Размещено на http://www.allbest.ru

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ И ТЕХНОГЕННЫХ СИСТЕМ ПРОМЫШЛЕННО-УРБАНИЗИРОВАННЫХ РЕГИОНОВ

(на примере Республики Татарстан)

25.00.36 - Геоэкология

Сунгатуллин РАФАЭЛЬ ХАРИСОВИЧ

Екатеринбург 2010

Работа выполнена на кафедре региональной геологии и полезных ископаемых Казанского государственного университета

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук, профессор Катаев Валерий Николаевич

доктор геолого-минералогических наук, профессор Мустафин Сабир Кабирович

доктор геолого-минералогических наук, профессор Писецкий Владимир Борисович

Ведущая организация Институт геоэкологии РАН

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет».

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор геолого-минералогических наук А.Б. Макаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В процессе написания диссертационной работы использованы результаты более 40000 различных анализов, выполненных по аттестованным методикам в аккредитованных лабораторных центрах России. Литохимические модели включают результаты 24 000 анализов из кадастра месторождений и проявлений твердых полезных ископаемых РТ (Шаргородский, 2000), а при создании физических моделей использованы данные региональных геофизических работ (Боровский, 1999; Каримов, 2004 и др.). Гидрохимические модели созданы по результатам более 4 000 анализов подземных и поверхностных вод. При создании геологических и структурных моделей обработан материал 10 000 поисковых, разведочных и эксплуатационных скважин на территории РТ. Качество и достоверность полученных автором данных контролировались проведением повторного опробования и их статистической обработкой, а также сопоставлением результатов моделирования с реальной геологической обстановкой.

Автором проанализированы и обобщены фондовые геологические, экологические, гидрогеологические, геохимические, геофизические и другие материалы по РТ и сопредельным территориям, научные публикации по теме, сыгравшие значительную роль при подготовке диссертации.

Защищаемые положения:

Положение 1. Техногенез образует в земной коре промышленно-урбанизированных территорий участки с закономерно связанными химическими, физическими и геодинамическими параметрами. Системное исследование техногенно-преобразованного пространства, основанное на компьютерном моделировании и синтезе разнородной информации, способствует повышению точности и достоверности геоэкологических работ, раскрывает новые качества техногеосистемы и усиливает исследовательский потенциал наук о Земле.

Положение 2. Техногенно-преобразованное пространство формируется комплексом природных и техногенных систем. На основе анализа системообразующих факторов созданы постоянно действующие разноуровневые модели для геоэкологического прогноза, реализованные на примере Республики Татарстан.

Положение 3. На промышленно-урбанизированных площадях происходит техногенная трансформация химического состава депонирующих сред. С помощью аппарата математической статистики разработаны критерии обнаружения техногенных аномалий и количественно оценен вклад природных, природно-техногенных и техногенных процессов в общую информацию о техногеосистеме.

Положение 4. Техногенные месторождения нефти и минеральных вод на промышленно-урбанизированных территориях характеризуются относительно высокой в геологическом масштабе скоростью формирования, что позволяет увеличить минерагенический потенциал регионов.

Научная новизна

1. Впервые для субъекта Российской Федерации с разнообразным техногенным воздействием предложена, разработана и апробирована методика интегрального изучения и прогноза состояния техногенно-преобразованного геологического пространства, основанная на компьютерном моделировании. Переориентирование традиционного геоэкологического картографирования на компьютерное моделирование позволяет значительно расширить ресурсность информационных баз данных, оперативно изменять модели и объективизировать процесс изучения техногеосистем c заменой парадигмы сообщения (характерной для картографирования) аналитической парадигмой (характерной для моделирования).

2. Изучены основные депонирующие среды (лито-, био-, педо-, гидросферы), определяющие экологическую обстановку территории РТ; установлены особенности химического состава природных и техногенных объектов на промышленно-урбанизированных площадях.

3. Предложены методические приемы формализации и ранжирования качественных характеристик сред техногеосистемы для их совместного использования с количественными параметрами. С помощью методов многомерной математической статистики разработаны критерии идентификации техногенных аномалий и реализована методика количественной оценки вклада отдельных факторов в общую информацию о техногеосистеме.

4. Впервые выделены и охарактеризованы техногенная кора выветривания и водоносный техногенный ареал, существенно отличающиеся от природных геологических тел. Показаны перспективы использования новых объектов при эколого-гидрогеологическом картировании и моделировании интенсивно преобразованных территорий.

5. Предложены новые подходы поисков и прогнозирования техногенных месторождений полезных ископаемых на промышленно-освоенных территориях, что позволяет выделять минерагенические ячейки, формирующиеся за счет взаимодействия природных и техногенных процессов.

Практическая значимость и реализация результатов

Исследования автора были направлены на разработку принципиально новой методики компьютерного интегрального моделирования и совершенствование имеющихся технологий, совместное использование их для эффективного решения поставленных экологических и геологических задач с высоким качеством при минимальных затратах на территории РТ и ее отдельных площадях, при мониторинге различных геосред, охране окружающей среды на промышленных предприятиях и широкое внедрение полученных результатов в практику производственных и научных организаций геологического профиля. В рамках проведенных исследований оказалось возможным создать численные математические модели, которые применимы при мониторинге, прогнозе полезных ископаемых, изучении взаимодействия живой и косной природы. Предлагаются новые подходы и методы поиска техногенных месторождений, на основе которых получен вывод о формировании техногенных месторождений нефти и минеральных подземных вод на промышленно-урбанизированных площадях РТ.

Практическое значение работы заключается в возможности использования многих полученных результатов при региональном геологическом и геоэкологическом изучении недр различной направленности и масштаба. В частности, основные положения предложенной технологии моделирования использованы при проведении Федеральной программы «Экология и природные ресурсы России (2002-2010 гг.)», территориальных программ геологического изучения недр и воспроизводства минерально-сырьевой базы Республики Татарстан (1993-2008 гг.), при выполнении геологических, геоэкологических и геохимических съемок масштабов 1:50 000 и 1:200 000 территории РТ, при поисково-разведочных работах на твердые полезные ископаемые, питьевые и минеральные подземные воды, а также при выборе мест строительства подземных водозаборов и инженерно-геологических изысканиях. Отдельные результаты специализированных исследований применялись при геоэкологическом картировании, проведении гидрогеологических и экологических работ на территории России научными и производственными предприятиями: ФГУП «ЦНИИгеолнеруд» и ФГУП «Волгагеология» Министерства природных ресурсов и экологии Российской Федерации, ЗАО «ГИДЭК», РАО «ЕЭС России», ОАО «Газпром», «Российские железные дороги», а на территории РТ - открытыми акционерными обществами «Татнефть», «КамАЗ», «Нижнекамскнефтехим», «ТАНЕКО», «КамТИСИЗ», «Оргсинтез», «Казанский вертолетный завод», «Татспиртпром», «Красный Восток», «АЛНАС» и др.

Некоторые положения и выводы диссертации используются автором при чтении лекций и на практических занятиях по курсам: «Геология России», «Геология Республики Татарстан», «Учение о фациях», «Техника геолого-разведочных работ» для студентов Казанского государственного университета, а отдельные методические разработки применяются в учебных практиках по общей геологии и геологической съемке.

Апробация полученных результатов. В полном объеме результаты диссертационной работы представлены на заседании кафедры региональной геологии и полезных ископаемых КГУ.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международных конференциях: по пермским отложениям (Мельбурн, 1997), по прикладной геохимии стран СНГ (Москва, 1997), по верхнепермским стратотипам (Казань, 1998), по геохимии ландшафтов, палеоэкологии человека и этногенезу (Улан-Удэ, 1999), по изменяющейся геологической среде (Казань, 2007), по современным геологическим процессам и их инженерно-геологической оценке (Москва, 2009), по интерпретации геофизических полей (Екатеринбург, 2009), на международном симпозиуме им. Д. Г. Успенского (Екатеринбург, 2002), на всероссийских конференциях по мониторингу геологической среды (Казань, 1997), использованию компьютерных технологий при геологическом картировании (Санкт-Петербург, 2001), стратиграфии верхней перми (Москва, 2002; Казань, 2004), органической минералогии (Санкт-Петербург, 2002), изменениям геосистем (Казань, 2004), верхнему палеозою и фациальному анализу (Казань, 2007; 2009), природным, социально-экономическим и этнокультурным процессам (Казань, 2008), эколого-геологическим проблемам урбанизированных территорий (Екатеринбург, 2009), на научно-практической конференции IX международной выставки «Нефть, газ. Нефтехимия - 2002» (Казань, 2002), в чтениях, посвященных 200-летию Геологического музея КГУ (Казань, 2004), на республиканских экологических конференциях (Казань, 1997-2009) и научных конференциях КГУ (2001-2009).

Автором сделано более 20 презентаций на Научно-техническом совете Министерства экологии и природных ресурсов РТ (Казань, 1995-2009), 3 презентации на заседаниях Территориальной комиссии по запасам полезных ископаемых (Казань, 2006-2009) и 2 презентации на Коллегии Министерства природных ресурсов Российской Федерации (Красноярск, 2004).

Публикации и личный вклад автора. По вопросам, затронутым в диссертации, опубликовано 70 работ. Основные положения работы отражены в 6 монографиях (2 авторские и 4 коллективные) и в 14 статьях в ведущих рецензируемых научных журналах, включенных в перечень ВАКа, а отдельные результаты отражены в 2 учебно-методических пособиях и использованы в 15 научно-производственных отчетах.

Автор участвовал в постановке задач исследований, анализе опубликованных и фондовых материалов, проектировании и проведении полевых и камеральных работ, включая компьютерную обработку полученных результатов. Он является автором большинства геоэкологических карт, моделей и основных обобщений концептуального характера. Все основные результаты диссертации получены автором лично.

Благодарности. В плодотворном обсуждении спорных вопросов и проблем, рассмотренных в диссертационной работе, участвовали академик РАН В. В. Адушкин, члены-корреспонденты РАН Г. И. Худяков и Б. И. Чувашов, профессора А. И. Бахтин, Б. В. Боревский, Б. В. Буров, А. Я. Гаев, В. И. Макаров, М. Г. Миних, Д. К. Нургалиев, М. В. Панасюк, Э. М. Хакимов, В. В. Черных, Ю. К. Щукин, О. В. Япаскурт, доктора геолого-минералогических наук А. И. Белковский, У. Г. Дистанов, Р. Л. Ибрагимов, К. М. Каримов, А. А. Озол, Р. Р. Хасанов, Э. К. Швыдкин, С. Б. Шишлов, которым автор глубоко признателен.

Автор благодарен за многолетнее плодотворное сотрудничество и неоценимую помощь по оформлению диссертации М. И. Хазиеву, преподавателям геологического факультета КГУ и руководству предприятия «Татарстангеология» за поддержку при реализации и апробации работы.

моделирование природный техногенный интегральный геологический

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Структура, объем и содержание работы. Диссертация объемом 374 страницы состоит из введения, 8 глав, раскрывающих защищаемые положения, заключения, содержит 98 рисунков, 32 таблицы, 5 приложений. Список использованной литературы включает 453 наименования.

Во введении обоснована актуальность темы, определены цель, задачи, предмет, объекты и методы исследований, научная новизна, отражена теоретическая и практическая значимость, сформулированы защищаемые положения, приведены сведения об апробации работы, фактическом материале и личном вкладе автора. В главе 1 «Природные и техногенные условия Республики Татарстан» охарактеризованы физико-географические, экономические, геологические, гидрогеологические, минерагенические условия и современная геоэкологическая обстановка территории РТ, описаны отдельные природные и техногенные процессы, обозначены основные проблемы по анализу и синтезу разнородной геоэкологической информации. В главе 2 «Геоэкологическая изученность территории» приведены краткие сведения по истории исследований и состоянию изученности геологического пространства и геоэкологических явлений и процессов в РТ. Выполнен анализ геоэкологических исследований современного информационно-мониторингового этапа, свидетельствующий об общности процессов в разных геосредах и требующий применения новых подходов при изучении многоуровневой техногеосистемы. В главе 3 «Теория и методика компьютерного моделирования» описана методология моделирования и применение аппарата математической статистики для системного исследования техногенно-преобразованного пространства. Приведены принципы построения общего грида для интеграции данных по разноопробованным средам и алгоритм создания интегральных моделей. Проведено сопоставление традиционного геоэкологического картирования и компьютерного моделирования. В главе 4 «Взаимодействие геологических и техногенных объектов и систем» приведены примеры взаимовлияния природной и техногенной систем на промышленно-урбанизированных площадях РТ. Выделены и охарактеризованы новые объекты геоэкологических исследований (техногенная кора выветривания, водоносный современный техногенный ареал), в которых происходят ускорение межгеосферного обмена с поступлением в природные оболочки новых компонентов, дестратификация верхней части литосферы, техногенная трансформация гидросферы. В главе 5 «Интегральные геоэкологические модели» показана последовательность создания интегральных моделей для РТ и ее отдельных площадей. Построение моделей основано на методах многомерной статистики с обобщением массивов разнородной информации, что позволяет создавать постоянно действующие мониторинговые геоинформационные системы, а также выявлять эмерджентные свойства техногеосистем. В главе 6 «Создание геологических моделей» охарактеризована методика формализации литологических, стратиграфических, геодинамических, химических, физических данных для последующего моделирования природных и техногенных процессов. Показаны примеры создания математических моделей отдельных сред, которые используются при решении геоэкологических задач. Применены статистические методы для разделения природных и техногенных ассоциаций химических элементов в гидро-, лито- и биосферах. В главе 7 «Формирование и прогноз техногенных месторождений и проявлений» обоснована возможность обнаружения техногенного сырья на промышленно-урбанизированных площадях, связанная с последствиями искусственных воздействий на геологическое пространство. На территории РТ выделены технофлюидные ячейки, где обнаружены или прогнозируются техногенные месторождения минеральных вод, углеводородов и других полезных ископаемых. В главе 8 «Синтез знаний и интегральная геология» приведены доводы в пользу развития системного и междисциплинарного подходов, которые способствуют переходу к интегральной геологии. Методология последней апробирована на территории РТ. Доказано, что, основываясь на математическом диалоговом языке, можно синтезировать разнообразные свойства природных и техногенных объектов с их реализацией в виде численных интегральных моделей. В заключении приведены основные выводы и результаты, полученные автором при выполнении многолетних исследований по теме диссертации.

Обоснование защищаемых положений

Положение 1. Техногенез образует в земной коре промышленно-урбанизированных территорий участки с закономерно связанными химическими, физическими и геодинамическими параметрами. Системное исследование техногенно-преобразованного пространства, основанное на компьютерном моделировании и синтезе разнородной информации, способствует повышению точности и достоверности геоэкологических работ, раскрывает новые качества техногеосистемы и усиливает исследовательский потенциал наук о Земле (главы 3, 8)

Сфера интересов геоэкологии затрагивает взаимоотношения природных геосфер с техносферой. Техногенез относится к ведущим современным процессам, так как преобразует природные системы планетарного уровня, приводя к образованию и развитию техногеосистем, где природные и технические элементы объединены потоками вещества, энергии и информации. Но полнота исследований причинности в геоэкологии сдерживается наличием сложной и не всегда явной связи между природными и техногенными процессами. Обобщающим методом изучения техногеосистем может служить моделирование с созданием генеральной картины явления в виде математической модели, обеспечивающей высокий уровень синтеза данных, обработку огромных объемов информации за короткие промежутки времени, включая разнородные геологические и экологические данные, хранение, управление, анализ, представление и визуализацию информации, максимальную ее доступность и использование для разработки рекомендаций по управлению процессом или объектом.

Геологическое пространство можно представить в виде ячеисто-сотовой структуры, учитывающей взаимосвязи между неоднородными вертикальными блоками (ячейками) эндогенного генезиса и горизонтальными структурами-средами (сотами) экзогенного и техногенного происхождений. Это позволяет проводить количественную оценку территорий, опираясь на статистические методы обработки разнообразной информации, представленной в виде пространственно распределенных характеристик-параметров (Викторов, 2003; Кузнецов, 2000). При этом формируются системы моделей, которые решают проблему достоверности оценок и быстрого их перестраивания при расширении информационной основы, определяя обоснованность геоэкологических прогнозов. По сравнению с традиционной картой, в математической модели неизмеримо повышается адекватность информации реальному геологическому строению и степени техногенной нагрузки, т. к. модель сохраняет численные характеристики изучаемых объектов с возможностью проведения аналитических и синтетических построений. Диалоговый язык математики позволяет преодолеть разобщенность наук о Земле и дать количественную оценку всего разнообразия природных и техногенных процессов. Поэтому одной из важнейших задач современной теоретической геоэкологии становится создание соответствующих объективной реальности математических моделей объектов, явлений и процессов. Численная модель позволяет донести до пользователя авторскую интерпретацию всей обработанной информации и существенно облегчает процесс дальнейшего исследования техногенно-преобразованного пространства по мере получения геологических, экологических и других данных. Отсюда следует важный практический вывод, что системная характеристика геоэкологического объекта возможна только путем создания его цифровой компьютерной модели, а в геоэкологии представляется перспективным переход от описательного и субъективного картографирования (парадигма сообщения) к объемному моделированию природных и техногенных процессов (парадигма анализа и синтеза).

Поставленная в диссертации цель предполагала разработку методики компьютерного моделирования, позволяющей интегрировать различные составляющие геологического пространства (Сунгатуллин, 2001-2009). Процесс создания интегральной модели состоит из следующих последовательных операций: а) формирование базы количественных и качественных данных по различным средам; б) построение по ГИС-технологии монокомпонентных моделей 3D; в) создание общего грида для отдельных сред, обладающих разной сетью опробования (рис. 1); г) статистический анализ (корреляционный, кластерный, факторный и другие методы) матрицы параметров и значений, полученной с помощью общего грида (грид-анализ); д) выбор «техногенного», «природного» и «природно-техногенного» факторов на основе геологических, экологических и других представлений, с обязательным учетом кластерной группировки параметров и вклада каждого из них в факторные нагрузки; е) построение по полученным факторным коэффициентам новых синтезированных моделей 3D, системно обобщающих всю информацию о геоэкологическом пространстве и обладающих новым качеством - эмерджентностью; ж) построение интегральной модели 3D с переходом в будущем на моделирование 4D.

Создание базы количественных данных относится к наиболее ответственному элементу моделирования, являясь необходимым условием для изучения процессов в отдельных средах, а также при долгопериодном мониторинге. Количественные определения признаются доминантными по сравнению с качественными показателями, а когда накоплен значительный объем информации, появляется возможность создания постоянно действующих моделей. Результаты геологических и экологических исследований обычно представляются в виде координат точек нерегулярной сети по отдельным средам (см. рис. 1, А), а разнородность геоэкологической информации связана с неравномерной плотностью опробуемых сред, различными способами получения первичной информации, разными методами интерпретации, дискретностью данных, описывающих непрерывные процессы, объекты и их свойства (Юбко, 2005). Интеграция данных возможна, если эти результаты будут получены на регулярной наблюдательной сети. Для преодоления подобных сложностей предлагается использовать грид-метод, когда изучаемая территория разбивается регулярной сеткой с гексагональными ячейками (см. рис. 1), размер которых выбирается исходя из имеющейся информации для оценки отдельных сред. Затем сетка представляется в виде матрицы значений (матричный грид), учитывающей зависимости между реальными точками наблюдений с измеренными параметрами и позволяющей проводить статистические расчеты. В разработанной методике применение статистического анализа заключается в получении некоторых обобщенных комплексных факторов, агрегирующих большое количество частных параметров и отражающих наиболее существенные черты суперпозиции влияющих процессов, что позволяет раскрыть внутреннюю структуру техногеосистемы и объективизировать процесс познания. При интеграции геоинформации наиболее широко применяются корреляционный, регрессионный, факторный и кластерный анализы, что связано с доступностью их использования через пакеты прикладных программ (Чижова, 2006). Результаты математической обработки материалов будут успешными, если дается содержательная интерпретация выявленных параметров (кластеров, факторов и др.). Данная стадия работы по созданию моделей требует от исследователя четкого представления об информативном потенциале параметров, которые привлечены для статистического анализа и на основе которых выделены обобщающие показатели. Выявление геологически и экологически значимых факторов позволяет создать на их основе интегральные модели (см. рис. 1, Б).

Размещено на http://www.allbest.ru

Весьма важным и актуальным направлением в геологии, и особенно в геоэкологии, представляется разработка общих принципов, обеспечивающих возможность использования результатов различных исследований для интегрального моделирования техногеосистемы. В геологии интеграции способствуют несколько причин: единство объекта исследований и общность цели; общность технических средств, методов и методик сбора первичных данных; общность технических средств лабораторных исследований, научно-технических средств хранения, обработки, преобразования полученной информации; сходство компьютерных технологий для сбора, хранения, обработки и распространения информации и единство методов моделирования. Необходимость интеграции вызвана и тем фактом, что в частных моделях сегодня выявляются точки соприкосновения, позволяющие объединить данные различных наук и создать более совершенную модель изучаемого объекта. Реализация количественного подхода в геоэкологии позволит получать совершенно новую информацию и перейти к объемному геоэкологическому моделированию. Трудности в моделировании природных и техногенных процессов обусловлены недостатком современных знаний и недостаточностью информационных баз, однако принципиальных ограничений здесь не существует.

Сегодня имеются все предпосылки для развития интегрального направления геологии, объединяющего информацию разных дисциплин для создания общей модели геологического пространства на количественно-статистической основе как необходимого компонента изучения окружающего мира. Интегральная геология есть новое научно-философское направление геологии, изучающее информационно-энергетические функции сфер планеты Земля высокого уровня организации (микро-, мезо- и макроуровни) для создания моделей геологического пространства и постижения природы геологических процессов, выработки законов функционирования техногеосистем, реконструкции геологического прошлого и прогнозирования будущего состояния окружающей среды (Сунгатуллин, 2004). При этом под интегральной геологией (от integer - целый) понимается объединение результатов сложившихся к настоящему времени отдельных геологических дисциплин в одно целое образование. Методология интегральной геологии апробирована автором как в целом для Республики Татарстан (Сунгатуллин, 2006, 2008), так и для отдельных промышленно-урбанизированных площадей (Сунгатуллин, 2001, 2009).

Положение 2. Техногенно-преобразованное пространство формируется комплексом природных и техногенных систем. На основе анализа системообразующих факторов созданы постоянно действующие разноуровневые модели для геоэкологического прогноза, реализованные на примере Республики Татарстан (главы 5, 6)

Любые модельные построения требуют определённой формализации как способа фиксации знаний об объекте исследования и выделения из бесконечного разнообразия явлений закономерностей, которые помогают его углубленному изучению с помощью математических методов (Современные…, 1984; Соловьев, 1968; Новаковский, 1994). Поэтому формализация важна для решения содержательных геоэкологических задач с помощью информационных систем. В свою очередь, последние не могут существовать без постоянного обновления и пополнения массивов данных, т. е. они работают в мониторинговом пространственно-временном режиме, что позволяет перейти к качественно новому продукту - геоэкологической постоянно действующей модели. Подобная модель создается, уточняется и пополняется в любой своей части без нарушения существующей структуры в течение всего периода использования. В основу компьютерного моделирования геоэкологических явлений и процессов закладывается методологический принцип первичности геодинамических, геологических, геофизических, геохимических и других моделей. Подобное моделирование базируется на законах и принципах математики, физики, химии и представляет эффективный метод решения сложных геоэкологических задач, позволяющий перейти к количественным методам научной квантификации информации.

Территория РТ характеризуется разнообразными типами техногенных систем (табл. 1, рис. 2). Исходная информация для создания интегральной геоэкологической модели республики получена из статистического анализа карты функционального зонирования (см. рис. 2). На основе последней по оригинальной методике балльной оценки влияния техногенных объектов на геологическое пространство (Сунгатуллин, 2001) создана численная модель техногенной нагрузки (рис. 3). В центр шестиугольной ячейки площадью 25 км2 выносится средневзвешенный балл техногенного воздействия, который учитывает распространение конкретных техногенных систем-объектов в пределах ячейки и их условные баллы влияния на геологическое пространство (см. табл. 1). Это позволило районировать территорию РТ по категориям состояния техногенно-преобразованного геологического пространства с учетом статистических параметров, полученных при обработке численной информации (табл. 2). Техногенная модель РТ соответствует традиционному масштабу 1:500 000 или региональному уровню генерализации.

Размещено на http://www.allbest.ru

Таблица 1. Техногенные системы РТ (см. рис. 2)

Таблица 2. Районирование территории РТ по степени техногенного воздействия (см. рис. 3)

Примечание. x - среднее содержание; s - стандартное отклонение

Размещено на http://www.allbest.ru

По сравнению с 2D картой функционального зонирования (см. рис. 2), техногенная 3D модель (см. рис. 3) отличается мозаичной структурой, что может свидетельствовать о локальном влиянии антропогенной и техногенной деятельности на окружающее пространство. Численная техногенная 3D модель позволяет использовать ее для интеграции количественной, балльной и качественной информации. Например, для создания интегральной геоэкологической модели РТ использовались модели различных сред геологического пространства (табл. 3) путем создания общего грида, соответствующего таковому для техногенной модели. Количество конкретных данных для построения отдельных моделей варьировало от 2556 (модель фундамента) до 1265863 (модель современного рельефа). При этом устанавливается корреляционная зависимость между отдельными средами, которые затем совместно анализируются статистическими методами и по полученным коэффициентам факторных нагрузок строится новая математическая модель изучаемого объекта. На более продвинутых стадиях геоэкологического исследования применяется направленный факторный эксперимент. Главные задачи данного этапа изучения сложного объекта сводятся к нахождению минимального числа существенных факторов, с достаточной полнотой описывающих явление или процесс, и построению интегрального параметра, значения которого определяются факторными весами сред. Затем для данного набора признаков строится модель, которую можно ранжировать по значениям факторных весов.

Таблица 3. Факторные нагрузки геологического пространства РТ

Примечание. Выделены значимые факторные нагрузки

Для системного анализа геологического пространства необходимы количественные данные по строению изучаемой территории, которые в большинстве случаев представлены в растровом формате. Поэтому на основе геологической карты масштаба 1:200000 с нанесением шестиугольной сетки автором создана цифровая стратиграфическая модель РТ (Сунгатуллин, 2006). Каждой ячейке, попадающей в область распространения отложений определенного стратона, присвоен балл, соответствующий его абсолютному возрасту. Это позволило построить для территории РТ геологическую модель, а с учетом математической обработки разных сред (см. табл. 3) - интегральную стратиграфическую модель, в формировании которой основная роль принадлежит геологической, осадочно-петрографической и минерагенической моделям. Анализ тектонического облика и геодинамики основывался на компьютерных моделях, построенных по данным глубоких, структурных и картировочных скважин. Чтобы модель привела к получению научных и практических результатов, она должна иметь следствия, которые могут быть сопоставлены с эмпирическими данными, т. е. модель должна быть адекватна реальному объекту (Современные.., 1984; Шарапов, 1989). Наиболее эффективным способом проверки истинности геологической модели является бурение скважин. Верификация компьютерных структурных моделей проведена нами с помощью проходки почти 100 скважин глубиной 100-200 м в зоне сочленения Северо- и Южно-Татарского сводов (Сунгатуллин, 2001). При сравнении моделей с природной геологической ситуацией по пересечению скважинами границ маркирующих горизонтов погрешность компьютерного прогноза составила ±5-10 м, или 3-10 %, что является достаточно убедительным доводом в пользу компьютерного моделирования.

Статистическая обработка матрицы значений 3D моделей территории РТ (см. табл. 3) выявила пять факторов, соответствующих степени воздействия каждого из них на техногенно-преобразованное геологическое пространство. Первый фактор в основном влияет на значения таких параметров, как кровля фундамента, электрическая проводимость осадочного чехла и содержание фосфора в породах. Исходя из наиболее значимого показателя (кровля фундамента), данный фактор получил название «геодинамического фактора». Для второго по значимости фактора основные факторные нагрузки обусловлены содержаниями кремнезема и кальция, и поэтому данный фактор назван «химическим». Третий фактор связан с геологической и осадочно-петрографической моделями, отражая, таким образом, возрастные и литологические особенности изучаемой территории, и поэтому данная факторная нагрузка получила название «стратиграфической». Четвертый фактор определяется моделью техногенной нагрузки и современным рельефом, что позволило нам назвать его «геоэкологическим», отражающим влияние техногенеза на геологическое пространство. И, наконец, пятый фактор четко определяется основными физическими показателями и интерпретируется как физический фактор.

Создание интегральной геоэкологической модели территории РТ (рис. 4) основывалось на выделенном геоэкологическом факторе с совместным анализом отдельных моделей и их вкладом в общую информацию о техногенно-преобразованном геологическом пространстве (см. табл. 3). Количественные параметры геоэкологической модели получены с помощью весовых факторных нагрузок всех моделей по следующей формуле:

где Z_э - численная величина параметра в отдельной ячейке для интегральной геоэкологической модели; Z_n - численная величина параметра в соответствующей ячейке для отдельной модели; n - номер модели (см. табл. 3).

Размещено на http://www.allbest.ru

Общий вес геоэкологического фактора составляет 14,5 % объема всей современной информации о техногенно-преобразованном пространстве (см. табл. 3). Созданная интегральная геоэкологическая 3D модель обладает ресурсностью, мобильностью, оперативностью и базируется на численных значениях как отдельных составляющих параметров, так и интегральной модели в целом. Например, по сравнению с техногенной моделью (см. рис. 3), интегральная геоэкологическая модель показывает различие между промышленно-урбанизированными территориями (значение Z_э менее минус 1,5) и участками разрабатываемых месторождений нефти (значение Z_э более 2,0). Кроме того, интегральная модель сглаживает многочисленные сложности совмещения и ранжирования различных параметров техногеосистемы, а также позволяет провести районирование с помощью математических методов.

Для многих промышленно-урбанизированных территорий сегодня назрела необходимость создания мониторинговой сети изучения отдельных сред, а показатели их состояния могут служить основой для создания прогнозного моделирования природных и техногенных процессов в окружающей среде. Поэтому системный анализ экологического состояния геологического пространства проведен нами для подобных площадей РТ (Сунгатуллин, 2001, 2008, 2009). Целью геоэкологического моделирования на Набережно-Челнинской площади явилась оценка современного состояния поверхностной и подземной гидросфер с решением двух задач: выявления природных и техногенных факторов, воздействующих на элементы гидросферы, и создания компьютерных моделей гидросферы для учета и прогноза взаимодействия гидросферы с другими средами геологического пространства и техносферой. Для построения интегральных моделей использовались цифровые данные по современному рельефу, стратиграфическому и тектоническому строению, химическому составу пород, подземных и поверхностных вод, минерагеническому потенциалу, физическим характеристикам и техногенной нагрузке (табл. 4). С помощью кластерного анализа выделены и сопоставлены группы «природных» и «техногенных» элементов поверхностной и подземной гидросфер. В поверхностных водах происходит сокращение «природной» группы элементов до 7 компонентов, тогда как в подземной гидросфере их количество достигает 14. Факторный анализ позволил определить, что «природный» фактор подземной и поверхностной гидросфер формируется только за счет макрокомпонентов. В подземной гидросфере значимым параметром «природного» фактора являются кальций и хлор, а в поверхностной гидросфере - натрий, калий, магний, железо и сульфат-ион.

Таблица 4. Факторные нагрузки для Набережно-Челнинской площади РТ (см. рис. 5)

Примечание. Выделены значимые факторные нагрузки

Размещено на http://www.allbest.ru

Цифровые модели вод исследованной территории позволили выполнить системный анализ и геоэкологическую интерпретацию данных (Сунгатуллин, 2008). Так, стало возможным выявить факторы, характеризующие геологическую, гидросферную, физическую и неотектоническую составляющие (см. табл. 4). Аналогично вышеприведенному алгоритму созданы интегральные модели поверхностной и подземной гидросфер для Набережно-Челнинской площади (рис. 5). По весу каждого из факторов (см. табл. 4) можно установить долю введённых данных от объёма геоэкологической информации. Например, интегральные модели подземной и поверхностной гидросфер содержат 1/3 часть всей современной информации, что свидетельствует о важности исследования гидросферы как центрального элемента техногеосистемы. Наряду с химизмом поверхностных и подземных вод, интегральные гидросферные модели включают в себя также информацию о других средах, что фиксируется значимыми факторными нагрузками последних в интегральных гидросферных моделях (см. табл. 4).

Интерпретация интегральной модели зависит от ее целевой направленности. Так, с помощью модели подземной гидросферы Набережно-Челнинской площади выделяются области развития защищенных и незащищенных от загрязнения подземных вод (см. рис. 5, А). Подобную информацию можно использовать как в экологических, так и в поисковых целях для решения актуальной проблемы водоснабжения г. Набережные Челны за счет подземных источников (Сунгатуллин, 2009). Наиболее перспективными объектами для питьевого водоснабжения следует считать участки недр с условным параметром менее минус 20, которые расположены на левобережье Нижнекамского водохранилища в нескольких километрах от города. Интегральная модель поверхностной гидросферы выделяет области развития относительно чистых и загрязненных речных вод (см. рис. 5, Б). Подобные модели применимы при мониторинговых исследованиях и определении стоимости природных ресурсов отдельных территорий. Поэтому при экологических прогнозах особенно важна актуализация информации путем периодического сбора данных, обратной связи и модернизации интегральной модели. Такие модели могут создаваться для отдельных объектов, площадей, регионов и в целом для России, а получаемая информация пригодна, соответственно, для решения задач локального, регионального и федерального уровней.

Положение 3. На промышленно-урбанизированных площадях происходит техногенная трансформация химического состава депонирующих сред. С помощью аппарата математической статистики разработаны критерии обнаружения техногенных аномалий и количественно оценен вклад природных, природно-техногенных и техногенных процессов в общую информацию о техногеосистеме (глава 4)

Наряду с некоторыми природными факторами, техногенная деятельность рассматривается как одна из самых мощных современных геологических сил, преобразующих земную кору, модифицирующих физические и химические поля, формирующих новые структурные элементы. Активная переработка геологического пространства под воздействием техногенеза приводит к формированию в глобальном масштабе в гидролитосфере совершенно новой триады элементов «порода - вода - техногенные образования» - техногенной коры выветривания. Последняя наиболее приспособлена к условиям техногенно-преобразованной окружающей среды, а агентами выветривания здесь, наряду с природными физическим, химическим и биологическим факторами, являются антропогенный и техногенный. Наиболее динамичным элементом техногенной коры выветривания является гидросфера, где зарождается водоносный современный техногенный ареал (Сунгатуллин, 2009), отвечающий участкам антропогенного изменения подземной гидросферы. Пространственная форма водоносного ареала в виде вертикального цилиндра отличает его от природных пластообразных гидростратиграфических подразделений.

Установлено, что техногенез и урбанизация способны ускорить естественный круговорот веществ, включая и химические элементы в гидросфере. На промышленно-урбанизированных площадях РТ установлена техногенная трансформация химического состава гидросферы с формированием техногенного водоносного ареала (Сунгатуллин, 2007, 2009). Например, добыча углеводородов и нефтепромысловые сооружения на юго-востоке РТ за 50 лет привели к наиболее масштабным техногенным изменениям подземной гидросферы (Ибрагимов, 2007). Извлекаемые попутно с нефтью крепкие хлоридные натриевые рассолы способствовали образованию многочисленных техногенных минерализованных родников. Если в начале 70-х годов прошлого столетия на территории РТ в зоне активного водообмена не было выявлено ни одного водопункта с водами хлоридного типа, то в настоящее время на площади нефтяных месторождений такие воды встречаются повсеместно, при этом содержание хлоридов в них значительно превышает 1 г/л (рис. 6).

Важным аспектом изучения вод техногенного ареала являются критерии их выделения. Нами выборка вод техногенного происхождения осуществлялась с помощью методов математической статистики на примере минеральных вод РТ (Сунгатуллин, 2006, 2009). Кластерный анализ выявил «техногенную» и «природную» группы компонентов. В первую группу вошли хлор, натрий, калий, а вторую составили кальций и сульфат-ион. При этом поведение химических компонентов в водоносном техногенном ареале и в природных гидростратиграфических подразделениях существенно различается (рис. 7). В отличие от природных вод, воды техногенного ареала не обладают вертикальной гидрохимической зональностью, т. е. являются азональными. Ареал отличается от природных минеральных вод повышенной (в среднем в 2 раза) минерализацией и преимущественно сульфатно-хлоридным магниево-натриевым составом. В настоящее время около 25 % минеральных вод РТ в зоне активного водообмена образовались за счет техногенной трансформации химического состава природных вод.