Связь экологической геологии со смежными науками
Остановимся на основных направлениях исследований экологической геологии.Одно из наиболее важных направлений экологической геологии связано с природоохранными последствиями деятельности человека в процессе эксплуатации месторождений полезных ископаемых. Поиски и освоение месторождений минерального сырья развиваются невиданными по масштабам темпами и охватили практически всю приповерхностную часть земной коры, включая шельф и дно Мирового океана. Существующие темпы добычи полезных ископаемых стали приводить к истощению многих минерально-сырьевых ресурсов. В этой связи принципы оценки таких понятий как исчерпаемость и неисчерпаемость, а также рентабельность и нерентабельность освоения таких ресурсов стали включать в себя не только показатели уровня развития техники и технологий, но и критерии, связанные с природоохранной концепцией устойчивого развития. В этой связи представление об ограниченности минерально-сырьевых ресурсов в настоящее время включает в себя физическую, экономическую и экологическую составляющие. Так, физическое истощение уже стало реальным для многих компактно залегающих месторождений, например, нефти, газа и др. В более отдаленной перспективе такое истощение возможно для ряда месторождений, содержащих минеральные соединения в рассеянном виде. По мере истощения конкретных видов полезных ископаемых происходит вовлечение в разработку месторождений с более низкими технико-экономическими показателями, что определяет рост экономических издержек на их разведку и добычу и, как следствие, приостановку их освоения (экономическое истощение). И, наконец, экологическое истощение, которое в последнее время стало приобретать все большее значение в связи с прогрессирующим влиянием промышленного производства на окружающую природную среду. По причинам, связанным с экологическим воздействием на компоненты окружающей среды могут быть закрыты (должны быть закрыты) многие горнодобывающие предприятия, эксплуатирующие твердые и жидкие полезные ископаемые. Экологическое воздействие на подземные воды также приводит к резкому снижению их естественных и эксплуатационных ресурсов.
Внедрение в практику рационального природо- и недропользования экономических механизмов управления, в сочетании с природоохранными нормами и стандартами, способствует решению проблем, связанных с исчерпаемостью многих видов минерально-сырьевых ресурсов, определением складывающейся конъюнктуры рынка, а также необходимостью учета природоохранных принципов. При этом такой подход предполагает оценку социально-экономических потерь, возникающих не только в связи с освоением месторождений полезных ископаемых и загрязнением окружающей среды, но и с последующим ее восстановлением, что, естественно, значительно повышает стоимостные характеристики соответствующих видов минерального сырья и делает их менее доступными. Связанный с этим рост экономического и экологического истощения минерально-сырьевых ресурсов следует оценивать позитивно, т.к. оно должно будет способствовать их экономии, а, следовательно, рациональному природо- и недропользованию.
Проблема техногенного воздействия на экогеологическое пространство, в процессе освоения месторождений полезных ископаемых, неразрывно связана с вопросами их рационального извлечения из земных недр, промышленной переработки и концентрирования в твердой, растворимой и газообразной формах. Обычно эта проблема выражается в крупномасштабном воздействии на массивы горных пород в условиях длительной эксплуатации карьеров, шахт, скважин и др., что определяет развитие целого комплекса экогеологических процессов, проявляющихся при интенсивной эксплуатации сооружений горнодобывающей промышленности [8]. Так, в процессе работы шахт при изменении значений механических напряжений в горных породах могут создаваться условия, способствующие усилению миграционной способности флюидов и газов, а также их более активному физико-химическому взаимодействию с вмещающими отложениями. Это предопределяет возможность возникновения внезапных выбросов газов вместе с горными породами, неожиданных поднятий пород в глубоких шахтах и т.д. Добыча полезных ископаемых в крупных карьерах приводит к возникновению и активизации оползневых, обвально-осыпных и селевых явлений и т.д. Недоучет роли гидрогеологических процессов при отработке карьеров может привести к деформации их бортов, откосов отвалов, слабопроницаемых грунтов, экранирующих хвостохранилища и т.д. Так, конвективно-диффузионная миграция агрессивных промышленных жидких отходов, а также развивающиеся осмотические процессы, приводящие к объемному сжатию грунтов в подстилающих отстойники водоупорных грунтах, способствуют нарушению их механических свойств и, как следствие, образованию трещин. В процессе глубокого водопонижения при отработке месторождений подземным способом могут происходить деформации подработанных массивов горных пород, повышение агрессивности рудничных вод, развитие карстовых процессов, истощение подземных водоносных горизонтов на огромных площадях и т.д.
Непосредственная же отработка месторождений связана с извлечением на поверхность земли больших масс горных пород, которые, помимо отчуждения значительных территорий, загрязняют вредными компонентами окружающую среду и создают региональные экологические проблемы. В процессе своей производственной деятельности горнодобывающие предприятия поставляют широкий комплекс токсичных веществ, содержащихся как в самих полезных ископаемых, так и во вмещающих их горных породах. Степень токсичности того или иного вещества во многом зависит от формы его нахождения в минералах, горных породах и рудах, а также в воде. При этом миграционная способность таких компонентов могут быть различной в зависимости от степени разрушения и преобразования горных пород в процессе их добычи, обогащения и переработки, что определяет их способность к формированию различных природно-техногенных геохимических аномалий в пределах территорий, занимаемых горнодобывающими предприятиями. Аномальные природно-техногенные геохимические поля, часто представляющие экогеологическую опасность, могут проявляться как на стадии поиска и разведки месторождений полезных ископаемых, так и на этапе их освоения. Однако, если на первых двух этапах техногенное влияние этих аномалий на окружающую среду минимально, то на этапе отработки месторождений, в процессе извлечения на поверхность горной породы, происходит вместе с отчуждением значительных площадей серьезное загрязнение природы и, как следствие, возможно опасное воздействие на биоту и человека. Среди наиболее вредных химических компонентов, определяющих техногенные геохимические аномалии, выделяются: мышьяк, хром, кадмий, ртуть, свинец, кобальт, никель, селен, медь, молибден и др. Кроме того, на месторождениях апатита, редких земель, асбеста, полиметаллов, ртути, никеля, флюорита и др. нередко отмечаются случаи поражения людей токсичными органическими соединениями, которые часто представлены предельными и непредельными ароматическими углеводородами и аминами, присутствующими в породах в виде газовых, газово-жидких и многофазных включений.
Промышленные отходы, образующиеся при отработке месторождений, представляют собой серьезный источник экологической напряженности, т.к. в процессе складирования вокруг горнодобывающих предприятий эти отходы подвергаются воздействию атмосферных осадков, что способствует распространению содержащихся в них токсичных компонентов в почвы, грунты, поверхностные и подземные воды. В связи с этим интенсивное увеличение объемов отходов определяет накопление в природной среде опасных веществ. При этом миграционная способность практически всех токсичных компонентов может сохраняться даже после отработки месторождения и проведения рекультивационных работ. Интенсивность распространения загрязнения в значительной степени определяется показателями и параметрами, отражающих свойства горных пород и условия миграции составляющих их компонентов, т.е. коэффициентами фильтрации, молекулярной диффузии, дисперсии, влагопереноса, значениями pH и Eh техногенных потоков и поровых растворов, окислительно-восстановительным потенциалом почв и грунтов и др. Проблемы сокращения объемов промышленных отходов связаны с возможностями их комплексного практического использования, что требует разработки и применения методов снижения химической активности содержащихся в них вредных компонентов и последующего использования в различных видах хозяйственной деятельности. Кроме того, в качестве природоохранных мероприятий по борьбе с особо опасными и, в частности, радиоактивными промышленными отходами иногда применяется захоронение таких отходов в недра Земли, что, естественно, сопряжено со значительным риском загрязнения экогеологического пространства и может быть осуществлено только после их чрезвычайно тщательного природоохранного экспертного анализа.
Определенный интерес в процессе разработки стратегии реабилитации загрязненных территорий может представлять принцип гибкого управления особенностями восстановления природной среды и контроля за ней в условиях, когда экологически нормальное состояние обеспечивается не для всей реабилитируемой территории, а для конкретных специально защищаемых объектов при соответствующих природоохранных ограничениях на соседних участках. При этом риск от техногенного воздействия сокращается до приемлемого уровня. Такой подход может оказаться эффективным на первых этапах решения природоохранных проблем в сильно загрязненных горнодобывающих и промышленных регионах, состояние которых создает серьезную экологическую угрозу.
К важным направлениям исследований экологической геологии также относятся проблемы устойчивости урбанизированных территорий и связанных с ними экосистем. Процесс урбанизации природной среды сопровождается усилением техногенного воздействия на все их компоненты, включающих биогеоценозы, воздушное, наземное и подземное пространство, промышленные объекты, а также социальную среду. Развитие городских агломераций, связанное с обеспечением производства техногенных ресурсов и, соответственно, с образованием значительного количества промышленных и бытовых отходов, требует постоянного привлечения из внешней природной среды ресурсов и энергии. По мере развития социальной среды предельных значений достигают уровни техногенного воздействия на все природные компоненты городских экосистем, что способствует потере системой своей устойчивости. Ослабление природных и усиление техногенных составляющих городских экосистем выражается в деградации естественных биогеоценозов, загрязнении природных вод, почвенного покрова, воздуха, а также в нарушении устойчивости экогеологического пространства. Сюда следует отнести процессы опускания земной поверхности в пределах территорий ряда городов при извлечении из недр подземных вод, нефти и газа. С другой стороны, рост крупных городов несет за собой проблему активизации процесса подтопления урбанизированных территорий. В этих условиях ускоренному разрушению подвергаются металлоконструкции, подземные коммуникации, фундаменты жилых и промышленных сооружений и других техногенных объектов. Интенсивная хозяйственная деятельность в пределах городских и промышленных агломераций вызывает появление таких техногенных физических полей как вибрационное, тепловое и блуждающих электрических токов. Так, вибрация выступает как один из компонентов физического загрязнения экогеологического пространства городов, при этом основными виброгенерирующими объектами здесь могут являться автомагистрали, трамвайные и железнодорожные пути, метрополитен и др. Механические вибрационные колебания грунтовой массы, вызываемые интенсивно двигающимся транспортом, вблизи железнодорожных путей соизмеримы с землетрясением силой в 6-7 баллов, а на перекрестках автомагистралей - с землетрясением в 3-4 балла. Это способствует возникновению дополнительных осадок зданий, достигающих десятков, а в зонах воздействия метрополитена даже сотен миллиметров, что, соответственно, резко снижает их прочностные характеристики и временной период безопасной эксплуатации. Тепловое поле и блуждающие электрические токи непосредственно определяют коррозионную активность горных пород по отношению к инженерным сооружениям, что также способствует резкому снижению прочностных свойств последних. Так, установлено, что тепловое воздействие распространяется на расстояние 5-20 м от городских тепловых магистралей, до 30 м от полигонов твердых бытовых отходов и до 1000 м от объектов АЭС, а электрохимическое воздействие полей блуждающих токов распространяется на расстояние до 50 м от коллекторов городского электроснабжения и до 5000 м от электрифицированных железных дорог.
Огромная экологическая проблема в городах связана с утилизацией промышленных и бытовых отходов, которые занимают большие территории, загрязняют практически все компоненты окружающей среды и приводят эти территории на грань экологических катастроф. Кроме того, в пределах городских территорий в карьерах, оврагах и других понижениях рельефа местности сосредоточено значительное количество заброшенных свалок, которые в свое время были засыпаны, заросли и, в конечном счете, были утеряны. Однако такие свалки, даже рекультивированные, остаются источниками токсичных и взрывоопасных загрязнений. Выбор же новых мест под полигоны промышленных и бытовых отходов, и прогнозная оценка их влияния на природную среду представляет сложную и многофакторную проблему и предполагает изучение и учет не только свойств экогеологического пространства и взаимодействующих с ним компонентов природной среды, но и их динамики в процессе воздействия интенсивной техногенной нагрузки. В этом случае число учитываемых параметров может превышать несколько десятков, включая геологические, гидрологические и гидрогеологические, климатические, теплофизические, физико-химические, биогеохимические, инженерно-геологические, санитарно-гигиенические и многие другие.
Необходимым условием обеспечения устойчивого развития экогеологического пространства является комплексная и всесторонняя оценка антропогенной деятельности, практическое осуществление которой невозможно без научно-обоснованной системы показателей, нормативов и стандартов. В настоящее время большая часть используемых стандартов имеет «антропоцентрическую», а не «биоцентрическую» направленность, т.е. они ориентированы преимущественно на обеспечение экологической безопасности человека и в меньшей степени регламентируют уровень допустимого воздействия на природные системы в целом. При этом наиболее распространенным подходом к оценке состояния природной среды является сбор и анализ информации о количественном содержании в ней различных загрязнителей, в том числе химических веществ, относящихся к разряду токсикантов. Оценка опасности ситуации в этом случае, как правило, ограничивается сравнением аналитически установленных уровней содержания химических веществ с утвержденными в нормативно-правовых документах предельно-допустимыми концентрациями (ПДК) или ориентировочно-безопасными уровнями воздействия (ОБУВ). Однако эти нормативы установлены только для ограниченного числа химических соединений техногенного (природного и искусственного) происхождения, в то время как количество новых токсикантов постоянно возрастает. Кроме того, остается полностью неизученной проблема интегрального воздействия смесей химических веществ на живые организмы. Так, воздействие на живые организмы смесей нескольких загрязнителей, например, ряда тяжелых металлов и органических веществ, может обладать свойством неаддитивности и носить мутагенный, канцерогенный и прочий характер. Отсюда установление с помощью химико-аналитических методов определенного количества токсикантов само по себе еще мало говорит о степени их негативного воздействия на живые организмы и человека, т.к. утверждённые нормативы, являясь ориентированными в большинстве случаев на организм высших позвоночных животных и человека, редко учитывают истинный уровень воздействия таких загрязнителей на природные составляющие биоты.
В системе изучения, прогнозирования и управления природно-техногенными процессами важное место принадлежит информационному обеспечению экогеологических проблем, а именноэкогеологическому мониторингу, который является составной частью геоэкологического мониторинга и под которым понимается наблюдение, оценка и прогноз происходящих изменений в экогеологическом пространстве и составляющих его компонентах, а также экологическое обоснование превентивных, восстановительных мероприятий и управляющих решений. В условиях усиливающихся изменений и загрязнения природной среды проблема контроля, охраны и рационального использования природных и, в частности, минеральных ресурсов приобретает особую остроту. Экогеологический мониторинг, будучи теснейшим образом, связанным с мониторингами других природных сред, условиями реализации обратной связи, как раз и осуществляет функции такого контроля, устанавливает изменения, происходящие в пределах экогеологического пространства с учетом влияния взаимодействующих с ним сред, воздействия природных и природно-техногенных процессов, а также соответствующих техногенных объектов. Исследование особенностей изменений и загрязнения экогеологического пространства должно осуществляться на межгосударственном, государственном, региональном и локальном уровнях. При этом, если первые три ориентируются на изучение процессов, формирующихся на значительных территориях, например, вследствие атмосферного переноса загрязнителей, то локальный отвечает за установление явлений, возникающих под воздействием конкретных источников экологической напряженности.
Методы исследования при мониторинге окружающей природной среды обладают рядом специфических особенностей, наиболее существенными из которых являются:
режимность – постоянное наблюдение за определенным сочетанием заранее установленного набора параметров. Заданное сочетание параметров обеспечивает сопоставимость данных мониторинга;
регулярность– периодическая повторяемость наблюдений. Интервал и длительность наблюдений должны обеспечивать достоверность выявляемых тенденций изменения исследуемого процесса или явления;
регламентация – строгое соблюдение регламента, т. е. совокупности правил, норм, способов и средств получения измерительной информации. Соблюдение регламента в соответствии с нормативными документами призвано обеспечить надежность прогноза опасных тенденций и эволюции геологического пространства.
В свою очередь, для обеспечения достоверной измерительной информации результатов мониторинга все используемые средства измерений должны быть метрологически обеспечены и поверены, а методы измерений – аттестованы природоохранными органами.
В общем виде система мониторинга окружающей природной среды имеет сложное строение как по структуре, так и по содержанию и используемым методам. Организационная структура мониторинга, в том числе и эколого-геологического, представляет собой иерархическую систему, основу которой составляет уровень детального мониторинга (система мониторинга предприятий, месторождений, хозяйственных комплексов и т. д.). Объединение этих систем образует систему мониторинга локального уровня (городские, районные системы). Детальный и локальный мониторинг геологической среды призваны обеспечить оценку изменений среды, под влиянием действующих или проектируемых объектов на территории города или участка в зоне его ожидаемого воздействия. Организация детального и локального мониторингов находится в компетенции местных органов власти. Локальные системы объединяются в системы регионального мониторинга окружающей природной среды и охватывают территории в пределах края, области или нескольких областей. Задача регионального мониторинга – оценка изменений геологической среды на территории крупных административных единиц (республика, край) или территориально-производственных комплексов. Его осуществляют территориальные органы государственного подчинения. Системы регионального мониторинга в пределах государства объединяются в национальную сеть, образуя национальный (государственный) уровень мониторинга, который возложен на Федеральную службу России по мониторингу окружающей природной среды, контролируя соблюдение законодательных норм в области экологии.
В качестве системы информационного обеспечения управления эколого-геологическими процессами выступает мониторинг окружающей среды и как его подсистема – экогеологический мониторинг, под которым понимается наблюдение, оценка и прогноз происходящих изменений в экогеологическом пространстве и составляющих его компонентах, а также экологическое обоснование превентивных, восстановительных мероприятий и управляющих решений в процессе рационального природо- и недропользования. В условиях усиливающихся изменений и загрязнения природной среды проблема контроля, охраны и рационального использования природных и, в частности, минеральных ресурсов приобретает особую значимость.
Экогеологический мониторинг предполагает для изучения параметров, характеризующих состояние той или иной среды, живой природы или здоровья населения, использование комплекса различных методов, которые подразделяют на физические, химические, биологические, санитарно-гигиенические и т.д. Анализ методов и средств изучения состояния окружающей природной среды дает все основания для заключения о том, что наиболее оперативный и действенный экогеологический мониторинг можно организовать на основе изучения параметров геохимических и геофизических полей с привлечением физико-химических и биологических методов. Современные геофизические и геохимические методы легко поддаются стандартизации и автоматизации. Они в состоянии уловить любые тенденции изменения параметров литосферы, атмосферы, гидросферы. При этом физико-химические методы в состоянии оценить тенденции изменения в исследуемой среде за сравнительно короткие промежутки времени, а методы биоиндикации и битестирования позволяют выявлять разновременные накопления изменений в окружающей природной среде на фоне сезонных колебаний. Очевидно, что при постановке экогеологического мониторинга, следует обратить внимание на выбор параметров для измерений, оптимальное размещение пунктов наблюдений (комплексных наблюдательных станций), выбор шага временной дискретизации измерений наблюдаемых измерений эколого-геологических параметров, выбор методов и средств измерений и интерпретацию результатов. Понятно, что экогеологический мониторинг должен дополнять санитарно-гигиенический контроль, контроль над состоянием растительного и животного мира и т.д.
В условиях, когда техногенный прессинг на природную среду приобретает глобальный характер, представляется актуальной оценка состояния компонентов экосистем на основе проведения комплексных экогеологических исследований, ориентированных на естественнонаучное обоснование интегральных предельно-допустимых техногенных нагрузок на конкретные регионы и территории. В результате должна быть разработана и предложена система норм и правил, способствующих установлению границ устойчивости экосистем геологического пространства в пространственно-временных координатах, учету особенностей структуры организации, а также выявлению механизмов их функционирования и способности к самовосстановлению и саморегуляции. К системе таких показателей следует отнести стандарты качества среды, учитывающие остаточную и предельно-экологическую емкость соответствующих территорий, индексы допустимого совокупного загрязнения, регламенты условий и требований при вовлечении территорий для промышленного или иного использования, а также принципы оптимальной структуры недропользования. Отсюда определение надежности, буферности и инерционности природной среды представляется одной из центральных задач геоэкологии и экологической геологии, в частности, успешное решение которой позволит не только осуществлять естественнонаучное обоснование нормативов внешних нагрузок, но и разрабатывать принципы рационального природо- и недропользования. В качестве предельного значения внешнего воздействия, после которого экосистема перестает развиваться без необратимых последствий, может быть использован ресурс, определяющий способность данной системы к самовосстановлению и саморегуляции, т.е. ее ассимиляционный потенциал. Оценка данного потенциала может быть принята в качестве норматива антропогенной нагрузки, ресурсная ограниченность которого предопределит необходимость его рационального использования на основе экономической оценки целесообразности эксплуатации природных и, в частности, минерально-сырьевых ресурсов, а также с учетом неуклонно возрастающей роли социальных и природоохранных ограничений.