Моделирование природных и техногенных систем промышленно-урбанизированных регионов (на примере Республики Татарстан)

Размещено на http://www.allbest.ru

На примере типичных промышленно-урбанизированных площадей РТ рассмотрены взаимоотношения природных и техногенных процессов. Например, состав техногенно-преобразованных вод в Приказанском районе изменяется в разрезе сверху-вниз следующим образом: (НCO₃-SO₄-Ca-Na)>(SO₄-НCO₃-Mg-Ca)>(НCO₃-SO₄-Na-Mg-Ca)>(SO₄-Ca). Это обусловлено в основном заполнением Куйбышевского водохранилища и подъемом уровня подземных вод, которые замедлили водообмен между приповерхностными водоносными горизонтами и способствовали подтоку минерализованных вод снизу, а также резким ростом промышленной деятельности в 60-80-е годы прошлого столетия (индустриальный этап развития г. Казань) и поступлением в подземную гидросферу «сверху» дополнительных химических компонентов. Данные факторы трансформировали природный химический состав подземных вод и привели к формированию здесь водоносного техногенного ареала. Ретроспективный анализ изменения содержаний химических компонентов показал, что до середины 50-х годов XX века состав подземных вод формировался за счет природных особенностей гидролитосферы. Существенные изменения произошли при заполнении Куйбышевского водохранилища (рис. 8). В течение 5-6 лет гидросфера адаптировалась к поднявшемуся уровню вод, что выразилось в значительном росте общей жесткости (в 3 раза) и содержаний железа (в 100 раз). Наиболее существенные изменения подземной гидросферы произошли в начале 1960-х годов. Антропогенно-измененный период, продолжающийся более 50 лет, отразился в резком повышении сухого остатка (в 5 раз по сравнению с природным периодом), сульфатов (в 10 раз), общей жесткости (в 4 раза), железа (в 50-150 раз). В настоящее время отмечается этап стабилизации трансформированного состава подземных вод (см. рис. 8), который сохранится в ближайшем будущем, так как растворы сульфатных солей относятся к очень стойким и медленно распадающимся соединениям со временем распада в десятки и сотни лет (Гольдберг, 1983). Таким образом, в Приказанском районе основным пусковым механизмом трансформации состава подземной гидросферы послужило создание Куйбышевского водохранилища.

Впервые для территории РТ автором показана эффективность применения статистических методов для разделения природных и техногенных ассоциаций химических элементов в геологических объектах с целью решения экологических задач. Сопряженное опробование донных осадков на территории РТ позволило сопоставить распределение химических элементов и областей развития техногенных объектов. Например, в илистой фракции повышены содержания Al, Ti, Fe, Mn, P, Mg, K, а в песчаной фракции - Si, Ca, Na (Сунгатуллин, 2005). Факторный анализ макрокомпонентов выявил факторы, отвечающие за их природные и техногенные особенности. Созданные модели и экологическая интерпретация результатов статистической обработки выделяют техногенный фактор донных осадков, основной вклад в который вносят Mn, P и Na, что подтверждается совпадением аномалий данных элементов с площадями развития техногенных объектов. Распределение микроэлементов в донных осадках показало (Сунгатуллин, 2007), что в илистой фракции концентрируется бульшая часть из изученных 47 элементов. В песчаной фракции повышены содержания Co, Cr, Sn, Sr, Hg. Статистическими методами выделены природная, техногенная и природно-техногенная группы элементов. Природные особенности характеризуются V, Sc, Ti, Zr, Y, Yb, Ba, Be; к элементам преимущественно техногенного происхождения относятся Mn, P, As, Sn, Nb, а смешанного генезиса - Zn, Pb, Cu, Ni, B, Li, Ga, Co. Распределение микроэлементов показало их зависимость от гранулометрического состава донных осадков и от типа техногенных объектов.

Размещено на http://www.allbest.ru

Статистическая обработка геохимических данных с применением факторного анализа позволила выявить факторные нагрузки в потоках рассеяния. С учетом геохимических особенностей элементов, геологического строения и особенностей техногенных объектов, каждый из факторов получил экологическую интерпретацию. Модели геохимических полей, созданные по факторным нагрузкам, системно представляют информацию по всем химическим элементам в виде интегральных моделей. При этом наиболее отчетливо выражена связь интегральной модели «техногенного» фактора со степенью антропогенной нагрузки. На примере территории РТ показана возможность использования систематизированной информации по распределению химических элементов в промышленно-урбанизированных регионах для эколого-геохимического мониторинга, а выделенные природные, техногенные и природно-техногенные ассоциации элементов способствуют решению разнообразных прикладных и теоретических задач.

Некоторые взаимоотношения биотических и абиотических параметров в техногеосистемах рассмотрены на примере почвенного и растительного покровов Набережно-Челнинской площади РТ (Сунгатуллин, 2009). Биогеохимические исследования показали взаимосвязанное поведение элементов в данных средах. В дерново-подзолистых, лесных и черноземных почвах выделяют два уровня концентрации химических элементов - горизонты С₂ и А₁. Среди растений основным концентратором химических элементов и, соответственно, биоиндикатором является мох, в золе которого установлены аномальные содержания 19 элементов. Факторный и кластерный анализы позволили выделить в почвах и растительности параметры, характеризующие природный субстрат (материнскую породу), биологическую и антропогенную составляющие. Наиболее выражен «литофильный» геохимический фактор, основную нагрузку которого формируют породообразующие элементы Fe, Ti, Al. Именно состав пород является определяющим фактором геохимического облика растений и почв. Элементы второй группы (Ca, Na, P, Sr, Mg, Mn, Ba и др.) играют важную роль в жизнедеятельности растений, и их можно выделить как биофильные элементы. Наконец, третья (технофильная) группа объединяет Pb, Cr, Ni, Mo, Ga, Ge, Co, As, Cu, которые связаны с деятельностью промышленных и урбанизированных объектов, поступая в растения с пылью, атмосферными осадками и подземными водами. Выявлена зависимость между химическим обликом пород, почв и растительных сообществ, что подтверждает взаимообусловленность процессов в пределах отдельных ландшафтов. Причем вклад «литологического» фактора в химический состав почв и растительности, по сравнению с биофильным и технофильным факторами, является доминирующим и составляет более 60 %.

Создание эколого-геохимических моделей позволяет принципиально сравнивать результаты различных видов анализов и опробования. Например, по результатам мониторинговых работ на промышленно-урбанизированных площадях РТ установлено: совпадение содержаний химических элементов в донных осадках с гидрохимическими полями (Сунгатуллин, 2001); взаимосвязь между подземными и поверхностными водами (Сунгатуллин, 2008, 2009); общие тенденции поведения элементов в подземной гидросфере и почвах. Все это свидетельствует о влиянии техногенеза на разные геосреды.

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 (глава 7)

В XXI веке использование техногенных месторождений будет рассматриваться как одно из стратегических направлений развития минерально-сырьевого комплекса России. Поэтому в последние годы проблемам формирования, изучения и переработки техногенных месторождений уделяется значительное внимание (Воробьев, 2001; Гаев, 1996; Макаров, 2006; Трубецкой, 2008; Чайников, 2001 и др.). Особенно интересны такие исследования для регионов, где история горнодобывающей промышленности и, соответственно, формирования техногенных месторождений насчитывает многие десятилетия и столетия. К подобным регионам относится и РТ, где еще в XVIII веке сформировались техногенные месторождения - отвалы при добыче медных руд. К настоящему времени на территории республики накоплены сотни миллионов тонн отходов минерального сырья, однако они практически не исследовались с точки зрения техногенного сырья. На территории РТ к первоочередным объектам подобного изучения можно отнести промышленно-урбанизированные территории, так как освоение здесь техногенных месторождений решает многие экономические, социальные и экологические задачи.

В геологическом пространстве промышленно-урбанизированных территорий формируются структуры, в которых наблюдаются неоднородности теплового, химического, физического, техногенного и других полей. Поэтому здесь выделяются технофлюидные ячейки с мощным совместным проявлением техногенеза и минерагенического потенциала (Сунгатуллин, 2009). Обмен веществом в подобной ячейке обусловлен физическим механизмом вертикального тепло- и массопереноса при миграции флюидов снизу вверх (природное направление) и сверху вниз (техногенное направление). Вертикальный перенос флюидов обусловливает дестратификацию геологического пространства и азональность природного вещества с образованием техногенных месторождений полезных ископаемых за счет переработки природного вещества, а радиально-латеральные массоэнергопотоки играют ведущую роль в распространении антропогенных и техногенных воздействий. Следовательно изучение технофлюидных ячеек может привести к познанию роли техногенеза в образовании техногенных месторождений и проявлений, а также его влиянии на круговорот вещества и энергии. Подобные ячейки являются не только каналами распространения природного вещества и энергии, но и источником антропогенного изменения окружающей среды, т. е. эталонными объектами геопатогенных зон и межгеосферного обмена веществ (Востоков, 2007; Лузгин, 2007 и др.).

К настоящему времени актуальной проблемой является открытие новых залежей углеводородов в традиционных нефтегазоносных регионах и, в частности, в РТ. В современной флюидодинамической концепции формирования в земной коре широкой гаммы полезных ископаемых, включая месторождения углеводородов в пределах древних платформ, флюидным растворам отводится главная роль (Соколов, 1999). Мигрирующие снизу вверх флюиды являются мощными тепломассоносителями и реализуют механизм конвекции в пределах участков тектонических напряжений и зон повышенной вторичной проницаемости. За счет прорывов энергоемких флюидов по вертикали формируются многопластовые залежи. Следует учитывать возможность переформирования углеводородной залежи за счет естественного и искусственного воздействий на природный нефтяной пласт за очень короткий период времени и даже в течение нескольких лет (Гаврилов, 2008), что соответствует, например, возрасту месторождений пресных подземных вод. С другой стороны, области проявлений техногенно-индуцированных землетрясений на востоке РТ могут послужить объектами поисков промышленных скоплений нефти, так как динамика литосферы и сейсмичность напрямую связаны с процессами перераспределения флюидов в пространстве (Адушкин, 2005). Период проходки сотен тысяч скважин на нефтеперспективных площадях РТ составляет более 60 лет. Поэтому вероятность возникновения в технофлюидных ячейках вторичных техногенных залежей углеводородов в надпродуктивных горизонтах за счет техногенно-обусловленного флюидного потока существенно возрастает (рис. 9). В подобных структурах образуются инъекции углеводородов и рассолов в верхние структурные этажи. Факты флюидного «загрязнения» подземной гидросферы нефтепродуктами, хлоридами, сульфатами могут указывать на возможность обнаружения техногенных месторождений углеводородов и минеральных вод в кайнозойско-верхнепалеозойской части осадочного чехла территории РТ, что значительно расширяет горизонты поисково-разведочных работ на старых нефтепромыслах.

Размещено на http://www.allbest.ru

Изучение промышленно-урбанизированных площадей позволило автору выделить три технофлюидные ячейки на территории РТ (рис. 10), с которыми связано большинство месторождений полезных ископаемых. Данные ячейки со временем расширяются, формируя сложные экогеосистемы взаимодействующих лито-, гидро-, био- и техносфер. Ячейки обладают тектонической раздробленностью, геодинамической подвижностью, повышенным тепловым потоком и флюидопроницаемостью, т. е. характеризуются аномальностью экологических обстановок, что предопределило и приуроченность к подобным структурам городов и крупных промышленных объектов. Кроме того, на территории РТ можно прогнозировать выделение еще трех ячеек. Такое предположение основано на перспективности освоения в одной из таких ячеек (граница Мелекесской впадины и Южно-Татарского свода) крупнейших запасов битумов России. Кроме того, в «битумной ячейке» имеются месторождения каменных углей, разнообразные проявления минеральных питьевых вод, которые могут явиться основой создания курортно-санаторной сети республиканского и федерального значения (Сунгатуллин, 2008). Во второй из перспективных ячеек, расположенной в купольной части Северо-Татарского свода, возможно обнаружение нефтяных месторождений и проявлений. И, наконец, в третьей ячейке (Казанско-Кировский прогиб) расположены крупные месторождения гипса, минеральных вод, проявления серы и поделочных камней. Таким образом, в пределах выделенных технофлюидных ячеек на территории РТ можно прогнозировать обнаружение месторождений разнообразного техногенного сырья, образованного за счет антропогенного и техногенного изменений гидролитосферы.

ВЫВОДЫ

1. Разработана и апробирована методика интегрального изучения и прогноза состояния техногенно-преобразованного геологического пространства субъекта Российской Федерации, основанная на компьютерном моделировании и применении аппарата математической статистики, которая синтезирует массивы разнородной информации, повышает точность, достоверность, информативность геоэкологических работ, раскрывает новые качества техногеосистем и усиливает исследовательский потенциал наук о Земле.

2. Выполнена верификация компьютерных моделей с помощью результатов бурения скважин. Погрешность прогноза составила 3-10 %, что доказывает применимость компьютерного моделирования для решения геоэкологических задач.

3. Разработаны методические приемы формализации и ранжирования качественных характеристик (экологических, стратиграфических, литологических и др.) техногеосистемы для использования их совместно с количественными параметрами, что позволяет оптимизировать технологию геоэкологического зонирования.

4. Выделены и охарактеризованы техногенная кора выветривания и водоносный техногенный ареал, показаны перспективы использования новых объектов при эколого-гидрогеологическом картировании промышленно-урбанизированных регионов и поисках техногенных месторождений.

5. Изучен химический состав природно-техногенных систем на территории Республики Татарстан. С помощью моделей и методов многомерной математической статистики обработки данных выявлены критерии обнаружения техногенных аномалий в депонирующих средах (породы, донные осадки, почвы, поверхностные и подземные воды). Реализована методика количественной оценки вклада природных, природно-техногенных и техногенных процессов в общую информацию о техногеосистеме.

6. Обоснованы закономерности быстрого (десятки лет) формирования техногенных месторождений нефти и минеральных вод на промышленно-урбанизированных территориях, что увеличивает минерагенический потенциал регионов, повышает эффективность геолого-разведочных работ и прогноз последствий освоения техногенных месторождений.

7. Созданы постоянно действующие интегральные модели для организации и проведения численного мониторинга на территории Республики Татарстан, необходимые для выработки приоритетных направлений региональной экологической политики.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Монографии

1. Сунгатуллин Р. Х. Комплексный анализ геологической среды (на примере Нижнекамской площади). Казань: Изд-во «Мастер-Лайн», 2001. 140 с.

2. Сунгатуллин Р. Х. Интегральная геология. Казань: Изд-во «Образцовая типография», 2006. 142 с.

Монографии коллектива авторов

3. Силантьев В. В., Жарков И. Я., Сунгатуллин Р. Х., Хасанов Р. Р. Верхнепермские стратотипы Поволжья. Казань: Изд-во КГУ, 1998. 90 с.

4. Методическое руководство по поискам, оценке и разведке месторождений твердых нерудных полезных ископаемых Республики Татарстан. Часть 2. Методика поисков и оценки / под ред. Ф. М. Хайретдинова, Р. М. Файзуллина. Казань: Изд-во КГУ, 2000. 432 с. (подразделы 2.2.4., 2.3.4., 2.3.5.).

5. Геологические памятники природы Республики Татарстан / под ред. И.А. Ларочкиной, В. В. Силантьева. Казань: Изд-во «Акварель-Арт», 2007. 296 с. (разделы «Тектоническое строение», «Стратиграфия», «Полезные ископаемые»).

6. Геология Приказанского района / под ред. А. И. Шевелева. Казань: Изд-во ЗАО «Новое знание», 2007. 208 с. (главы 7, 8, 12).

Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах из перечня ВАКа

7. Сунгатуллин Р. Х. Апатит-ильменит-титаномагнетитовые руды Каларского габбро-анортозитового массива // Геология и геофизика. 1993. № 9. С. 56-59.

8. Сунгатуллин Р., Хазиев М., Швыдкин Э. Геолого-геохимические предпосылки поисков углеводородов // Бурение & нефть. 2004. Ноябрь. С. 6-8.

9. Сунгатуллин Р. Х. Моделирование состояния геологической среды при интенсивном антропогенезе // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. 2005. № 5. С. 390_394.

10. Швыдкин Э., Вассерман В., Король М., Сунгатуллин Р. Геохимические съемки при оценке перспективных структур Волго-Уральской нефтегазоносной провинции // Бурение & нефть. 2005. № 7-8. С. 12-14.

11. Сунгатуллин Р. Х., Хазиев М. И. Геохимические исследования донных отложений на территории Республики Татарстан // Ученые записки КГУ. Естественные науки. 2007. Т. 149, № 4. С. 167-182.

12. Сунгатуллин Р. Х., Сунгатуллина Г. М. Минерагенические системы и интегральные модели // Разведка и охрана недр. 2007. № 11. С. 25-29.

13. Сунгатуллин Р. Х. От компьютерно-математического моделирования - к синтезу знаний и интегральной геологии // Геоинформатика. 2008. № 1. С. 29-33.

14. Сунгатуллин Р. Х., Хазиев М. И., Шанин А. Е. Геоэкологические исследования на Самосыровском полигоне твердых бытовых отходов // Ученые записки КГУ. Естественные науки. 2008. Т. 150, № 1. С. 168-181.

15. Сунгатуллин Р. Х., Хазиев М. И. Системный подход при изучении гидросферы на промышленно-урбанизированных территориях // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. 2009. № 1. С. 19-31.

16. Сунгатуллин Р. Х., Сунгатуллина Г. М., Хазиев М. И. Биогеохимические исследования при изучении геологического пространства // Ученые записки КГУ. Естественные науки. 2009. Т. 151. № 1. С. 196-217.

17. Сунгатуллин Р. Х. Методика создания 3D моделей геоэкологического пространства // Геодезия и картография. 2009. № 3. С. 42-44.

18. Сунгатуллин Р. Х. Техногенез и минеральные воды // Разведка и охрана недр. 2009. № 2. С. 53-58.

19. Сунгатуллин Р. Х., Хазиев М. И Интегральная геоэкологическая модель Республики Татарстан // Геодезия и картография. 2009. № 4. С. 43-50.

20. Сунгатуллин Р. Х. Химический состав подземной и поверхностной гидросфер (на примере Набережно-Челнинской площади) // Ученые записки КГУ. Естественные науки. 2009. Т. 151, № 3. С. 153-166.

Статьи в других научных журналах и сборниках

21. Сунгатуллин Р. Х., Уманцев В. В., Силантьев В. В. Новые данные по стратиграфии и полезным ископаемым Елабужско-Бондюжского вала // Пермские отложения Республики Татарстан. Казань: Изд-во «Экоцентр», 1996. С. 20-26.

22. Сунгатуллин Р. Х., Хазиев М. И. Геоэкологические исследования при проведении геологической съемки масштаба 1:50 000 на территории Республики Татарстан // Вестник ТО РЭА. 1999. № 2. С. 15-19.

23. Сунгатуллин Р. Х., Хазиев М. И. Эндогенные, экзогенные и антропогенные процессы на Нижнекамской площади РТ // Мониторинг геологической среды: активные эндогенные и экзогенные процессы. Казань: Изд-во КГУ, 2000. C. 321-324.

24. Сунгатуллин Р. Х., Беляев Е. В., Хазиев М. И., Хаванов А. Ю. Перспективность северо-востока Республики Татарстан на различные виды полезных ископаемых // Геологическое изучение земных недр Республики Татарстан. Казань: Изд-во КГУ, 2002. С. 27-37.

25. Сунгатуллин Р. Х., Хазиев М. И. Реконструкция условий позднепермского осадкообразования по геохимическим данным (бассейн Нижней Камы) // Геологическое изучение земных недр Республики Татарстан. Казань: Изд-во КГУ, 2002. С. 14-26.

26. Сунгатуллин Р. Х., Хазиев М. И., Боровский М. Я. Системный подход в геологических исследованиях. Статья 1. Геологические и геофизические предпосылки // Георесурсы. 2003. № 1. С. 24-26.

27. Сунгатуллин Р. Х., Хазиев М. И. Системный подход в геологических исследованиях. Статья 2. Геодинамические системы // Георесурсы. 2003. № 2. С. 23-26.

28. Сунгатуллин Р. Х. Компьютерно-математическая методика геолого-экологического моделирования // Прикладная геохимия. Выпуск 5. Компьютерные технологии. М.: Изд-во ИМГРЭ, 2004. С. 305-310.

29. Сунгатуллин Р. Х. Интегральная геология - новое научное направление // Развитие идей Н. А. Головкинского и А. А. Штукенберга в Казанской геологической школе. Казань: Изд-во КГУ, 2004. С. 152-155.

30. Сунгатуллин Р. Х. Литохимические параметры при исследовании геологического пространства // Ученые записки КГУ. Естественные науки. 2005. Т. 147, № 1. С. 62-75.

31. Сунгатуллин Р. Х. Системный анализ, моделирование и интегральная геология // Ученые записки КГУ. Естественные науки. 2006. Т. 148, № 4. С. 143-164.

32. Сунгатуллин Р. Х., Хазиев М. И. Интегральная геология и изменяющаяся среда // Изменяющаяся геологическая среда: пространственно-временные взаимодействия эндогенных и экзогенных процессов. Казань: Изд-во КГУ, 2007. С. 223-228.

33. Чурбанов А. А., Сунгатуллин Р. Х., Хазиев М. И. Цветные камни правобережья Волги // Георесурсы. 2008. № 1. С. 23-24.

34. Сунгатуллин Р. Х. Набережные Челны: природная и техногенная гидросферы // Инженерные изыскания. 2008. № 6. С. 60-64.

35. Сунгатуллин Р. Х. Техногенные коры выветривания и техногенные фации - новые объекты геологии // Верхний палеозой России: стратиграфия и фациальный анализ. Казань: Изд-во КГУ, 2009. С. 72-74.

36. Сунгатуллин Р. Х. Формализация литологических данных при создании интегральных геологических моделей // Верхний палеозой России: стратиграфия и фациальный анализ. Казань: Изд-во КГУ, 2009. С. 273-274.

37. Сунгатуллин Р. Х. Численное моделирование геологического пространства промышленно-урбанизированных территорий // Эколого-геологические проблемы урбанизированных территорий. Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2009. С. 60-61.

38. Сунгатуллин Р. Х. Методы математической статистики при исследовании техногенной трансформации геосред // Эколого-геологические проблемы урбанизированных территорий. Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2009. С. 62-64.

39. Soungatoulline R. Kh., Khassanov R. R. , Novikov A. A. Geochemical correlation of polyfacies sediments of the Upper Permian of the East Russian Platform // Proceedings of the Royal Society of Victoria. 1998. V. 110, no. 1/2. P. 227-234. Melbourne.

40. Soungatoulline R. Kh., Khaziev M. I., Khavanov A. Y. Ecogeochemical study under the geological mapping of the Tatarstan Republic // Geochemistry of Landscapes, Palaeoecology of Man and Ethnogenesis. Ulan-Ude, 1999. P. 220.

41. Soungatoulline R., Khaziev M. and Borovsky M. Geological and Geophysical Aspects of the Large-Scale Geological Studies // Georesources. 2002. V. 6. P. 46-48.

Размещено на Allbest.ru