ТЕХНОГЕНЕЗ ЛАНДШАФТОВ УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ (НА ПРИМЕРЕ Г. КАРАГАНДЫ)

Введение. С самого начала существования степного города Караганды — шахтёрской столицы Казахстана, его история была связана с формированием техногенных форм рельефа и развитием техногенеза. В 1857 году на территории нынешней Караганды возник Ивановский разрез — крупная горная выработка по добыче коксующегося каменного угля. Через 70 лет, в 1931 году шахтёрское поселение было преобразовано в рабочий поселок, который в 1934 году приобрёл статус города. Дальнейшее развитие населённого пункта связано с добычей угля и с сопутствующим ей распространением характерных форм рельефа.

До середины XX века терриконы дымились по всем окрестностям Караганды, с появлением шахт началась просадка грунта, образование воронок и провалов, из-за выноса на поверхность глубинных пород начал нарушаться химический оборот веществ и естественный вид природных ландшафтов. Благодаря работе ученых и инженеров, с середины XX века многие негативные явления, связанные с техногенезом, были устранены. Однако проблемы различного характера есть сейчас и требуют решения.

Караганда является крупным городом с полумиллионным населением, где добыча каменного угля остается одной из сфер занятости населения. В то же время, город становится крупным культурным, образовательным центром с развитой социальной инфраструктурой и требует изменения своего облика.

Материалы и методы исследования. За время исследования был синтезирован, проанализирован и описан материал о техногенных формах рельефа, техногенных рельефообразующих процессах, способах устранения и предотвращения его негативных последствий на территории Караганды. Наглядный материал получен экспедиционным методом, много полезной информации было почерпнуто на территории объекта исследования, благодаря наблюдению и описательному методу. Многие способы устранения и предотвращения экологических проблем, связанных с техногенезом, применимы к большинству объектов (например, способы рекультивации карьеров и терриконов, складирование пустых вскрышных пород, очистка воздуха и воды на шахтных предприятиях), поэтому были применены традиционные общенаучные методы дедукции и индукции, метод аналогий. Благодаря геоинформационному методу, получены космические снимки техногенных форм рельефа. До 2015 года с помощью картографического метода будут созданы крупномасштабные карты техногенного рельефа и техногенного влияния на окружающую среду города Караганды [13].

Постановка проблемы. Город Караганда расположен в средней части Центрального Казахстана. Данная территория сложена каледонскими и герцинскими структурами, имеющими возраст старше 400 млн. лет. Породы смяты в складки, нарушены разломами и трещинами различного направления, прорваны интрузиями. Геологический фундамент территории сформировался до каменноугольного периода палеозоя и были созданы предпосылки для формирования крупных месторождений угля [7; 5]. Месторождения полезных ископаемых, особенно каменного угля, ставят Карагандинский район в ряд наиболее богатых и развитых в промышленном отношении горнорудных регионов. Таким образом, освоение месторождений полезных ископаемых определило формирование своеобразного рельефа, относящегося к горнопромышленному типу.

Рельеф Караганды представляет собой слабоволнистую наклонную равнину. Северную промышленную зону города разделяет долина реки Большая Букпа, к которой подходят с запада два увала — Караганда-Саранский и Караганда-Михайловский с отметками 560 и 570 метров. Район Старого города представляет собой равнину с небольшими холмами, разделенными широкими плоскодонными лощинами и рытвинами. На востоке находится равнина Майкудук с небольшими возвышенностями Уштобе и Кособа. На высоких сглаженных увалах, имеющих наклон к реке, разместился Новый город. Юго-Восточная часть города располагается на плоской равнине, которая лучше всего подходит для строительства и расширения города [2].

Техногенный рельеф сильно отличается от природного тем, что он создан за очень короткий временной срок прямым и косвенным воздействием человека на земную поверхность из пород, характерных для больших глубин [12]. По существу все строения и сооружения, созданные человеком, можно рассматривать как техногенный рельеф. К рельефу и процессам, обусловленным косвенной деятельностью человека, относятся: эрозия почв на преобразуемых территориях — ветровая и водяная, изменение береговых процессов в связи с береговыми сооружениями, провалы над штольнями (мульды оседания), образование оврагов и вымоин вдоль дорог, активизация склоновых процессов. В большинстве случаев вызванные человеком процессы являются неблагоприятными для него, но иногда их специально вызывают, используя в нужном направлении естественный процесс [3].

Город Караганда представляет особый интерес для изучения техногенного рельефа в связи с тем, что здесь встречаются все его типы и формы [наиболее полная классификация антропогенного рельефа представлена в труде Акпамбетовой К.М. «Геоморфология аридных территорий Казахстана» [1] (Таблица 1)]. Основными типами техногенного рельефа Караганды являются: строительный, горно-промышленный и подземный. Строительный рельеф распространен во всех городах. Мы остановимся подробнее на втором и третьем типах, так как с ними связаны основные экологические проблемы.

В промышленной зоне города повсеместно можно увидеть множество отвалов, терриконов и карьеров. Наиболее распространён отвал конической формы — террикон. Конические формы наиболее часто создаются при отсыпании породы опрокидывающимися вагонетками или скипами. Такой способ применялся в Караганде повсеместно до середины XX века. При открытых горных работах в зависимости от места расположения, отвалы разделяют на внутренние (создаваемые в отработанном пространстве карьера), внешние (расположенные за границами карьера) и комбинированные [9]. В промышленной зоне Караганды часто встречаются частично разобранные внешние отвалы конической формы. Их можно увидеть между двумя районами Караганды — Пришахтинском и Новым городом (Рис. 1).

В Караганде ведётся как шахтная, так и открытая добыча угля, поэтому здесь можно увидеть карьеры (угольные разрезы). Принцип открытой разработки заключается в том, что слои пород разделяются на горизонтальные слои — уступы, которые вынимают последовательно в направлении сверху вниз с опережением нижних слоев верхними. Так формируется характерный ступенчатый рельеф.

Таблица 1.

Классификация антропогенного рельефа Карагандинского

угольного бассейна.

В промышленной зоне Караганды развивается открытая добыча угля в нескольких карьерах. Один из них — карьер «Эколог» (Рис. 2). Подземный тип техногенного рельефа представлен в Караганде угольными шахтами. Самая большая шахта по объемам добычи угля, расположена в черте города, — шахта имени И.А. Костенко.

а                                             б

Рисунок 1. Фотография (а) и снимок со спутника (б) терриконов Пришахтинска [14, 15]

а                                    б

Рисунок 2. Фотография (а) и снимок со спутника (б) карьера «Эколог»

Размеры шахтного поля по простиранию составляют 5400/9500 метров, по падению — 1550—4750 метров. Горные работы ведутся на глубине более 840 м на 5-ти рабочих горизонтах, вскрытых 8-мью вертикальными стволами. Протяженность горных выработок составляет более 100 км. Шахта разрабатывает 8 угольных пластов большой мощности [16].

В черте города также имеются различные мезоформы аккумулятивного и денудационного техногенного рельефа в виде ям, выемок, насыпей, траншей и т. д. Техногенный рельеф Караганды характеризуется разнообразием и большим количеством форм, территория в черте города представлена ландшафтами, в которых техногенное влияние на окружающую среду достигло больших масштабов. До середины XX века в Караганде было около сотни терриконов, которые непрерывно горели. Воздух постоянно загрязнялся продуктами горения и угольной пылью [10]. С того времени многое изменилось, благодаря деятельности ученых и инженеров, которые работали в Караганде. Но это не значит, что работа на этом заканчивается. Молодые специалисты XXI века могут изменить облик и экологию города в лучшую сторону, сделать его чище и благовиднее. Это касается и рельефа Караганды.

Изменения рельефа города происходят в процессе вскрышных работ и добычи полезных ископаемых. При этом возникают карьеры, рудники, шахты, провальные воронки и терриконы. В соответствии с технологией разработок в карьерах создаются уступы и террасы. Кроме скульптурных форм рельефа развиваются аккумулятивные образования, которые сложены осыпающимися породами и грунтом, распространены на террасах нижних уровней карьеров или у подножий терриконов. Такие формы рельефа обычно сложены из пустых пород. На площадках уступов можно видеть аккумулятивные формы рельефа — конусы выноса, накопившиеся за счет осыпания, обваливания и оползания. Возникшие в результате разработки карьеров техногенные формы и микроформы рельефа начинают подвергаться влиянию склоновых экзогенных процессов. В результате эти процессы могут привести к деградации почв и полному исчезновению растительности. Постоянная работа склоновых процессов постепенно приводит к сглаживанию и уничтожению неровностей рельефа [2]. Активизируются процессы линейной эрозии, дефляции, суффозии, образования оврагов и вымоин. Эти изменения рельефа создают нетипичные для региона почвообразующие процессы и микроклимат. Химические и физические характеристики новых грунтов находятся в зависимости от состава пород, вовлеченных в техногенез. Создание карьера на определенной территории приводит к тому, что у обширного района появляется новый базис эрозии, активизируются склоновые процессы. Пример этого можно увидеть на Федоровском угольном разрезе, который превратили в водохранилище. На его берегах можно наблюдать вымоины, образовавшиеся в результате водной эрозии (Рис. 3). Как видно из рисунка, из-за вымывания почва лишается гумуса, засаливается, остается без растительности. При дальнейшем развитии процессов может продолжиться деградация почв местности, будут образовываться овраги.

Рисунок 3. Вымоины на берегу Федоровского водохранилища.

Другие экологические проблемы исследуемой территории связаны с отвалами пустых и некондиционных пород. Благо то, что все терриконы были потушены до 80 гг. XX века. Дело в том, что из-за низкой технологичности процесса добычи в начале прошлого века большое количество угля попадало в отвал, где под действием солнца высокого давления и доступа кислорода он загорался. Отвалы изначально являются вредными для экологии. В частности, если на поверхность поднята порода с кислой реакцией, то такие отвалы очень долго не покрываются растительностью и становятся источниками запыления [1]. На территории Караганды и всего угольного бассейна имеются шахты, которые уже закрыты. Во многих из них не была проведена надлежащая рекультивация и сейчас на их месте возникают провалы — мульды оседания. В результате образования таких провалов активизируются негативные процессы, описанные выше. Особенно эти проблемы проявились на территории Старого города, располагающийся на обширной территории между двумя районами Караганды — Пришахтинском и Майкудуком. Здесь жилые постройки находились в непосредственной близости от шахт и карьеров. Из-за оседания грунта строения начали разрушаться и проседать, население пришлось переселить в другие районы. Надо отметить, что на территории исследования наблюдается также загрязнение воздуха пылью и газами. Выбросы метана, сброс в реки, озера и водохранилища грязных шахтных вод и т. д. — все это всегда сопутствует добыче полезных ископаемых и образованию техногенных форм рельефа.

Обсуждение результатов. С целью восстановления нарушенных, подработанных земель, ликвидации техногенных зон, формирования культурного ландшафта в 1978 году на территории исследования было создано Управление по профилактике, тушению породных отвалов и рекультивации земель (УПТР). Все горевшие терриконики были потушены, отработанная порода использовалась для засыпки провалов, строительства дорог, дамб, выравнивания местности (Рис. 4). Ежегодно в результате деятельности шахт, разрезов и обогатительных фабрик накапливались миллионы тонн породы и нарушались до 150—200 га земли. Была разработана технология технической рекультивации земли, которая включала в себя выравнивание поверхности и завершалась посевом многолетних трав и посадкой древесных культур. Подбором видов растительности, пригодных для таких целей, занимались научные сотрудники Карагандинского ботанического сада и Целиноградского сельскохозяйственного института. Успешно прошли испытания берёза бородавчатая, боярышник алтайский, вяз пушистоветвистый, шиповник Беггера. Начиная с 70-х гг., благодаря разработанным технологиям, были рекультивированы тысячи гектаров нарушенных земель [10].

Рисунок 4. Один из разобранных терриконов Пришахтинска

По мнению ученых, лучшим способом рекультивации техногенных новообразований является создание биологической «пленки» на их поверхности. Горные породы вскрыши Караганды не являются токсичными, поэтому с течением времени могут быть вовлечены в биологические программы. Сразу после отсыпки они имеют повышенные кислотно-щелочные показатели, но после длительного воздействия внешних факторов эти характеристики усредняются. Следовательно, отвалы можно разравнивать и создавать на их месте зелёные насаждения.

Для создания зоны отдыха на месте бывшего Фёдоровского угольного разреза было сооружено водохранилище с площадью зеркала около 5 км² и объёмом 83 млн. м³ [11]. Предварительно берега были выположены, засыпаны песком, посажены деревья. Создание водохранилища в тот период являлось оптимальным решением проблемы. Но сегодня становится понятно, что у этого решения были и минусы. Дело в том, что водохранилище заполнялось водами реки Сокур в течение нескольких лет. В результате пострадали фауна и флора реки ниже по течению, был нарушен ее режим. Кроме того, воды водохранилища загрязнялись, вступая в контакт со вскрышными породами и угольной пылью. Если бы проблема рассматривалась с позиции существования выработанного карьера, то идеальным ее решением было бы следующее. Необходимо было засыпать карьер выработанными породами, сравнять с окружающим рельефом местности и создать зеленые насаждения на его территории, предотвратив, таким образом, развитие процессов эрозии и деградации. Таким образом можно было создать ландшафт, близкий к природному, и не нарушающий процессы, протекающие в экосистеме.

Вода всегда была ценным ресурсом для Караганды. Но минерализованные шахтные воды — это тоже источник загрязнения окружающей среды. Начиная с 70-х гг. на шахтах и карьерах Караганды начали строить водоочистные комплексы, вода которых может повторно использоваться для технического водоснабжения. До 1980 года на шахтах было построено 18 очистных сооружений, которые очищали до 76 тыс. м³ воды в сутки. Использование очищенных шахтных вод на технические нужды позволило снизить расход питьевой воды и сброс, загрязняющий реки, водоёмы и грунтовые воды. На шахтах существуют водосборники объемом от 1 до нескольких тысяч кубических метров. Они сооружаются с целью сокращения количества взвешенных частиц в воде. Хлораторные установки позволяют качественно очищать и обеззараживать шахтные воды. В штольнях имеются водоотливные канавки. Все это входит в систему очистки шахтных вод.

Все шахтные предприятия делают отчисления в областной фонд охраны природы, но эти отчисления едва ли покрывают экологический ущерб. Шахта «Абайская» платила за сброс отработанных вод до 30 миллионов тенге в год, пока инженерами не было предложено сбрасывать неочищенную воду в выработанное пространство бывшей шахты «Шерубай-Нуринская». Хотя воды из шахты могут посредством инфильтрации просачиваться и смешиваться с грунтовыми. В таком случае необходима тщательная предварительная очистка, но данный вопрос требует подробного изучения. В настоящее время очистные сооружения на шахтах обеззараживают свыше 8 млн. м³ воды в сутки. С пуском очистных сооружений на шахте им. Костенко объём очищенной воды составил свыше 3 млн. м³ [4].

Одним из источников загрязнения атмосферы являются котельные шахт. Для того чтобы снизить выбросы вредных веществ в атмосферу, помимо ликвидации террикоников, на шахтах бассейна была произведена замена котлов устаревшей конструкции на более совершенные, котельные были оснащены газопылеулавливающими устройствами. Был усилен контроль за эксплуатацией пылеулавливающих устройств и выбросы в атмосферу значительно снизились. На шахтных предприятиях вредные выбросы в атмосферу составляют ежегодно несколько тысяч тонн, в том числе вредных оксида углерода, сернистого ангидрида и др. Выбросы метана в атмосферу на шахтах угольного департамента составляют свыше 80 млн. м³. Как известно, метан — один из активных химических газов, вызывающих разрушение озонового слоя и создание парникового эффекта. Метан в 22 раза активнее, чем углекислый газ. Сейчас метан утилизируется в котельных шахт, но необходим поиск более инновационных подходов к его уничтожению, либо применению [6]. Шахты Караганды ежегодно извлекают на поверхность до миллиона тонн вскрышных пород, 600 тысяч из которых используется, в основном, на засыпку карьеров. Но ещё почти пятьсот тысяч тонн уходит в отвалы. Как полнее использовать пустые породы — это вопрос, который еще предстоит решить [10]. Примеры применения пустых вскрышных пород можно находить повсеместно, и даже на территории близ корпусов Карагандинского Государственного Университета. Гора лыжной базы насыпана из привезенных вскрышных пород, насыпи транспортных путей автозаправочных станций отсыпаны из того же материала.

Заключение. Исходя из вышесказанного, можно сделать следующие выводы. Техногенный рельеф города Караганды представлен различными типами, но экологические проблемы связаны, в основном, с горно-промышленным (терриконами, карьерами, выемками, просадочными котловинами) и подземным (шахтами, штольнями, шурфами). Эти формы повсеместно распространены в промышленной зоне города. Существуют прямые и косвенные проблемы, связанные с техногенным рельефом. К прямым относятся горение терриконов (данная проблема уже решена); нарушение круговоротов вещества и энергии, разрушение внешнего облика природных ландшафтов. К косвенно связанным с техногенным рельефом проблемам относятся: ускорение процессов эрозии и деградации на территории карьеров, котловин и выемок; опасность провалов и оседания поверхности в районах шахт, обвалов пород на разрушенных склонах терриконов, нарушение тока и загрязнение грунтовых вод в карьерах и шахтах; загрязнение атмосферы пылью, сажей, метаном, углекислым газом и др.

Существует множество способов и путей решения этих проблем. Благодаря оперативной работе ученых, инженеров и рабочих была решена проблема горящих терриконов, внедрено оборудование для очистки шахтных вод и воздуха от вредных примесей, использовано огромное количество пустой породы на отсыпку дорог, заполнение старых карьеров, шахт и провалов.

В настоящее время город Караганда развивается преимущественно в Юго-Восточном направлении — в сторону от промышленной зоны. Но это не значит, что «использованные» территории не должны быть рекультивированы. Человек не может переходить на другое место, разрушая все новые и новые территории. Это противоречит экологическим принципам. Сейчас эта тема является актуальной — можно найти множество отдельных проектов рекультивации территорий, нарушенных техногенезом. Существуют футуристические, даже несколько фантастические проекты рекультивации территорий карьеров. Значит не только научные, но и творческие умы человечества работают в данном направлении.

Список литературы:
1.    Акпамбетова К.М. Геоморфология аридных территорий Казахстана: Учеб. пособие. Ч. 2. — Караганда: Изд-во КарГУ, 2002. — 113 с.
2.    Акпамбетова К.М. Городской рельеф как объект исследования геоморфологии — [Электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://www.rusnauka.com/27_NII_2008/Geographia/35362.doc.htm
3.    Геологический словарь: в 2-х томах. — М.: «Недра» / Под редакцией К.Н. Паффенгольца и др., 1978.
4.    Горшков В.А. Очистка и использование сточных вод угольной промышленности, — М.: Недра, 1981. — 169 с.
5.    Инженерная геология СССР. Урал, Таймыр и Казахская складчатая страна / Под ред. В.П. Бочкарева, — М.: Наука, 1990, С. 318 — 366.
6.    Ищук И.Г., Поздняков Г.А. Средства комплексного обеспыливания горных предприятий. Справочник. — М.: Недра, 1991. — 252 с.
7.    Кушев Г.Л. Карагандинский угленосный бассейн, — Алма-Ата: Изд-во АН Каз ССР, 1963. — 343 с.
8.    Леонтьев О.К., Рычагов Г.И. Общая геоморфология, — М.: Высшая школа, 1988. — 198 с.
9.    Малая горная энциклопедия / Под ред. В.С. Былецкого, — Донецк: «Донбас», 2004.
10.    Новиков В.Я. Природа всегда права [Электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://novikovv.ru/glava-6-na-sluzhbe-karagandinskomu-basseynu/priroda-vsegda-prava
11.    Нургалиев Р.Н. Караганда. Карагандинская область. Энциклопедия, — Алма-Ата: «Казак энциклопедия», 1986. — 344 с.
12.    Пиотровский В.В. Геоморфология с основами геологии, — М.: Недра, 1977. — 288 с.
13.    Симонов Ю.Г. Геоморфология: методология фундамент. исследований: учеб. пособие, — СПб.: «Питер», 2005. — 426 с.
14.    Фотоматериалы Шадского Е.Е.
15.    [Электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://maps.yandex.ru
16.    Mining Wiki, Свободная шахтерская Интернет-энциклопедия — [Электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://miningwiki.ru