Поиски и картирование водообильных зон при проведении гидрологических работ с применением линеаментно-геодинамического анализа

Размещено на http://www.allbest.ru/

Пермский государственный национальный исследовательский университет, Естественнонаучный институт

ПОИСКИ И КАРТИРОВАНИЕ ВОДООБИЛЬНЫХ ЗОН ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ РАБОТ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЛИНЕАМЕНТНО-ГЕОДИНАМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

Копылов Игорь Сергеевич к.г.-м.н.

ведущий научный сотрудник

Пермь, Россия

Характеризуются гидрогеологические условия и проблемы региональных гидрогеологических работ территории Пермского Урала и Приуралья. Показана возможность обеспечения населения пресными подземными водами. Рассматривается методология картирования водообильных зон по комплексу методов, включающих линеаментно-геодинамический анализ с выделением геодинамических активных зон на основе дистанционных исследований и геоинформационных технологий

Ключевые слова: ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКОЕ КАРТОГРАФИРОВАНИЕ, ЛИНЕАМЕНТНО-ГЕОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ, ДИСТАНЦИОННЫЕ МЕТОДЫ, ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ, ВОДООБИЛЬНЫЕ ЗОНЫ, ГЕОДИНАМИЧЕСКИЕ АКТИВНЫЕ ЗОНЫ

Водообильные зоны - ограниченные участки земной коры в зоне активного водообмена с повышенной трещиноватостью и концентрацией подземного стока, сформированные в локальных неотектонических блоках в условиях повышенной геодинамической активности. Они представляют собой сложные гидрогеологические объекты в водоносных пластах, горизонтах, комплексах, обладают повышенными ресурсами подземных вод в большинстве - пресных и слабоминерализованных.

В настоящее время существует много методов и технологий выделения водообильных зон, основные из них: картирование по родникам и скважинам, гидрометрический способ (по расчетным показателям подземного стока, удельному водопритоку и др.); геофизические методы, (электроразведка, гамма-каротаж, сейсмоакустика, инфракрасная съемка и др.), структурно-геоморфологические, аэрокосмические и неотектонические методы (анализ эрозионной расчлененности рельефа, мегатрещиноватости и др.), гидрогеохимические методы (по модулю подземного химического стока, водногелиевой съемке и др.).

На Урале и Приуралье поиски водообильных зон ведутся на протяжении более 50 лет. Их изучением занимались многие исследователи - Н.Д. Буданов, Л.И. Шимановский, И.А. Печеркин, Г.К. Михайлов, Е.А. Иконников, А.В. Ревин, В.Н. Катаев, В.А. Шерстнев и др. Как правило, водообильные зоны выявляются и подтверждаются при проведении региональных гидрогеологических исследований и картографировании. Вся территория в пределах Пермского края (160,7 тыс. км²) в 50-60 годы XXв. была охвачена гидрогеологической съемкой масштаба 1:500 000 (Л.И. Шимановский, Г.К. Михайлов, Е.А. Бобров, А.М. Оскотский и др.). Гидрогеологическое картографирование масштаба 1:200 000 выполнено на площади 120 тыс. км², что составляет около 75% ее территории (В.И. Мошковский, Е.А. Иконников, В.А. Поповцев, С.В. Заякин, А.Г. Мелехов, И.М. Синицин, А.В. Ревин, В.П. Куликов, П.П. Ведерников, В.М Балдин, И.С. Копылов и др.). В основном, это съемки более 20-30 летней давности (в 1961-1970гг. закартированы 11 листов масштаба 1:200 000, в 1971-1980гг. 10 листов, в 1981-1990гг. 10 листов, в 1991-2000гг. 3 листа). После 2000г. изучался лишь 1 лист - О-40-XV.

Гидрогеологические условия и проблемы

картирование гидрогелогический линеаментный геодинамический

Территория характеризуется сложными гидрогеологическими условиями. Она расположена в пределах двух крупных структурно-геологических регионов: восточной окраины Русской платформы и горноскладчатого Урала, захватывает 3 бассейна подземных вод - Камско-Вятский бассейн пластовых напорных вод, Предуральский сложный бассейн пластовых вод и Западно-Уральский бассейн пластово-блоковых вод. В верхней части гидрогеологического разреза (в зоне интенсивного водообмена) залегают преимущественно фациально невыдержанные терригенные, карбонатные, сульфатные и галогенные породы верхнего палеозоя. Формирование водообильных зон происходит под действием многих процессов, ведущую роль среди которых играют структурно-тектонические условия и геодинамическая (неотектоническая) активность, обуславливающие повышенную степень трещиноватости пород, в Предуральском бассейне также - карст [1-4].

Пермский край обладает значительными ресурсами пресных подземных вод, однако, они расположены неравномерно по площади. Наиболее водообильные горизонты подземных вод, пригодные для создания крупных водозаборов, расположены в восточной части Предуральского бассейна и в Западно-Уральском бассейне, при этом основная часть населения края проживает в пределах Камско-Вятского и Предуральского бассейнов. Современное хозяйственно-питьевое водоснабжение населения Пермского края базируется на использовании подземных и поверхностных вод с преобладанием последних.

В крае ведутся поиски и разведка подземных вод для водоснабжения крупных населенных пунктов (ООО «Запуралгидрогеология» и др.), разведано 126 месторождений пресных подземных вод, с суммарными эксплуатационными запасами 1125 тыс. м³/сут, из них в 2010 г. (по данным ГИДЭК) эксплуатировались 67 месторождений с общим водоотбором 226 тыс. м³/сут. Текущая потребность в хозяйственно-питьевых водах удовлетворяется подземными водами лишь на 15 %. Сравнительно низкий процент использования подземных вод объясняется как необеспеченностью ряда городов достаточными запасами подземных вод (Пермь, Добрянка, Чусовой), так и неосвоенностью разведанных запасов (Кизел, Кунгур, Чердынь, Гремячинск, Нытва, Краснокамск). Города Соликамск и Березники (с населением около 300 тыс. человек) используют для хозяйственно-питьевого водоснабжения исключительно подземные воды. Краевой центр - г. Пермь для хозяйственно-питьевого водоснабжения использует в основном поверхностные воды и только 2 % подземных вод (по данным МПР Пермского края).

Серьезную проблему состояния подземных вод, как на действующих водозаборах, так и на региональном уровне создает мощное техногенное воздействие со стороны промышленного и горно-нефтедобывающего фактора [5]. По степени защищенности подземных вод первого от поверхности водоносного горизонта преобладают незащищенные и слабо защищенные территории; относительно защищенные территории развиты локально. Подземные воды верхних горизонтов подвержены значительному загрязнению, которое особенно проявляется в наличии нефтепродуктов, тяжелых металлов, хлоридов, нитратов, нитритов, пестицидов и др. Практически половина территории края имеет умеренно опасную степень загрязнения подземных вод, 10% имеет опасную и чрезвычайно опасную степень загрязнения [6, 7].

Таким образом, для населения многих районов, особенно в западной центральной и южной его частях края испытывается острый дефицит в пресной питьевой воде. К сожалению, тенденция снижения темпов проведения региональных гидрогеологических работ в последнее десятилетие, характерная для России в целом, обусловленная еще последствиями экономического кризиса не позволяет надеяться на развитие гидрогеологического картографирования (до уровня 70-90-х годов XXв.) в ближайшей и среднесрочной перспективе.

В условиях дефицита финансирования на региональные гидрогеологические работы (стоимость которых довольно высокая) на первый план выходит их комплексирование с более экономичными - дистанционными исследованиями, направленными на поиски водообильных зон и применением ГИС-технологий. При этом объем собственно гидрогеологических работ (гидрогеологические маршруты, бурение скважин с откачками, гидрометрия, опробование, и особенно площадные геофизические методы) уменьшается (и концентрируется преимущественно на ключевых участках) а площадь исследований увеличивается и отрабатывается способом групповой съемки. Применение ГИС-технологий на основе создания баз данных (БД), автоматизированных методов дешифрирования и обработки данных, а также пространственного анализа, позволяет намного эффективнее проводить общий комплекс исследований.

Методика, результаты исследований и их обсуждение

В последнее десятилетие был выполнен ряд федеральных и региональных геологических и гидрогеологических проектов, в которых автор был ответственным исполнителем: «Составление геоэкологической карты Пермской области масштаба 1:500 000», «Составление гидрогеологической карты Пермской области масштаба 1:500 000 на основе создания базы данных «Региональная гидрогеология Пермской области масштаб 1:500 000», «Составление (обновление) серийных легенд государственных гидрогеологических карт масштаба 1:200 000 (Пермская серия)», «Создание автоматизированного рабочего места (АРМ) гидрогеолога - съемщика», «Гидрогеологическое доизучение с геоэкологическим картированием масштаба 1:200 000 листа О-40-XV (гг.Пермь, Добрянка)», «Составление карты неотектонической активности Пермской области масштаба 1:500 000», «Составление карты неотектонических блоковых структур Пермского Приуралья», «Обеспечение территории Пермского края аэрокосмогеологической основой с целью определения нефтеперспективных площадей и участков для включения в программу лицензирования». Проведение этих исследований способствовало разработке нового направления поисков водообильных зон на основе картографирования и изучения геодинамических активных зон (АЗ), по данным дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) с применением ГИС-технологий [8].

С учетом новых геологических материалов результаты гидрогеологических съемок были переинтерпретированы. Проведен комплексный структурно-гидрогеологический и гидрогеохимический, морфонеотектонический, линеаментно-геодинамический анализ Пермского края. Интерпретация известных гидрогеологических закономерностей (распределение подземного и подземного химического стока) и геодинамических закономерностей (геодинамические активные зоны) позволила установить новые или уточнить известные водообильные зоны и гидрогеохимические аномалии (рисунок).

Основой для выделения геодинамических АЗ являлись материалы дистанционного зондирования и результаты дешифрирования космических снимков (масштаб 1:500 000-1:100 000). Основной объем дешифрирования выполнен на современных цифровых спектрозональных космоснимках высокого разрешения, с применением компьютерных технологий. Технология компьютерного дешифрирования космоснимков и обработки данных реализована на базе программного обеспечения ESRI - ARC GIS и его модулей. Обработка линейных объектов - неотектонических линеаментов и мегатрещин, расчет их плотности (по протяженности на единицу площади) произведен в Arc Map (Spatial Analyst Tools, Line Density), которая ранжирована по баллам статистического распределения и классифицирована по геологическим признакам на классы неотектонической активности. Выделено более 50 тыс. прямолинейных линеаментов, различных таксономических рангов (региональных, зональных, локальных и коротких) [9, 10].

Региональные и зональные линеаменты, как правило, контролируют элементы тектонического строения территории. Наиболее тектонически ослабленными являются участки на границах неотектонических блоковых структур, где наблюдается наибольшее сгущение и пересечение линеаментов и мегатрещин, отмечается наибольшая расчлененность рельефа и в целом повышенная неотектоническая активность и водоносность [11].

Рис. Карта водообильных и геодинамических активных зон

По показателям плотности линеаментов проведена оценка неотектонической активности территории, построена карта геодинамических активных зон и участков. Всего на территории Пермского края по результатам регионально-зонального ДЗЗ установлено 60 крупных геодинамических АЗ с площадями 100-200 и более км². Пространственно они располагаются: 24 - Камско-Вятском бассейне, 18 - в Предуральском и 18 - в Западно-Уральском бассейне. Крупные геодинамические АЗ имеют сложное мозаичное строение и по материалам детального ДЗЗ, «разбиваются» на многочисленные участки разной интенсивности площадью от 2 до 20 км². Пространственная корреляция площадей геодинамических АЗ и выявленных водообильных зон указывает на их близкое соответствие (более 80%). При этом отмечается, что в наиболее активных геодинамических зонах выраженных системами крупных неотектонических линеаментов формируются более водообильные участки.

Положение, согласно, которому, в формировании гидрогеологической обстановки в зоне активного водообмена, ведущую роль играют состояние структурно-геологических условий и неотектонические движения является закономерностью, для многих регионов мира и подтверждено нами в других регионах [12-14]. Например, на территории Сибирской платформы (на площади 120 тыс. км²) было изучено распределения подземного стока по данным 4 тыс. родников и установлена прямая зависимость дебитов родников от степени тектонической трещиноватости, обусловленной в свою очередь геодинамической активностью [15]. Поэтому метод картирования водообильных зон по геодинамическим активным зонам может рассматриваться, как универсальный.

В результате комплексного анализа с применением данных ДЗЗ и ГИС-технологий построена гидрогеологическая ГИС-карта территории Пермского края с геодинамическими активными, водообильными и гидрогеохимическими зонами [16, 17]. Базовый масштаб 1:500 000. С учетом локальных гидрогеологических баз данных и инструментов ARC GIS, масштабируемая среда карты находится в интервале масштабов 1:1 1 000 000 - 1:200 000. В легенде и БД отражены: гидрогеологическое районирование по бассейнам подземного стока, характеристика гидрогеологических подразделений, водопроявления (месторождения пресных и минеральных подземных вод, гидрогеологические скважины, родники), водообильные зоны, химический состав подземных вод (3,5 тыс. анализов) и другие данные.

Заключение

Комплексный гидрогеологический и линеаментно-геодинамический анализ с учетом параметров водоносности и плотности трещиноватости позволил скорректировать границы известных водообильных зон и спрогнозировать новые зоны.

Ближайшие задачи региональных гидрогеологических работ в Пермском крае связаны с их геоинформационным и дистанционным обеспечением: 1) актуализация БД «Региональная гидрогеология масштаба 1:200 000 с участками городов масштаба 1:50 000»; 2) внедрение в практику гидрогеологического картографирования автоматизированного рабочего места (АРМ) гидрогеолога - съемщика; 3) разработка и внедрение компьютерного гидрогеологического и геодинамического моделирования с применением дистанционной основы применительно к условиям городской среды.

Список литературы

1. Копп М.Л. Новейшая динамика и вероятное происхождение Тулвинской возвышенности (Пермское Приуралье) /М.Л. Копп М.Л., В.Е. Вержбицкий А.А. Колесниченко, И.С. Копылов // Геотектоника, М., 2008. № 6. С. 46-69.

2. Копылов И.С. Геоэкологические исследования нефтегазоносных регионов: дис. канд. геол.-минерал. наук. Пермь, 2002. 307 с.

3. Копылов И.С. Региональные факторы формирования инженерно-геологических условий территории Пермского края / И.С. Копылов, А.В. Коноплев, Р.Г. Ибламинов, Б.М. Осовецкий // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. Краснодар: КубГАУ, 2012. №10(84). С. 191-201. Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2012/10/pdf/15.pdf, 0,688 у.п.л.

4. Середин В.В. Прогнозирование карстовой опасности при инженерно-геологическом районировании территорий / В.В. Середин, В.И. Галкин, А.В. Растегаев, Л.О. Лейбович, М.В. Пушкарева // Инженерная геология. 2012. № 2. С. 40-45.

5. Лейбович Л.О. Экологическая оценка территорий месторождений углеводородного сырья для определения возможности размещения объектов нефтедобычи / Л.О. Лейбович, В.В. Середин, М.В. Пушкарева, А.А. Чиркова, И.С. Копылов // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2012. № 12. С. 13-16.

6. Копылов И.С. Концепция и методология геоэкологических исследований и картографирования платформенных регионов // Перспективы науки. Тамбов, 2011. № 8. С. 126-129.

7. Копылов И.С. Принципы и критерии интегральной оценки геоэкологического состояния природных и урбанизированных территорий // Современные проблемы науки и образования. 2011. № 6; URL: www.science-education.ru /100-5214 (дата обращения: 13.01.2012).

8. Копылов И.С. Теоретические и прикладные аспекты учения о геодинамических активных зонах // Современные проблемы науки и образования. 2011. № 4; URL: www.science-education.ru /98-4745 (дата обращения: 29.09.2011).

9. Копылов И.С. Линеаментно-геодинамический анализ Пермского Урала и Приуралья // Современные проблемы науки и образования. 2012. № 6; URL: http://www.science-education.ru/106-7570 (дата обращения: 30.11.2012).

10. Копылов И.С. Геодинамические активные зоны Верхнекамского месторождения калийно-магниевых солей и их влияние на инженерно-геологические условия // Современные проблемы науки и образования. 2011. № 5; URL: www.science-education.ru/99-4894 (дата обращения: 07.12.2011).

11. Середин В.В. К вопросу о формировании морфологии поверхности трещины разрушения горных пород / В.В. Середин, Л.О. Лейбович, М.В. Пушкарева, И.С. Копылов, А.С. Хрулев // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. Издательство Сибирского отделения РАН. Новосибирск, 2013. № 3. С. 85-90.

12. Копылов И.С. Влияние геодинамики и техногенеза на геоэкологические и инженерно-геологические процессы в районах нефтегазовых месторождений Восточной Сибири // Современные проблемы науки и образования. 2012. № 3; URL: www.science-education.ru/103-6522 (дата обращения: 26.06.2012).

13. Копылов И.С., Ликутов Е.Ю. Структурно-геоморфологический, гидрогеологический и геохимический анализ для изучения и оценки геодинамической активности // Фундаментальные исследования. № 9 (часть 3), 2012. С. 602-606. URL: www.rae.ru/fs/?section=content&op=show_article&article_id=9999535 (дата обращения:02.09.2012).

14. Ликутов Е.Ю., Копылов И.С. Комплексирование методов изучения и оценки геодинамической активности // Вестник Тюменского государственного университета. 2013. №4. С. 125-133.

15. Копылов И.С. Геоэкология нефтегазоносных районов юго-запада Сибирской платформы: монография/ Перм. гос. нац. иссл. ун-т. Пермь, 2013. 166 с.

16. Копылов И.С. Гидрогеохимические аномальные зоны Западного Урала и Приуралья // Геология и полезные ископаемые Западного Урала. Перм. гос. нац. иссл. ун-т. Пермь, 2012. С. 145-149.

17. Копылов И.С. Коноплев А.В. Геологическое строение и ресурсы недр в Атласе Пермского края // Вестник Пермского университета. Геология. Пермь, 2013. Вып. 3 (20). С. 5-30.

Размещено на Allbest.ru