Еколого-геофізичне районування
Еколого-геофізичне районування територій здійснюється з метою одержання уяви про просторовий розвиток несприятливих природних і техногенних геологічних процесів, а також для оцінки їх впливу на стан літосферного простору екосистеми, біоту і людину. Вивчення цих процесів, як правило, сполучено з необхідністю одержання незалежних даних про геологічні, інженерно-геологічні і гідрогеологічні будови дослідної території, у тому числі про мінливість палеорельєфу, фаціального складу верхньої частини розрізу і фільтраційних властивостей порід, про наявність розривних порушень і ослаблених зон і ін. Усі зазначені фактори в сукупності визначають стійкість літосферного простору і щодо різних видів впливу різнорідних природних і техногенних факторів (напружений стан масивів порід, динаміка підземних вод, приливні деформації літосфери вплив віддалених вогнищ землетрусів, локальних вібраційних, гравітаційних, електромагнітних і термічних полів) на стан екосистем і біоти.
При виконанні еколого-геофізичного районування, як правило, визначається оптимальна сукупність еколого-геологічних задач, найважливішими з який є:
— районування території за типами геологічного розрізу, особливостям палеорельєфу, гідрогеологічним і сейсмотектонічним умовам;
— районування території за ступенем захищеності літосфери від техногенного впливу, у тому числі виявлення ослаблених, розущільнених, проникних ділянок, гідрогеологічних "вікон", активних динамічних зон;
— виявлення і прогнозування загальних закономірностей поширення по площі й інтенсивності протікання екзогенних природних і техногенних фізико-геологічних процесів;
— виділення вогнищ забруднення геологічного середовища і прогнозування розвитку несприятливих техногенних процесів.
Еколого-геофізичне районування зводиться до моделювання дослідної території (регіону, локального об'єкта), тобто до представлення складної природно-техногенної системи (ПТС) простими геолого-геофізичними об'єктами. Як основні компоненти ПТС виступають верхня частина літосфери, що змінюється під впливом техногенного впливу, й агенти техногенного впливу (фізичні поля). ПТС має складну ієрархічну структуру, що визначає особливості взаємозв'язків окремих її компонентів.
Найбільш загальну модель (М) будь-якої урбанізованої території, у межах якої верхня частина літосфери піддається тривалому техногенному навантаженню, можна представити у вигляді трикомпонентної моделі:
М= M1 +M2+M3(t).
Перший компонент (М1) відображає сукупність природних умов, що визначають особливості будови літосферного простору без обліку техногенного навантаження; другий (M2) — стійкі регіональні зміни літосфери, які відбулися в результаті тривалого техногенного впливу. Нарешті, компонент M3(t) описує локальні зміни геологічного середовища, що відбуваються під дією змінного техногенного навантаження (вплив споруджень, експлуатаційних підприємств, транспорту, різних видів забруднення). Перші дві складові можна вважати постійними, третю — змінною.
При виконанні еколого-геофізичного районування приведена аддитивна модель (М) дозволяє представити окремі елементи й особливості структури ПТС сукупністю геологічних і геофізичних полів і параметрів, які відображають реальні геоекологічні, гідрогеологічні, інженерно-геологічні умови дослідної території (регіону, локального об'єкта). Моделювання здійснюється шляхом послідовної побудови й аналізу дрібно-, середньо- і великомасштабних фізико-геоекологічних і фізико-геологічних моделей (ФГЕМ, ФГМ). Їхнє призначення складається в представленні геологічних об'єктів обмеженим числом інформативних геолого-геофізичних параметрів, що дозволяють створювати еталони для виділення однотипних еколого-геологічних ситуацій. Моделі можуть бути регіональними і детальними, площадними і лінійними. Їх можна представляти у вигляді таблиць, діаграм, розрізів і схем.
Моделі створюються за даними дистанційних, наземних і підземних (в основному свердловинних) спостережень. Використовуються матеріали, отримані в межах досліджуваної території при рішенні геоекологічних, інженерно-геологічних і гідрогеологічних завдань, пошуків родовищ корисних копалин і ін. Як правило, ці дані є різнометодними, різномасштабними і характеризуються різною точністю, тому їхній добір, систематизація і групування в залежності від масштабу і мети дослідження вимагають єдиного методологічного підходу. Особливо важливий у цьому відношенні облік так званого масштабного фактора, що визначає залежність величин вимірюваних геофізичних параметрів від розмірів застосовуваних установок чи частоти використовуваного фізичного поля. Не менш істотна дискретність вимірів (крок спостережень) у просторі, що визначає детальність вивчення об'єкта. При необхідності співставлення даних, отриманих на сусідніх ділянках різними методами, у різних масштабах і з різною точністю, потрібно спеціальна статистична обробка. Найбільш перспективним у цьому відношенні представляється використання згадуваних методів інтегрованого системного аналізу. Послідовність його застосування дається в табл. 5.1.
При ієрархічному представленні ПТС на рівнях космос-повітря-земля-свердловина досягається свій ступінь генералізації (узагальнення) природних і техногенно змінених літосферних об'єктів, що розрізняються за геометричними параметрами і особливостями відображення їх у фізичних полях і еколого-геологічних параметрах. Так, на рівні космічних досліджень вивчаються особливості регіональної геологічної і тектонічної будови території, виділяються великі морфоструктури й елементи розломно-блокової тектоніки в масштабах 1:500000—1:200000 (моделі М1, М2). На рівні аерогеофізичних досліджень відповідно до умов зйомки при масштабах 1:50000—1:25000 виявляються морфоструктури і розломи другого порядку, оцінюється літологічна однорідність порід, характеризуються гідрогеологічні особливості території (моделі М1, М2). На рівні наземних геолого-геофізичних досліджень у масштабах від 1:25000 до 1:5000 здійснюється підтвердження й еколого-геологічне тлумачення даних дистанційних досліджень, а також одержання нової інформації про дослідні еколого-геологічні об'єкти. Аналіз наземної геолого-геофізичної інформації є основою для побудови ФГМ і ФГЕМ, що відображають деталі геологічної і гідрогеологічної будови дослідної території, розвиток фізико-геологічних процесів, екологічно небезпечного техногенного забруднення літосферного простору (моделі М2 і М3 (t)). На рівні свердловинних досліджень геолого-геофізична інформація дає інформацію про просторову структуру масивів гірських порід (літосферного простору), склад і фізичні властивості порід і підземних вод. На основі цих даних встановлюються кореляційні залежності між геофізичними, геологічними, екологічними параметрами,
Таблиця 61
Послідовність системного аналізу геолого-геофізичної інформації на рівнях космос-повітря-земля-свердловина
(Московський регіон) (Кузнєцов і ін., 1995)
| Ієрархічні рівні (моделі) | Геологічні об'єкти | Масштаб досліджень | Вихідна інформація | Ціль аналізу геолого-геофізичної інформації | ФГМ |
| Геосистема (М, М1) | Територія досліджуваного регіону | 1:1500000-1:500000 | Космогеологічна дистанційна | Одержання оглядових космогеологічних схем | — |
| Компоненти (М, М1) | Області підняття і занурення покрівлі карбонатних порід | 1:500000-1:200000 | Космічна й аеровисотна дистанційна, регіональна, інженерно-геологічна, гідрогеологічна, геофізична | Геолого-тектонічне і гідрогеологічне районування | Регіональні |
| Підсистеми (М1, М2) | Древні долини, вододільні простори, ділянки льодовикового виорювання і т.д. | 1:50000 | Аеровисотна дистанційна, середньомасштабна наземна геолого-геофізична | Геолого-тектонічне і гідрогеологічне районування | Середньо-масштабні |
| Елементи (М2, М3(t)) | Фрагменти древніх долин днища, схили, вододіли і їхні сполучення, різні по потужності відкладення, перекриття | 1 25 000-1:5000 | Великомасштабна наземна, аквальна і свердловинна геолого-геофізична | Вивчення і прогнозування інженерно-геологічних процесів; характеристика техногенної зміненої обстановки, оцінка властивостей і станів геологічного середовища | Детальні |
оцінюються локальні особливості техногенного впливу на екосистеми (модель М3 (t)).
Таким чином, багаторівневі дослідження дають можливість направлено виявити і описувати різноманітні зв'язки між елементами геосистеми різних ієрархічних рангів, що визначають особливості просторової будови, властивостей і стану літосфери в різних масштабах, а також роздільно оцінити і природну і техногенну складові геосистеми.
Як приклад еколого-геофізичного районування урбанізованої території можна привести дослідження одного з регіонів, виконані в трьох масштабах: дрібному, середньому і великому (табл. 5.1).
При дрібномасштабних дослідженнях геосистема вивчалася на вищому ієрархічному рівні — рівні компонентів (найбільш великих елементів геосистеми). Об'єктами вивчення були великі структурні одиниці — регіональні розломи, області підняття і занурення покрівлі карбонатних порід, регіональні водоупори. Середньомасштабні дослідження визначалися на рівні підсистем. Як об'єкти цих досліджень виступали ділянки древніх долин, вододільних просторів, сліди льодовикового виорювання й інші особливості похованого рельєфу. Нарешті, у великому масштабі вивчалися елементи геосистеми: фрагменти древніх долин, їхнього сполучення в просторі, деталі геолого-гідрогеологічної будови над карбонатної і карбонатної товщ, потужність кори вивітрювання, ділянки карстово-суфозійних (зв'язаних з вимивом заповнювача з карстових порожнин) провалів.
При дрібномасштабному районуванні території як вихідну інформацію використовували дані дешифрування дистанційних спектрозональних зйомок у масштабах 1:2500000 і 1:1000000, гравітаційні зйомки в масштабі 1:1000000, а також геологічні, гідрогеологічні й інженерно-геологічні карти масштабу 1:200000. Здійснювався послідовний аналіз виявлення об'єктів, виділених за даними дешифрування аерокосмічної інформації в геолого-геофізичних матеріалах, що характеризують різні глибини дослідження. Оскільки площинна дозволяюча здатність дистанційних методів значно вища, ніж у геолого-геофізичних зйомок того ж масштабу, здійснювалася попередня фільтрація вихідних даних з виділенням регіональних і локальних складових. У результаті багаторівневого аналізу різноглибинної геолого-геофізичної інформації були побудовані дрібномасштабні ФГМ, параметри яких відображали особливості природної інженерно-геологічної і гідрогеологічної обстановки дослідної території (модель М1). Зокрема, були виділені великі тектонічні структури і приурочені до них області підняттів і занурення покрівлі карбонатних порід; простежені області різкої зміни потужності юрських глин — основного регіонального водоупора, що забезпечує захищеність підземних вод від забруднення; визначені зони розвитку древніх долин і приурочених до них локальних геофізичних аномалій, що представляють потенційну небезпеку для розвитку екзогенних геологічних процесів.
При середньомасштабному районуванні використовувалися дані наземних геофізичних спостережень у масштабі 1:50000 (переважно електророзвідки і сейсморозвідки) і дані буріння. В якості додаткової інформації залучалися результати дешифрування дистанційних методів (фото-, тепло- і багатозональні зйомки). Комплексний аналіз геолого-геофізичної інформації здійснювався шляхом послідовного співставлення даних зверху вниз — від дешифровочних ознак до особливостей рельєфу і до маркіруючи геологічних горизонтів, що залягають на різних глибинах. Побудова середньомасштабних ФГМ (моделі М2) здійснювалася на основі геолого-геофізичних ознак, що відображають історію розвитку й успадкування рельєфу. При цьому були виділені типи моделей, що відповідають основним елементам сучасного і древнього рельєфу, тектонічним особливостям території (рис. 6.1).
Рис. 5.1. Фізико-геологічні моделі, використовувані при середньомасштабному еколого-геофізичному районуванні території:
I — доюрські долини; ІІ — плейстоценові долини; ІІІ — ділянки льодовикового виорювання; IV — ділянки малоамплітудних тектонічних порушень;
V — ділянки негативних морфоструктур; VI — ділянки позитивних морфоструктур;
1 — суглинки з гравієм і піском; 2 — глини з прошарками піску;
3 — пісковики з валунами; 4 — глини;5 — вапняки; 6 — зруйновані вапняки;
7 — місце розташування лінеаментів; 8 — значення питомих електричних опорів в Ом×м
Великомасштабне (1:10000) еколого-геофізичне районування виконувалося в межах міської території. Воно мало на меті виявлення особливостей природної і техногенно-зміненої геологічної обстановки і несприятливих факторів, що впливають на розвиток карстово-суфозійних процесів. Основні закономірності розвитку цих процесів на території досліджень зводяться до наступного:
— карстово-суфозійні процеси приурочені до ділянок перетинання древніх похованих долин доюрського і дольодовикового розмивів;
— на ділянках прояву карстово-суфозійних процесів спостерігається максимальна закарстованість кам'яновугільних карбонатних порід;
— безпосередньо впливає на карстово-суфозійні процеси наявність чи відсутність поділяючих водоупоров між водоносними горизонтами, закарстованість товщ і пухких перекриваючих відкладів, а також потужність водоупорів.
При виконанні районування використовувалися результати буріння, дані комплексу геофізичних досліджень свердловин (ГДС) (переважно параметри позірного опору (ПО) і гамма-каротажу (ГК)), а також (частково) результати комплексної переінтерпретації даних наземної й аквальної електророзвідки. Вибір параметрів великомасштабних ФГМ (моделі М2 і М3(t)) здійснювався на основі багатомірного статистичного аналізу таких геолого-геофізичних даних (числових ознак), як інтенсивність вертикальної фільтрації, коефіцієнт зруйнованості верхньої частини карбонатного масиву, потужність юрських глин, абсолютні оцінки покрівлі карбону, ефективна повздовжня провідність Seф, ефективний поперечний опір Тeф, коефіцієнт глинястості Кг надкарбонатної товщі.
Районування здійснювалося шляхом аналізу, групування і класифікації ознак на основі просторового збігу з апріорними даними, у якості яких використовувалися схеми дешифрування топографічних карт і матеріали дистанційних зйомок. У результаті обчислень були отримані так звані кластерні карти (карти груп ознак), що дозволили виявити особливості просторового поширення еколого-геологічних факторів, що визначають виникнення й інтенсифікацію карстово-суфозійних процесів.