Строительство плотин — это лишь пункт в длинном списке инженерных мероприятий, связанных с поверхностными водами. Улучшение рек и гаваней в широком диапазоне также включает геологические факторы. Проблемы волнового воздействия, береговых течений, смещения берегов, эрозии и седиментации, которые имеют большое значение в таких операциях, давно занимают внимание геолога. Они относятся особенно к отрасли науки, известной как физиография.
Геология в отношении запасов подземных вод обсуждается в главе V.
ТУННЕЛИ
Рытье туннелей для транспортных целей, для акведуков и для удаления сточных вод требует тщательного анализа геологических условий в отношении как горных пород, так и подземных вод. Знание этих условий необходимо при планировании работы, при приглашении к участию в торгах и при подаче заявок. Это необходимо в ходе выполнения работы. Слишком часто в прошлом катастрофические последствия, как физические, так и финансовые, возникали из-за отсутствия учета элементарных геологических условий.
Строительство великих нью-йоркских акведуков и метрополитенов через высокосложные кристаллические породы проходило под самым пристальным геологическим консультированием и надзором. Детальное изучение геологии острова Манхэттен в течение долгого ряда лет привело к пониманию горных пород и их структур, что было весьма практично. При строительстве акведука виды пород, с которыми предстояло столкнуться на различных участках, их содержание воды, их твердость, их стыки и разломы — все это было нанесено на карту и спланировано, и фактическая выемка доказала точность прогнозов. Интересной фазой этой работы была проходка туннеля под Гудзоном в местах, где доледниковое скальное русло было погребено на глубину почти тысячи футов ледниковыми и речными отложениями — эта работа требовала тщательного изучения физиографической истории реки.
ОПОЛЗНИ
Оползни земляных и скальных материалов, как ползучего, так и внезапного типов, часто рассматривались как акты провидения, но исследования геологических факторов во многих случаях выявили предотвратимые причины. Возникла значительная геологическая литература со ссылками на оползни, которая практически полезна при земляных работах многих видов.
Причиной таких движений является гравитация. Более мягкие, несцементированные горные породы, разумеется, поддаются легче, чем твердые, но даже прочные породы часто не способны противостоять силе тяжести. Относительная слабость массивов горных пород в крупном масштабе была наглядно продемонстрирована Чемберлином и Солсбери [66] в расчете, показывающем, что масса средне-твердой породы толщиной в одну милю, изогнутая по кривизне Земли, может выдержать слой собственного материала толщиной лишь около десяти футов. Структурный геолог, изучая складки, разломы и пластические деформации горных пород, начинает рассматривать породы по существу как разрушающиеся структуры.
Нарушения равновесия, приводящие к движениям горных пород под действием гравитации, могут быть вызваны локальной нагрузкой, как естественной, так и искусственной. Естественная нагрузка может быть обусловлена необычными осадками, повышением уровня воды или увеличением барометрического давления. Искусственная нагрузка может возникнуть в результате строительства тяжелых зданий или плотин. Движение также может быть следствием выемки грунта, которая лишает породу боковой опоры, — и такая выемка, в свою очередь, может быть вызвана естественными процессами эрозии или искусственными процессами, связанными со строительством. Движение может быть вызвано простым изменением влажности горных пород или изменением их минерального и химического состава, влияющим на их сопротивление гравитации. В других случаях первопричиной движения являются землетрясения.
В несцементированных породах частой причиной движения является наличие влажных и скользких глинистых слоев. Выявление и дренирование этих глинистых слоев может устранить эту причину. В некоторых песках, напротив, вода может фактически действовать как цемент и способствовать увеличению прочности породы. Плоскости ослабления в породе, такие как напластование, трещины и кливаж, также склонны локализовать движение.
Земные материалы и даже довольно твердые горные породы могут сползать под действием гравитации при удивительно малом угле наклона. Угол к горизонту, при котором рыхлый материал может находиться на горизонтальном основании, не сползая, называется углом естественного откоса. Он часто составляет от 30° до 35°, но существует значительный разброс этого показателя в зависимости от формы и размера частиц, а также от других условий. Было высказано предположение, что даже незначительные различия в высоте континентов и морского дна могли в течение долгих геологических эр вызывать сползание континентальных масс в сторону океана.
В задачах, связанных с оползнями, геолог занимается определением типов горных пород, их пространственных соотношений, структур и текстур, их метаморфических изменений, содержания в них воды и характера движения воды, их прочности как при растяжении, так и при сжатии, а также другими факторами.
При строительстве Панамского канала была привлечена группа геологов для изучения встречающихся горных и земляных формаций. Однако если бы на этапе планирования больше внимания уделялось геологическим вопросам, то это грандиозное предприятие, столь тщательно проработанное с чисто инженерной точки зрения, позволило бы избежать определенных ошибок, вызванных недостаточным пониманием геологических условий. Любопытно, что на ранних этапах не проводились испытания горных пород на прочность и не выполнялось тщательное детальное изучение геологических факторов, влияющих на оползни и их предотвращение. Только после того, как оползни стали серьезной проблемой, геологические аспекты предмета были подвергнуты интенсивному рассмотрению. Таким образом, результаты геологического исследования полезны лишь для профилактических мер в будущем и для других проектов. Одной из интересных особенностей этого исследования стало открытие того, что некоторые формации мягких пород становились слабее, а не прочнее в результате отвода воды. Ранее более или менее предполагалось, что вода действовала как смазка, а не как цемент.
ОСЕДАНИЕ
Не менее важное применение геологии к оползням относится к глубоким горным работам. Хотя горный геолог был в основном занят разведкой и разработкой руд, теперь его начинают привлекать для интерпретации масштабных земных движений, вызванных проседанием грунта над горными выработками. Например, применение системы длинных столбов при добыче угля привело к медленному прогрессирующему оседанию вышележащих горных пород, затрагивающему вышележащие пласты полезных ископаемых и поверхностные сооружения на обширных территориях. Были проведены детальные исследования этого движения, чтобы установить его связь с прочностью и структурой горных пород, его связь с характером выработки, скоростью передачи деформаций и возможными методами предотвращения. Немецкие ученые, пожалуй, продвинулись в этом виде исследований дальше всех. В ходе тщательного исследования оседания над угольной шахтой в Иллинойсе [67] были получены необычайно полные данные о характере, направлении и скорости передачи напряжений через крупные массивы горных пород, а также об их влиянии на формирование вторичных структур в породах.
ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО
При строительстве железных дорог планирование и расчет выемок и насыпей в настоящее время получают геологическое обоснование, чтобы убедиться, что не было упущено ни одно геологическое условие, которое повлияет на затраты, устойчивость пути или точное составление контрактов. Определение лучших источников балластного материала также является геологической задачей (см. стр. 90-91).
Физиографические аспекты геологии также находят важное применение в железнодорожном строительстве. Физиограф изучает формы поверхности тренированным взглядом, который видит их не как беспорядочные или неоднородные единицы, а как части топографической системы, и он способен исключить много ненужной работы при выборе пробных маршрутов. Дальнейшее изучение некоторых старых железных дорог с этой точки зрения привело к значительным улучшениям. Физиографическое исследование также применялось при строительстве железнодорожных мостов для оценки трудностей при преодолении водных преград. Еще более широкое использование физиографии или географии, не всегда понятное широкой публике, иллюстрируется на примере некоторых трансконтинентальных железных дорог при изучении вероятного будущего развития территории, которую они будут обслуживать — многие особенности которого можно с некоторой точностью предсказать на основе изучения горных пород, почв, топографии, условий транспортировки и природных условий, способствующих локализации городов. В некоторых случаях выбор места для новых городов основывался на такого рода предварительных исследованиях.
При прокладке железной дороги на Аляске вблизи края временно спокойного ледника проблемы не заставили себя ждать, так как ледник на самом деле был не таким устойчивым, как казалось неспециалисту. Специалист по ледникам, знающий их поведение, их связь с осадками, их связь с землетрясениями, скорость их движения и периодичность их движения, был в конечном итоге приглашен для консультации по вопросу выбора маршрута железной дороги.
ДОРОЖНОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО
Дорожное строительство в последние годы стало грандиозным инженерным предприятием, требующим геологической помощи для поиска близлежащих источников дорожно-строительных материалов. Значительное число геологов сейчас посвящают свое внимание этой работе. Она относится не только к геологии твердых пород, но и к геологии гравия и поверхностных отложений. Некоторые северные штаты используют специалистов по ледниковой геологии для помощи в поиске подходящих запасов песка и гравия.
ГЕОЛОГИЯ В ИНЖЕНЕРНЫХ КУРСАХ
Многие инженерные курсы включают элементарные геологические исследования в знак признания тесной связи между геологией и инженерией. Люди, прошедшие такую подготовку, хотя и не являясь геологами, были ответственны за многие применения геологии в инженерии. С увеличением масштабов и важности операций, требующих большей специализации, профессиональный геолог в настоящее время привлекается в большей степени, чем раньше. Логической тенденцией также является получение геологом дополнительной инженерной подготовки с целью реализации этих приложений своей науки.
СНОСКИ:
[64] Отличные тексты по этой теме можно найти в книге «Военная геология и топография» под редакцией Герберта Э. Грегори, подготовленной и изданной под эгидой Отдела геологии и географии Национального исследовательского совета, Yale Univ. Press, Нью-Хейвен, 1918 г., и «Инженерная геология» Г. Риса и Т. Л. Уотсона, Wiley and Sons, Нью-Йорк, 2-е изд., 1915 г.
[65] Этвуд, У. У., Связь оползней и ледниковых отложений с местами расположения водохранилищ в горах Сан-Хуан, Колорадо: Bull. 685, Геологическая служба США, 1918 г.
[66] Чемберлин, Т. К., и Солсбери, Р. Д., Геология, том 1, 1904 г., стр. 555-556.
[67] Шульц, Роберт С., мл., Bull. Am. Inst. Mining and Metallurgical Engrs. Готовится к печати.
ГЛАВА XXI
ПОДГОТОВКА, ВОЗМОЖНОСТИ И ЭТИКА ЭКОНОМИЧЕСКОГО ГЕОЛОГА
Экономическая геология в настоящее время является признанной и хорошо известной профессией, но до сих пор нет ничего похожего на стандартизированный курс обучения, ведущий к получению степени в области экономической геологии. Существует столько же различных видов подготовки, сколько и учебных заведений, в которых преподается геология. Внутри одного учебного заведения также редко можно встретить двух человек, которые проходят точно одинаковые группы геологических дисциплин. Эта ситуация дает широкую свободу в выборе подготовки для удовлетворения постоянно меняющихся требований, но в других отношениях она не столь желательна.
ЧИСТАЯ НАУКА ПРОТИВ ПРИКЛАДНОЙ
Ни в одном учебном заведении не преподаются все прикладные отрасли геологии. Существует постоянное давление в пользу введения большего количества прикладных курсов; это, по-видимому, является тенденцией времени. Экономический геолог, полный ярких впечатлений от работы в своей специальной области, часто настаивает на введении нового курса, охватывающего его конкретную специализацию. Однако любая попытка включить в университетский курс значительную часть прикладных аспектов геологии означала бы вытеснение более важных фундаментальных дисциплин. Полная уступка такому давлению фактически вскоре привела бы к невозможной ситуации, поскольку, исходя только из временных затрат, было бы совершенно невозможно провести курсы по всем прикладным предметам за период обучения разумной продолжительности.
С другой стороны, отказ от введения достаточной доли прикладной геологии на том основании, что функция колледжа — преподавать чистую науку и что экономические приложения в некотором роде ненаучны, представляется автору столь же нежелательным подходом, поскольку он не учитывает неизбежные человеческие отношения науки, которые оживляют и придают смысл и направление научной работе. Развитие науки в экономических направлениях не обязательно означает вторжение в менее научные или ненаучные области. Правда, многие экономические приложения геологии настолько новы и постоянно меняются, что они еще не полностью организованы на научной основе; но этот факт является лишь указанием на отставание науки, а не на отсутствие возможностей для развития науки в таких направлениях. Сегодня среди геологов академического типа, чья жизнь прошла в чисто научных исследованиях и преподавании, существует значительная тенденция полагать, что все, что отличается от сферы их деятельности, в некотором роде ненаучно и, следовательно, менее достойно. Многие экономические геологи чувствовали на себе эту критику, хотя она редко высказывалась открыто. Для блага геологической науки эта тенденция представляется автору крайне прискорбной. Молодой человек, вступающий в область экономической геологии, должен понимать, что перед ним открываются величайшие научные возможности; и если части его области еще не полностью организованы, тем больше у него возможностей участвовать в созидательной работе, которую предстоит выполнить.
В условиях военных требований многих геологов призывали расширить свои усилия на смежные области деятельности. В некоторых кругах эта деятельность рассматривалась как ненаучная и отвлекающая от эффективности в чисто геологической работе, и все же из этих совместных усилий пришло более широкое понимание новых научных областей, лежащих между устоявшимися науками, а также между науками и потребностями человека. Неизбежно, что в будущем эти области, ныне несовершенно изученные, будут заняты и развиты, возможно, не теми людьми, которые уже прочно утвердились в своих конкретных областях деятельности, а будущими учеными. В этом свете для геологов было честью участвовать в исследовательской и картографической деятельности военного времени.
Еще одной попыткой провести различие между научными и ненаучными фазами геологической деятельности стало допущение некоторых научных организаций в отношении стандартов приема — что работа, выполненная для практических целей, может считаться научной только в том случае, если она ведет к развитию науки посредством публикации результатов. Нет никакого общего согласия относительно обоснованности этого различия. На этом основании некоторые из наиболее эффективных научных работ, которые непосредственно используются на благо цивилизации, исключаются из числа научных, потому что они выражены на машинописной, а не на печатной странице.
Хотя прикладные аспекты работы геолога могут быть по-настоящему научными в широком смысле, в этой области, несомненно, легко скатиться к эмпирическим методам и подчеркивать легкость и навыки в ущерб оригинальной научной мысли. Тогда практика геологии становится искусством, а не наукой. Это замечание применимо и ко многим неприкладным геологическим работам последних лет. Значительная доля этого эмпирического мастерства желательна и необходима при рутинном сборе данных и их описании; но там, где, как это часто бывает, поглощенность геолога такой работой сводит к минимуму использование его созидательных способностей, это не очень помогает развитию науки.
Геология — далеко не единственная наука, в которой существуют споры о относительных достоинствах так называемых чистых и прикладных фаз; но как одна из самых молодых наук, которая до сих пор преследовалась главным образом с точки зрения «чистой науки», она сейчас, возможно, больше, чем любая другая наука, находится в переходной стадии к более широкому взгляду. В прошлом существовали сомнения относительно расширения химии в сторону областей физики и инженерии, физики в сторону областей химии и инженерии, и как физики, так и химии в сторону чисто экономических приложений; но из этих областей выросли великие науки физической химии, химической инженерии и другие — и немногие были бы настолько опрометчивы, чтобы попытаться провести черту между чистой и прикладной наукой или между научными и ненаучными фазами этой работы. Эта общая тенденция означает расширение науки, а не ее ухудшение.
ПРЕДЛАГАЕМЫЙ КУРС ОБУЧЕНИЯ
Существует почти столько же мнений о желательной подготовке в области экономической геологии, сколько и геологов, и мнение автора нельзя считать представляющим какой-либо широко принятый стандарт. Однако, основываясь на собственном опыте, как в преподавании, так и в полевой практике, он хотел бы сделать упор на фундаментальные отрасли как геологии, так и смежных наук — общую геологию, стратиграфию, палеонтологию, физиографию, седиментологию, минералогию, петрологию, структурную и метаморфическую геологию, физику, химию, математику и биологию. После того как они будут охвачены, следует уделять столько внимания экономическим приложениям, сколько позволяет время. Время, отведенное на обучение, в лучшем случае недостаточно для охвата как чистой, так и прикладной науки. Последующий опыт восполнит пробелы в прикладных знаниях, но не компенсирует недостаток изучения фундаментальных принципов.
Студенту, желающему подготовиться к работе в области экономической геологии, можно дать верный совет: нет легкого пути к успеху; его лучший шанс заключается в попытке стать ученым, даже если он охватит лишь узкую область; если он преуспеет в этом, возможности для экономических приложений почти неизбежно последуют. Уделение внимания с самого начала только практическим и коммерческим особенностям, а не научным принципам, сразу ставит студента в конкуренцию с горными инженерами, бизнесменами, бухгалтерами и другими, которые часто способны справляться с чисто эмпирическими особенностями экономического или практического характера лучше, чем геолог. В конечном счете экономический геолог добивается успеха, потому что он знает основы своей науки, а не потому, что он обладает просто навыками в эмпирических экономических аспектах своей работы. Конечно, есть исключения из этого утверждения — есть люди с высокоразвитым деловым чутьем, которые добиваются успеха, несмотря на неадекватную научную подготовку, но такой успех следует рассматривать как деловой, а не профессиональный успех.