предложенного подхода, должны быть обособлены в разные инженерно-геологические формации.
Для картографирования первостепенное значение имеет разработка классификации инженерно-геологических формаций. Это дело сложное. Она может быть выполнена в виде двухкоординатной таблицы-матрицы, по одной оси которой (лучше вертикальной) рассматривается систематика классических геологических формаций, выделенных по геолого-структурным и литолого-петрологическим признакам, а по другой — классификация по второй системе признаков, описывающих особенности современного инженерно-геологического состояния пород, слагающих геологические формации. Сами же инженерно-геологические формации разных иерархических уровней (разных объемов) будут обособляться в этой таблице в виде клеток разного размера.
Создание классификации инженерно-геологических формаций, по существу, предусматривает разработку трех классификаций: 1) классических геологических формаций, 2) по фазовому составу и количеству жидкой компоненты и 3) инженерно-геологических формаций, получаемых автоматически в виде клеток таблицы-матрицы. Первая может быть заимствована в готовом, уже полностью разработанном виде из работ геологов, в частности В. Е. Хаина. Ее адаптация в инженерной геологии целенаправленно и удачно выполнена Г. А. Голодковской (1968, 1986). Именно эта классификация геологических формаций с инженерно-геологическими целями с уточнениями, связанными с изменениями современной парадигмы геологии, может быть использована как исходная для систематики геологических формаций по вертикальной оси таблицы-матрицы (Хаин, 1991; Хаин, Ломизе, 1995).
Разработка второй классификации — по особенностям современного инженерно-геологического состояния пород геологических формаций, обусловленного фазовым состоянием и количеством жидкой компоненты — может быть осуществлена разными способами на основе разных классификационных признаков. Один из них заключается в использовании следующей системы признаков, которая уже применялась нами для систематики грунтовых толщ.
На первом этапе в качестве классификационного признака целесообразно использовать степень однородности состояния пород геологической формации. По этому признаку можно обособить формации с однородным состоянием пород в разрезе и по площади и формации с неоднородным состоянием пород в разрезе и по площади. Первые по всей мощности сложены либо талыми и немерзлыми, либо многолетнемерзлыми образованиями; вторые — это формации, часть разреза которых, представлена талыми и немерзлыми, а другая — многолетнемерзлыми телами.
На втором этапе в качестве классификационного признака можно использовать характер состояния пород в разрезе геологической формации. По этому признаку формации с однородным состоянием подразделяются на многолетнемерзлые, немерзлые и талые формации. Первые в отличие от вторых характеризуются отрицательной среднегодовой температурой и содержат лед. Геологические формации с неоднородным состоянием могут быть подразделены на: 1) талые в верхней части разреза, многолетнемерзлые в нижней; 2) многолетнемерзлые в верхней части разреза, талые (и немерзлые) в нижней; 3) сложенные переслаивающимися по площади и разрезу талыми и многолетнемерзлыми телами.
На следующем этапе эти категории могут быть подразделены по характеру увлажненности (льдистости) пород, слагающих формацию. Использование этого признака позволяет учесть при обособлении формации не только фазовое состояние жидкой компоненты (признака первого и второго уровня классифицирования), но и ее количественное содержание в породах формации. На основе этого в пределах таксонов второго уровня классифицирования могут быть выделены формации, содержание которых образуется путем добавления слов «увлажненный» или «льдистый» к названиям формаций второго уровня классифицирования соответственно для талых и многолетнемерзлых тел. Для первых (талых) целесообразно выделять две категории: 1) слабоувлажненные и 2) увлажненные и сильноувлажненные. Для многолетнемерзлых тел также предлагается обособлять две категории: слабольдистые и льдистые — сильнольдистые.
Необходимо отметить, что при классифицировании формаций по их современному состоянию на третьем уровне можно использовать в качестве критерия особенности температурного поля массивов, в частности среднегодовую температуру пород. Его применение позволяет выделить действительно регионально выдержанные геологические тела. В этом случае критерии увлажненности-льдистости можно использовать в качестве признаков на четвертом этапе классифицирования геологических формаций по рассматриваемой системе признаков.
Для обозначения инженерно-геологических формаций разного иерархического уровня, обособленных в таблице-классификации в виде клеток разного размера, может быть предложена связанная система названий. Самые крупные по объему таксоны можно назвать инженерно-геологическими суперформациями, таксоны второго, третьего и четвертого уровней — инженерно-геологическими мегаформациями, инженерно-геологическими макроформациями и инженерно-геологическими мезоформациями. Первые обособляются пересечением границ вертикальной и горизонтальной осей таблицы-матрицы, отвечающих первому иерархическому уровню деления понятия «формация» по классификационным признакам первой и второй групп, мегаформации — второму, макроформации — третьему и мезоформации — четвертому уровням. Например, в качестве суперформаций при описанном подходе могут выступать «платформенная с однородным состоянием суперформация» или «орогенная с неоднородным состоянием суперформация». К категории инженерно-геологических мегаформаций будут относиться «платформенная осадочная с неоднородным состоянием талая (немерзлая)», «платформенная магматическая с однородным состоянием многолетнемерзлая» и т. д. Название «макроформация» образуется добавлением к названиям мегаформаций названия конкретной геологической формации и характеристики ее температурного поля. Например, «...терригенная... со среднегодовыми температурами 1–3 °С», «...трапповая... со среднегодовыми температурами ниже –5 °С». В название мезоформаций дополнительно вводится характеристика состава формации и степени увлажненности (льдистости): «...терригенная песчано-глинистая... со среднегодовыми температурами 1–3 °С сильноувлажненная», «...трапповая толеит-базальтовая... со среднегодовыми температурами ниже –5 °С слабольдистая».
Такие подходы к выделению инженерно-геологических формаций разных иерархических уровней позволяют последовательно учитывать главные регионально выдержанные особенности состояния и степени увлажненности (льдистости) пород, их слагающих. Таким путем обособляются формации многокомпонентные, многофазовые системы, включающие твердую, жидкую и газообразную компоненты. Их классифицирование — сложный процесс, который может быть осуществлен разными путями и на основе разных классификационных признаков, в том числе с использованием описанного подхода. И выполнение этой работы — сложная, но интересная и практически важная проблемная задача региональной инженерной геологии.
7.2.4. Об отражении зональности инженерно-геологических условий на аналитических картах
Зональный характер изменения инженерно-геологических условий и необходимость учета влияния зональных факторов на состояние массивов пород требуют использования понятия «инженерно-геологические зоны». Под зоной понимается крупная часть инженерно-геологического региона или провинции, в пределах которых современное состояние пород в разрезе грунтовой толщи, обусловленное главным образом особенностями фазового состояния воды в них, с инженерно-геологических позиций однотипно и регионально выдержано (Трофимов, 1979, 1979а, 1983, 2002).
Систематика таксономических единиц на уровне инженерно-геологических зон включает три типа зон, каждый из которых объединяет два их вида (табл. 74). Комплекс инженерно-геологических условий этих единиц существенно различен.
Таблица 74. Типы и виды инженерно-геологических зон (по В. Т. Трофимову, 1979)
|
Инженерно-геологические зоны |
||||||
|
Тип |
практически сплошного |
совместного |
распространения |
|||
|
Вид |
практически сплошного распространения многолетнемерзлых пород |
распространение ледников и многолетнемерзлых пород |
массивноостровного и островного распространения многолетнемерзлых пород |
редкоостровного распространения многолетнемерзлых пород |
распространения сильноувлажненных пород |
распространения слабо- и умеренноувлажненных пород |
Примечание. В зоне практически сплошного распространения многолетнемерзлые породы занимают более 95 % территории, в зоне массивно-островного и островного распространения — от 30 до 95 %, в зоне редкоостровного распространения — менее 30 %.
На основе этих предложений составлены схемы пространственного распределения типов и видов инженерно-геологических зон в пределах отдельных континентов и Земли в целом. В перспективе эти схемы следует доработать и трансформировать в инженерно-геологические карты, аналитические по содержанию.
7.2.5. Использование понятия «инженерно-геологические структуры» при создании карт инженерно-геологического районирования
Необходимость учета региональных геологических и зонально-геологических факторов при анализе инженерно-геологических условий требует пользоваться понятием «инженерно-геологическая структура» при обособлении в процессе районирования иерархического ряда определенных объемов литосферы, обладающих определенными инженерно-геологическими особенностями.
Понятие «инженерно-геологические структуры» определено В. Т. Трофимовым и Т. И. Аверкиной (1996) следующим образом: инженерно-геологические структуры — это закономерно организованные объемы или части литосферы, сформированные под влиянием определенных региональных и зональных геологических факторов и однородные по каким-либо (заранее определенным) инженерно-геологическим параметрам(Трофимов, 1996). (Понятие такого же содержания В. Т. Трофимов ранее предлагал определить как «инженерно-геологическая обстановка»). Меняя сочетание региональных и зональных факторов (а следовательно, и соответствующие им инженерно-геологические параметры), переходя от общих к частным, можно обособлять инженерно-геологические структуры разного содержания и разных иерархических уровней. При этом в качестве классификационного признака будет выступать сложное (двухчленное) основание деления. Самые крупные структуры первого уровня предложено называть инженерно-геологическими суперструктурами, второго уровня — инженерно-геологическими мегаструктурами, третьего — инженерно-геологическими макроструктурами, четвертого — инженерно-геологическими мезоструктурами.
На рисунке 156 показано соотношение таксонов классификации инженерно-геологических структур. Определим их содержание.
Рис. 156. Соотношение таксонов классификации инженерно-геологических
структур (по В. Т. Трофимову и Т. И. Аверкиной, 1999)
Инженерно-геологическая суперструктура — это часть литосферы, однородная по инженерно-геологическим параметрам, которые обусловлены типом глубинного строения земной коры и водно-воздушными условиями поверхностной среды. Например, континентальная субаэральная или континентальная субаквальная инженерно-геологические структуры.
Инженерно-геологическая мегаструктура — это часть инженерно-геологической суперструктуры, однородная по инженерно-геологическим параметрам, которые обусловлены типом строения современного мегарельефа и особенностями фазового состояния воды в породах. Например, платформы с практически сплошным распространением многолетнемерзлых пород или орогены с распространением талых и немерзлых пород.
Инженерно-геологическая макроструктура — это часть инженерно-геологической мегаструктуры, однородная по инженерно-геологическим параметрам, которые обусловлены возрастом заложения тектонических структур и характером площадного развития пород разного состояния. Например, древний ороген с распространением слабоувлажненных пород или молодая платформа с редкоостровным распространением многолетнемерзлых пород.
Инженерно-геологическая мезоструктура — это часть инженерно-геологической макроструктуры, однородная по инженерно-геологическим параметрам, которые обусловлены геологическими особенностями верхней части разреза и наличием (или отсутствием) сезонного промерзания (протаивания) пород этой части разреза. Например, плита с сезонным промерзанием пород (грунтов) верхней части разреза или щит без сезонного промерзания пород (грунтов) верхней части разреза.
Предлагаемый ряд инженерно-геологических структур в принципе может быть продолжен структурами, имеющими меньший объем и большую инженерно-геологическую однородность, но на каком-то этапе деление неизбежно выйдет на формационный уровень. В итоге общая классификация геологических объектов, рассматриваемых с инженерно-геологических позиций (но без связи с конкретными сооружениями), может иметь следующий вид: инженерно-геологические суперструктуры — инженерно-геологические мегаструктуры — инженерно-геологические макроструктуры — инженерно-геологические мезоструктуры —... — формации (инженерно-геологические формации) — субформации (инженерно-геологические субформации) — геолого-генетический комплекс — монопородное геологическое тело первого уровня расчленения — монопородное геологическое тело второго уровня расчленения — монопородное геологическое тело третьего уровня расчленения.
Классификация инженерно-геологических структур Земли, разработанная на основе этих построений, была создана В. Т. Трофимовым и Т. И. Аверкиной. Она имеет вид таблицы-решетки. Первые четыре горизонтальных ряда представляют собой иерархическую систему регионально-геологических таксонов — неотектонических структур 1-го, 2-го, 3-го и 4-го порядков. При этом неотектонические структуры 1-го порядка обособляются по типам глубинного строения земной коры (континентальные, переходные, океанические). Неотектонические структуры 2-го порядка классифицируются по типам мегарельефа, обусловленные типом тектонического режима на новейшем этапе развития (платформы, орогены, рифтогены). Неоструктуры 3-го порядка выделены по степени их измененности, обусловленной возрастом заложения (молодые, древние, новейшие с указанием возраста заложения). Неотектонические структуры 4-го порядка выделяются по особенностям строения верхней части геологического разреза (плиты, щиты, впадины и т. п.).
Первые четыре вертикальных ряда классификации представляют собой иерархическую систему зонально-геологических таксонов — геологических климатогенных структур. При этом под геологической климатогенной структурой понимается часть литосферы, которая сложена породами одного состояния и сформирована в результате проявления геологических и климатогенных факторов (в условиях определенной теплообеспеченности и увлажненности) как в настоящее время, так и в течение значительной, особенно заключительной, части четвертичного периода (Трофимов, Аверкина, 1996). Геологические климатогенные структуры 1-го порядка выделяются по водно-воздушным условиям поверхности среды (субаэральные и субаквальные). Геологические климатогенные структуры 2-го порядка обособляются по особенностям фазового состояния воды в породах с учетом площадного преобладания талых и многолетнемерзлых пород, их среднегодовых температур, мощности и строения ММП и т. д. Выделение геологических климатогенных структур 3-го порядка проводится с бифуркацией признаков.
В структурах 2-го порядка при наличии многолетнемерзлых пород обособление структур 3-го порядка проводится по процентному соотношению площадей талых и мерзлых пород. При распространении только талых и немерзлых пород выделение структур 3-го порядка производится по степени увлажнения верхней части разреза.
На пересечении вертикальных и горизонтальных рядов в табл. 75 обособляются инженерно-геологические структуры также четырех иерархических уровней. В общей сложности фактическое множество существующих типов инженерно-геологических структур Земли включает четыре типа суперструктур, 25 типов мегаструктур, 75 типов макроструктур, 267 типов мезоструктур.
Таблица 75. Логическое и фактическое множество
инженерно-геологических структур Земли
→ Продолжение таблицы
→ Продолжение таблицы
Подход и признаки выделения инженерно-геологических структур были использованы при составлении Карты инженерно-геологического районирования Северной Евразии масштаба 1:4 000 000 (Трофимов, Аверкина, Зилинг, 1996, 2001) и Карты инженерно-геологических структур Земли масштаба 1:35 000 000 (Трофимов, Аверкина, Спиридонов, 2001а). Легенда этих карт представляет собой двухрядную классификацию типов инженерно-геологических структур. Для их графического отображения на карте используется сочетание цветной фоновой закраски (неотектонические структуры) и штриховки разного цвета и конфигурации (геологические климатогенные структуры). Именно сочетание цвета и штриховки определяет тип инженерно-геологической структуры.
Общее и целенаправленное изучение выделенных инженерно-геологических структур Земли дает возможность более глубоко познать закономерности эволюции инженерно-геологических условий Земли в эпоху техногенеза, как длительного процесса, связанного с трансформационным взаимодействием трех групп факторов формирования и развития инженерно-геологических структур (историй геологического развития структуры, современных климатических причин и техногенного воздействия).
Использование в практике составления инженерно-геологических карт разработанного подхода к выделению инженерно-геологических структур позволяет каждой практически выделенной таксономической единице районирования занять свое место в строгой систематике инженерно-геологических структур, выделенных в соответствии с регионально-геологическими и зонально-геологическими рядами классификационных признаков; позволяет увязать инженерно-геологическое ее своеобразие с принадлежностью к определенной инженерно-геологической структуре и понять роль факторов, определяющих ее современное состояние, воссоздать историю развития и понять механизм формирования инженерно-геологических условий. В связи с этим представления об инженерно-геологических структурах и их иерархии целесообразно использовать при составлении не только обзорных, но мелко- и даже среднемасштабных карт инженерно-геологического районирования.
7.3. Инженерно-геологическое картографирование как область реализации новых компьютерных технологий создания карт
Разработка мощных и доступных всем коммерческих программ позволила внедрить методы автоматизированного картографирования в область практического использования. В настоящее время существуют два направления использования компьютерной техники при создании карт (Новаковский и др., 2000). Функциональная схема первого направления — «ввод–хранение–вывод» информации, схема второго — «ввод–хранение–обработка–вывод» информации. Использование первой схемы благодаря наличию разнообразных графических программ позволяет приобщить картографирование к современным технологиям, экономить время и средства, затрачиваемые обычно на оформление картографических материалов традиционными способами, существенно облегчает технологию издания карт.
Однако вторая функциональная схема более перспективна и высокопроизводительна. Она позволяет оперативно обрабатывать и интерпретировать огромные массивы картографических данных, накопленных в существующих инженерно-геологических картах. Для эффективного использования этих карт необходима разработка и применение новой геоинформационной технологии на основе системной компьютеризации.
Геоинформатика — это автоматизированная система сбора, хранения, анализа интерпретации и представления информации как о природной, в том числе геологической среде в целом, так и об отдельных составляющих ее компонентов. Картографирование является одной из основных целей разработки ГИС, а создание картографической продукции осуществляется часто с использованием ГИС.
Современный уровень развития компьютерной техники и программного обеспечения определил широкое внедрение геоинформационных технологий в картографию. В инженерно-геологических исследованиях стали широко использоваться цифровые, электронные и компьютерные карты (Новые типы инженерно-геологических и эколого-геологических карт, 2002).
Цифровая карта — это цифровая модель на соответствующей математической основе в выбранной проекции и номенклатурной разграфке, принятых для карт определенного назначения и тематического содержания, удовлетворяющая требованиям по содержанию, точности и надежности (Халугин и др., 1992). Иначе говоря, цифровая карта содержит целенаправленно генерализованную цифровую запись в памяти ЭВМ содержания исходной картографической информации на инженерно-геологической карте (о горных породах, геоморфологических элементах, геологических процессах и явлениях и т. д.).
Электронные карты получают путем преобразования цифровых карт с помощью современных средств машинной графики и визуализации закодированных цифровых картографических данных на экране компьютера. В процессе создания электронных карт профессионал может дополнить содержание цифровых карт в соответствии с целями и задачами использования электронных карт. Он не только преобразует цифровую карту в необходимую систему условных знаков принятой легенды с учетом возможности современного компьютерного картографического дизайна, но и сознательно заложит эффективные возможности ее дальнейшего использования.
«Получаемые с помощью компьютеров электронные карты позволяют исследователю работать в диалоге с машиной и открывают широкие перспективы для оперативного построения моделей, отражающих не только статику, но и динамику явлений путем сопоставления различных объектов в пространственно-временном аспекте. Работая в интерактивном режиме с электронными картами при помощи манипуляторов, можно высвечивать, увеличивать отдельные участки изображения для детального анализа, а также совмещать их для получения синтезированной информации, отражать развитие или регрессию изучаемого явления. Организация доступа к отдельным, выбираемым по необходимости оператором, элементам карты позволяет анализировать соотношение между компонентами для более точного анализа событий» (Новаковский и др., 2000. С. 7). На экране монитора могут быть представлены одновременно несколько картографических изображений, что облегчает их сравнение и анализ.
Наличие редакторского режима дает возможность оперативно вносить изменения в моделируемую или прогнозируемую обстановку. А возможность совместного высвечивания контурного и полутонового изображения аэро- и космических снимков значительно облегчает процесс обновления карт (Васмут и др., 1992).
Возникающее на экране дисплея картографическое изображение можно оперативно оформлять в мгновенно выбираемой системе условных знаков, постоянно зрительно наблюдать и контролировать все ее изменения в процессе компьютерного составления. «Такое компьютерное изображение, продублированное в цифровой памяти ЭВМ, представляет собой удобную имитационную модель для рассмотрения и машинного анализа различных ситуаций при планировании строительства промышленных и гражданских объектов, проектировании оптимальных дорожно-транспортных магистралей и т. д.» (Новаковский и др., 2000. С. 8).
При распечатке электронных карт на бумаге или другом материале путем использования современных лазерных или струйных принтеров, имеющих высокое графическое разрешение, получаются компьютерные карты. Их легко тиражировать и таким образом мгновенно реализовать издание карт, которое при обычных средствах офсетной полиграфии требует значительного времени и средств.
В настоящее время существует много программ, применяемых для создания карт. В последние годы ведущее место среди геоинформационных систем для персональных компьютеров занял ГИС-пакет Mapinfo (США, Mappinq Information System Corp.), который обладает широкими возможностями, позволяющими на его основе создавать как картографические произведения, так и геоинформационные системы; возможностями для создания и гибкого управления базами данных. Mapinfo представляет возможность разбиений карты на накладывающиеся друг на друга слои, размещением которых можно управлять.
Широкое распространение у нас получили ГИС-пакет Arc View (США), Geo Graph/Geo Draw(Россия), семейство программных продуктов ГИС-SPANS (Канада) и др. Сравнительный анализ возможностей этих и других пакетов проведен Б. А. Новаковским с соавторами (2000).
Компьютерное картографирование в инженерной геологии включает в себя автоматизацию процессов сбора, систематизации, поиска, обработки и преобразования инженерно-геологической информации и создания цифровых карт. Сложность в том, что не всякая инженерно-геологическая карта поддается математической формализации, автоматизированному построению. Тем не менее использование геоинформационных технологий очень актуально. К примеру, при построении инженерно-геологических карт используется большое количество карт разного типа; необходимо обобщить и интерпретировать информацию с карт геологической, четвертичных отложений, геоморфологической, гидрогеологической и др. Геоинформационная картография позволяет быстро решить эти задачи.
При решении инженерно-геологических задач все чаще встает вопрос о необходимости разработки специализированных геоинформационных систем, позволяющих проводить анализ и преобразование геополей (поля глубин залегания подземных вод, пористости пород и т. п.). Такие системы призваны помочь в постановке и решении задач прогнозного типа, задач природоохранного назначения, в принятии административных решений и в прогнозировании возможных последствий их реализации. При этом целесообразно использовать технологию компьютерного картографирования, основанную на принципе сочетания возможностей различных программных средств для ввода, редактирования, анализа, обработки и использования инженерно-геологической информации. В последнее время такие специализированные геоинформационные системы стали разрабатываться, начинают использоваться новые виды картографических изображений (например, анимация, мультимедиа), появляются новые средства получения и распространения информации при помощи Интернета. Однако пока нет единой концепции комплексного картографирования геосистем, «необходимо тщательно проанализировать выработанные методики и наметить основные пути их синтеза. Именно при решении такой задачи использование геоинформационных технологий представляет практически неограниченные возможности, прежде всего для оперативного составления и обновления карт, серий карт и атласов различной тематики, формирования сложных математико-картографических моделей для интегральной оценки различных компонентов, а также природной и техногенной среды в целом» (Новаковский и др., 2000. С.111). Главная проблема внедрения геоинформационных технологий в инженерно-геологические исследования, которую нужно решать, заключается в трудностях формализации природных и природно-техногенных отношений (Новые типы инженерно-геологических и эколого-геологических карт, 2002).