(2)

где kp и kt - весовые коэффициенты вклада соответственно природной и техногенной составляющих в суммарное геофизическое воздействие (вычисляются для каждого региона и периода времени в зависимости от конкретных сложившихся соотношений указанных составляющих); Gpmax и Gtmax - абсолютные максимумы соответственно природной и техногенной составляющих геофизического воздействия на изучаемой территории.

Формализация построения картографической тектонической основы формализованной решения геоэкологических задач (экотектонической основы)

Одно из ключевых значений для понимания всех геоэкологических процессов, происходящих в недрах Земли и на ее поверхности, придается проблеме изучения разномасштабных (во времени и в пространстве) тектонических движений. В качестве теоретической основы их формализованного изучения могут быть использованы данные о системах докембрийских разломов прослеженных и зафиксированных по комплексу геолого-геофизических и аэрокосмических данных [20,21]. Исходя из общепринятых представлений о том, что зонам пересечения разломов соответствуют более «раздробленные» участки земной поверхности, предлагается выполнение простого суммирования индикаторов всех систем разломов, приходящихся на единицу площади [23,34 и др.]. С помощью такой карты можно охарактеризовать фоновое состояние геологической среды по отношению к наиболее интенсивным и опасным геоэкологическим процессам. На конкретных участках исследуемой территории по мере увеличения уровня полученной интегральной оценки возрастает вероятность резких нарушений геологической среды, приводящих к аварийным ситуациям. Эта «чисто пространственная» интерпретация тектонической информации может быть уточнена учетом активизаций отдельных фрагментов разломов в различные промежутки времени. Критерием выявления активных («долгоживущих») разломов является степень проявленности различных групп их признаков (геологических, геофизических, геоморфологических и других), в которых «зашифрована» история формирования разлома [23].

Однако при укрупнении масштаба и переходе к детальным исследованиям особо важное значение приобретает изучение и прогноз направлений (путей) распространения всех видов техногенного воздействия в окружающей среде. В контексте экотектонических исследований эта проблема может быть решена путем формализованной оценки значимости преимущественного направления совокупности всех разломов, заметно проявляющихся в пределах конкретной элементарной площадки. Вычисляемый параметр позволяет охарактеризовать тектоническую анизотропию геологической среды (точнее анизотропию «раздробленности» земной коры) и с его помощью можно определить преимущественные направления распространения конкретных техногенных воздействий. Для количественной оценки этой анизотропии введен показатель А, который, в отличие от традиционных технологий определения пространственных характеристик линиментов, полученных в результате обработки аэрокосмической информации (плотности, розы-диаграммы ориентировки, фильтрации и др.), «жестко привязан» к известным в пределах Украинского щита (УЩ) азимутам простирания систем докембрийских разломов. Это позволяет упростить и ускорить процесс определения указанного преобладающего направления, путем исключения из общей процедуры вычисления блока выявления и анализа ориентировки линейных элементов (линиментов, фрагментов разломов). При вычислениях используется информация о фрагментах разломов разных систем, пересекающих конкретные элементарные площадки [14]

где

; , (3)

а также N = max{L₁}+max{L₂} = 10,81 при m₁=m₂=6 (максимальное для условий УЩ количество систем разломов).

В (3) величины ₁ и ₂ - азимуты простирания зафиксированных в пределах элементарной площадки взаимно ортогональных разломов одной системы, а соответствующие им величины К₁ и К₂ - «вес» разломов. Последние при наличии достаточного количества информации вычисляются как среднее арифметическое весовых коэффициентов разных групп признаков разломов. При К₁=К₂=1 (т.е. все фиксируемые разломы считаются равновесными) величины L₁ и L₂ являются суммой проекций единичных отрезков всех фиксируемых в пределах конкретной элементарной площадки разломов на два усредненных (соответственно для диапазонов 0-90^о и 270-360^о) направления.

По мере увеличения абсолютной величины параметра А возрастает анизотропия «раздробленности» земной коры и повышается потенциальная значимость преимущественных направлений распространения различных техногенных воздействий. Геометрически этой ситуации отвечает увеличение количества близких по направлению разломов в пределах элементарной площадки. При уменьшении же этого количества или увеличении числа разнонаправленных разломов (т.е. повышении «изотропной раздробленности») соответственно уменьшается величина параметра А. Минимуму этого параметра А=1=min соответствует ситуация, когда элементарная площадка разбита всеми 12-ю попарно взаимно ортогональными разломами 6-ти систем, зафиксированных в пределах УЩ.

Современная тенденция практически повсеместного перехода от «качественной» (неформализованной) интерпретации геофизической информации к количественной определил необходимость проведения специальных исследований возможностей точного восстановления и прослеживания индикаторов разломов в геофизических полях, заданных дискретно по площади [22]. В общем случае в результате применения формализованной процедуры прослеживания элементов поля, заданного по дискретной сети, индикаторы разломов, представленные прямолинейными аномалиями, могут трансформироваться в ломаные линии и возникают участки потери корреляции, связанные не с геологическим строением исследуемых участков, а с методическими особенностями получения и обработки геофизической информации. Такие участки могут быть ошибочно отождествлены с проявлениями в физических полях закона унаследованного формирования разломных и связанных с ними поверхностных структур, суть которого заключается в закономерной взаимосвязи элементов унаследованности и новообразований при формировании новых систем разломов на фоне возникших ранее [20,21].

Для повышения эффективности интерпретации детальной геофизической информации проведены специальные модельные расчеты совпадения азимутов диагональных направлений сетей наблюдений различной вытянутости и ориентировки, применительно к фиксированным азимутам указанных систем разломов (таблица 1). Проведенные исследования позволили выявить высокую степень совпадения 75% (с точностью 0-5^о) диагоналей развернутых сетей наблюдений с направлениями простирания известных систем разломов. Причем наибольшее совпадение этих величин наблюдается в случае изометричных (квадратных) сетей наблюдений с k=a/b=1 (где а - расстояние между точками измерений, b - расстояние между профилями). Следствием этих совпадений является искусственное «усиление» осевых и диагональных направлений сети наблюдений [22].

Таблица 1

Совпадение диагональных направлений сетей наблюдений различной вытянутости и ориентировки с направлениями простирания разломов известных на УЩ систем

Примечание. В скобках указана величина абсолютной погрешности вычисления азимута (в градусах)

Физико-техногенно-геологическое моделирование объектов геолого-геофизических исследований

геофизический информация окружающий среда

В геологоразведочном процессе было разработано понятие физико-геологической модели (ФГМ) - как системы абстрактных возмущающих тел и вызываемых ими аномальных эффектов, которые аппроксимируют геологический объект и с необходимой для моделирования детальностью обобщенно отражают его структуру, размеры, форму, петрофизические свойства и соответствующее им объемное распределение физических полей [3,8 и др.]. Требованием современного этапа развития геоэкологического направления в геофизике является создание единых физико-техногенно-геологических моделей (ФТГМ), всесторонне обобщающих информацию о природных и техногенных процессах и явлениях [29].

Для решения современных геоэкологических проблем техногенно нагруженных территорий уже на стадии мелкомасштабных исследований (масштаб 1:500000 и мельче) необходимо учитывать техногенные факторы (например, расположение потенциально техногенно опасных объектов в сейсмоактивных районах [7]). Очевидно, что количество информации о конкретном влиянии этих факторов возрастает по мере увеличения масштаба исследований и соответствующих геолого-геофизических моделей. При этом в центре внимания должны находиться вопросы аппроксимации геологического разреза от поверхности раздела «земля-воздух» до максимальных глубин современного изучения.

Основой решения этой проблемы может быть система плотностных моделей в масштабах от 1:500000 до 1:50000, то есть - на нескольких иерархических уровнях: региональном, среднемасштабном и крупномасштабном [6]. Полнота изучения с помощью геофизической информации глубинного строения земной коры для решения конкретных геоэкологических задач обеспечивается поэтапным усложнением моделей.

Вначале будем считать, что достоверно известно только две структурные поверхности: z' = h_ф (х',у') и z' = h_м (x',y') - соответственно, кристаллического фундамента и М, и построение модели сводится к подбору плотности осадочного слоя _ос, земной коры _к и мантии _м при двух указанных фиксированных структурных границах. Величины _ос, _к и _м определяются из условия минимума следующего функционала

|| g_(x,y)-g_выч(_оск,_м,h_ф,h_м,x,y) || = min, (4)

при ограничениях нижнего и верхнего пределов изменения плотности

_ос.н<_ос<_ос.в; _к.н<_к<_к.в; _м.н<_м<_м.в.(5)

Полученные в результате решения параметры, служат «каркасной» основой модели. Они являются исходными при оценке методом подбора основных параметров функционала на втором этапе

|| g _{n изм} (x, y, z) - g _{n выч} (_j (x', y', z'), h_j (x', y'), x, y, z) || = min; (6)

_{j н j} (x', y', z') _{j в} и h_{j н} h_j (x', y') h_{j в}. (7)

После того, как найдено положение контактной поверхности z' = h_j (x', y'), задано распределение скорости v_j (x', y', z') и определена зависимость _j(x',y',z') = _j(v_j(x',y',z'), методом подбора определяется распределение аномальной плотности _j (x', y', z') в средней и нижней частях земной коры.

Далее при построении среднемасштабных плотностных моделей изучаются неоднородности верхнего этажа земной коры - практически до условной границы К₂, т.е. выполняется объемное картирование крупных блоков, структур верхней части земной коры с целью детализации модели геологического строения вдоль региональных глубинных сейсмических и электроразведочных профилей; затем выполняется сплошное объемное среднемасштабное петроплотностное моделирование [6].

Полученный от сплошной среднемасштабной объемной петроплотностной модели гравитационный эффект служит фоном для выделения аномалий более высоких порядков, что позволяет все последующие крупномасштабные построения увязать по единому уровню поля и плотностной модели. Крупномасштабная модель является завершающим этапом укрупнения в иерархической системе взаимоувязанных разноуровенных петроплотностных моделей, применимых при решении соответствующих по масштабу как геологоразведочных, так и геоэкологических задач: с одной стороны, это изучение строения рудоперспективных массивов и структур в плане и на глубину, а с другой стороны, создание информационной базы для планирования параметров будущих горнодобывающих предприятий и оценки их воздействия на окружающую среду.

Разработанные физико-геологические модели являются отправной точкой для выбора и обоснования рационального комплекса и технических условий производства дальнейших геолого-геофизических и горных работ, а также определения стратегии обработки и интерпретации получаемой информации применительно к последующим детальным исследования. Эффективность последних может быть проиллюстрирована на примере моделирования геоэкологических последствий горнодобывающей деятельности по гравитационным данным. С помощью этой информации на эксплуатируемых месторождениях можно изучать и оценивать значимость происходящих изменений окружающей среды, сравнивать ее нарушенное состояние с фоновыми характеристиками и нормативными показателями, исследовать наиболее интенсивные и опасные техногенные процессы. Ниже рассмотрены вопросы геофизического моделирования двух из них [15,24,30,31]: динамики развития подземных пустот и понижения уровня подземных вод.

Основой изучения этих процессов является базовая гравитационная модель карьера. Общий характер изменения гравитационного поля соответствует упрощенному модельному разрезу, включающему помимо разрабатываемых рудных объектов в однородной вмещающей среде также однородные перекрывающие отложения. Вычисленные изменения поля отнесены к непостоянной во времени дневной поверхности, имитирующей последовательность открытой разработки месторождений полезных ископаемых: начало разработки (фоновое состояние), снятие перекрывающих отложений, частичная выемка рудного тела. По мере извлечения горной породы, происходит общее понижение значений гравитационного поля. Это вызвано как извлечением и удалением значительных масс пород, так и понижением абсолютных отметок точек вычислений по мере углубления карьера. В результате первоначально простые по форме положительные аномалии трансформируются в сложные аномальные зоны гравитационного поля. Особый интерес здесь представляет появление небольшого «ложного» максимума вычисленного поля в центре карьера, который вызван не наличием каких-нибудь масс под ним, а уменьшением значений поля по мере приближения к вышележащим массам бортов карьера. На этом фоне изменение положения («всплывание») пустоты приводит к изменению регистрируемых значений гравитационного поля - динамическим аномалиям. В общем случае зоны разуплотнения, обусловленные развитием (обрушением) заброшенных горных выработок и отработанных залежей, в пространстве имеют форму близкую к изометричной. Для изотропной среды в качестве модели первого приближения принята система вложенных друг в друга сферических слоев, каждый из которых характеризует определенное состояние горного массива: пустота (₁) - переходная зона (₂, изменяющейся в пределах от ₁ до ₃) - монолит (₃).

Развитие этой модели («всплывание» пустоты) приводит к тому, что объем разуплотненного участка не постоянен, а «след» движения пустоты к поверхности карьера весьма близок по форме к эллипсоиду обрушения. В реальных условиях перемещение зоны разуплотнения вверх не происходит с полным восстановлением плотности обрушившихся пород до плотности монолита. Окончательная плотностная модель, построенная по гравитационным данным, представляет собой «деформированный» эллипсоид обрушения, отображающий «перемещение» (опасной для ведения горных работ) разуплотненной зоны к поверхности с одновременным уплотнением обрушающейся при этом породы [15,31].

При моделировании гравитационного эффекта от изменений гидрогеологических условий карьера выбран простой разрез с горизонтальным залеганием пластов горных пород (фоновое состояние). Гравитационное поле во всех точках над таким разрезом постоянно и равно

, (8)

где _i - плотность i-го пласта; h_i - вертикальная мощность i-го пласта; m - количество пластов; k - гравитационная постоянная. Такая модель хорошо аппроксимирует горизонтально залегающую единую пластообразную толщу перекрывающих пород с однородной минеральной плотностью _m, распадающуюся на две различающиеся по плотности толщи газо- и влагонасыщенных пород (соответственно и '). Границей этих толщ является динамический уровень подземных вод. Зафиксировав величину _m=2,7 г/см³ (что соответствует некоторой усредненной плотности песчано-обломочных и хемогенных образований) расчеты и ' можно выполнить по известным формулам [33]

, (9)

где n - пористость породы, в %.

По мере отработки карьера формируются отвалы пород (техногенные новообразования) со своими водоносными горизонтами (линзами). Минеральная плотность техногенных новообразований оставлена неизменной по отношению к коренным породам, пористость же может изменятся в широких пределах 10% от значений n ненарушенных пород. От величины n зависит крутизна депрессионной воронки: чем больше n техногенных новообразований, тем положе линия динамического уровня подземных вод, и соответственно положе графики гравитационного поля.

Для оценки необходимой точности гравиметрических наблюдений при решении гидрогеологических задач в районе действующего карьера были проведены вычисления с использованием выражения (8) для одного пласта. В качестве была использована разность плотностей газо- и влагонасыщенных пород из (9)

 = ₁ - ₁ = _m+(1-_m) n10^-2-_m (1-n10^-2) =n10^-2. (10)

Расчеты прямого гравитационного эффекта плоскопараллельного слоя малой мощности h моделируют изменения мощности водоносного горизонта за счет колебания его верхней границы (уровня подземных вод). Результаты вычислений можно использовать для оценки необходимой точности гравиметрических наблюдений при исследованиях колебаний статического уровня подземных вод. Подобная оценка для динамического уровня подземных вод опирается на гравитационный эффект от вертикальной ступени - горизонтального полупласта (уменьшенный вдвое гравитационный эффект от плоскопараллельного пласта).

На современном этапе перспективы развития экогеофизики могут быть связаны с использованием фундаментальных законов физики Земли. Для этого обоснована экологически значимая взаимосвязь развития локального подтопления и изменения метеоситуации с перемещением блоков земной коры, первопричиной которых является изменение ротационного режима планеты [35].

В 1984 г. К.Ф. Тяпкиным была предложена новая модель равновесного состояния вращающейся Земли (геоизостазии) [19]. Ее отличительной особенностью (по сравнению с доминирующими на то время концепциями изостазии, основанными на гипотезе о «плавании» земной коры на магме и не учитывающими вращение нашей планеты) является представление о том, что Землю можно считать находящейся в состоянии равновесия, если каждый ее сектор, вырезанный достаточно малым центральным телесным углом будет иметь равный вес.

Количественно это условие соответствует интегральному выражению

, (11)

где (r) - плотность вещества Земли в пределах изучаемого сектора; g(r) - ускорение свободного падения (силы тяжести) в точках сектора на расстоянии r от центра Земли.

Выражение (11) можно представить в виде трех интегралов

I₁ + I₂ + I₃ = const, (12)

где

;

;

,

R_i - внутренний радиус мантии Земли, R_e - ее внешний радиус.

В качестве критерия уравновешенности Земли принимается величина отклонения радиусов геоида (R_г) от соответствующего ему сфероида (R_с). Следовательно, вторым условием геоизостазии является требование

= R_г - R_с = 0. (13)

Первые два интегральные выражения в равенстве (12) К.Ф. Тяпкиным положены в основу развиваемой им ротационной гипотезы структурообразования в тектоносфере [19]. При этом показано, что разность отметок между геоидом и сфероидом определяет направленность геологических процессов на Земле.

Для наших целей в уравнении (12) существенное значение имеют: интеграл I₃ численно равный величине атмосферного давления у поверхности Земли в изучаемом секторе, и часть интегрального выражения I₂, соответствующая приповерхностному земному слою мощностью H, характеризующемуся наличием флюидов (в вертикальных «порах-капиллярах» горных пород) - I₂'.

. (14)

В соответствии с указанной ротационной гипотезой [20, 21] поверхность твердой Земли представляет собой мелко блоковую мозаику, образованную взаимным пересечением нескольких систем иерархически соподчиненных разломов. Любые нарушения ротационного режима Земли приводят к активизации систем разломов и относительному перемещению по ним блоков земной коры. Рассмотрим роль выражений I₃ и I₂' в определении проявлений современных природных процессов на простейшем примере. Пусть уединенный блок земной коры опустился на несколько миллиметров (h). Вследствие этого нарушится величина . Ее можно восстановить только за счет изменения (в данном случае увеличения) значений интегралов I₃ и I₂'. Увеличение значений I₃ возможно за счет перетока воздушных масс (схема циклона). Возрастание величины I₂' также возможно в результате подъема уровня грунтовых вод. Эти процессы должны продолжаться до восстановления исходных значений . Вполне очевидно, что в случае относительного подъема изучаемого блока будут иметь место противоположные явления. Таким образом, намечается возможность использования новой модели геоизостазии [19] для решения геоэкологических задач, связанных как с региональным прогнозом метеоусловий, так и с проблемами подтопления территорий.

Для дальнейшего изучения вопроса взаимосвязи особенностей тектонического строения и локальных изменений метеоситуации уникальные возможности открывает информация о последствиях аварии на Чернобыльской АЭС (ЧАЭС) 26.04.1986 г. Неравномерность выпадения радионуклидов и радиоактивные следы Чернобыльской катастрофы обусловлены рядом обстоятельств, в т.ч.: изменением направления и силы ветра, дождями, неравномерностью выбросов из 4-го блока ЧАЭС в результате противопожарных мероприятий. За девять суток аварии направление ветра изменилось на 360^о, т.е. вектор скорости ветра описал полный оборот [1]. Однако анализ пространственного распространения загрязнения территории (из [13]) позволил отметить дискретность изменения направлений простирания радиоактивных следов, которая напоминает некую анизотропию геологической среды, вызванную формированием систем разломов земной коры.

В дальнейшем зафиксировано совпадение максимумов «значимости» направлений простирания радиоактивных следов от аварии на ЧАЭС и систем разломов земной коры. Эта зависимость проявляется в районе исследований в особенностях погребенного и современного дневного рельефа и практически незаметна в более «древних» геолого-геофизических признаках этих разломов [30].

Примеры использования геофизической информации в решении региональных геоэкологических задач

1. Использование интегральной геолого-геофизической информации в оценке возможностей развития рекреационной инфраструктуры.

Необходимость обязательного учета геофизических аспектов интегрального показателя качества жизнедеятельности населения и окружающей среды при решении проблем разработки стратегии устойчивого развития техногенно нагруженных регионов иллюстрируется на примере оценки современного состояния и возможностей развития рекреационной инфраструктуры Украины. Напрямую с изменением техногенной нагрузки (в т.ч. геофизического воздействия) на конкретных территориях связаны перспективы развития рекреационных ресурсов: чем выше указанная нагрузка, тем больше должно быть доступных рекреационных ресурсов; а также то, что пространственный критерий развития рекреационной инфраструктуры должен опираться на минимизацию геофизического воздействия [11].

В настоящее время рекреационная инфраструктура техногенно нагруженных регионов Украины развивается стихийно и, в основном, по традиционной схеме наличия лесных ресурсов и поверхностных вод. В связи с этим для всестороннего (а не только лечебно-профилактического) развития рекреационной инфраструктуру техногенно нагруженных регионов необходима разработка формализованной процедуры пространственной оценки соответствующих ресурсов, позволяющая планировать развитие рекреационных ресурсов с учетом интегрального геофизического воздействия. Рассмотрим это на примере использования основных памятников природы Украины, обобщенных в [32]. Т.к, известные природные рекреационные объекты не являются уникальными, а характеризуют ландшафтные области, на территории которых они располагаются, то основой для распространения по площади этих объектов выбрана схема геоморфологического районирования масштаба 1:10000000 [4].

Пусть имеется множество n_o локальных рекреационных объектов на территории m областей. При этом в каждую i-ую область попадает n_i объектов и общее количество локальных объектов N имеет вид

. (15)

Под обеспеченностью i-ой области рекреационными ресурсами P_i будем понимать густоту соответствующих объектов на единицу площади

, (16)

где S_i - площадь i-ой области.

Представительность (значимость) i-ой области в целом определяется соотношением ее площади S_i с общей площадью государства S_общ

(17)

Предлагаемая технология районирования обеспеченности территории государства рекреационными ресурсами опирается на совокупность данных о локальных объектах и площадях их распространения (геоморфологических областях). При этом оцениваемым параметром является следующее произведение

R_i = K_iP_i . (18)

Однако до сопоставления этой информации с данными о техногенной нагрузке на территорию (в т.ч. геофизическом воздействии) необходимо учесть: 1) степень доступности конкретных объектов рекреации из фиксированных точек (участков, районов) - расстояние до этих объектов от оцениваемой точки территории l_o; 2) «ценность» - с позиции потенциальной посещаемости из конкретной точки территории в первом приближении определяется плотностью ее заселения q; 3) «ценность» этих объектов с точки зрения схожести их природных условий с условиями различных мест проживания людей - матрица М «несхожести» этих условий для выделенных геоморфологических областей (т.е. ценность возрастает по мере увеличения степени отличия условий объектов рекреации от привычных природных условий, в которых протекает повседневная деятельность людей).

Теперь для каждой фиксированной точки исследуемой территории, принадлежащей конкретной j-ой области, с учетом приуроченности каждого локального объекта рекреации своей i-ой области можно определить обеспеченность доступными рекреационными ресурсами r_i из следующего выражения

. (19)

при , где q_min - минимальная плотность населения государства.

Пространственное совмещение результатов расчета современной обеспеченности доступными рекреационными ресурсами с уровнем современного техногенного геофизического воздействия позволяет определить приоритетные территории развития рекреационного потенциала Украины. На выявленных территориях с высоким техногенным геофизическим воздействием и низкой обеспеченностью доступными рекреационными ресурсами предлагается следующий «сценарий» развития рекреационного потенциала. С одной стороны, это «тактическое» развитие местной рекреационной инфраструктуры для кратковременного отдыха (походов выходного дня, «пикников», рыбной ловли, охоты и др.). В этом случае рекреационные объекты имеют меньшую «ценность» с позиции схожести природных условий M_ij, но в тоже время благоприятным является их большая доступность за счет сокращения расстояний l_okmin. С другой стороны, это «стратегическое» увеличение (интенсификация) длительного использования рекреационных ресурсов (в т.ч. для лечебно-профилактических целей) за пределами указанных территорий с высоким техногенным геофизическим воздействием и низкой обеспеченностью доступными рекреационными ресурсами. В этом случае имеется большее количество «степеней свободы» при выборе как конкретных объектов (на территориях с низким техногенным геофизическим воздействием), так и видов реализации их рекреационного потенциала.