Экология геологической среды

Отмеченная выше неадекватность реакции рельефа на различные виды техногенного воздействия заключается в том, что наиболее устойчивые к деструктивным процессам комплексы обладают повышенной потенциальной опасностью загрязнения. Напротив, наиболее динамичные комплексы относятся к наиболее самоочищаемым. На примере рельефа еще раз убеждаемся в сложности интегральной оценки природного потенциала и в важности оценки устойчивости геологической среды по отношению к определенным видам техногенного воздействия.

Почвы представляют собой буферную зону между внешними оболочками Земли и литосферой. На преобладающей площади суши, за исключением русел рек и выходов на поверхность горных пород, загрязнение попадает в геологическую среду через почвы, которые играют роль своеобразных фильтров. Физическое воздействие на литосферу также часто начинается с эрозии или перемещения почвогрунтов. В названии почвы заключена важная и многоплановая информация экологического значения, а сведения о структуре почвенного покрова дают представление о строении экосистем. В общем случае способность почв накапливать, сохранять или удалять загрязнение зависит от реакции среды (табл. 11) и преобладающего типа водного режима (табл. 12).

Дифференциация условий почвообразования, главным образом климатических и отчасти геоморфологических и мерзлотных, позволяет выделить широтные почвенно-экологические зоны, а в их пределах - провинции или региональные категории. Структура почвенного покрова в пределах провинций, в свою очередь, дифференцируется в зависимости от особенностей рельефа, его абсолютных высот и специфики расчленения. При этом почвы засушливых и континентальных регионов более чувствительны к изменениям рельефа, образуют более контрастные и дробные структуры.

Таблица 11 Подвижность биохимически активных микроэлементов в различных ассоциациях субаэральных почв (по М. А. Глазовской)

Таблица 12 Относительная опасность загрязнения подвижными биохимически активными элементами субаэральных почв (по М. А. Глазовской)

Примечание. Опасность загрязнения: «+» - очень слабая; «+ +» - слабая; «+ + +» - умеренная; «+ + + +» - сильная; «+ + + + +» - очень сильная.

Нефтяное загрязнение - одно из важных видов химического воздействия на почвогрунты. Скорости разложения нефтепродуктов в почвах зависят от температуры и влажности. В жарком и влажном климате они в 500 раз выше, чем в холодном. Активность разложения возрастает при переходе от восстановительных условий болот к окислительным в дренированных почвах. Помимо этого, кислый класс водной миграции в сочетании с промывным режимом способствует выщелачиванию и удалению нефтепродуктов.

Велика роль и поглотительной способности почв. Она выше у глинистых и богатых гумусом почв. Минимальная поглотительная способность наблюдается у песчаных подзолистых почв (1-10 мг-экв на 100 г сухого вещества), а максимальная - у черноземов на лессах и у торфяно-болотных почв (до 100 мг-экв и более). В целом же поглотительная способность загрязненных нефтью почв снижается. Поэтому в загрязненные почвы удобрения рекомендуется вносить для поддержания необходимой активности процесса разложения нефтепродуктов.

Масштабы загрязнения почв нефтью и активность процесса их восстановления зависят от состава нефтепродуктов, свойств почв и климатических условий. Сочетание этих факторов весьма неблагоприятно в северных и восточных нефтедобывающих регионах СНГ, где использование загрязненных почв возможно через 15-20 лет. Западные, центральные и южные регионы СНГ в этом отношении более благоприятные. Аналогичная ситуация фиксируется и для нефтедобывающих районов Беларуси.

3. Методические основы эколого-геологических исследований

3.1 Методы и критерии оценки состояния геологической среды

Аналитические и геохимические методы. Данные методы играют главную роль в оценке состояния компонентов геологической среды, поскольку лишь с их помощью можно представить виды и масштабы загрязнения почв, горных пород и подземных вод. Важность этих методов связана с тем, что именно загрязнение - наиболее опасный для человека, животных и растений вид техногенного воздействия на природу. Вместе с тем химические анализы почв, грунтов и подземных вод весьма дороги и трудоемки. Аналитических данных обычно недостаточно, что в свою очередь приводит к необходимости использования косвенных показателей. Так, о загрязнении пород и подземных вод пытаются судить по концентрациям загрязнителей в атмосфере и снеговом покрове, в растительности, почвах и поверхностных водах.

Ценность количественных показателей, получаемых при химическом опробовании, снижается из-за недостаточно разработанной методики определения ПДК для многих загрязняющих веществ. Экстраполяция «точечных» или локальных измерений на большие площади затрудняется недостатком данных о закономерностях разложения и миграции соединений в литосфере.

Загрязнение почв при учете их буферных свойств служит важным критерием состояния близких к поверхности пород и подземных вод (табл. 13). Многие показатели таблицы являются критическими для человека. Следует отметить, что для растений эти значения в 2-7 раз ниже.

Таблица 13 Показатели критической экологической обстановки при загрязнении почв

В промышленных районах и крупных городах проблемы загрязнения почв в значительной степени сводятся к накоплению в них тяжелых металлов (табл. 14).

Таблица 14 Степени загрязнения почв тяжелыми металлами (мг/кг почвы). Кларки и фоновое содержание валовых форм тяжелых металлов и мышьяка в почвах (по В. Г. Граковскому и др.)

Пределы колебаний приведенных в таблице величин связаны с тем, что для песчаных и супесчаных почв эти пределы в несколько раз ниже, чем для суглинистых и глинистых. Это обстоятельство имеет особое значение для состояния почвообразующих пород, так как в легких по механическому составу почвогрунтах активная вертикальная миграция загрязнения приводит к его быстрому проникновению на значительные глубины.

Отдельного рассмотрения заслуживают почвогрунты городов и промышленных зон, низкая устойчивость которых (почвогрунтов) обусловлена снижением гумусности, потерей структуры, образованием таких новых видов почвогрунтов, как урбаноземы (глубоко переработанные), индустриземы (химически преобразованные) и урботехноземы (насыпные).

Методы оценки загрязнения геологической среды в нефтегазоносных районах весьма разнообразны вследствие значительной номенклатуры показателей, требующих определения. При этом в зависимости от утилизации отходов бурения важность тех или иных показателей меняется. При оценке сбрасываемых на поверхность загрязненных вод важны следующие их показатели: содержание нефтепродуктов, токсичных солевых компонентов, тяжелых металлов, а также реакция среды. При этом используются такие методы, как отгонка нефтепродуктов (точность 5 мг/л), осаждение хлоридов (точность 2-4 мг/л), титрование сильной кислотой для определения щелочности. При использовании сточных вод для заводнения пластов важным является оценка содержания сероводорода и железа. Для определения содержания последнего применяются атомно-абсорбционный и калориметрический методы. Опасность для водных систем представляет присутствие в сточных водах, кроме нефтепродуктов, взвешенных веществ и коллоидных частиц минеральной и органической природы, а также растворенных солей и атрофирующих агентов - фосфора, серы, азота. В большинстве случаев сточные воды нефтегазовых месторождений требуют очистки. Основные методы, используемые при этом:

гравитационный для взвесей;

коагуляционный для коллоидов;

окисление, абсорбция и аэрирование для растворимых органических веществ и газов;

ионный обмен и мембранный метод для растворимых минеральных солей.

Общее влияние загрязнения подземных вод на состояние геологической среды оценивается по совокупному учету качества воды (концентрации загрязнителей относительно ПДК) и площадей загрязнения (табл. 15).

Таблица 15 Критерии оценки загрязнения подземных вод (по В. М. Гольдбергу)

К аналитическим методам оценки нарушенности геологической среды относятся подсчеты числа и объемов техногенных форм рельефа, в том числе рассмотренные выше определения величин коэффициента антропогенного морфогенеза и геотехнического коэффициента. К этой категории также относятся многочисленные подсчеты величин смыва почв и их загрязнения (табл. 16, 17).

Таблица 16 Почвенные показатели состояния экосистем (по Б. В. Виноградову)

Таблица 17 Техногенное загрязнение и классы состояния почв (по Б. В. Виноградову)

Известны количественные методы расчета уплотнения грунтов и техногенно обусловленных опусканий земной коры на площадях добычи нефти и газа и в границах крупных городов (до 10 см на территории Москвы). Оценка нарушения режима подземных вод базируется на определении изменений их уровней и дебитов в скважинах, а в шахтах путем измерения объемов откачек и прорывов воды из вскрытых горизонтов.

Аэрокосмические методы. Оценивая дистанционные методы анализа состояния геологической среды, следует иметь в виду два обстоятельства. Во-первых, информация о загрязнении и нарушенности глубоко залегающих горных пород и подземных вод на аэрокосмических снимках практически отсутствует. Весьма эффективны результаты дешифрирования только почв и особенно рельефа. Во-вторых, материалы съемки дают ценные сведения главным образом о нарушенности и гораздо менее информативны в отношении загрязнения поверхности литосферы.

Рассматривая использование аэрокосмических снимков в целях изучения рельефа, прежде всего следует указать на их высокую информативность в отношении таких параметров, как густота расчленения и длина склонов, поскольку эти параметры рассчитываются путем непосредственных измерений. По сравнению с картами, информативность снимков в отношении густоты расчленения повышается по мере уменьшения размеров дешифрируемых эрозионных форм, так как формы первого порядка на картах либо отсутствуют, либо отражаются с разрежением. Снимки сильно упрощают проведение границ между категориями рельефа с разными величинами расчленения, облегчают выбор масштаба морфометрических карт. Снимки незаменимы для анализа морфометрии элементов рельефа или микрорельефа склонов, который практически неразличим на картах. Такие разновидности микрорельефа, как бороздчатость, бугристость, ступенчатость, скалистость, во многом определяют характер склоновых процессов.

Для количественного анализа углов наклона и глубины расчленения необходима стереофотографическая обработка снимков. Однако предварительная качественная оценка этих параметров возможна и путем визуального дешифрирования. Изучение стереопар снимков под стереоскопом или интерпретоскопом дает весьма наглядное представление о профилях склонов и изменениях их строения от междуречий к долинам. Эти исследования особенно эффективны на площадях обнаженных склонов и достаточно расчлененного рельефа.

Так же как и прочие виды тематического дешифрирования, анализ морфометрии рельефа требует выбора снимков определенных параметров (табл. 18).

Таблица 18 Выбор зоны спектра при дешифрировании рельефа

Следовательно, по данным табл. 18, инфракрасный диапазон снимков наиболее эффективен при распознавании эрозионных форм по увлажнению и непригоден для дешифрирования малых форм и рельефа мелководий. Такие индикаторы рельефа, как растительность, хорошо «работают» в красном диапазоне, а объемность форм в условиях неравномерного освещения хорошо читается в сине-зеленой зоне спектра.

Съемки равнинного рельефа требуют более низкого положения Солнца (15-30^о), а съемки горного рельефа более удачны при углах освещения 40-50^о. Морфометрические построения нежелательны как по снимкам малой контрастности, так и по чрезмерно контрастным изображениям. Выбор сезонности снимков особенно важен в равнинных залесенных районах, где растительность и увлажнение играют роль индикаторов рельефа. В итоге можно отметить, что при анализе морфометрии по прямым признакам дешифрирования рельефа важны масштабы и углы освещения, а при использовании косвенных признаков - сезонность и диапазоны съемки.

Аэрокосмические снимки дают разнообразную и ценную информацию, касающуюся прямых и косвенных индикаторов, дают возможность определить основные морфологические и морфометрические характеристики рельефа. Например, о распространении обвально-осыпных явлений можно судить по крутизне и скалистости склонов, по резкости гребней хребтов, глубине расчленения и обнаженности рельефа. Участки подмыва крутых склонов и выхода у подножий грунтовых вод, а также ступенчатость склонов - вероятные признаки оползневых процессов. Строение русел и рельефа пойм, сопряжение склонов и днищ долин указывают на направленность эрозионно-аккумулятивных процессов в долинах. Более важное значение имеют прямые индикаторы - формы рельефа, созданные теми или иными процессами. При этом признаки дешифрирования форм-индикаторов меняются в зависимости от ландшафтных особенностей района, условий съемки и параметров снимков (табл. 19). Особого рассмотрения при оценке рельефа заслуживает информация снимков, указывающая на зарождение или начальные стадии развития экзогенных процессов, на потенциальную опасность разрушительных явлений. Подобные формы-индикаторы обычно отсутствуют на топографических картах и распознаются лишь при дешифрировании достаточно крупномасштабных изображений. В подобных случаях используются косвенные признаки дешифрирования - изменения увлажнения или почвенно-растительного покрова (табл. 20).

Разнообразие, комплектность и объективность аэрокосмической информации позволяют использовать ее при решении различных задач экологии геологической среды. К ним относятся анализ границ экосистем и структуры их морфолитогенной основы, оценка активности внутренних и внешних связей в экосистемах, а также условий миграции обломочного материала и растворенных соединений. Дистанционные методы весьма эффективны при изучении техногенного влияния на рельеф, сочетаний естественных и антропогенных форм.

Таблица 19 Формы рельефа - прямые индикаторы экзогенных процессов

Таблица 20 Формы рельефа - индикаторы зарождения или начальных стадий экзогенных процессов

Важно отметить, что информация, касающаяся изменений поверхности литосферы, в ряде случаев позволяет судить о состоянии ее более глубоких частей.

Помимо типологического анализа почвенного покрова, дистанционные методы эффективны при изучении и оценке отдельных свойств или параметров почв, что важно для оценки их состояния как поверхностной части литосферы, регулирующей влияние на нее внешних оболочек Земли.

Влажность почв определяет тон и температуру их поверхности, данная характеристика фиксируется на снимках видимого, теплового и микроволнового диапазонов спектра. Оптические свойства почв коррелируют с так называемой рыхлосвязанной влагой почв, причем эти связи наиболее тесные для песков в интервале влажности 1-5 %, для супесей 2-12 % и для глин 4-22 %. Изучение стабильных границ увлажнения почв позволяет определять площади гидроморфных почв, заболачивания и подтопления, а оперативные наблюдения за влажностью в весенний период помогают оценить запасы воды в почвах в интересах сельского хозяйства.

Гумусированность почв оказывает большое влияние на их цветовой тон, поскольку гуминовые кислоты имеют очень низкие значения коэффициентов спектральной яркости (0,02-0,03). Цветовой тон почвы меняется от почти белого у сероземов и солончаков до почти черного у черноземов и луговых почв. На снимках связь оптических характеристик почв и содержания в них гумуса прослеживается в интервале 0-7 % и определяется с точностью до 10 %. Непременным условием должна быть полная обнаженность почвы или проективное покрытие растительности не более 10-15 %. Для наиболее плодородных черноземных почв с содержанием гумуса 8-12 % использование снимков неэффективно. По мере увеличения длины волны в диапазоне спектра 0,4-0,8 мкм спектральные коэффициенты яркости почв возрастают примерно в 3 раза. Например, дерновые почвы в красной зоне могут выглядеть на снимке так же, как и сероземы в голубой зоне.

Засоление почв по-разному влияет на их оптические свойства. В сухом состоянии избыточно засоленные почвы светлее незасоленных, а во влажном темнее, так как соль очень гигроскопична и быстро поглощает влагу. Оценка засоления затрудняется влиянием увлажнения, гумуса и растительности. Оптимальные условия для изучения характеристики - обнаженность, сухость и значительная гумусированность почв. Подтверждением данного обстоятельства служит то, что в малогумусных почвах (2-3 % гумуса) засоление фиксируется при 1-2 %, а в среднегумусных (более 4 % гумуса) уже при 0,5-1,0 %.

Эродированность почв приводит к сокращению или полному уничтожению наиболее плодородного гумусового горизонта, имеющего низкие значения коэффициентов спектральной яркости. С этим связано осветление эродированных и дефлированных почв на снимках. Осветленные ареалы почв обычно видны среди пахотных угодий на вершинах холмов и вблизи бровок коренных склонов. Слабая эродированность влияет лишь на тон изображения. При более активной эрозии появление борозд, промоин и мелких оврагов приводит к

образованию тонкополосчатой, струйчатой структуры на месте однородной.

Картографические методы. Организация и технология при картографическом обеспечении эколого-геологических исследований зависят от конкретных решаемых задач, детальности работ, изученности территории, экономических возможностей и ряда других условий. Однако в общем случае можно выделить следующие этапы работ этого направления.

В первую очередь целесообразно провести детальный и всесторонний анализ экологической информативности тематических природных и социально-экономических карт различного масштаба, имеющихся на исследуемую территорию. Это касается карт геологического, геоморфологического и почвенного профиля, а также топографических основ. Информация карт позволит представить структуру экосистем данной территории и оценить характеристики компонентов экосистем, которые определяют естественное состояние геологической среды и ее потенциальную реакцию на техногенные воздействия. Сведения о составе поверхностных отложений важны для оценки вертикальной и горизонтальной миграции поверхностного загрязнения, а также для суждения об устойчивости литогенной основы к эрозии и механическим нагрузкам. Такое же значение имеют карты типов мерзлоты. Особую ценность представляют инженерно-геологические карты, несущие многоплановую информацию о строении геологической среды, и гидрогеологические карты, позволяющие судить о защищенности водоносных горизонтов. Аналогичным образом можно использовать геоморфологические и почвенные карты.

Априорную информацию о возможном загрязнении и нарушенности геологической среды несут карты промышленности, транспорта и земельных угодий.

Интерпретация базовых тематических карт должна послужить основой для составления серии специализированных картографических документов, отражающих различные стороны природного потенциала территории. Примерный перечень подобных карт выглядит следующим образом:

типы инфильтрационных сред;

типология и кинематика разломов;

защищенность водоносных горизонтов;

инженерно-геологические процессы;

геохимия ландшафтов;

типы и ареалы техногенного воздействия;

динамика ландшафтов (рис. 2).

Наиболее сложный и ответственный этап - составление собственно эколого-геологических карт. В зависимости от поставленных задач эти карты могут быть:

параметрическими, отражающими закономерности распределения какого-либо параметра экологического состояния геологической среды. Например, содержание свинца в почве или нефтепродуктов в подземных водах;

компонентными, дающими комплексную информацию о состоянии рельефа, почв, массивов горных пород или подземных вод;

комплексными аналитическими, содержащими сведения о многочисленных видах техногенного воздействия и их масштабах;

комплексными типологическими, на которых дается ранжирование структурных, стратиграфо-генетических или природных ком-плексов по напряженности экологической обстановки (рис. 3).

Эколого-геологическое картографирование требует сбора и систематизации большого материала о загрязнении и нарушенности геологической среды. Принципиально важным следует считать ранжирование критериев экологического состояния и системный подход при районировании территорий по экологической опасности.

По содержанию, масштабным уровням и назначению эколого-геологические карты могут быть обзорными, региональными, специальными и детальными.

Рис. 2. Фрагмент карты ландшафтов масштаба 1 : 200 000: динамические характеристики ландшафтов: 1 - неполные смены: первая (а), вторая (б), третья (в); 2 - фазы развития: зарождения и становления (а), устойчивого существования и медленного развития (б), смены (в); факторы, обусловливающие фазы развития (цифры в квадрате): 1 - нарушение гидрологического режима, 2 - изменение геохимической обстановки, 3 - эволюция почвенного покрова, 4 - устойчивая направленность почвообразования, 5 - направленный отбор биоты, 6 - обособление субдоминантных урочищ, 7 - новые ландшафтообразующие процессы, преимущественно антропогенного характера; проявления тектонодинамичеких процессов: 3 - эпицентр землетрясения, 4 - активные структурные формы: линейные (а), кольцевые: положительные (б), отрицательные (в); 5 - дифференцированные позднеантропогеновые движения: поднятие (а), слабое опускание (б); экзодинамические процессы: 6 - линейная эрозия, 7 - русловая эрозия, 8 - дефляция, 9 - суффозия, 10 - термокарст, 11 - аллювиальные, 12 - эоловые, 13 - пролювиальные, 14 - эрозионно-аккумулятивные, 15 - заболачивание; районы проявления техногенеза: 16 - мелиорации и сельскохозяйственного освоения ландшафтов: наименее освоенные (а), слабоосвоенные (б), достаточно освоенные (в), наиболее освоенные (г); 17- промышленные районы; 18 - виды ландшафтов: 1 - крупнохолмистый моренно-эрозионный, 2 - среднехолмистый моренно-эрозионный, 3 - мелкохолмистый лессовый, 4 - холмисто-волнистый вторичный водно-ледниковый, 5 - мелкохолмистый вторично-моренный, 6 - полого-волнистый лессовый, 7 - полого-волнистый аллювиальный террасированный, 8 - плоско-волнистый вторичный водно-ледниковый, 9 - плоско-моренно-зандровый, 10 - плоский аллювиальный террасированный, 11 - пойменный гривистый, 12 - пойменный плоский

Обзорные карты (масштаб 1 : 1 000 000 - 1 : 500 000) фиксируют условия развития, интенсивность проявления и распространения природных и техногенных процессов, техногенного воздействия на геологическую среду и т. д. Для составления подобных моделей проводится региональный анализ состояния геологической среды, определяется характер воздействий, выполняется инженерно-геологическое районирование, оценивается техногенная нагрузка. техногенез геологический гидросфера экология

Региональные карты (масштаб 1 : 200 000 - 1 : 100 000) создаются для получения информации и оценки перспектив развития геологических процессов при освоении территории. При этом осуществляются анализ динамики рельефа, исследование техногенной нагрузки и ее классификация, типизация природно-технических систем по степени их устойчивости. Выполняется оценка экономической целесообразности функционирования природно-технических геосистем. Региональные модели представляются в виде серии карт (тектонической, геологической, гидрогеологической, геоморфологической, ландшафтной, типизации техногенного воздействия на верхнюю часть литосферы), а также в виде вероятностных моделей процессов, факторов и условий динамики геологической среды.

Рис. 3. Фрагмент геоэкологической карты: геологические обстановки по природным (а) и техногенным (б) факторам: 1 - благоприятная, 2 - умеренно благоприятная, 3 - неблагоприятная; проявления экзодинамических процессов: 4 - денудационных, 5 - аккумулятивных, 6 - денудационно-аккумулятивных; проявления новейшей эндодинамики: 7 - зоны активных разломов, 8 - локальные структуры: положительные (а), отрицательные (б), 9 - эпицентр землетрясения; проявления техногенеза: 10 - загрязнение почв, пород зоны аэрации и подземных вод в местах свалок (а), полей фильтрации (б), накопителей отходов животноводческих комплексов (в); 11 - нарушение уровенного режима поверхностных и подземных вод под влиянием групповых городских водозаборов (а), мелиорации (б); 12 - изменение качества поверхностных и подземных вод выше ПДК; 13 - трансформации ландшафтов при разработке карьеров (а), складировании в карьерах отходов (б), торфоразработках (в); 14 - ареалы геоэкологических ситуаций: простые (а), сложные (б), весьма сложные (в); 15 - памятники природы; 16 - граница геоэкологических районов

Специальные карты оптимизации геологической среды целесообразно разрабатывать при принятии управленческих мероприятий по охране и рациональному использованию геологической среды в сфере влияния объектов энергетики, горнодобывающих комплексов, крупных промышленных предприятий, городских агломераций (масштаб работ

1 : 50 000). Такие картографические модели используются проектными организациями и эксплуатационными службами.

Детальные эколого-геологические карты (масштаб 1 : 25 000 -

1 : 10 000) создаются для населенных пунктов, промышленных зон и отдельных предприятий. В них осуществляется комплексный анализ инженерно-геологических условий территорий в рамках природно-технических систем с определением эффективности мероприятий по оптимизации геологической среды. При этом проводится инженерно-геологическое районирование, изучаются геологические процессы, создаются схемы защитных мер и планы управления геологической средой и т. д.

Рассмотренные методы являются главнейшими для решения задач экологической геологии. На практике эти методы либо образуют звенья единой технологической цепи, либо используются одновременно, дополняя друг друга.

3.2 Структура эколого-геологических исследований

Эколого-геологические исследования проводятся в целях оценки состояния приповерхностной части литосферы, прогнозирования ее изменений под совокупным воздействием природных и техногенных факторов, планирования комплекса мероприятий по рациональному недропользованию и охране геологической среды. В зависимости от необходимой детальности изучения территории такие виды работ выполняются соответственно в мелком (1 : 1 000 000 - 1 : 500 000), среднем (1 : 200 000 - 1 : 100 000) и крупном (1 : 50 000 - 1 : 25 000) масштабах. Эколого-геологические исследования осуществляются в пределах отдельных экономических регионов, территориально-промышлен-

ных комплексов, городских агломераций, районов эксплуатации месторождений полезных ископаемых. Выбор объектов определяется народнохозяйственными интересами и интенсивностью техногенной нагрузки на геологическую среду.

Основные задачи эколого-геологических исследований: выделение и типизация природных и техногенных объектов, выявление функциональных взаимосвязей между ними; определение реакции геологической среды на воздействие природных (неотектонических, сейсмических, инженерно-геологических и др.) и техногенных процессов; прогноз динамики геологической среды в условиях техногенеза; разработка рекомендаций по предупреждению негативных инженерно-геологических и экологических последствий. Объектами изучения являются природные и техногенные элементы геологической среды, обособленные пространственно и функционально, обладающие общими физико-химическими свойствами, сходной реакцией на воздействия, оказывающие однотипное влияние на экологическую обстановку. В процессе работ оценивается состояние горных пород, подземных вод, почв, рельефа земной поверхности, изучаются их трансформации под влиянием элементов техногенеза (карьеры, отвалы пород, гидромелиоративные объекты и др.).

При проведении эколого-геологических исследований широко используются материалы геологических, гидрогеологических, инженерно-геологических, ландшафтно-геохимических и других съемок, позволяющих в совокупности оценить экологическое состояние геологической среды. Для изучения процессов изменения верхней части литосферы в ретроспективе высокой информативностью отличаются аэро- и космические снимки. По данным дистанционного зондирования составляются оперативные карты эколого-геологического содержания.

Эколого-геологические исследования выполняются на протяжении подготовительного, полевого и камерального (окончательного) периодов. В подготовительный период осуществляются сбор и анализ фактологического (литературного, фондового) материала, освещающего состояние геологической среды. Изучаются сведения о способах добычи и переработки полезных ископаемых, о техногенных объектах, предварительно оценивается экологическая обстановка. В рассматриваемый период проводится предварительное дешифрирование материалов дистанционных съемок, в комплект которых входят аэро- и космические

изображения земной поверхности, полученные в масштабах 1 : 200 000 - 1 : 5 000 и крупнее, в видимом, инфракрасном и радиоволновом спектральных диапазонах. Для повышения надежности дешифрирования и наиболее полного извлечения информации осуществляются оптико-электронная обработка снимков, синтезирование и преобразование изображений. В результате подготовительных работ составляется предварительная эколого-геологическая карта, выделяются ключевые (опорные) участки, планируется сеть наземных и аэровизуальных маршрутов, точек опробования почв, горных пород и подземных вод.

В полевой период изучаются природные и техногенные объекты, определяющие эколого-геологическую обстановку. Первоочередными ключевыми участками проведения исследований являются площади интенсивного техногенного воздействия на геологическую среду, в пределах которых отмечаются неблагоприятные экологические ситуации. Объем и состав полевых работ варьируют в зависимости от строения геологической среды, особенностей проявления природных процессов, типа техногенных нагрузок и характера обусловленных ими изменений среды. В ходе исследований осуществляются геохимическое, биохимическое, гидрогеохимическое и минералогическое опробование, геофизические, горно-буровые работы, наземные и аэровизуальные наблюдения, дешифрирование аэро- и космических снимков. При этом важнейшим видом полевых работ являются геохимические исследования, позволяющие определить полноту переработки добываемого минерального сырья, состав техногенных аномалий, их границы, пути и скорости миграции элементов загрязнения.

Целесообразность того или иного метода, плотность сети опробования, схема расположения горных выработок определяются с учетом размеров исследуемых природных и техногенных объектов, характера преобладающих процессов и необходимой детальности их изучения. Неоднократные наблюдения и измерения параметров геологической среды (форм проявления экзогенных процессов, уровенного режима подземных вод и др.) позволяют установить количественные показатели эколого-геологической обстановки. В результате полевых исследований уточняется предварительная эколого-геологическая карта и составляются сходные по содержанию, но более крупного масштаба карты ключевых участков. Кроме того, выделяются объекты для последующей организации и ведения мониторинга геологической среды.

В камеральный период весь собранный фактологический материал обобщается и систематизируется. Особое внимание уделяется построению окончательного варианта эколого-геологической карты на основе комплексного анализа результатов дешифрирования аэро- и космических снимков, наземных наблюдений и полевого опробования. Важнейшей частью камеральных работ является создание информационного банка данных, обеспечивающего получение оперативных сведений о состоянии геологической среды в пределах региона. Для этих целей применяются ГИС-технологии, позволяющие использовать собранные материалы на любом уровне обобщения, подключать отдельные блоки информации к отраслевому либо республиканскому центру хранения экологических данных и к службе мониторинга природной среды.

4. Экология геологической среды в районах разработки месторождений полезных ископаемых

4.1 Проблемы освоения старобинского месторождения калийных солей

При эколого-геологических исследованиях важнейшую роль играет оценка состояния геологической среды в районах проведения геологоразведочных работ и добычи полезных ископаемых. К очагам активного техногенного влияния на верхнюю часть литосферы относятся районы эксплуатации месторождений полезных ископаемых. В настоящее время из недр земли извлекается более 400 видов сырья, из которых по стоимости преобладают горючие ископаемые (80 %), далее - металлы (12 %) и строительные материалы (около 2 %), причем строительные материалы находятся на первом месте по объемам добычи. Горнодобывающие комплексы загрязняют все компоненты природной среды углеводородами, оксидом серы, многими металлами - ртутью, кадмием, свинцом, хромом, медью, никелем. Основная часть соединений отличается стойкостью и большой миграционной способностью.

При добыче минерального сырья применяются различные системы использования ресурсов недр, которые включают открытые (карьерные) и подземные (шахтные) виды разработки, проходку скважин, технологии подземной газификации углей, выщелачивания солей, выплавки серы и др. Каждая из перечисленных основных систем имеет свои модификации и составляющие, зависящие от конкретных условий. Открытая разработка связана с объемами вскрышных работ, проблемами размещения отвалов и их последующей рекультивации. Глубокие карьеры требуют откачки подземных вод и сброса их в поверхностные водоемы. При шахтной добыче сталкиваются со многими сложными проблемами: трудностями разработки маломощных и наклонных горизонтов, прорывами подземных вод, обвалами, растеплением многолетнемерзлых пород, взрывами рудничных газов. Для более эффективной добычи нефти используются кусты скважин, наклонное бурение, закачки в нефтеносные горизонты больших объемов воды и поверхностно-активных веществ. Одна из технических новинок - подземные ядерные взрывы для повышения отдачи продуктивных горизонтов. Технология буровых работ непрерывно совершенствуется в целях увеличения глубины и скорости проходки, оптимизации режима эксплуатации, борьбы с обводнением грунтов, прихватами и коррозией труб.

Проведение геологоразведочных работ и разработка месторождений полезных ископаемых оказывают комплексное активное влияние на геологическую среду, которое охватывает большие площади (в отличие от ряда других отраслей промышленности) и затрагивает как земную поверхность, так и глубокие горизонты литосферы. Длительная, в течение десятилетий, а иногда и столетий, эксплуатация месторождений приводит в конечном счете к значительным и необратимым изменениям геологической среды.

Технологические и региональные особенности систем недропользования и их воздействие на геологическую среду зависят от типов месторождений полезных ископаемых и закономерностей их распределения, рельефа земной поверхности, инженерно-геологических и гидрогеологических условий.

На территории Беларуси открыто свыше 4000 месторождений минерального сырья. Детально разведаны запасы и осуществляется разработка месторождений нефти, каменной и калийной солей, строительных материалов, торфа, пресных и минеральных подземных вод. В результате геологоразведочных работ (бурение скважин, сейсмические исследования и др.) нарушаются физико-механические свойства почв и горных пород, загрязняются подземные воды. Негативное воздействие на верхние слои литосферы оказывает добыча полезных ископаемых.

Особую актуальность приобретает эколого-геологический анализ территории Солигорского промышленного района (Минская обл.). Многолетняя эксплуатация Старобинского месторождения калийных солей привела на пороге XXI в. к сложной экологической ситуации в промышленном районе, вызванной засолением почв и подземной гидросферы, трансформацией рельефа земной поверхности, активностью сейсмотектонических процессов и другими изменениями геологической среды.

Проявления геодинамических процессов. Важным аспектом эколого-геологической оценки Солигорского района является изучение трансформаций верхней части литосферы под влиянием новейших геодинамических процессов. С эндогенной геодинамикой связана активизация деструктивных явлений, влияющих на ход развития геологической среды. Вдоль линий тектонических нарушений (разломов, зон трещиноватости) отмечается заметное усиление экзогенных процессов (развитие просадок, заболачивание, эрозия), в том числе вызванных горнопромышленным фактором. Новейшей геодинамикой контролируется пространственное распределение сейсмических событий, приносящих значительный социально-экономический ущерб.

В результате интенсивной отработки калийных горизонтов Старобинского месторождения в земных недрах происходит перераспределение тектонических напряжений, что способствует образованию систем трещин в массивах горных пород, активизации газодинамических явлений, возникновению местных землетрясений. Формирование техногенно обусловленных геодинамических процессов контролируется прежде всего дизъюнктивной неотектоникой. В связи с этим изучение разломов, активных в позднеолигоцен-антропогеновый период (последние 30 млн лет), имеет в настоящее время важное значение при решении эколого-геологических задач в Солигорском промышленном районе.

В структурном отношении Старобинское месторождение калийных солей приурочено к северо-западной центриклинальной части Припятского прогиба. Поэтому при выяснении пространственной дифференциации неотектонических разрывных нарушений месторождения изучалась дизъюнктивная неотектоника Старобинской центриклинали в целом. К анализу были привлечены аэрокосмогеологические, геолого-геофизические и сейсмические данные.

О новейшей активизации дизъюнктивов можно судить по их выраженности на материалах дистанционных съемок в виде систем линеаментов - индикаторов разрывов, флексурно-разрывных дислокаций и зон трещиноватости. Активные разломы находят отражение в размещении стратиграфо-генетических комплексов и фаций четвертичных отложений, характере поверхности доантропогеновых пород, в изменениях мощностей основных структурных подразделений мезокайнозойских образований. В зонах неотектонических нарушений отмечаются высокие значения и контрастность современных вертикальных движений земной поверхности. К таким линейным дислокациям приурочены эпицентры землетрясений.

Анализ дизъюнктивной неотектоники Старобинской центриклинали показывает, что преобладающее простирание активных разломов согласуется с «припятским» направлением 287°, а также с ортогональной ориентировкой линейных структур 45-315°, отличавшихся наибольшей мобильностью в позднеолигоцен-антропогеновый период. Субширотные системы эшелонированных линеаментов шириной 1,0-2,5 км устанавливаются над зонами Северо-Припятского, Червонослободского, Ляховичского, Речицкого и других разломов платформенного этапа заложения. Они представляют собой разрывы сбросово-сдвигового типа с амплитудой смещения по поверхности фундамента от нескольких сотен метров до 1,3 км.

Среди активных разломов северо-восточного направления центральное место в дизъюнктивной неотектонике Старобинской центриклинали занимает доплатформенный Стоходско-Могилевский суперрегиональный разлом (азимут 45^о), разделяющий структурные элементы кристаллического фундамента.

Региональные системы разломов сопоставлялись с тектоническими зонами Старобинского месторождения калийных солей, установленными в ходе геофизических аэрогеологических и горно-геологических работ. В верхнефаменской соленосной формации отдельным звеньям Ляховичского и Речицкого разломов соответствует Северная тектоническая зона, с которой сближены разрывы, примыкающие к краевому Северо-Припятскому разлому. На юге месторождения выделяется Южная тектоническая зона, сопоставляемая с частью Червонослободского дизъюнктива.

Центральная тектоническая зона (Центральный разлом) сопряжена с одним из фрагментов Стоходско-Могилевского суперрегионального разлома. Активизация последнего на платформенном этапе (вплоть до антропогена) обусловила также формирование Чепелевского дизьюнктива и ряда других субпараллельных разрывов, которые проявились в калиеносной субформации с вертикальными амплитудами смещения до 150 м и на земной поверхности в виде зон линеаментов северо-восточного направления.

По данным сейсмических исследований в течение последних 20 лет установлено, что сейсмособытия, происходящие в пределах Старобинской центриклинали Припятского прогиба, сконцентрированы в определенных областях, приуроченных к неотектонически активным дизъюнктивным нарушениям. Эпицентр землетрясения 10 мая 1978 г., находящийся вблизи г. Солигорска в районе д. Кулаки, контролируется фрагментом Червонослободского разлома. Интенсивность сотрясения земной поверхности достигала 4-5 баллов, а энергетический класс землетрясения К = 9,0-9,5. На пересечении Стоходско-Могилевского и Северо-Припятского разломов произошло землетрясение 2 декабря 1983 г. с энергетическим классом К = 9.

География землетрясений в Солигорском районе за период с января 1997 г. по сентябрь 1999 г. свидетельствует о связи сейсмособытий в первую очередь с Центральной и Южной тектоническими зонами. Цепочка микроземлетрясений (К = 7) отмечается в Северной тектонической зоне, которая ограничивает с севера шахтные поля 2-го и 3-го рудников ПО «Беларуськалий». Заслуживает внимания землетрясение, произошедшее 15 марта 1998 г. в районе пос. Погост. Данное событие, а также менее интенсивный повторный толчок на следующий день были зарегистрированы сейсмостанцией «Солигорск». Очаг сотрясений радиусом 1,5-2,0 км приурочен к зоне Стоходско-Могилевского разлома. Интенсивность сотрясаемости - около 5 баллов.

Сейсмические явления в Солигорском районе вызваны концентрацией и разрядкой напряжений в литосфере, энергетическая подпитка которых, возможно, обусловлена сильными карпатскими транзитными землетрясениями. Локальное перераспределение регионального поля напряжений, очевидно, связано с проведением горных работ. К техногенным причинам возникновения чрезвычайных сейсмических ситуаций в промрайоне следует отнести также воздействие солеотвалов, шламохранилищ и Солигорского водохранилища на верхнюю часть литосферы. Эти объекты над подработанными шахтными полями ведут к перераспределению напряжений и нарушению изостатического равновесия в земных недрах, увеличивают сейсмический риск на территории промрайона.

Зоны активных разломов контролируют развитие экзогенных процессов. Очаги интенсивного заболачивания в пределах Чепелевского

и Центрального разломов, а также других дизъюнктивов, отраженных в ландшафтах в виде линеаментов, по-видимому, связаны с разуплотнением и трещиноватостью грунтов, повышенной фильтрацией подземных вод и высокой степенью обводненности покровных отложений в таких зонах (рис. 4). Для заболоченных ландшафтов, развитых в подобных геодинамических условиях, характерны особенности строения торфяной залежи, подстилающих грунтов и определенный режим водно-минерального питания. Такие болота часто имеют прямолинейные очертания в плане и довольно отчетливо дешифрируются на снимках.

А

Рис. 4. Отражение экзогенных геодинамических процессов в зоне

Центрального разлома (Солигорский промрайон): А, Б - схемы дешифрирования аэрофотоснимков до создания водохранилища (А) и после его сооружения (Б): 1- пониженная (а) и гривистая (б) поймы; 2 - песчаные гряды; 3 - заболоченные котловины; 4 - волнистая водно-ледниковая равнина; 5 - структурно-эрозионные уступы; 6 - проявления дизъюнктивных (а) и пликативных (б) дислокаций; 7 - дамба (а) и очаги ее разрушения (б); 8 - прогрессирующее заболачивание

В пределах отдельного участка в зоне Центрального разлома осуществлен количественный анализ интенсивности процессов заболачивания. Это позволило оконтурить очаги заболачивания в линеаментной зоне, где значения коэффициента интенсивности составили 0,3-0,7. Их площадь порядка 30 км², форма в плане изометрично-вытянутая, общее простирание северо-восточное, что согласуется с направлением Центрального разлома. Высокими значениями коэффициента интенсивности (до 0,8-0,9) характеризуются узлы пересечения дизъюнктивов. Являясь наиболее ослабленными участками земной коры, они служат каналами разгрузки подземных вод. Современная поверхность таких территорий значительно обводнена.