Закономерности преобразования основных компонентов геологической среды Санкт-Петербурга при захоронении болот

ГЕОЛОГИЯ

УДК 624.131.1+551.435

О. Ю.АЛЕКСАНДРОВА

Геолого-разведочный факультет, магистрант группы РГОм-96,

ассистент профессора

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ОСНОВНЫХ КОМПОНЕНТОВ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ САНКТ-ПЕТЕРБУРГА ПРИ ЗАХОРОНЕНИИ БОЛОТ

В настоящее время при оценке геоэкологических условий территории города не уделяется должного внимания существованию погребенных болот. Известно, что к моменту заложения города 75 % его площади было заболочено. Полное снятие болотных отложений проводилось только при их мощности, не превышающей 3 м. Более глубокие болота, а также заболоченные участки оказались погребенными и продолжают «жить», являясь наиболее активным геоэкологическим элементом подземной среды города. Хотя болотные воды вне зон техногенного загрязнения характеризуются низкой минерализацией и преимущественно гидрокарбонатно-натриевым, реже кальциевым составом, они играют значительную роль в формировании физико-химической и биохимической обстановки подземного пространства города. В таких обводненных разрезах, содержащих болотные отложения, отмечаются резко выраженные восстановительные условия. Кроме того, отмечается активизация микробиологической деятельности на значительную глубину, поскольку болотные отложения содержат разнообразные физиологические группы микрофлоры.

Болотные отложения служат активным природным сорбентом для тяжелых металлов, а также ряда органических загрязнителей. С одной стороны, микробиологическая активность и разнообразие болотных биоценозов приводит к деструкции органических поллютантов. С другой стороны, деятельность биотической компоненты обычно сопровождается биохимической газогенерацией. В подземном пространстве Санкт-Петербурга наблюдается образование метана, азота, сероводорода, углекислого газа и др. Малорастворимые газы (метан, азот) будут воздействовать на напряженно-деформированное состояние песчано-глинистых пород, способствуя развитию грязевых выбросов, а при наличии метана -самовозгоранию. Растворимые и хорошо растворимые в воде газы обычно формируют коррозионную среду по отношению к металлам, бетонам и другим строительным материалам.

Выполненные в СПГГИ исследования по влиянию погребенных болот на экологическое состояние города позволили выделить и оконтурить зоны с наиболее высоким уровнем проявления негативных процессов, определяющих безопасность освоения и использования подземного пространства Санкт-Петербурга.

Buried peatbogs have not been paid proper attention to in studies of geo-ecological situation below the city territory in recent years. It is a well-known fact, that at the moment of its foundation peatbogs occupied up to 75% of the city territory. Boggy deposits were being taken off only from shallow peatbogs (2-3 metres in depth). Deeper peatbogs and water-logged grounds became buried and continued to live, being the most ecologically active part of the city subterranean life. Although boggy waters outside man-caused contamination zones are characterised by low mineralization and mainly sodium bicarbonate (occasionally calcium bicarbonate) composition, they play a significant role in creating physical-chemical and biochemical situation below the city. Acute reduction processes are obvious in these waterlogged sections when they contain

6 -

ISSN 0135-3500. Записки Горного института. T.150. Часть 1

bogged deposits. Furthermore, microbiological activity is very aggressive and penetrate to considerate depth, as bogged deposits contain various kinds of physiological groups of micro-flora.

Bogged deposits serve as an active natural sorbent for heavy metals and also for a number of organic contaminants. On the one hand, microbiological activity and variety of boggy biocenoses lead to organic pollutant destruction. On the other hand, biotic activity is usually accompanied with biochemical gas generation. Methane, nitrogen, hydrogen sulphide, carbon dioxide and other compounds are observed to be constantly generated below Saint-Petersburg. Gases of low solubility (methane, nitrogen) will affect the strained state of clays and sands, promoting mud and gas outbursts (and if methane is present - spontaneous combustion). Gases of high and normal solubility usually form corrosive environment which affects metals, concrete structures and other construction materials.

Investigations of buried peatbogs impact on ecological situation in the city, carried out at the Saint-Petersburg State Mining Institute, enabled pointing out and contouring of the zones that have the most negative effect on development and exploitation of the city underground.

В настоящее время важное значение для оценки характера и направленности изменения песчано-глинистых грунтов, а также развития некоторых процессов в подземном пространстве Санкт-Петербурга имеют погребенные в период освоения территории болотные массивы. К моменту возведения Петербурга в его островной части широкое распространение имели болота низинного типа, которые занимали более 50 % площади. В материковой части города заболоченные участки прослеживались в виде широкой полосы вдоль Невы (правобережная часть), а также южнее Обводного канала (по широте действующих станций метрополитена «Кировский завод» - «Электросила» - «Ломоносовская»). В связи с более высокими абсолютными отметками здесь преобладали болота верхового типа. В ХУШ-Х1Х вв. полное снятие болотных отложений при освоении территории проводилось только при их мощности, не превышающей 3 м. Более глубокие болота, а также заболоченные участки оказались погребенными и продолжают «жить», являясь наиболее активным геоэкологическим элементом подземной среды города.

Болотные воды вне зон техногенного загрязнения характеризуются низкой минерализацией и преимущественно гидрокар-бонатно-натриевым, реже кальциевым составом. Обычно минерализация болотных вод не превышает 100 мг/л. Наименее минерализованы воды верховых и переходных типов болот (5,0-40,0 мг/л), которые характеризуются высоким содержанием органических веществ и значениями величины рН в пределах 3-6. Воды низинных болот более

минерализованы (до 300 мг/л), по составу и концентрации компонентов они обычно близки к грунтовым водам того же района. Различия в химическом составе между водами торфяников и грунтовыми водами обрамления, прежде всего, касаются содержания соединений серы и железа. Как правило, восстановленные формы серы для торфяников не характерны, соединения серы обычно обнаруживаются в малых количествах при условиях инфильтрации БО/}2" с атмосферными осадками. В торфяных водах отмечается повышенное содержание растворенного железа в ионной форме, а также в комплексной с гуминовыми и фульвокислотами. Абсолютные количества и относительная роль железа в гидрохимическом балансе зависят от степени заторфованности территории. Часто в водах торфяников железо является одним из основных компонентов, несмотря на пониженную в целом минерализацию. Это объясняется влиянием длительного контакта обогащенных органическим веществом кислых торфяных вод с минеральными породами ложа.

В непосредственной связи с минеральными аккумуляциями в торфяниках находится их газовый режим, особенно концентрация С02 и Ог. Концентрация кислорода в почвенном воздухе и торфяных водах определяет окислительно-восстановительные условия минеральной системы и все те взаимоотношения окисных и закисных форм железа, которые столь широко представлены в торфяниках. Концентрация СО2 и О2 в жидкой и газовой фазе торфяников связана главным образом с биохимическим дыханием почв. Известно, что болотные от-

- 7

Санкт-Петербург. 2002

ложения содержат разнообразную микро-биоту. Так, бактериальную флору осоковых торфов характеризуют данные, приведенные в таблице.

Формы бактерий Физиологические группы Численность, клетки/г

Анаэробные Аммонифицирующие 106-107

Сульфатредуцирующие 106

Целлюлозоразлагающие ЮЧО4

Факультативные Денитрифицирующие 106

Аэробные Нитрифицирующие 104

Тионовые 10"-105

Целлюлозообразующие 102

Выделение углекислого газа увеличивается в летний период и уменьшается в холодное время года, а концентрация кислорода воздуха находится в обратной зависимости от СОг- Изменения в газовом составе тесно связано с изменениями гидротермических условий и, как следствие, - с изменениями интенсивности биохимических процессов. В более глубоких слоях торфяников скорость продуцирования двуокиси углерода понижается, и формирование бескислородной среды создает условия для накопления метана, содержащего лишь небольшую примесь СОг. Метан накапливается в тех торфяниках, нижние слои которых находятся в полной изоляции от атмосферного воздуха и характеризуются активизацией анаэробных форм микроорганизмов и связанных с ними процессов газообразования. Установлено два основных типа биохимического образования метана: брожение уксусной кислоты, в результате которого из метальной группы образуется непосредственно метан (СНзСООН -> СН4+ С02); восстановление СОг молекулярным водородом Нг (4Н2 + СОг —> СН4+2Н2О). Современные исследования показывают, что генерация метана обычно наблюдается при большом разнообразии физиологических групп микроорганизмов, а метанообразующие бактерии обычно подключаются на заключительных стадиях метаногенеза.

При инженерной подготовке и освоении территории города захоронение болот под толщей техногенных образований, имеющих малую газо- и водопроницае-

мость, ведет к преобразованию физико-химической и биохимической обстановки в разрезе торфов и нижележащей толщи. В таких условиях величина ЕЬ снижается до -(100-200) мВ и менее. Уничтожение зоны аэрации приводит к изменению состава и возрастанию численности анаэробной микрофлоры, что создает условия для активного биохимического газовыделения. В последние годы интенсивность газопроявлений на территории Санкт-Петербурга значительно возросла. Зафиксированы десятки случаев газовыделения, сопровождавшихся выбросами газонасыщенных разжиженных грунтов и возгоранием метана. Однако реальное число участков газообразования значительно больше, так как фиксируются чаще всего эпизоды, имеющие аварийный характер. Неоднократно они отмечались в Центральном, Фрунзенском, Невском и Красногвардейском районах, в Купчино и др. Газогенерация осложняет проходку шахтных стволов, эскалаторных и перегонных тоннелей метрополитена, фиксируется при строительстве подземных сооружений неглубокого заложения, вскрытии котлованов, бурении скважин и пр. В составе газовых смесей преобладают метан и углекислый газ, содержание азота, как правило, не превышает 2-3 %. Анализы изотопного состава газов показали, что они имеют преимущественно биохимическое происхождение.

Зоны погребенных болотных массивов в Санкт-Петербурге являются потенциально опасными в отношении биохимической газогенерации не только метана и углекислого газа, но и сероводорода. Перманентные утечки из городской канализационной системы, выбросы очистных сооружений изменяют гидрохимический режим болотных массивов, привнося в большом количестве такие загрязнители, как ЗО,»2"", СГ, а также являются поставщиками техногенного лег-коокисляемого органического вещества и микрофлоры. При техногенном загрязнении болотных вод сульфатами имеет место процесс восстановления серы при участии сульфатредуцирующих микроорганизмов,

8 -

ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.150. Часть 1

которые в большом количестве находятся в болотных отложениях, где существует благоприятная среда для их жизнедеятельности. В пределах исторической части города в песчано-глинистых отложениях, обогащенных органикой, повсеместно отмечается выделение сероводорода и формирование гид-ротроилита в виде черных сажистых пятен. Биохимическая сульфатредукция обычно протекает по следующей схеме: 8РТ1"] + + 8С>42"—» Н28 + ЗН20 + 20Н~

Болотные отложения служат природным сорбентом в отношении тяжелых металлов, а также ряда органических загрязнителей, которые активно поступают в подземную среду с канализационными стоками и утечками из дренажно-ливневой системы. С одной стороны, микробиологическая активность и разнообразие обогащенной микрофлоры приводит к деструкции органических поллютантов, в том числе нефтепродуктов. С другой стороны, деятельность биотической компоненты, которая мигрирует вниз по разрезу на большую глубину, определяет специфику негативных изменений инженерно-геологических особенностей песчано-глинистых пород. Наиболее существенное влияние на песчано-глинистые породы оказывают совместное действие погребенных болот и дополнительное поступление утечек из канализационной сети. Песчаные отложения под болотами и заторфо-ванными грунтами имеют низкую водопроницаемость, водоотдачу и часто характеризуются как плывуны.

Существование болот на моренных глинистых отложениях приводит к появлению особого типа этих образований, несущих на себе все признаки оглеения, что сказывается на их внешнем облике, составе и физико-механических свойствах. Подобные морены имеют сизые, темно-серые, голубоватые и зеленоватые оттенки, более высокую степень дисперсности и газонасыще-

ния. Эти отложения обогащаются органическими остатками биотического и абиотического генезиса. Как правило, отмечается высокая микробиологическая пораженность пород, в некоторых случаях - газообразование. Бескислородная среда определяет процессы разрушения цементационных связей, а жизнедеятельность микроорганизмов приводит к образованию биопленок, которые играют роль «смазки» и преобразуют структурные связи в породах. В таких разрезах с высоким уровнем загрязнения часто отмечается мягкопластичная, реже текучепластич-ная консистенция морены, высокое содержание бактериальной массы, малые величины угла внутреннего трения, модуль общей деформации обычно не превышает 3,0 МПа.

Биохимическая генерация растворимых в воде газов - диоксида углерода, сероводорода- способствует повышению агрессивности подземных вод по отношению к строительным материалам и конструкциям, причем активизация этого процесса предопределяет усиление особого вида коррозии - биокоррозии, которая в большинстве случаев сопутствует другим видам разрушения строительных материалов. Анаэробная биокоррозия весьма опасна по отношению к железным трубам, которые широко применяются для строительства инженерных коммуникаций. Ионизация железа активно протекает во влажной анаэробной среде согласно реакции 4Ре + + 8Н+—* 4Ре2+ + 4Н2. Пленка из молекулярного водорода в присутствии сульфатредуци-рующих бактерий разрушается, и дальнейшее преобразование железа в присутствии сероводорода происходит по схеме 4Ре2++ + Н28 + 20Н + 4Н20 РеБ + ЗРе(ОН)2 +

+ 6Н* Подобная биокоррозия протекает достаточно быстро.

Для предупреждения опасных выбросов метана необходимо устройство мониторинговых скважин в местах наиболее вероятной

_ 9

Санкт-Петербург. 2002

генерации в виде разгрузочных с одновременным контролем содержания газов в грунтовом и атмосферном воздухе. Во избежание негативных последствий захороне-

ния болотных массивов при освоении территории их необходимо снимать и заменять хорошо промытыми песками.

Научный руководитель профессор, д.г.-м.н. Р.Э.Дашко