Рациональное недропользование в железорудной провинции курской магнитной аномалии

Некоторое увеличение разнообразия животных и плотности их населения наблюдается за пределами промышленных зон предприятий и населенных пунктов в полосе до 10 км. Здесь во всех типах сообществ, кроме сельхозугодий на пашне, хорошо выражены зональные (лесостепные) структурные элементы, хотя видовое разнообразие зоокомплексов снижено в 1.5-2 раза. Особняком стоят расположенные в этой же полосе заповедные участки "Ямская степь" и "Лысые горы", где при абсолютном снижении уровня биоразнообразия, отмечаемом на протяжении последних 20 лет, относительный уровень остается значительно более высоким, чем в других неохраняемых угодьях.

Таким образом, состояние экосистем в горнопромышленных районах характеризуется как напряженное:

1) сверхнормативные уровни загрязнения окружающей среды по ряду параметров и показателей выходят за пределы установленных санитарно-защитных зон;

2) констатируется неудовлетворительное состояние биоты и экосистем на территории земельного отвода горнопромышленных предприятий;

3) отмечаются негативные тенденции изменения биоты, выявляемые за пределами санитарно-защитной зоны предприятия, включая участки особо охраняемых природных территорий, что обусловлено воздействием комплекса горнопромышленных и промышленных предприятий, значительной селитебной нагрузкой, интенсивным ведением сельского хозяйства.

Влияние горнодобывающего комплекса на ландшафты. Техногенез в горнопромышленных районах КМА как фактор преобразования природных систем (в том числе геологической среды) в настоящее время приобрел не только локальное, но и региональное значение. В результате в горнопромышленных районах формируются новые по своему генезису, структуре и функционированию техногенные ландшафты. Техногенные ландшафты в своем развитии проходят две основные фазы - техногенного формирования и посттехногенного развития. В техногенную фазу формируется своеобразная каркасная (литогенная) основа: рельеф и его основные характеристики, горные породы с их вещественным составом и свойствами. В посттехногенную фазу развития ландшафта литогенная основа постепенно преобразуется посредством естественных ландшафтообразующих факторов. И как следствие этого, техногенный ландшафт постепенно трансформируется в природно-техногенный ландшафт.

Быстрое нарастание площадей техногенных ландшафтов в рассматриваемом регионе делает приоритетной задачу их типизации и классификации с позиций теории ландшафтоведения и геохимии окружающей среды.

Известно несколько подходов к классификации техногенных геохимических ландшафтов (Алексеенко, 2000; Перельман, Касимов, 1999; Глазовская, 2007 и др.). В качестве базовых критериев мы выбрали представления А.И. Перельмана (1989) о видах миграции химических элементов в зависимости от форм движения материи, а также разделение ландшафтов по условиям миграции химических элементов, предложенное М.А. Глазовской (2007).

В понимании указанных авторов, основанном на развитии представлений Б.Б. Полынова, центрами природных геохимических ландшафтов являются почвы и растительность водоразделов, являющиеся автономными по отношению к биогенным и биокосным компонентам пониженных элементов рельефа, так как первые не получают от них химические элементы с жидким или твердым стоком. От центра к периферии природных геохимических ландшафтов происходит закономерная смена сочетаний форм движения материи, управляющих миграцией химических элементов - от господства биологической к господству более примитивных химической и физической форм движения материи. Главными факторами, определяющими основные направления естественных ландшафтно-геохимических процессов, являются вода и живое вещество. Первый фактор формирует атмогидрохимический круговорот веществ (АГХК), а второй фактор - биологический круговорот веществ (БИК) (Глазовская, 2007). При этом источником энергии служит солнечная радиация.

При рассмотрении карьерно-отвального комплекса как рукотворного геохимического ландшафта обнаруживается ряд несоответствий его строения и функционирования по сравнению с природным геохимическим ландшафтом (рис. 3 а, б). Геохимическим центром карьерно-отвального ландшафта выступает днище карьера - самый пониженный элемент рельефа. Из него производится вынос вещества в виде вывозимой с породой руды и поступающих при взрывах в атмосферу аэрозолей. Встречные потоки, обусловленные поверхностным и подземным стоками, не компенсируют отчуждение веществ, поэтому карьер в процессе эксплуатации углубляется и расширяется. Пространственная смена комбинаций форм движения материи в карьерно-отвальном ландшафте противоположна таковой в естественном ландшафте - от центра к периферии ослабляется значение физической и химической форм движения материи и усиливается значение биологической формы движения, которая присутствует лишь на зарастающих растительностью поверхностях отвалов (рис. 4). Главным фактором, определяющим основные направления техногенных ландшафтно-геохимических процессов, является техника (носитель миграционных потоков), а вспомогательными факторами - вода и живое вещество, представленное формирующимися на отвалах и хвостохранилищах молодыми биогеоценозами.

Таким образом, карьерно-отвальный ландшафт характеризуется сочетанием двух комплексов ландшафтно-геохимических процессов: техногенного, с ведущей ролью антропогенной миграции химических элементов (вывоз веществ из карьера) и природно-техногенного с ведущей ролью естественной миграции элементов, обусловленной гравитационным перераспределением веществ и их биологическим круговоротом. В карьерно-отвальном ландшафте направления техногенной и природной миграции химических элементов противоположны. Их взаимодействие образует три цикла миграции вещества: атмогидрохимический (поступление аэрозолей при взрывах в атмосферу - осаждение аэрозолей и водно-растворимых соединений на поверхность отвалов и склонов карьера - миграция с поверхностным и подземным стоком в днище карьера); литогидрохимический (вывоз пустой породы с формированием отвалов - водная миграция веществ с поверхности отвалов в днище карьера); литохимический (вывоз вскрышной породы из карьера и ее складирование в отвалах, вывоз руды на горнообогатительный комбинат - отделение железа от породы - вывоз пустой породы из горнообогатетельного комбината и ее складирование в хвостохранилище). Первые два цикла миграции замкнуты и образуют два круговорота - атмогидрохимический и литогидрохимический (рис. 3 б). Третий цикл незамкнут (рис. 3 в); он модифицирует во времени размеры и конфигурацию карьера, а также прилегающих к нему отвалов и хвостохранилищ. Главным источником миграции веществ в карьерно-отвальном геохимическом ландшафте является энергия горнодобывающей техники, транспорта, вывозящего породу и руду, а также энергия искусственных взрывов - т.е. техногенная энергия.

Рассматриваемый карьерно-отвальный геохимический ландшафт можно представить как техногенную ландшафтно-геохимическую систему наиболее высокого пространственного уровня (ТЛГС-1 или техногенную ландшафтно-геохимическую арену), состоящую из меньших по размеру и вложенных в нее техногенных ландшафтно-геохимических систем (ТЛГС-2, ТЛГС-3, ТЛГС-4) (рис. 4). Так, по различиям в геологическом строении и рельефе можно выделить три пространственно сопряженные и радиально расположенные по отношению друг к другу техногенные ландшафтно-геохимические системы (ТЛГС-2): а) периферийные зарастающие грядово-холмистые, грядово-увалистые и волнистые поверхности с примитивными почвами или без них на участке платформы с трехъярусным строением: кристаллическим фундаментом, естественным осадочным чехлом и техногенным осадочным чехлом (состоящим из пород отвалов и хвостохранилищ); б) переходные абиогенные склоновые и террасированные поверхности карьеров без почв на участке платформы с удаленной частью естественного осадочного чехла; в) центральные абиогенные поверхности днищ карьеров без почв с полностью удаленным осадочным чехлом и частично удаленным платформенным фундаментом.

а б в

Рис. 3 Циклы и направления миграции веществ в природном (а) и карьерно-отвальном (б, в) геохимических ландшафтах. Обозначения: БИК - биологический круговорот, АГХК - атмогеохимический круговорот, ЛГХК - литогидрохимический круговорот. На схеме в) показан незамкнутый литохимический цикл миграции вещества в карьерно-отвальном ландшафте

Каждая из указанных систем характеризуется неровностями рельефа и литологической комплексностью (термин А.И. Перельмана), что определяет существование в их пределах техногенных ландшафтно-геохимических систем меньшего размера - техногенных ландшафтно-геохимических катен (ТЛГС-3). Каждая катена, в свою очередь, состоит из элементарных техногенных геохимических ландшафтов - ТЛГС-4 (рис.4).

Выявлено своеобразие формирования карьерно-отвальных ландшафтов как техногенных ландшафтно-геохимических систем. По отношению к природным ландшафтам они характеризуются противоположностью: а) геоморфологического расположения центров, управляющих данными системами, б) направлений миграционных потоков вещества, в) пространственных смен форм движения материи.

Предложено разделение карьерно-отвальных ландшафтов на четыре категории пространственно-сопряженных техногенных ландшафтно-геохи-мических систем - от ландшафтно-геохимической арены (карьера с отвалами и хвостохранилищами) до элементарного техногенного геохимического ландшафта.

Рис. 4 Пространственные уровни техногенных ландшафтно-геохимических систем в карьерно-отвальном ландшафте. Обозначения: 1- платформенный фундамент, 2 - естественный осадочный чехол, 3 - техногенный осадочный чехол, I - индексы техногенных ландшафтно-геохимических систем второго уровня - а, б, в (пояснения в тексте); II - формы движения материи, управляющие вещественно-энергетическими потоками (Б - биологическая, Х - химическая, Ф - физическая); К1, К2, К3 - ландшафтно-геохимические катены; Элементарные техногенные геохимические ландшафты - А -аккумулятивный, ТА - трансаккумулятивный, ТЭ - трансэлювиальный, Э - элювиальный

Таким образом, горное производство по характеру своего воздействия на компоненты окружающей природной среды является одним из наиболее масштабных и долговременных. Среди методов изучения техногенной трансформации компонентов окружающей среды большое значение имеют ретроспективные исследования, основанные на использовании разновременных материалов дистанционного зондирования поверхности Земли (МДЗ). Они направлены на выявление тенденций и закономерностей изменения во времени геологической среды и техногенной трансформации геосистем.

Выполненный ретроспективный анализ разновременных материалов дистанционного зондирования земной поверхности Старооскольско-Губкинского горнопромышленного района (Петин, 2006) показал, что:

- наиболее ярко на МДЗ фиксируются изменения площадей инфраструктуры горнодобывающего комплекса, перемещенных геологических отложений, рельефа и других техногенных объектов;

- на космических снимках отчетливо выявляются изменения гидрологических и гидрогеологических условий регионального и локального уровней, характер и границы этих изменений и их тенденции;

- космические снимки позволяют получить количественную и качественную информацию о развитии экзогенных геологических процессов, как в зоне горного отвода, так и на прилегающих к нему территориях;

- МДЗ позволяют выделить площади загрязнения окружающей природной среды от объектов горнодобывающего комплекса и других техногенных объектов по пылевому загрязнению снегового покрова, дымовым шлейфам, характеру растительного покрова и т.д.

Влияние горнодобывающего комплекса на состояние здоровья населения горнопромышленных районов КМА. Формирование отрицательной динамики состояния здоровья работников горнодобывающего комплекса и населения горнопромышленных районов КМА в значительной степени обусловлено негативным влиянием комплекса антропогенных факторов среды обитания. В месте с тем, здоровье населения горнопромышленных районов не может рассматриваться без учета природообусловленных аномальных отклонений среды, которое имеет место в регионе КМА.

В Курской магнитной аномалии напряженность геомагнитного поля Земли достигает 2 эрстеда при фоновом значении 0,45 эрстеда, что почти в 4 раза выше, чем в соседних областях Украины и России. Издавна Курскую магнитную аномалию считали удивительным природным явлением, где на относительно небольшой площади поверхности Земли (160 тыс. км2) отмечаются локальные участки со значительными колебаниями напряженности геомагнитного поля Земли. Ее изучали в основном с целью выявления запасов железорудного сырья и почти никогда не задумывались о влиянии повышенного геомагнитного поля на состояние здоровья человека.

Первые публикации по изучению влияния Курской магнитной аномалии на здоровья населения этого региона появились лишь в конце 60-х годов прошлого столетия. Только в начале 70-х годов была опубликована первая обобщающая научная работа по изучению влияния аномального геомагнитного поля Земли, принадлежащая А.П. Дуброву (1974). В ней автором были проанализированы обширные и разносторонние данные о действии магнитного поля Земли на живые организмы и, в частности, особое внимание им было уделено влиянию аномального геомагнитного поля КМА на состояние здоровья здоровых и больных людей. В указанных публикациях отмечается, что заболеваемость населения гипертонией, ревматизмом и нервно-психическими болезнями на 120-160 % выше, чем районах, не подверженных воздействию геомагнитного поля КМА.

Планомерные исследования по влиянию аномального геомагнитного поля повышенной напряженности в регионе КМА на состояние здоровья человека, состояние живых систем и отдельных микроорганизмов проводятся в Курском медицинском университете на протяжении последних двадцати пяти лет. На основании эпидемиологического анализа указанными выше исследователями было установлено, что на территории КМА (г. Железногорск) суммарная заболеваемость кишечными инфекциями выше в 2,66 раза (в частности, дизентерией - 1,5 раза, сальмонеллезом - 2,89 раза), чем в других районах Курской и Белгородской областей, расположенных вне зоны влияния напряженного геомагнитного поля.

Есть основание считать, что повышенная заболеваемость среди населения, проживающего в зоне влияния аномального геомагнитного поля другими нозологическими формами неинфекционной природы (гипертоническая болезнь, ревматизм, онкологические, нервно-психические болезни и т.д.) связана с влиянием аномального магнитного поля, что подтверждается исследованиями многих авторов (Дардымов, 1966; Травкин, Колесников, 1969; Дубров, 1974; Борченко, Малоземов, 1973; Павловский, 1973 и др.).

В ряде публикаций высказывается мнение, что живые организмы в большей степени реагируют именно на изменения (колебания) геомагнитного поля, чем на его абсолютную величину.

Таким образом, аномальное геомагнитное поле можно рассматривать как важный фактор, участвующий в формировании санитарно-эпидемиологического благополучия населения региона КМА.

Загрязнение окружающей среды приводит к ухудшению санитарно-гигиенических условий, комфортности проживания, и как следствие этого, негативно отражается на состоянии здоровья людей, работающих на горнорудных предприятиях и проживающих вблизи них. Основу техногенных выбросов в горнопромышленных районах КМА составляют железосиликатная пыль, сернистый ангидрит, окись углерода и окислы азота. Такие вещества, выброшенные в атмосферу, вызывают при длительном дыхании различные заболевания у человека, в том числе гиперплазию, а затем и атрофию слизистой оболочки верхних дыхательных путей, стоматиты, воспаления десен, поражение зубов. Аэрозоли железа и его оксиды при длительном воздействии, откладываются в легких и вызывают (разновидность пневмокониоза), бронхиты, начальную стадию эмфиземы, сухой плеврит. Среди рабочих железорудных предприятий со стажем более 10 лет сидероз выявлен в 33% случаев. Не менее опасна для состояния здоровья пыль кремнезема. Негативное воздействие ее на организм человека проявляется в том, что трудно растворимые в физиологических жидкостях частицы пыли осаждаются в дыхательных путях и являются причиной заболевания бронхита и силикоза. Последнее заболевание - это прогрессирующий фиброз легочной ткани (пылевой пневмосклероз).

Исследования, проведенные в горнодобывающих районах КМА (Тулакин и В.И. Евдокимов, 2002), свидетельствуют о высоком уровне суммарного санитарно-эпидемиологического неблагополучия. Это неблагополучие на 77-92% связано с воздействием антропогенных факторов, обусловленных загрязнением атмосферного воздуха, нарушением природных ландшафтов, повышенным радиационным фоном и т.д. В местах же добычи железной руды (г.г. Старый Оскол, Губкин, Яковлево и др.), где наблюдаются аномальные участки с напряженным геомагнитным полем (до 2 эрстед), значительный вклад (до 23%) в формировании суммарного эколого-гигиенического неблагополучия принадлежит геомагнитному полю.

Геоэкологическое районирование территории КМА. Комплексный анализ оценочных критериев основных природных характеристик и имеющаяся экогеологическая информация позволили в пределах железорудной провинции КМА провести ранжирование территории и выделить четыре геоэкологических ареала с разной степенью напряженности экологической ситуации.

Геоэкологическая ситуация состояния - особое свойство геосистемы геологической среды, возникающее в результате техногенных изменений природных характеристик территории, характеризующихся специфическим набором геоэкологических проблем, неблагоприятных (в различной степени) для жизни человека и хозяйственной деятельности. Выделенные ареалы различной степени остроты геоэкологических ситуаций территориально совпадают с границами ныне разрабатываемых железорудных месторождений и горнопромышленных районов КМА (рис. 5).

Первый, наиболее крупный ареал со сложной геоэкологической ситуацией (около 900 км2) расположен в северо-восточной части Белгородской области, охватывая городскую территорию городов Губкина и Старого Оскола, а также территорию между ними, и приурочен к зоне влияния Старооскольско-Губкинского горнопромышленного комплекса. По количеству объектов, оказывающих негативное воздействие на окружающую среду, этот участок является наиболее насыщенным в области, модуль техногенной нагрузки превышает 1000.

Здесь, кроме урбанизированных территорий (гг. Губкин и Старый Оскол), расположены два крупных железорудных карьера (Лебединский и Стойленский) с глубинами более 300 м, многочисленные отвалы высотой от 60 до 100 м, хвостохранилища, занимающие площадь несколько десятков квадратных километров, Стойленский и Лебединский ГОКи, шахта им. Губкина, Оскольский электрометаллургический комбинат (ОЭМК), ТЭЦ, цементный завод и многие другие мелкие предприятия.

Для данного ареала наиболее важными экологическими проблемами являются: загрязнение атмосферного воздуха, поликомпонентное загрязнение поверхностных и подземных вод и донных илов, химическое загрязнение почв, а также комплексное нарушение земель, вызванное открытой добычей железорудного сырья и складированием в отвалы вскрышных пород. Все это приводит к развитию на них геодинамических процессов, утрате продуктивности биоценозов, к деградации и истощению эколого-ресурсного потенциала.

Весьма важной геоэкологической проблемой для этого горнопромышленного района является проблема использования отработанных подземных пустот шахтой им. Губкина, объем которых в настоящее время составляет 40 млн м3, а при завершении отработки промышленных запасов железных руд он может превысить 60 млн м3.

И как следствие этого, в пределах Старооскольско-Губкинского горнопромыленного района выделяются участки территории с различной степенью экологической напряженности (рис. 5): катастрофической, критической, кризисной, напряженной и относительно удовлетворительной.

Второй ареал со сложной геоэкологической ситуацией геологической среды приурочен к Михайловскому горнопромышленному району. Он занимает площадь около 500 км2, в пределах которого разрабатывается с конца 50-х годов Михайловское железорудное месторождение. На базе этого месторождения действует крупнейший в России Михайловский ГОК, который является предприятием по добыче и переработке богатых руд, железистых кварцитов, стройматериалов, производству аглоруды, железорудных офлюсованных окатышей и концентратов.

На Михайловском железорудном месторождении руда добывается открытым способом. Переработкой и производством продукции железной руды занимается ОАО «Михайловский ГОК». В состав данного предприятия входят следующие основные объекты: карьер, дробильно-сортировочная фабрика по переработке богатых руд, дробильно-обогатительный комплекс и фабрика окомкования по переработке железистых кварцитов, отвалы, хвостохранилище, объекты железнодорожного и автомобильного транспорта, объекты ремонтного назначения, объекты обслуживающего и вспомогательного назначения, теплосиловое хозяйство. Здесь горнодобывающие и сопутствующие ему предприятия являются источниками значительного преобразования компонентов природной среды. Это проявляется в деградации почвенного и растительного покрова, загрязнении и истощении подземных водоносных горизонтов, перестройке рельефа, уничтожении малых рек и т.п.

Важной экологической проблемой в пределах данного геоэкологического ареала является дефицит питьевой воды. Значительная депрессионная воронка, сформировавшаяся в результате дренажных работ, привела к сработке основных водоносных горизонтов. И, как следствие этого, прекратили действовать водозабор «Речица» и ряд водозаборных скважин в колхозах Железногорского района.

Уменьшилась величина подземного питания поверхностных водотоков. Сброс рудничных вод в речную сеть привел к существенному загрязнению поверхностных вод нефтепродуктами, соединениями железа, азота и взвешенными веществами.

Формирование внешних отвалов, занимающих большие площади, привело к подъему уровня грунтовых вод и появлению на окружающей местности контурного кольца озер и болот, а также к значительной активизации геодинамических процессов - эрозии, оползням, карстово-суффозионных процессов и т.д.

Рис. 5 Картосхема ареалов экологических ситуаций в горнопромышленных районах КМА:

а) Михайловском, б) Старооскольско-Губкинском

Основным загрязнителем воздушной среды района является металлургическая промышленность, включающая в себя предприятия Михайловского горно-обогатительного комбината. Количество вредных ингредиентов, выбрасываемых этими предприятиями, превышает три десятка, из которых наибольшее количество приходится на двуокись азота, сернистый ангидрид, взвешенные твердые вещества, сажу, летучие низкомолекулярные углероды, окись углерода, пятиокись ванадия, толуол.

Здесь также выделяются участки территории с различной степенью экологической напряженности (рис. 5): критической, кризисной, напряженной и относительно удовлетворительной.

Третий ареал с напряженной геоэкологической ситуацией приурочен к Яковлевскому железорудному месторождению, где добыча богатой железной руды осуществляется шахтным способом в сложных гидрогеологических условиях. Яковлеское месторождение - одно из крупнейших железорудных месторождений бассейна КМА. Богатые железные руды залегают на глубине от 460 до 630 м. Сложность освоения заключается в наличии нескольких водоносных горизонтов и комплексов, обводняющих рудную залежь. Главные геоэкологические проблемы в зоне влияния Яковлевского рудника - это нарушение естественного режима подземных и поверхностных вод и их загрязнение. Осушение рудной залежи уже сейчас привело к снижению уровня воды в них и образованию обширной депрессионной воронки с радиусом влияния от 50 до 75 км. Шахтные воды сбрасываются в пруд-отстойник, вода из которого через водовыпуск поступает в нижележащие пруды, а затем в р. Ворскла. Сбрасываемые шахтные воды рудника хлоридно-натриевого состава с минерализацией от 3,3 до 3,9 г/л, со слабо щелочной средой, повышенной жесткостью (8,0 - 9,3 мг-экв/л), высоким содержанием железа общего (до 2,4 г/л), хлоридов (до
1790 мг/л), натрия (до 1085 мг/л), меди (до 0,09 мг/л), свинца (до 0,015 мг/л), фтора (до 5,4-9,5 мг/л), бора (до 3,3 мг/л), никеля (до 0,03 мг/л), кобальта (до 9,022 мг/л), стронция (до 0,6 мг/л) и взвешенных веществ (до 70 мг/л), превышают нормативы для водоемов рыбохозяйственного назначения в 6-90 раз. Загрязнение воды р. Ворсклы такими компонентами как фтор, хлориды, натрий прослеживается на десятки километров вниз по течению.

Преимущественно локальный характер воздействия на объекты животного и растительного мира позволяет наметить мероприятия по компенсации негативных воздействий, степень адекватности которых может быть определена только в процессе многолетнего биомониторинга.

Четвертый ареал с относительно удовлетворительной геоэкологической ситуацией приурочен к Гостищевскому месторождению богатых железных руд Белгородского железорудного района, где извлечение железной руды осуществляется методом скважинной гидродобычи (СГД). Воздействие СГД на воздушный бассейн, поверхность земли, почвенный покров, флору и фауну весьма незначительное и ограничивается только территорией горного отвода, общей площадью в несколько гектаров. На подземные воды влияние СГД - среднее, а на недра (добычное пространство) - сильное. В последнем случае это обусловлено неизбежными изменениями напряженно-деформационного состояния горного массива, а также гидрогеологической газодинамической обстановкой в нем. В связи с этим в процессе скважинной гидродобычи необходим постоянно действующий мониторинг состояния недр различными методами наблюдений, особенно за зоной развития добычного пространства, поскольку неконтролируемый, самопроизвольный процесс обрушения кровли может привести к катастрофической просадке и обрушению вышележащих слоев горных пород, нарушению гидрогеологического режима подземных вод.

Таким образом, проведенная комплексная геоэкологическая оценка показала, что при освоении и эксплуатации железорудных месторождений КМА происходит нарушение природных систем и активизация деструктивных природных и техногенных процессов, характер и интенсивность которых зависит применяемых способов добычи железорудного сырья: карьерного, шахтного и скважинной гидродобычи.

Глава 5. Методологические, информационные и технологические пути обеспечения экологической безопасности и рационального освоения недр

Одним из главных требований, реализуемых в отечественном недропользовании, является обеспечение рационального использования недр и содержащихся в них минеральных ресурсов. Под рациональным использованием недр большинство исследователей понимают систему мероприятий научного, производственно-технического и организационного характера, обеспечивающих полное и комплексное использование ресурсов недр для удовлетворения материальных и духовных потребностей общества.

Усиливающаяся хозяйственная деятельность на активно разрабатываемых железорудных месторождениях КМА оказывает негативное влияние на окружающую среду, вызывая ее загрязнение и деградацию. Поэтому дальнейшее хозяйственное освоение минерально-сырьевых ресурсов рассматриваемого региона необходимо осуществлять с учетом всех экологических проблем и причин их вызывающих. Это невозможно сделать только «устранением экологических угроз», т.е. закрыть, переместить, перепрофилировать многие экологически небезопасные производства. Основой развития экологической безопасности региона должна выступать такая траектория развития экономики, которая максимально соответствовала бы природно-хозяйственным и экологическим условиям. Для этого требуется создание в регионе эффективного эколого-экономического механизма, отвечающего требованиям оптимального использования природных ресурсов и одновременно - природоохранным требованиям, направленным на снижение или стабилизацию экологических рисков, обусловленных вероятностью появления сверхнормативных воздействий и нагрузок на природные системы.

В условиях существующего экологического риска и негативных последствий освоения минерально-сырьевых ресурсов КМА проблема рационального недропользования приобретает особую актуальность. Для решения этой проблемы необходима координация усилий исполнительной, законодательной и природоохранной власти, а также всех заинтересованных организаций и специалистов, занимающихся вопросами экологии, охраны окружающей среды, природопользования, разработкой мероприятий экономического и социального развития региона, промышленной безопасности, гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций. Основные направления по рационализации недропользования в железорудной провинции КМА отраженны в предложенной ниже схеме (рис 6).

Важнейшим направлением рационального недропользования в железорудной провинции КМА, обеспечения экологической безопасности в регионе и принятия эффективных управленческих решений является создание системы постоянно действующего комплексного геоэкологического мониторинга природно-технических систем.

Комплексный геоэкологический мониторинг рассматривается как инструмент реализации механизмов обеспечения геоэкологической безопасности освоения железорудных месторождений КМА.

Мониторинг месторождений твердых полезных ископаемых (ММТПИ) является подсистемой Государственный мониторинга состояния недр или геологической среды (ГМСН). Система ГМСН служит для информационного обеспечения управления государственным фондом недр. Функционально она представляет собой систему регулярных наблюдений, сбора, накопления, обработки и анализа информации, оценки состояния геологической среды и прогноза ее изменений под влиянием естественных природных факторов, недропользования и антропогенной деятельности горнопромышленных районов. В свою очередь, ГМСН является подсистемой Единой государственной системы экологического мониторинга (ЕГСЭМ). Государственный мониторинг состояния недр осуществляется на федеральном, региональном, территориальном и локальном (объектном) уровнях.

В соответствии с нашими разработками (Петин, Яницкий, 2007) комплексный геоэкологический мониторинг природно-технических систем горнодобывающего комплекса КМА базируется на детальном анализе критериев техногенеза и современных информационных технологий, позволяющих в условиях возрастающих темпов освоения железорудных месторождений рассматриваемого региона минимизировать негативные последствия воздействия на окружающую природную среду.

Региональную систему геоэкологического мониторинга можно укрупненно представить в виде совокупности отдельных взаимосвязанных подсистем, отображенных на рис. 7.

Рис. 6 Схема рационального недропользования в железорудной провинции КМА

Ядром системы геоэкологического мониторинга, обеспечивающим согласованное функционирование указанных в схеме подсистем, является автоматизированная информационная система и база данных, получаемая с наблюдательной сети локального и регионального уровней.

Рис. 7 Структурная схема комплексного геоэкологического мониторинга природно-технических систем горнопромышленных районов КМА

При создании системы геоэкологического мониторинга горнопромышленного региона помимо сети наземных, подземных, аэрологических измерений чрезвычайно эффективным является применение средств и методов аэрокосмического зондирования поверхности Земли для целей современного и ретроспективного анализа состояния компонентов и геосистем окружающей природной среды.

Среди многообразия ГИС перечисленным выше требованиям, чрезвычайно важным для обработки космической информации отвечает система обработки изображений ERDFS (ERDAS Ine), которая наряду с системами векторного формата (например, ARC/INFO фирмы ESRI) может составить ГИС - основу систем геоэкологического мониторинга горнопромышленного региона.

В рамках повышения научно-технического уровня добычи и переработки полезных ископаемых, помимо традиционных мер по снижению техногенной нагрузки горного производства на природную среду необходимо шире использовать разработанные с участием автора диссертации технологии площадного пылеподавления, защиты подземных вод от загрязнения, новые технологии по скважинной гидродобыче богатых железных руд и другие технологии, подтверженные патентами, а также внедрить мероприятия по оптимизации структуры землепользования в пределах горного отвода и на прилегающих к нему территорий с целью рационального размещения вскрышных пород и отходов обогащения руд без экстенсивного расширения земель.

Выводы

Основные выводы, отражающие теоретическую и практическую значимость работы, сводятся к следующему:

1. В результате проведенного комплексного анализа ресурсной функции геологической среды показано, что подготовленная и интенсивно используемая минерально-сырьевая база железорудной провинции Курской магнитной аномалии составляет основу крупнейшего горнопромышленного комплекса Европейской территории России, с которым связано усиление техногенной нагрузки на природную среду. В основу оценки и прогноза экологических последствий освоения минерально-сырьевых ресурсов положена имитационно-информационная модель, позволяющая осуществлять системный анализ результатов геоэкологических исследований в регионе.

2. Установлено, что широкомасштабное освоение железных руд бассейна КМА, начавшееся в начале 60-х годов прошлого века, привело к усилению техногенной нагрузки на геологическую среду в горнодобывающих районах и дестабилизации их экогеосистем. Для горнопромышленных районов КМА как территориальной совокупности предприятий по добыче и переработке железных руд, а также потребителей минерального сырья - металлургических заводов и сопутствующих им предприятий энергетического комплекса и стройиндустрии, характерно многостороннее и крупномасштабное воздействие инженерно-хозяйственной деятельности и технологических процессов на все сферы окружающей среды: литосферу, атмосферу, гидросферу и биосферу.

3. Основными источниками техногенного воздействия на геологическую среду, и прежде всего недра, являются предприятия и объекты, связанные с добычей и обогащением полезных ископаемых: шахты, рудники, карьеры, отвалы пустых пород, склады полуфабрикатов и готовой продукции, шламо- и хвостохранилища, пруды-отстойники, гидроотвалы; водозаборы подземных вод и дренажные системы горных выработок, водоотливные установки, трубопроводы и каналы сбора рудничных, шахтных и дренажных вод; горнодобывающие механизмы, транспорт, взрывные работы и др.

4. Горнодобывающая отрасль является важнейшим фактором современного рельефообразования территории КМА. В процессе техногенеза на месте естественных форм рельефа возникли новые, не существовавшие ранее, специфические формы - карьеры, отвалы, подземные пустоты и т.д. Три главных следствия горных работ: перемещение горных масс, изменение местного базиса эрозии и разрушение горных массивов с образованием дисперсных обломочных фракций с большой удельной поверхностью - определяют скорость и направление экзоморфодинамических процессов (эрозия, дефляция, оползни, суффозия, карст, обвалы и сдвижения горных масс, горные удары, прорывы плывунов и др.). Указанные процессы представляют собой естественную реакцию природной системы на техногенное воздействие и могут негативно влиять на условия проживания и хозяйственную деятельность населения горнопромышленных районов.

5. Установлено, что в горнопромышленных районах КМА происходит не только загрязнение и истощение подземных вод, но и образование новых гидрогеологических тел, получивших название в гидрогеологической практике «техногенных водоносных горизонтов». Отличаются они от естественных водоносных горизонтов особыми свойствами техногенных водовмещающих пород, особенностями гидрохимического и гидродинамического режимов. Типизация техногенных водоносных горизонтов в пределах изучаемого региона позволила выделить четыре основных типа техногенных водоносных горизонтов: промышленный, гидротехнический, отвальный и шахтный, а в населенных пунктах, примыкающих к горнопромышленным объектам - коммунальный тип.

Существенное изменение претерпели поверхностные водные источники. В зоне влияния водопонизителных систем некоторые реки оказались в подвешенном состоянии, а их питание осуществляется за счет сброса в них дренажных и карьерных вод с высоким содержанием загрязняющих веществ.

6. Степень экологической опасности предприятий горно-металлургического цикла во многом определяется их геохимическим воздействием на атмосферный воздух. Загрязнение атмосферного воздуха газами и пылевыми выбросами происходит при буровзрывных, погрузочно-разгрузочных работах; при дроблении руды и ее переделе; а также при пылении отвалов, хвостохранилищ, складов готовой продукции и т. д. При этом, наиболее весомый вклад в валовое загрязнение атмосферы горнопромышленного района вносят, периодически осуществляемые массовые взрывы в карьерах с большой мощностью зарядов. Они загрязняют воздух мелкодисперсной пылью, аэрозолями и газами. Средние многолетние газопылевые выбросы Лебединского и Стойленского горнообогатительных комбинатов оцениваются примерно в 30 тыс. т/год. При массовом взрыве основная масса пыли и газов объемом 15-20 млн. м3 выбрасывается на высоту до 300 м и распространяется далеко за контуры карьеров. За их пределами через 15 часов после взрыва в радиусе до 4 км имеет место превышение ПДК содержания пыли - в 2-10, СО - в 2-5, N02 - 1,5-2 раза. Примерный радиус устойчивой зоны запыленности воздуха в контуре
1 ПДК достигает 20-30 км.

7. Впервые выявлено своеобразие формирования карьерно-отвальных ландшафтов как техногенных ландшафтно-геохимических систем. Предложено разделение карьерно-отвальных ландшафтов на четыре категории пространственно-сопряженных техногенных ландшафтно-геохимических систем - от ландшафтно-геохимической арены (карьера с отвалами и хвостохранилищами) до элементарного техногенного геохимического ландшафта.

8. Оценена роль природных (повышенного геомагнитного поля Земли) и техногенных факторов, определяющих высокий уровень суммарного санитарно-эпидемиологического неблагополучия в горнодобывающих районах КМА и как следствие этого - высокий уровень заболеваемости населения профессиональными и общими болезнями.

9. На основании полученной геолого-экологической информации впервые составлена «Карта экологического состояния геологической среды Белгородской области» (масштаба 1:500000) и карта экологических ситуаций Белгородской области (масштаба 1:200000) с выделением на них ареалов с различной степенью экологической напряженности.

10. На основе ретроспективного анализа материалов дистанционного зондирования земной поверхности (аэро- и космоснимков) на примере Старооскольско-Губкинского горнопромышленного района выявлены тенденции изменения техногенно нарушенных земель под объектами горнодобывающего комплекса за период с 1982 по 2000 годы.

11. Разработана и реализована на железорудных месторождениях концепция комплексного геоэкологического мониторинга объектов ГДК, система которого рассматривается как нормативно-методическая основа управления состоянием природно-технических систем, позволяющая контролировать геоэкологическую ситуацию территории освоения и сводить к минимуму экологические и технические риски при освоении железорудного сырья КМА.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК для опубликования основных результатов докторской диссертации

1. Петин, А.Н. Природная среда и экологическая ситуация в Белгородской области / А.Н.Петин, В.И.Петина // Научные труды Федеральн. научн. центра гигиены им. Ф.Ф.Эрисмана / под ред. акад. А.И.Потапова: Региональные проблемы охраны здоровья населения Центрального Черноземья. - Белгород, 2000. - С. 233-237.

2. Петин, А.Н. Опыт геолого-экологического изучения и картографирования территории Белгородской области / А.Н. Петин, А.И. Спиридонов // Проблемы региональной экологии, 2001, № 5. - С. 7-16.

3. Климентов, М.Н. Особенности выполнения и совершенствования противооползневых инженерных мероприятий с применением лучевых систем в осложненных горных и гидрогеологических условиях / М.Н. Климентов, А.Н. Петин Ю.В. Юдина и др // Южнороссийский вестник геологии, географии и глобальной энергии. Научно-технический журнал. - 2003, № 3. - С. 127-130.

4. Петин, А.Н. Геоэкологические последствия освоения железорудных месторождений КМА и проблемы оптимального недропользования в регионе /А.Н. Петин // Научные труды Федерального научного центра гигиены им. Ф.Ф. Эрисмана: Региональные гигиенические проблемы и стратегия охраны здоровья населения. - 2004, Вып. 10. - С.149-158.

5. Петин, А.Н. Противофильтрационные завес-экраны для решения геоэкологических проблем / А.Н. Петин, М.Н. Климентов // Проблемы региональной экологии. - 2004, №5. - С. 64-68.

6. Петин, А.Н. Актуальные аспекты использования трансграничных подземных вод региона Курской магнитной аномалии /А.Н.Петин // Вестник Воронежского ун-та. Сер. Геологиия, 2004, №2. - С 215- 217.

7. Корнилов, А.Г. Антропофункциональный анализ территории как основа эколого-географического районирования Белгородской области / А.Г. Корнилов, А.Н. Петин, Н.В. Назаренко // Проблемы региональной экологии. - № 1, 2005. - С.21-27.

8. Петин, А.Н. Современное состояние ресурсов питьевых вод в зоне влияния Старооскольско-Губкинского горнопромышленного узла КМА / А.Н. Петин, В.Н. Квачев. // Проблемы региональной экологии. - № 2, 2005. - с.114 - 118.

9. Петин, А.Н. Перспективы развития геологического образования в регионе КМА / А.Н.Петин, С.В. Сергеев //Вестник Воронежского университета. Сер. Геология, 2005, №1 - С. 198-200.

10. Шилова, В.С. Социально-экологическое образование учащихся как основа экологической безопасности региона: сущность и принципы функционирования / В.С. Шилова, А.Н. Петин // Проблемы региональной экологии. - 2005, №6. - С. 111-118.

11. Корнилов, А.Г. Проблемы экологической безопасности Белгородской области и управления рациональным природопользованием / А.Г. Корнилов, А.Н. Петин, Н.В. Назаренко // Проблемы региональной экологии. - 2005, №6. - С. 38-53.

12. Давыденко, Т.М. Формирование механизма управления экологической безопасностью Белгородской области / Т.М. Давыденко, А.Г. Корнилов, А.Н. Петин //Проблемы региональной экологии. - 2005, №6. - С. 34-38

13. Петин, А.Н.. Минерально-сырьевые ресурсы Курской Магнитной аномалии и экологические проблемы их промышленного освоения /А.Н.Петин // Вестник РУДН Сер. Инженерные исследования, 2006, № 11(12) . - С. 124- 135.

14. Сергеев, С.В. Овчинников А.В. Инженерно-геологические процессы в меловых отложениях на застроенных территориях КМА / С.В. Сергеев, А.Н. Петин, М.М. Яковчук, А.В. Овчинников // Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: Изд-во Моск. гос. горн. ун-та, 2006, № 10. - С.135-137.

15. Везенцев, А.И. Эколого-технологические аспекты использования глин Шебекинского района Белгородской области /А.И. Везенцев… А.Н. Петин и др. // Проблемы региональной экологии, 2006, № 5. - С. 72-75.

16. Корнилов А.Г. Аспекты конфликтности природопользования на примере Яков левского рудника Белгородской области / А.Г. Корнилов …, А.Н. Петин и др. //Экологические системы и приборы, 2006, № 12. - С. 30-38.

17. Петин, А.Н. Геоэкологическая обстановка и проблемы рационального недропользования в железорудном бассейне КМА / А.Н. Петин // Горный информационно-аналитический Бюллетень, М.: Изд-во Моск. гос. горн. ун-та, 2007, № 6. - С. 315-322.

18. Корнилов, А.Г. О разработке методологии оценки эколого-хозяйственной эффективности районов реализации горнодобывающей деятельности на примере КМА / А.Г. Корнилов, А.Н. Петин, О.П. Рагулина и др. // Проблемы региональной экологии. - 2007. - № 6. - С. 43-47.

19. Петин, А.Н. Экологический менеджмент и опыт внедрения экологических стандартов в Белгородской области // Проблемы региональной экологии / А.Н.Петин, Е.Б. Яницкий - 2007. - № 6. - С.14-18.

20. Шилова, В.С. Социально-экологическая культура: сущность и особенности (территориальный аспект) / В.С. Шилова, А.Н. Петин // Проблемы региональной экологии. - 2007. - № 6. - С. 158-204.

21. Петин, А.Н. Геоинформационные технологии как инструмент создания и анализа геоэкологических данных горнодобывающих комплексов Курской Магнитной аномалии (КМА) /А.Н. Петин, Е.Б. Яницкий // Вестник РУДН, Сер. Инженерные исследования, 2007. №2. С. - 113-118.

22. Петин, А.Н. Динамика состояния окружающей среды в странах содружества независимых государств в условиях текущего изменения климата / А.Н.Петин, Л.В Салтыковская., Е.А Белановская и др.// Известия РАН Серия географическая, 2008. - С. 138-140.

23. Корнилов, А.Г. Современные изменения природных комплексов в Старооскольско-Губкинском промышленном районе Белгородской области / А.Г. Корнилов, А.Н. Петин, Е.В. Кичигин и др. // Изв. РАН. Сер. Географическая. - 2008, №2. - С.85-92.

24. Петин, А.Н. Геосистемный подход к формированию туристско-рекреационных систем / А.Н. Петин, М.Е. Комарова // Известия высших учебных заведений, Северо-Кавказский регион. Естественные науки. 2008, №1. - С. 106-108.

25. Петин, А.Н. Исследование технологических и наноструктурных свойств руд при решении задач рационального недропользования / А.Н. Петин, П.В. Васильев. // Вестник РУДН. Серия инженерные исследования. - 2008. - №3. - С.41-48.

26. Петин, А.Н., Голеусов П.В., Овчинников А.В. Техногенные воздействия при разработке месторождений мела на окружающую среду // Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: Изд-во Моск. гос. горн. ун-та. - 2008. - № 5. - С.212-215.

27. Никитин, В.М. Менеджмент качества атмосферного воздуха на основе регулярного лидарного патрулирования и ситуационного ГИС-моделирования состояния приземной атмосферы в пределах города / В.М. Никитин, А.Н. Петин, В.В. Ломакин и др. // Проблемы региональной экологии. - 2008. - № 5 .- С. 202-205.

28 Chendev, Yu.G. Degradation of geosystems in the Belgorod region as a result of economic activities / Chendev, Yu.G., Petin A.N., Serikova E.V., and Kramchaninov N.N //Geography and Natural Resources. - 2008. - Vol. 29. - P. 348-353.

29.Чендев, Ю.Г., Деградация геосистем Белгородской области в результате хозяйственной деятельности / Ю.Г. Чендев, А.Н. Петин, Е.В.Серикова, Н.Н. Крамчанинов // География и природные ресурсы . - 2008. - №4. - С. 69-75.

30. Никитин, В.М. Повышение эффективности лидарного мониторинга состояния приземной атмосферы при адаптивном управлении процессом формирования лазерных зонирующих сигналов / В.М. Никитин, А.Н Петин, В.В. Ломакин, Ю.А Уколов // Проблемы региональной экологии, 2009, № 1 . С.16-21.

31. Сергеев, С.В., Петин А.Н., Синица И.В., Овчинников А.В. Оценка параметров пыления продуктов обогащения железных руд / С.В. Сергеев, А.Н. Петин, И.В. Синица, А.В Овчинников // Проблемы региональной экологии, 2009, №1. - С. 48-51.

32. Тохрарь, В.К. Флористические находки адвентивных видов растений в Белгородской области / В.К. Тохтарь, О.В.Фомина, А.Н. Петин, и др. // Проблемы региональной экологии, 2009, №1. - С. 121-124.

33. Петин, А.Н.Функциональное зонирование земель населенных пунктов Белгородской области / А.Н.Петин, А.Г.Корнилов, Н.В. Назаренко и др. // Проблемы региональной экологии, 2009, №5. - С. 266-271.

Монографии

34. Петин А.Н., Мининг С.С. Минерально-сырьевые ресурсы и геолого-экономическая оценка месторождений полезных ископаемых. Белгород: Изд-во БелГУ, 2005. - 205 с.

35. Чендев, Ю.Г. Естественные изменения и техногенная трансформация компонентов окружающей среды староосвоенных регионов (на примере Белгородской области) / Ю.Г. Чендев, А.Н. Петин. - М.: Изд-во МГУ, 2006. - 124 с.

36. Природные ресурсы и окружающая среда Белгородской области / П.М. Авраменко, П.Г. Акулов, Ю.Г. Атанов,…, А.Н. Петин и др.; Под ред С.В. Лукина). - Белгород, 2007. - 556 с.

37. Петин, А.Н. Родники Белогорья: монография, / А.Н. Петин, Л.Л. Новых. - Белгород: Изд-во Константа, 2009. - 220 с.

Атласы и карты

38. Лисецкий Ф.Н., Пересадько В.А., …, Петин А. Н. и др. Атлас Белгородской области: природные ресурсы и экологическое состояние (разделы и авторские карты: экзогенные геологические процессы, с. З2-33; гидрогеология, с. 38-39; гидрогеологическое районирование, с. 40-41; месторождения подземных вод, с. 42-43; использование подземных вод, с. 44-45; гидрографическая сеть, 46- 47; состояние ресурсов подземных вод, с. 142-143; распределение антропогенной нагрузки, с 162-163). - Белгород, 2005. - 179 с.

Патенты, авторские свидетельства, алгоритмы

39. Климентов М.Н., Сергеев С.В., Петин А.Н., Дрямов В.С. Устройство для сооружения траншей. Российская Федерация. Патент на изобретение № 2260657. Зарегестрировано в государственном реестре Изобретений РФ 20 сентября 2005 г. Опубликовано 20.09.2005. Бюл. № 26.

40. Климентов М.Н., Петин А.Н., Дрямов В.С. Шнеко-фильтр. Патент на полезную модель № 55034. Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 27 июля 2006 г. Опубликовано 27.07.2006 г., Бюл. №21.

41. Климентов М.Н., Сергеев С.В, Петин А.Н., Дрямов В.С., Сергеева Л.М. Способ роторно-турбинного бурения и устройство для его осуществления. Патент на изобретение № 2280747. Зарегистрировано в Государственным реестре изобретений Российской Федерации 27 июля 2006 г. Опубликовано 27.07.2006 г., Бюл. №21.

42. Климентов М.Н., Петин А.Н., Дрямов В.С. Способ сооружения восстающей дренажной скважины и устройство для его осуществления. Патент на изобретение № 2284409. Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 27 сентября 2006 г. Опубликовано 27.09.2006 г. Бюл. №27.

43. Климентов М.Н., Петин А. Н., Дрямов В С. Шнеко-фильтр. Патент на полезную модель № 64695. Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 10 июля 2007 г. Опубликовано 27.07.2006 г.

44. Климентов М.Н., Петин А.Н. Дрямов В.С. Способ сооружения восстающей дренажной скважины и устройство для его осуществления. Патент на изобретение № 2284409. Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 27 сентября 2006 г. Опубликовано 27.09.2006 г. Бюл. №27.

45. Климентов М.Н., Петин А.Н., Дрямов В.С., Пономаренко Ю.В., Свергузова С.В., Клименко Н.А., Сергеева Е.М. Способ скважинной гидродобычи полезных ископаемых и устройство для ого осуществления. Патент на изобретение № 2307937. Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений Российской федерации 10 октября 2007 г.

46. Климентов. М. Н.,. Дрямов В.С, Петин А.Н., Сергеева Е.М. Устройство для скважинной гидродобычи полезных ископаемых. Патент на полезную модель №77670. Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 27 октября 2008 г.

47. Климентов М.Н., Дрямов В.С., Сергеев С.В., Петин А.Н. Способ возведения стены в грунте и устройство для его осуществления. Патент на его изобретение № 236708. Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений Российской федерации 27 августа 2009 г. Опубликовано 27.08.2009 г. в Бюл. №24.