Геоэкологические исследования

Несмотря на то что в процессе геологических исследований и во время добычи полезных ископаемых геологи обращали пристальное внимание на состояние окружающей среды, длительное время специальные геоэкологические исследования не проводились. Работы, освещающие применение методов прикладной геохимии, которые можно считать прообразом геоэкологических исследований, появились лишь в 80-е годы XX в.

В 1972 г. были опубликованы первые карты ландшафтно-геохимического районирования СССР, которые использовались для прогноза влияния техногенеза. В 1979 г. была подготовлена карта ландшафтно-геохимического районирования Нечерноземной зоны. Именно издание этих карт можно считать началом специальных геоэкологических исследований.

Одной из первых работ в области регионального геоэкологического картирования можно считать серию инженерно-геологических карт в масштабе 1:500 000, изданных в 1990 г. Они были составлены коллективом сотрудников геологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова под руководством академика Е. М. Сергеева.

В разработке геоэкологических проблем в рамках гидрогеологии и инженерной геологии ведущая роль принадлежит Всероссийскому научно-исследовательскому институту гидрогеологии и инженерной геологии (ВСЕГИНГЕО, г. Москва). Коллективом сотрудников этого института в 1983 г. была составлена обзорная карта состояния и техногенных изменений геологической среды в масштабе 1:5 000 000. На ней выделены типы геологической среды с учетом ландшафтно-климатических факторов, показано строение четвертичных отложений и отражена предрасположенность территорий к возникновению или активизации естественных или техногенных геологических процессов, показаны особенности этих процессов и их интенсивность, изменения подземной гидросферы, локальные процессы, происходящие в крупных городах, отражены особенности загрязнения подземных вод.

С 1964 по 1988 г. сотрудниками ВСЕГИНГЕО была составлена серия гидрогеологических карт европейской части СССР в масштабе 1:500 000. В эту серию входят две карты геоэкологического содержания: карта техногенных изменений гидросферы и карта защищенности и степени загрязнения подземных вод. Некоторые геоэкологические параметры были отражены на карте гидрогеолого-мелиоративного районирования. На карте техногенных изменений гидросферы выделены типы геологической среды, основанные на строении четвертичных отложений и подстилающих коренных пород. Основным объектом картирования явились природно-техногенные системы, выделенные с учетом типов геологической среды и видов техногенных систем.

В 1990 г. сотрудниками Института минералогии, геохимии и кристаллохимии редких элементов (ИМГРЭ, г. Москва), Всероссийского научно-исследовательского геологического института им. А. П. Карпинского (ВСЕГЕИ, г. Санкт-Петербург) и Дальневосточного научно-исследовательского института минерального сырья (ДВИМС, г. Хабаровск) была представлена концепция многоцелевого картирования территории СССР в масштабах 1: 1 000 000, 1:200 000 и 1:50 000. В исследования подобного рода было включено эколого-геохимическое картирование. В этой концепции впервые применен иерархический подход к объектам изучения и интерпретации геохимических и геофизических полей различного происхождения. Была предложена новая методика картирования на основе предварительного многофакторного районирования территорий.

Начиная с 1991 г. на шести полигонах России (Кольский, Московский, Алтайский, Байкальский, Восточно-Забайкальский и Приморский) многие производственные организации и научные геологические учреждения приступили к разработке технологии многоцелевого геохимического и геоэкологического картирования.

Геоэкологические работы должны были проводиться по единой программе, которая координировала и интегрировала многоцелевые исследования по всем природным средам. Кроме геоэкологических программ общегосударственного значения, ранее были разработаны и находились в начальной стадии некоторые другие программы общегосударственного значения: «Чернобыль», «Арал», «Арктика», «Сибирь» и др.

Существуют определенные различия в концепции геоэкологического картирования в России и ряде зарубежных стран (Германия, Норвегия, Испания). Главное из них заключается в том, что в России существует четкое разграничение объектов исследований между ведомствами. В перечисленных странах экологические исследования проводятся более комплексно с учетом экономических факторов. Широко используется термин «геопотенциал». Это понятие в трактовке зарубежных исследователей очень близко к российскому понятию «геологическая среда», в котором учитывается хозяйственное значение отдельных ее компонентов (почвы, подземные воды, полезные ископаемые). Один из конечных этапов подобных исследований — составление карт риска освоения территорий. Подобные карты дают представление о характере негативных процессов, возникающих при строительстве и эксплуатации месторождений полезных ископаемых и в процессе иных видов хозяйственной деятельности.

Зарубежные исследователи, в частности И. Д. Беккер-Платен и М. Дорн, предлагают использовать концепцию картирования геопотенциалов. Они считают необходимым проводить четыре уровня исследований:

составление базовых карт, в число которых входят геологическая и почвенная карты;

составление специальных карт — гидрогеологической, минеральных ресурсов с указанием глубины залегания полезных ископаемых, характера почв, сельскохозяйственной продуктивности, инженерно-геологической и др.;

составление оценочных карт — карт резервных территорий для добычи полезных ископаемых, карт использования подземных вод;

составление карт возможного использования территорий с точки зрения геопотенциалов, которые позволяют строго на научной основе планировать размещение хозяйственных объектов с учетом экологических ограничений.

Методы геоэкологических исследований

В настоящее время геологическая наука и практика располагают огромным арсеналом методов и методик, которые наряду с фундаментальными проблемами позволяют решать чисто прикладные задачи, связанные с поиском и разведкой месторождений полезных ископаемых. Геоэкологические исследования оперируют практически тем же комплексом методов, что и при геологоразведочных работах: собственно геологическими, геохимическими, геофизическими, гидрогеологическими, геоморфологическими. В результате интерпретации полученных данных устанавливаются явления, процессы, свойства и зависимости, которые выступают как экологические факторы, т. е. отражают те или иные стороны взаимодействия литосферы и биосферы (Л. Л. Прозоров, 1997).

К собственно геологическим методам относятся те из них, которые направлены на изучение свойств геологической среды, петрологического характера горных пород и геодинамических процессов. Петрологические свойства горных пород обусловлены их минеральным и химическим составом, структурой и текстурой, условиями залегания и теми изменениями, которым они подвергаются в недрах земной коры и на ее поверхности. К геодинамическим процессам относятся процессы, протекающие как внутри земной коры, так и на ее поверхности. Они выражаются в форме тектонических движений, сейсмических и вулканических процессов.

Петрологические свойства горных пород в сочетании с геодинамическими процессами определяют место и время возникновения, а также характер геоэкологических факторов. Практика показывает, что отсутствие или слабое знание состояния геологической среды нередко приводит к катастрофическим последствиям. Ярким примером подобного являются масштабные разрушения при землетрясениях. Трагичные ситуации возникают и при проходке подземных и наземных горных выработок, особенно тогда, когда о себе дают знать разломы и плывуны, о которых ранее отсутствовали сведения и которые не были вовремя откартированы.

На первом этапе геологического исследования выявляют особенности проявления геологических процессов, оконтуривают геопатогенные зоны, определяют их характер и степень функционирования.

Геохимическими методами изучают распространение химических элементов или химических соединений в горных породах, атмосфере, природных водах, растительном покрове, организме животных. В последние годы их широко применяют в практике геоэкологических работ. Особенно привлекательны методики специальных геохимических съемок и картирования определенных территорий, в том числе и городских агломераций. Они проводятся в целях выявления мест повышенных концентраций химических элементов, оконтуривания и оценки величины геохимических аномалий. В первую очередь важно определить контуры распределения токсичных и радиоактивных элементов.

Согласно С. А. Григоряну (1992), основные вопросы, которые должны рассматриваться в рамках концепции по геохимии окружающей среды, следующие:

дифференциация геохимических аномалий на геогенные и техногенные при оценке состояния окружающей среды, что дает возможность более достоверно устанавливать источники геохимического загрязнения и их размеры;

комплексные геохимические исследования по современному опробованию вод, почв и донных отложений, позволяющие наиболее достоверно выяснять основные геохимические особенности исследуемой территории по результатам геохимического опробования;

использование результатов анализа проб, отобранных в процессе региональных геохимических съемок, для оценки состояния окружающей среды;

целесообразность комплексного характера работ по изучению окружающей среды с привлечением специалистов соответствующего профиля.

Как отмечает Л. Л. Прозоров (1997), при освоении нефтегазовых месторождений все большее внимание уделяется геохимическим особенностям углеводородного сырья и главным образом наличию в нем в качестве примесей различных токсичных образований.

Одна из важнейших задач экологического изучения территорий распространения нефтегазовых месторождений — идентификация как техногенных, так и всевозможных природных геохимических аномалий. Как оказалось, природные геохимические аномалии по элементному составу сходны с техногенными. Это означает, что, принимая участие в процессах гипергенного преобразования горных пород в зонах выветривания, природные аномалии, обогащаясь химическими элементами, сами превращаются в своеобразные источники загрязнения окружающей среды. Исследования последних лет показали, что природные геохимические аномалии по масштабам приноса в окружающую среду химических элементов вполне сопоставимы с техногенными и нередко превосходят их.

Установлено, что в атмосфере и почвенном покрове над нефтегазовыми месторождениями существуют своеобразные литогеохимические аномалии. Они представляют собой значительные по размерам области повышенных концентраций разных химических элементов, включая тяжелые металлы.

С помощью геофизических методов изучают распределение естественных или искусственно созданных физических полей — гравитационного, магнитного, электромагнитного, радиоактивного, теплового и др. Местонахождение перечисленных полей устанавливают с помощью геофизической аппаратуры, которая обладает высокой точностью измерения, что дает возможность выявить даже самые слабые изменения полей. Наряду с прогнозом землетрясений, оползней и селей эти методы помогают решать и локальные задачи, в частности предупреждать в подземных горных выработках возникновение горных ударов, обрушений, затоплений.

Положительные результаты были получены при изучении загрязнения подземных вод и картировании фильтрационных потоков на больших глубинах с помощью электроразведочных методов. Сейсмоакустические методы хорошо себя зарекомендовали при изучении эндогенных и экзогенных процессов, геокриологических условий и при картировании подземных льдов. Гравитационные методы позволяют определить местонахождение и проследить на площади активные разрывные нарушения.

Сейсмическое профилирование дает возможность исследовать характер геофизических полей и изучать особенности тектонических нарушений в акватории водохранилищ и озерных водоемов. Сейсмоакустические и электроразведочные методы помогают установить пространственное размещение донных отложений, карстово-суффозионные процессы и новейшие тектонические движения. Особенно важны эти методы при изучении наведенной сейсмичности.

Геофизическими методами изучают степень воздействия удаленных подземных ядерных взрывов и влияние взрывов при подземных разработках месторождений полезных ископаемых на пласты горных пород, определяют сейсмогенный режим водохранилищ и степень воздействия, оказываемого на поверхность литосферы во время запуска крупных ракет.

Особое место в ряду геофизических методов занимают радиометрические (радиоактивные) методы, основанные на выявлении и изучении радиоактивности различных объектов. Чернобыльская и Кыштымская аварии показали, как надо серьезно относиться к очагам и территориям радиоактивного загрязнения. Радиоактивное загрязнение окружающей среды — одна из самых острых и важнейших проблем экологии. Повышенные концентрации радиоактивных элементов в природных объектах связаны как с естественными источниками, например гранитоидные массивы, так и с активной деятельностью человека.

В настоящее время специалисты НПО «Радон» проводят широкомасштабные исследования по выявлению природных и антропогенных радиоактивных аномалий; системное обследование на радиоактивность детских учреждений, радиационный контроль железных дорог; выполняют эманационную съемку; измеряют концентрацию радона в воздухе жилых и производственных помещений. Проводятся работы по районированию территории России по степени опасности, вызываемой естественными радиоактивными элементами, а также радиоопасности, связанной с деятельностью человека.

Гидрогеологические методы направлены на изучение условий залегания, режима, физических и химических свойств подземных вод, их связи с горными породами, атмосферой и поверхностными водами. Известно, что от особенностей залегания и режима подземных вод в значительной степени зависят многие процессы, протекающие на земной поверхности и оказывающие существенное влияние на природную среду.

Велико значение подземных вод для хозяйственной деятельности и особенно для снабжения населения чистой питьевой водой. Подавляющее большинство крупных городов Западной Европы и Северной Америки снабжаются водой из подземных источников, которые, как правило, являются экологически чистыми. Москва и многие города Московского региона снабжаются питьевой водой из поверхностных вод, которые сильно подвержены загрязнению, в том числе и эпидемическому. И в то же время воду, используемую для технических целей, выкачивают из подземных водоносных горизонтов. Такой способ водоснабжения создает массу неудобств. При этом велики потери при транспортировке воды и не исключена возможность подачи в водопроводную сеть загрязненной воды. Использование экологически чистых вод из подземных горизонтов для технических целей с каждым годом истощает их запасы.

Качество подземных вод, а их доля в общем балансе водоснабжения в России достигла 60%, в последние годы резко ухудшилось. Согласно С. В. Крайнову (1993), в динамике ухудшения качества подземных вод существуют три фундаментальных гидрогеохимических явления, которые достаточно быстро изменяют экологическое состояние среды: формирование техногенных региональных геохимических провинций с загрязненными подземными водами; возрастание экологической опасности отдельных групп органических веществ; снижение окислительно-восстановительного потенциала подземных вод верхних водоносных горизонтов и увеличение в связи с этим концентраций в них новых токсичных веществ.

К числу актуальных проблем изучения подземных вод хозяйственно-питьевого назначения относятся контроль за качеством и прогноз его изменений, а также выработка практических рекомендаций по сохранению и улучшению этого качества. В этом отношении наиболее перспективны проблемы расчета допустимых загрязняющих нагрузок на подземные воды различных геохимических типов и проблема управления качеством подземных вод непосредственно в водоносных горизонтах (Л. Л. Прозоров, 1997).

Первостепенная задача геоэкологии — решить проблему безопасного захоронения промышленных и коммунально-бытовых вод в глубоких водоносных горизонтах. Решение этой проблемы вызовет изменения в сложившемся природном гидродинамическом и гидрогеохимическом равновесии. Надо достаточно точно рассчитать, как и каким образом это может отразиться на гидрогеологическом режиме и качестве подземных вод в обозримом будущем.

С помощью геокриологических методов изучают строение, состав, свойства и распространение многолетнемерзлых грунтов и толщ земной коры, а также процессы, связанные с их промерзанием и оттаиванием.

Многолетнемерзлые грунты, почвы и толщи занимают около 20% поверхности суши. Они являются существенным препятствием для осуществления хозяйственной деятельности человека, начиная от прокладки транспортных магистралей до возведения промышленных и жилых зданий. Толщина многолетнемерзлых грунтов и горных пород колеблется от нескольких до сотен метров и зависит от географической широты, климата и характера рельефа.

Для определения реакций природы на техногенную деятельность в области развития многолетнемерзлых грунтов и прогнозирования ее последствий ученые МГУ им. М. В. Ломоносова, обосновав выделение нового научного направления — геокриоэкологии, разработали методы оценки, прогноза и обеспечения устойчивости мерзлотных комплексов, а также рекомендации по предупреждению и рекультивации нарушенных площадей в криолитозоне. Основными методическими принципами геокриоэкологии являются мониторинг и анализ эволюции геокриосистем под влиянием внешних условий их существования и развития. В геокрио-экологических исследованиях используют природно-экспериментальные, аналитические и картографические методы.

Инженерно-геологическими методами исследуют геологическую среду и влияние на нее техногенной деятельности, а также воздействие нарушенной геологической среды на хозяйственные, социальные объекты и на всю природу в целом; изучают условия и динамику верхних горизонтов земной коры в связи с инженерно-геологической деятельностью человека. Конечная цель подобных исследований — комплексная оценка геологических факторов, как природных, так и создаваемых человеком во время его деятельности.

Самым масштабным и одновременно тяжелым по своим последствиям воздействием на геологическую среду является строительство крупных гидротехнических сооружений. В процессе эксплуатации они вызывают крупнейшие изменения природной среды — разрушение берегов водохранилищ, подтопление, активизацию оползней, карстовых и суффозионных процессов, изменение режима подземных вод, разуплотнение и выветривание пород дна и стенок выемок и котлованов, изменение напряженно-деформационного состояния оснований плотин, возникновение наведенных землетрясений.

Важное место занимает проблема размещения отходов в геологической среде. Задачей инженерно-геологических методов в этом случае является поиск мест и наиболее подходящих и безопасных горизонтов подземных вод и подземных пустот.

С помощью геоморфологических методов изучают все многообразие форм рельефа, которые возникают в результате совместного воздействия эндогенных и экзогенных процессов на геологическую среду. Наряду с природными процессами определенные формы рельефа создаются в результате хозяйственной деятельности человека.

Аэрокосмические методы изучения земной поверхности, проведенные за последние десятилетия, внесли существенный вклад в геологическую науку. Главными достоинствами этого метода являются достоверность и объективность информации, возможность получения изображения любой степени генерализации, оперативность получения информации и возможность одновременного изучения внешних геосфер Земли.

Наиболее эффективными средствами аэрокосмического зондирования являются фотографические системы, которые обладают высоким разрешением и возможностью получения стереоэффекта. Космическая информация имеет первостепенное значение для быстрого обнаружения катастрофических природных и антропогенных явлений. С ее помощью удается обнаружить характер и последствия крупных землетрясений или извержений вулканов, развитие оползневых явлений, сбросов в воды Мирового океана вредных отходов, аварии танкеров, масштабные выбросы в атмосферу вредных и отравляющих веществ. В связи с тем что наблюдения ведутся на волнах различной длины — в оптическом, инфракрасном и радиоволновом диапазонах, предоставляется возможность наблюдать земную поверхность не только в естественном изображении, но и рассмотреть ее тепловое поле с температурными аномалиями, получать качественные изображения независимо от времени суток и размеров облачности.

Большое значение для геоэкологических исследований приобрели аэрогаммаспектрометрические и тепловые методы. Они оказались особенно эффективными для выявления и контроля загрязнения акваторий, процессов самовозгорания на свалках и в терриконах, лесных пожаров, подземных пожаров торфяников и горючих полезных ископаемых.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.