Перечень ссылок - ИППЭ НАН Украины
advertisement
ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2003, Випуск 6 ЧАСТИНА 4. МОНІТОРИНГ ДОВКІЛЛЯ ТА ЕКОЛОГІЧНА БЕЗПЕКА УДК 550.83:504 ФИЗИКО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБЪЕКТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ ГЕОФИЗИКИ О.К. Тяпкин ТЕХНОГЕННО-ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ Институт проблем природопользования и экологии НАН Украины, Днепропетровск У процесі вирішення проблем екологічної безпеки вже на стадії дрібномасштабних геолого-геофізичних досліджень з'являється необхідність урахування техногенних факторів. Кількість інформації про вплив цих факторів зростає в міру збільшення масштабу досліджень і відповідних геолого-геофізичних моделей. Ці моделі можуть бути використані й у геологорозвідувальному процесі, і при вирішенні задач екологічної безпеки. В процессе решения проблем экологической безопасности уже на стадии мелкомасштабных геолого-геофизических исследований появляется необходимость учета техногенных факторов. Количество информации о влиянии этих факторов возрастает по мере увеличения масштаба исследований и соответствующих геолого-геофизических моделей. Эти модели могут быть использованы и в геологоразведочном процессе, и при решении задач экологической безопасности. Введение Традиционные физико-геологические модели (ФГМ) ориентированы на решение задач поисков и разведки месторождений полезных ископаемых и, как правило, отражают только природную составляющую геологической и геофизической сред. В свете проблем экологической безопасности уже на стадии мелкомасштабных исследований (масштаб 1:500000 и мельче) появляется необходимость учета техногенных факторов (например, расположение потенциально опасных техногенных объектов в сейсмоактивных районах [4]). Очевидно, что количество информации о конкретном влиянии этих факторов возрастает по мере увеличения масштаба исследований и соответствующих геолого-геофизических моделей. При этом можно условно выделить 3 этапа [18]. На I этапе (стадии мелко- и среднемасштабных геолого-геофизических исследований) для решения конкретных проблем экологической безопасности достаточно дополнить существующие и вновь разрабатываемые «геологоразведочные» ФГМ минимальным количеством (вплоть до общетеоретических положений) информации только об опасных природных и техногенных объектах и процессах. © Тяпкин О.К., На II этапе (стадия крупномасштабных геолого-геофизических исследований) необходима разработка моделей объектов исследований, которые, с одной стороны, полностью применимы для решения задач указанной стадии геологоразведочного процесса, а с другой стороны, включают «избыточную» геологическую информацию (преимущественно о верхней части геологического разреза, приповерхностных и поверхностных условиях, а также их связей с особенностями глубинного строения земных недр), в совокупности с информацией о соответствующих по масштабу техногенных объектах и процессах. На этих двух этапах в разрабатываемых моделях доля геологической информации значительно превосходит долю информации о техногенных объектах и процессах. Эти модели могут быть использованы и в геологоразведочном процессе, и при решении природопользовательских задач экологической безопасности [21]. И только на III этапе (стадия детальных геологогеофизических исследований) в разрабатываемых моделях доля информации о техногенных объектах и процессах становится соизмеримой с долей природной (геологической) информации, а в конкретных ситуациях последняя может быть сведена до минимума. В данной статье будут освещены все три указанные этапа: первый – на примере изучения и оценки сейсмической опасности юга Украины, второй – 2003 148 ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2003, Випуск 6 на примере процесса выработки, проверки и оценки эффективности геофизических перспектив, а третий – на примере оценки геоло- го-экологических последствий горнодобывающей и других видов деятельности человека. Мелко- и среднемасштабное глубинное физико-геологическое моделирование при изучении сейсмической опасности районов атомных электростанций юга Украины Оценке сейсмичности ВосточноЕвропейской платформы в последнее время уделяется все большее внимание. Известно, что за последние 200 лет в пределах этой платформы произошло более 120 землетрясений: от довольно сильных, параметры которых определены по макросейсмическим данным, до сравнительно слабых, зарегистрированных в последние десятилетия сейсмическими станциями Украины, Молдовы и России. Однако регионы повышенной сейсмической опасности Украины в настоящее время характеризуются слабой сейсмической изученностью, которая обусловлена не отсутствием сейсмичности, а тем, что существующая здесь сеть сейсмических станций не рассчитана на изучение слабых (M4,0) землетрясений. Отчасти восполнить дефицит сейсмологической информации позволяет использование комплекса геологогеофизической информации на основе построения глубинных объемных моделей земных недр. В свете указанного, потенциально тектонически активными зонами (в которых могут происходить различные подвижки) являются области сочленения крупных структур и блоков, контрастных по физико-геологическим параметрам. К потенциально тектонически активным зонам можно отнести области сочленения Украинского щита (УЩ) с Днепрово-Донецкой впадиной (ДДВ) и Причерноморской впадиной, а в пределах УЩ характерно то, что землетрясения (гипоцентры которых здесь характеризуются в основном глубинами 5-10 км) приурочены к ОреховоПавлоградскому, Мало-Янисольскому и другим разломам, разделяющим блоки (структуры) с различными литолого-стратиграфическими комплексами пород [4]. Иерархическое петроплотностное моделирование. Одним из наиболее распространенных геофизических методов для изучения геологического строения исследуемых площадей является гравиразведка. При этом эффективность и достоверность глубинных построений в значительной мере зависит от оптимальности и объективности построения объемных петроплотностных моделей [2]. Несмотря на достигнутые результаты в области интерпретации гравитационных данных [2], отдельные вопросы требуют дальнейшего развития для получения оптимальных решений. Применительно к решению проблем экологической безопасности в центре внимания находятся проблемы аппроксимации геологического разреза от поверхности раздела «земля-воздух» до максимальных глубин современного изучения, а также их оптимальность и экономичность использования конкретных алгоритмов решения прямых и обратных задач гравиразведки в условиях техногенно нагруженных регионов Украины. Рассмотрим пути решения этих проблем на примере создания системы плотностных моделей юго-восточной части УЩ в масштабах от 1:500000 до 1:50000, то есть – на нескольких иерархических уровнях: региональном, среднемасштабном и крупномасштабном [3]. Рассмотрим два первых уровня. 1. Региональная плотностная модель масштаба 1:500000 юго-восточной части УЩ совместно с окружающими ее структурами: с одной стороны, полностью отвечает стадии геофизических исследований, на которой решаются задачи изучения глубинного строения региона, мощности земной коры, морфологии основных плотностных границ в земной коре, выделения и оконтуривания в ней крупных блоков; с другой же стороны, она является базой изучения опасных региональных природных и техногенных процессов. Основой построения этой модели являются результаты глубинных сейсмических зондирований и региональных исследований методом общей глубинной точки (ОГТ), данные исследований магнитотеллурического зондирования (МТЗ), гравитационное и магнитное поля в масштабах 1:500000. Полнота освещения с помощью геофизической информации глубинного строения земной коры обеспечивается поэтапным усложнением моделей. Вначале считается, что достоверно известно только две структурные поверхности: z'=hф(х',у') и z'=hм(x',y') – соответственно, кристаллического фундамента и Мохоровичича (М), а построение модели сводится к подбору плотности осадочного слоя ос, земной коры к и мантии м при двух указанных фиксированных структурных границах. Величины 149 ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2003, Випуск 6 ос, к и м определяются из условия минимума следующего функционала || g(x,y) – gвыч (ос,к,м,hф,hм,x,y) || = = min, (1) при ограничениях нижнего и верхнего пределов изменения плотности В свете выявленных нами экотектонических закономерностей [21] представляют интерес результаты изучения глубинного геологического строения Среднеприднепровского геоблока УЩ. Здесь параллельно с проведением рассматриваемого среднемасштабного плотностного моделирования выполнено двухмерное математическое моделирование кривых МТЗ вдоль сейсмических профилей, что дало возможность установить в ряде случаев корреляцию между зонами электропроводности низов коры и верхней мантии и глубиной залегания поверхности М. Анализ поведения этой поверхности под основными геологическими структурами дал возможность установить взаимосвязь этой поверхности со структурами докембрийского фундамента и осадочного чехла. Привлечение данных о глубинном строении земной коры подтверждает и дополняет результаты первоначального построения экотектонической основы на базе технологии восстановления систем разломов земной коры по комплексу геологогеофизических данных. Первоначально хорошо проницаемая зона (пересечение большого количества разломов) в районе Верховцевской зеленокаменной структуры уже на ранних стадиях своего развития была интенсивно «залечена» интрузивными новообразованиями, которые «стабилизировали» этот узел разломов, создав «демпфирующую пробку-подушку» в интервале глубин 5-10 км, и тем самым уменьшили аномальность – подверженность участка проявлениям различных современных процессов в земных недрах [19]. Геолого–геофизическое изучение конкретных потенциально тектонически активных зон юга Украины (на примере Орехово–Павлоградского разлома). ОреховоПавлоградский разлом является шовной зоны между крупными геоблоками УШ: «легким и высокоомным» Среднеприднепровским и «тяжелым и низкоомным» Приазовским. Эта зона является сосредоточением процессов дробления и милонитизации слагающих их пород, в ней развиты исключительно напряженные складчатые деформации (наиболее четко проявлена изоклинальная складчатость с крутым падением осей на восток) и разнообразные проявления магматизма. Для зоны характерны протяженные субпараллельные разломы высоких порядков с преобладанием взбросов и нередко надвигов, которые ориентированы согласно ее простирания, а также многочисленные ортогональные или косоориентированные нарушения. В совокупности те и другие обу- ос.н<ос<ос.в; к.н<к<к.в; м.н<м<м.в (2) Полученные в результате решения параметры, служат «каркасной» основой модели. Они являются исходными при оценке методом подбора основных параметров функционала на втором этапе ||gn изм (x,y,z) – gn выч (j(x',y',z'),hj(x',y'),x,y,z)|| = min (3) j н j (x', y', z') j в и hj н hj (x', y') hj в 4) После того, как на начальной стадии первого этапа гравитационного моделирования найдено положение контактной поверхности z' = hj (x', y'), задано распределение скорости vj (x', y', z') и определена зависимость j (x', y', z') = j (vj(x', y', z'), методом подбора определяется распределение аномальной плотности j (x', y', z') в средней и нижней частях земной коры. 2. На этапе построения среднемасштабных плотностных моделей изучаются неоднородности верхнего этажа земной коры – практически до условной границы Конрада (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 [3]. Корректная постановка прямой задачи гравиразведки на этом этапе моделирования связана с получением решений (параметров тел) той детальности, которая обеспечивается информацией, заключенной в сейсмической и электрической моделях, гравитационном поле и фактических геологических данных изучаемой площади. После получения оптимального решения формируется конечное построение, переводящее параметрическую модель в геологические построения. А 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. 150 ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2003, Випуск 6 словливают блоковый характер внутренней структуры шовной зоны. В соответствии со структурно-физическими неоднородностями земной коры и верхов мантии, степенью отражения их в динамике неоген-четвертичных отложений, а также характеристиками конкретных землетрясений на территории юговостока УЩ можно предположить 3 типа сейсмогенных зон: с высокой сейсмичностью, к которой приурочены землетрясения с М=4-5 (зоны сочленения УЩ с ДДВ и Причерноморской впадиной), средней – М=3,5-4 (выступающие части щита в ДДВ и Причерноморскую впадину), и слабой, где максимально возможная магнитуда землетрясений оценивается М3,0-3,5 (рассматриваемый ОреховоПавлоградский и Мало-Янисольский разломы) [4]. В пределах регионов повышенной сейсмической опасности юга Украины находятся Южно-Украинская и Запорожская атомные электростанции, металлургические и химические комбинаты, водохранилища, шахты, крупные городские агломерации, которые развивались без учета возможной местной сейсмичности. Совместимость во времени макрои микросейсмических процессов с различными техногенными или природными явлениями могут стать спусковым механизмом как локальных, так и региональных катастроф. Например, известно [12], что за 16 секунд до первого взрыва 26.04.1986 г. на Чернобыльской АЭС произошло сейсмическое событие с М=1,4 и эпицентром вблизи станции (10 км). В результате вибрационно-незащищенная система IV блока АЭС во время технологического испытания подверглась сейсмическому воздействию, что с учетом резонансных эффектов способствовало невозможности ввода графитовых стержней-поглотителей в реактор, остановки процесса разгона реакции, а следовательно, предотвращения интенсивного выделения газов и их взрыва. Далее рассмотрим геолого-геофизическую оценку сейсмичности потенциально тектонически активных зон юга Украины, на примере района Южно-Украинской атомной электростанции (ЮУ АЭС), в свете его динамической связи с очаговой зоной землетрясений округа гор Вранча (Румыния). Геолого–тектоническая интерпретация результатов геофизического моделирования в районе ЮУ АЭС. Задачей региональных исследований (в радиусе 150 км) было изучение зон влияния крупных разломов мантийного заложения, определение их связи с очаговой зоной землетрясений (зоны «Вранча», Румыния) и поиск возможных местных очагов землетрясений. Основой этих исследований были профильные сейсморазведочные работы ОГТ (для уточнения местоположения разломных зон, изучения их строения, взаимосвязи глубинных и приповерхностных структур, определения положения региона ЮУ АЭС с позиций сейсмоопасности), электроразведочные работы МТЗ и становления поля в ближней зоне (для изучения глубинного геоэлектрического разреза, прослеживания разрывных нарушений, выяснения природы региональных аномалий электропроводимости), а также мелко- и среднемасштабное физико-геологическое моделирование гравитационного поля. Основной задачей последнего было определение плотностных неоднородностей, пространственно связанных с волноводами и аномалиями электропроводности (имеющими тектоническую природу), изучение структурнотектонических особенностей земной коры и верхней мантии для оценки сейсмичности региона. В основу ФГМ земной коры и верхней мантии района ЮУ АЭС положена модель Земли К.Е. Булена – Б. Гутенберга, в которой все аномалиеобразующие объекты расположены выше уровня 50 км. Результаты моделирования в дальнейшем были использованы как основа детальных сейсморазведочных, электроразведочных и гравиразведочных исследований (в радиусе 2-2,5 км), направленных на изучение геологического строения кристаллического фундамента и осадочных отложений, напряженно-деформированного состояния горных пород, тектонических особенностей промплощадки энергокомплекса [9]. Выявленные разломно-блоковые неоднородности глубинных частей земной коры и верхней мантии являются своеобразным отражением возникающих здесь напряжений (которые не могут быть объяснены исключительно древними геологическими процессами, не имеющими «отголосков» в новейшее и историческое время), что, в свою очередь, определяет повышение сейсмоопасности района. Основной интерес, при решении вопросов динамической связи исследуемой территории с гипоцентром зоны «Вранча», представляет активизация разломов по концентрически-радиальной сети, причем углы между направлениями радиальных разломов (сейсмоопасных направлений – радиусов) строго выдержаны и составляют 17о. Последнее согласуется с углами разворота друг относительно друга систем докем- 151 ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2003, Випуск 6 разломов с азимутами простирания 35 и 305о. Реализация в них напряжений при сдвиговой тектонике может привести к образованию местных очагов землетрясений с трудно предсказуемыми дислокациями, а соответственно, и к техногенным катастрофам. Поэтому они являются первоочередными объектами как регионального, так и локального геологогеофизического мониторинга с целью изучения и прогноза сейсмоопасности как в районе ЮУ АЭС, так и на всем юге Украины. брийских разломов [14]. Эти разломы – радиусы являются волноводами и усиливают сейсмоопасность по направлению их простирания. Особенно же опасны узлы их пересечения с ортогональными «кольцевыми» разломами. Комплексное использование геофизических данных позволяет получить независящую от геологических гипотез информацию об особенностях тектонического строения района ЮУ АЭС – потенциально сейсмоопасных тектонических узлах, контролируемых системой Крупномасштабное геофизическое моделирование в процессе выработки, проверки и оценки эффективности геофизических перспектив ных по минерально-сырьевому комплексу и геологоразведочным работам в обязательном порядке должна включать в себя экогеофизическую информацию. Основой ее является сведения о геологической эффективности геофизических работ, получаемые путем обобщения геофизических рекомендаций, с учетом постоянно пополняющихся геологических данных, и выявления перспективных геологогеофизических площадей (однородных по какому-либо геологическому или металлогеническому признаку площади, в пределах которых в результате крупномасштабных геофизических исследований выявлены перспективные геофизические участки или комплексные геофизические аномалии). С 1979 года для систематизации результатов крупномасштабных геофизических работ, учета перспективных участков, выявленных в ходе производства этих работ, и их геологической оценки введено понятие перспективных геофизических участков (ПГУ) – выявленные в результате крупномасштабных геофизических исследований аномалии или группы аномалий, отражающие влияние геологических объектов, предположительно связанных с тем или иным полезным ископаемым. Наибольший интерес представляют ПГУ-1 («участки, безусловно заслуживающие проведения горнобуровых работ по установлению наличия в их пределах ожидаемого полезного ископаемого или оценки масштабов установленного рудопроявления»). В качестве регионального примера рассмотрим территорию юго-востока УЩ. Здесь в 80-х – 90-х годах ХХ века выявлено 36 ПГУ-1 на твердые полезные ископаемые. Из них наибольшее количество приходится на цветные и редкие металлы (50 % общего количества), на черные металлы передано 25 % участков, остальные ПГУ-1 приходятся на графит, карбонатиты, кимберлиты Использование крупномасштабной геофизической информации для планирования развития минерально–сырьевой базы Украины. Современные приоритеты геологоразведочного производства заключены в совершенствовании методики геолого-экономического и экологического обоснования работ, особенно на первых, самых ответственных и одновременно наиболее сложных для принятия управленческих решений, стадиях геологоразведочного процесса. Естественным поэтому является и процесс перераспределения ассигнований по стадиям геологоразведочных работ: их все больше выделяется на первые стадии и все меньше на конечные. (По ряду полезных ископаемых на стадии поисковых работ расходуется до 70-85%.) Любые стратегические просчеты уже на начальных стадиях геологоразведочного процесса могут привести к значительным экономико-экологическим потерям. Так, в частности, должны быть предотвращены поиски и разведка месторождений конкретных полезных ископаемых, экологические последствия разработки которых нанесут больший ущерб окружающей среде, чем экономическая выгода от полученного сырья и продукции. При решении этой проблемы особую важность приобретает геофизическая информация, которая позволяет оперативно и относительно экономично получить предварительную информацию о перспективах конкретных полезных ископаемых не только на исследуемых участках, а и на значительных территориях регионов. В свете проблем экологической безопасности последнее позволяет быстро переориентировать геологоразведочные работы (при неблагоприятном «экологическом прогнозе» последствий разработки конкретных полезных ископаемых) на иные перспективные участки исследуемого региона. Для чего разветвленная сеть информационных баз дан- 152 ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2003, Випуск 6 и благородные металлы. Следует отметить, что как общее количество ПГУ-1 по отдельным годам, так и разбивка их по видам полезных ископаемых во многом зависят конъюнктурности определенного сырья в конкретный период времени. Это вызвано тем, что одним и тем же геофизическим аномалиям и аномальным зона в разные годы может быть дано различное геологическое истолкование. А некоторые аномалии, связанные с полезным ископаемым, не представляющим первостепенный интерес в конкретный момент времени, могут быть не оформлены как ПГУ и остаться только в виде рекомендаций в геофизических отчетах. Одновременно с ПГУ-1 начал вестись учет участков второй категории (ПГУ-2). Введение двух градаций перспективности геофизических участков подразумевало постепенный переход от интересных геофизических аномалий к ПГУ-2 и только затем оформление участка как ПГУ-1. К сожалению, в настоящее время на юго-востоке УЩ сложилось противоположное соотношение количеств этих участков. Наметилась явная тенденция к выделению сразу ПГУ-1, что часто является неоправданно поспешным как с экономической, так и с экологической точек зрения. В результате накапливается преимущественно участки под горно-буровые работы, значительно опережая рост фонда площадей, заслуживающих дальнейшего изучения более экономичными и экологичными геофизическими методами. Как при планировании геологогеофизических исследований, так и при решении проблем экологической безопасности необходимы анализ и характеристика современного состояния ПГУ-1, включающие рассмотрение следующих основных позиций: 1) выполнение рекомендаций по проверке и оценке, 2) оцененность ПРУ, 3) подтверждение прогнозировавшегося аномалиеобразувщего объекта, 4) поисковое значение результатов геологоразведочных работ. При этом необходимо перейти на качественно новый уровень выявления геофизических перспектив, от простого раздельного определения наличия геофизических аномалий, геологических объектов и рудной специализации к установлению и обоснованию взаимнооднозначного соответствия этих положений в рамках соответствующих ФГМ. Это было положено нами в основу при разработке «Требований к составлению и оформлению материалов по перспективным геофизическим участкам (ПГУ)», принятых к использованию в Центральной геофизической экспедиции (сей- час – ДГЭ «Днепрогеофизика» ГГП «Укргеофизика») начиная с 1990 года. Выполнение указанных требования в полной мере относится и к области проблем экологической безопасности, где использование материалов ПГУ может быть различным: от регионального их обобщения для определения направлений дальнейших геолого-геофизических исследовании до локального распространение положительных результатов их проверки и оценки на соседние сходные по геологогеофизическим данным площади. Созданные применительно к проблемам геологоразведочного процесса ФГМ объектов исследований являются основой при разработке рациональных комплексов геофизических методов на стадии общих поисков [15]. С одной стороны, указанные априорные ФГМ являются основой интерпретации и анализа результатов проверочно-оценочных работ в пределах выявленных ПГУ-1, а с другой стороны, эти результаты существенно дополняют первоначальную информацию и позволяют уточнить априорные ФГМ. А также в результате обобщения и анализа материалов ПГУ появилась дополнительная информация, позволившая оценить качество, а в отдельных случаях и скорректировать отдельные элементы разработанных ранее рациональных комплексов. Физико–геологическое моделирование перспективных геофизических участков подробно рассмотрено на примере Новополтавского карбонатитового месторождения в пределах Черниговской тектоно-метасоматической зоны в Западном Приазовье [16]. Разработанные физико-геологические модели рудного узла и рудного поля являются отправной точкой для выбора и обоснования рационального комплекса и технических условий производства дальнейших геофизических работ, а также определения стратегии обработки и интерпретации получаемой информации применительно к последующим детальным стадиям исследования. В свете же проблем экологической безопасности разработанные модели характеризуют фоновое состояние по отношению к конкретным детальным исследованиям. Основой выбора параметров проверки и оценки геофизических перспектив может быть построение крупномасштабных объемных петроплотностных моделей, подробно рассмотренное на примере объемного моделирования района Володарского щелочного массива (Приазовский геоблок УЩ), перспективного на редкометалльную минерализацию [10]. Необходимо отметить, что построенная круп- 153 ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2003, Випуск 6 номасштабная модель Володарского субщелочного массива является завершающим этапом укрупнения в иерархической системе взаимоувязанных разноуровенных петроплотностных моделей, применимых как при решении соответствующих по масштабу геологоразведочных задач, так и проблем экологической безопасности [3]. Эти модели позволяют на каждом из этапов геологоразведочного процесса решать следующие задачи: на региональном – изучить глубинное строение региона, определить мощность земной коры и морфологию основных плотностных границ в земной коре и раздела кора-мантия, выделить и оконтурить крупные блоки, спрогнозировать петрологический состав низов коры и верхней мантии (до глубины 60 км), также интенсивность опасных природных процессов в земных недрах; на среднемасштабном – изучить не- однородности верхнего этажа земной коры – до условной границы К2, выполнить объемное картирование блоков, структур и тел верхней части земной коры, определить их иерархическую соподчиненность и обобщенные плотностные параметры геологических формаций, спрогнозировать пространственно-временную «привязку» проявлений опасных природных и техногенных процессов в земных недрах; на крупномасштабном – совместно с результатами прогнозирования, с одной стороны, изучить строение рудоперспективных массивов и структур, существенно уточнить и конкретизировать рекомендации по дальнейшим поискам минерализации на исследуемой территории, а с другой стороны, создать базу планирования параметров будущих горнодобывающих предприятий и оценки их воздействия на окружающую среду. Детальное физико-техногенно-геологическое моделирование при решении задач экологической безопасности Современные ФГМ объектов традиционно «геологоразведочного» [15], инженерногеофизического [6] и экогеофизического [14] изучения не могут полностью решить проблемы геолого-геофизического моделирования в детальных задачах экологической безопасности. Выходом из сложившего положения является продолжение иерархического ряда ФГМ разработкой физико-техногенно-геологических моделей (ФТГМ), в которых в достаточной мере, применительно к этому масштабу исследований, учитывается сочетание природных и техногенных факторов (то есть в них геологическая информация дополняется необходимыми сведениями об объектах техносферы и возникающих техногенных процессах соответствующего масштаба). Результатом этого этапа наших исследований является разработка ФТГМ, в которых увеличение доли техногенной информации происходит по мере укрупнения масштаба исследований и переходе в изучении объектов по цепочке: горнодобывающая промышленность – транспорт – перерабатывающая промышленность. Последнее является отражением объективно существующего недостатка фактической геологической информации на территориях конкретных промплощадок объектов и предприятий. Наши разработки частных ФТГМ как для наземных, так и аквальных исследований ориентированы на использование относительно недорогих «легких» геофизических методов: гравиразведки и магниторазведки. Наилучшей иллюстрацией эффективности «легких» геофизических методов может быть применения гравиразведки в горнодобывающей деятельности. Моделирование гравитационного поля при оценке геолого-экологических последствий горнодобывающей деятельности. Добыча полезных ископаемых оказывает многообразное воздействие на природную и, в частности, на геологическую среду. Происходящие изменения в состоянии и свойствах массивов пород и подземной части гидросферы влияют на ландшафты, поверхностные воды, почвы, зону аэрации, атмосферу и через них (а также непосредственно) на экологические системы. Воздействие на окружающую среду и экогеологические последствия горнодобывающих работ на конкретных месторождениях проявляются в разной степени и в различных сочетаниях, в зависимости от особенностей природных условий районов горных разработок и степени воздействия техногенных факторов. Использование исключительно маркшейдерских данных в условиях сложной горногеологической обстановки разрабатываемого месторождения не дает полной картины о внутреннем состоянии массива горных пород, ограничиваясь данными о геометрии и динамике его отдельных блоков. Неоценимый вклад геофизики в процесс всестороннего изучения внутренних изменений в монолитных, на первый взгляд, массивах горных пород обусловлен ее уникальными технологическими 154 ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2003, Випуск 6 возможностями исследований современных природных и техногенных процессов в земных недрах и контроля за состоянием окружающей среды (дальнодействие, опосредованное обнаружение и изучение объектов, скрытых под экранами любого генезиса). С помощью геофизических методов на эксплуатируемых месторождениях изучается и оценивается значимость происходящих изменений окружающей среды, сравнивается ее нарушенное состояние с фоновыми характеристиками и нормативными показателями, исследуются наиболее интенсивные и опасные техногенные процессы. В [13, 20, 22] подробно рассмотрены два из них: динамику развития подземных пустот и понижение уровня подземных вод. Нами проведены исследовании изменений гравитационного поля, связанных с нарушениями массивов горных пород и изменениями гидрогеологических условий в районе добычи полезного ископаемого открытым способом для целей создания ФТГМ объектов экогеофизического изучения в условиях действующего карьера. Результаты наших исследований являются основой построения гравитационной части физико-геологической модели предельнодопустимой экологической нагрузки разрабатываемого месторождения и прилегающих территорий в пределах ожидаемой сферы техногенного воздействия и распространения его последствий. Такая модель представляет собой необходимую базу применения гравиразведки для решения широкого круга задач экологической безопасности. В частности, определяется «всплывание» зон разуплотнения, прогнозируется образование провалов и воронок на поверхности земли, что способствует целенаправленному ведению природоохранных мероприятий на участках развития естественных и техногенных подземных пустот; а также уверено фиксируется и изучается изменение уровня подземных вод при решении вопросов устойчивости склонов карьера и отвалов горных пород. Возможности повышения эффективности решения инженерно-экологических задач с помощью гидромагнитной съемки. Современный уровень научно-технического развития магниторазведки – другого «легкого» геофизического метода – открывает реальную перспективу расширения возможностей традиционных инженерно-геологических и гидрогеологических методов (удешевляя и даже частично заменяя их) в области проблем экологической безопасности. Последнее особенно важно при проведении исследований на аква- ториях активно действующих портов, дно любого из которых (речного, морского) изобилует большим количеством разнообразного техногенного преимущественно металлического мусора (от отдельных предметов и деталей до полностью затонувших плавсредств), в различной степени затрудняющего движение судов, а также плановые работы и реконструкцию порта. Особо необходимо отметить, что на дне любого европейского порта могут находиться неразорвавшиеся бомбы и другие боеприпасы времен Второй мировой войны. Наличие такого «смертельного металлического мусора» на относительно небольших глубинах (от первых метров до 10-20 м) определяет необходимость и целесообразность проведения детальных поисковых магниторазведочных работ по всей акватории действующих портов. Сложные условия крупного действующего порта требуют новых приемов формализации исходной и оперативно получаемой магниторазведочной информации, базирующихся на нестандартных (для геологоразведочного процесса) модельных представлениях об изучаемом природно-техническом пространстве. Основной особенностью разрабатываемой нами ФТГМ является попытка максимального учета динамики природно-технической системы (крупного порта). В акваторию крупного речного порта входят: река, которая может распадаться на рукава и каналы, со своими фарватерами и расширениями (поворотными кругами), а также бассейны и гавани с причалами (пристанями, молами). В разрабатываемой модели находят свое отражение пространственно временные вариации магнитного поля как природного происхождения, так и техногенного. Среди первых особое внимание уделяется не вариациям главного магнитного поля Земли (которые учитываются традиционными способами [5]), а специфическим помехам, связанным с суточными приливно-отливными колебаниями уровня воды и соответствующими изменениями расстояния до магнитных масс (за исключением шлюзованных частей акваторий). Эти колебания накладываются – как высокочастотная составляющая – на относительно низкочастотные сезонные колебания. Для речных портов, находящихся на небольшом удалении от моря (океана), колебания уровня воды зависит также от силы и направления ветра на взморье. Эти же факторы оказывают существенное влияние на пространственновременные вариации скоростей течения, которые в свою очередь активно влияют на про- 155 ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2003, Випуск 6 цесс (технологию) гидромагнитных исследований в различных частях акватории порта. Важен также ледовый режим порта. В некоторых его частях и в каналах, где в достаточно суровые зимы может образовываться неподвижный ледяной покров достаточной мощности, появляется возможность замены в зимний период гидромагнитной съемки более экономичной «сухопутной» магниторазведкой по льду. Последняя может также быть единственным безальтернативным вариантом магниторазведочных исследований в прибрежной зоне реки. Разработанная ФТГМ помогает корректировать представления о реальных причинах наблюдаемых на акваториях портов магнитных аномалий, формировать на качественном и количественном уровнях представления о форме, структуре, условиях залегания и основных свойствах аномалиеобразующих природных и техногенных объектов. На основании этой модели осуществляется четкая увязка процессов получения и обработки магниторазведочной информации, определяется круг инженерно-экологических задач, решаемых с помощью магниторазведки, а также методика последней и подходы к интерпретации ее результатов [17, 22]. Моделирование процесса радиологического воздействия горно-металлургического производства на состояние окружающей среды. Любое промышленное производство сопровождается разнообразными внешними и внутренними транспортными вещественными и энергетическими потоками. Обобщенная схема таких транспортных потоков для предприятий перерабатывающей промышленности иллюстрируется на рисунке 1. Сырьевые и энергетические ресурсы – на входе, готовая продукция и отходы – на выходе, вместе с внутренними материальными потоками предприятия образуют сложную разомкнутую транспортную систему, оказывающую существенное разнообразное воздействие на все компоненту окружающей среды. Рассмотрим процесс моделирования транспортных материальных потоков и их воздействие на все компоненты окружающей среды на примере потенциально радиационно опасного производства ДП «Вольногорский государственный горно-металлургический комбинат (ДП «ВГГМК»), который расположен в западной части Днепропетровской области в районе г. Вольногорск. Основным направлением производственной деятельности комбината является добыча и переработка руды, производство ильменитового, рутилового и цирконового концентратов, алюмосиликатов, формовочных песков, соединений циркония и гафния. В исходном сырье ДП «ВГГМК» (титано-циркониевых песках) содержатся радионуклиды рядов тория и урана. Но в отличии от радиационной обстановки, возникающей в условиях работы с применением искусственных радионуклидов, на предприятиях редкоземельной промышленности и, в частности, ДП «ВГГМК», речь идет скорее не о радиационной опасности, а о необходимости организации безопасных условий труда при встрече с нежелательными радиоактивными примесями, от которых в процессе работы необходимо избавляться. В результате сложного многоэтапного технологического процесса получения двуокиси циркония на ДП «ВГГМК» существует возможность радиоактивного загрязнения практически всех компонентов окружающей среды. Особенностями производства, влияющей на радиационную обстановку, являются: относительно низкая удельная активность перерабатываемых материалов при их больших количествах на рабочих местах; сложные многоступенчатые процессы переработки, включающие пылящие и высокотемпературные операции; высокая степень зависимости потенциальной радиационной опасности от характера технологического процесса. На рисунке 2 приведены основные вещественные потоки в системе производственной деятельности ДП «ВГГМК», с разделением на радиационно безопасные и потенциально радиационно опасные. Нами обобщены сведения о возможностях попадания радионуклидов из отходов ДП «ВГГМК» в следующие компоненты окружающей среды – геологическую, воздушную среду и водную среду, которые в свою очередь являются источниками – проводниками радионуклидов в почву, а затем в растительность и сельхозпродукцию, а также человека. На основании проведенных исследований разработан комплекс мероприятий (охранных (мониторинг), защитных (планировочных) и компенсационных) по обеспечению нормативного состояния окружающей среды и экологической безопасности, а также разработанные модели процесса радиологического воздействия горно–металлургического комбината на окружающую среду были в дальнейшем использованы при реконструкции, расширении и создание нового производства. Разработанная в 1998-1999 гг. на примере ДП «ВГГМК» модель процесса радиологичес- 156 ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2003, Випуск 6 кого воздействия горно-металлургического 157 ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2003, Випуск 6 производства на компоненты окружающей среды была положена нами в 2001-02 гг. в основу оценки воздействия на окружающую среду объектов реконструкции и новых производств на территории ДП «ВГГМК»: реконструкции отделения получения коллективного концентрата на обогатительной фабрике комбината и строительства завода цирконовых огнеупоров на территории промплощадки ДП Водозабор (р. Днепр) «ВГГМК». Опыт наших исследований и моделирования процесса радиологического воздействия ДП «ВГГМК» на состояние окружающей среды является основой заключения о том, что вид и уровень воздействия реконструированного отделения обогатительной фабрики и завода цирконовых огнеупоров не окажет экологически опасных изменений в радиационной обстановке окружающей среды. Карьеры Малышевского месторождения Добыча рудных песков Отвалы Обогатительное производство Хвостохранилище Металлургическое производство Товарная продукция Газопылевые выбросы Реактор дезактивации Станция нейтрализации кислых стоков 1 2 Шламонакопитель кислых стоков Рисунок 2. Основные вещественные потоки в системе производственной деятельности ВГГМК 1 – радиационно безопасные потоки; 2 – потенциально радиационно опасные потоки таких исследований на территории Днепропетровской области и Николаевской областей: изучения оползнеопасных склонов; изучения подтопленных территорий; выявления и оконтуривания погребенных свалок; исследований в ходе строительства метрополитена; исследований мест погребения отходов шахтных пусковых установок. Еще одним примером эффективного использования геофизической из формации при решении инженерно-экологических задач является «экологическое» использование данных разведочной геофизики в районах освоения нефтегазовых месторождений на территории развития многолетней мерзлоты [7, 8]. На всех стадиях геологоразве- Примеры решения локальных задач экологической безопасности с помощью комплекса геофизических методов. К настоящему времени накопленный положительный опыт решения вопросов геофизики техногенно-экологической безопасности на региональном уровне является базой успешного решения разнообразных локальных инженерноэкологических проблем на основе геофизического изучения оползней, просадок грунта, подтопления и других опасных в экологическом отношении геологических процессов в пределах городских агломераций и природнотехногенных комплексов с уже сложившимся хозяйственной инфраструктурой и уровнем загрязнения окружающей среды. В [1, 11] рассмотрены конкретные примеры результатов 158 ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2003, Випуск 6 дочных работ (поисковой, разведочной, детализационной) геофизики вынуждены заниматься проблемой изучения верхней части геологического разреза (ВЧР), которая не несет полезной разведочной информации и относится к разряду помехообразующих (искажающих) факторов за счет больших вариаций физических свойств горных пород. Мощность ВЧР в различных регионах варьирует от первых десятков до сотен метров (например, в районах развития толщи реликтовой многолетней мерзлоты). Именно такая ситуация имеет место, например, на территории Ямало-Ненецкого АО (Россия), которая характеризуется в региональном плане повсеместным развитием криогенеза с «мозаичным» трудно прогнозируемым строением мерзлой толщи как вглубь по разрезу (до глубины 500 м) так и по латерали. Здесь требование к детальности изучения строения ВЧР возрастает по мере увеличения необходимой детальности решения поставленных геологических задач. Однако после учета и исключения искажающего влияния информация о строении ВЧР, как правило, не используется ни в процессе последующей интерпретации, направленной на изучение строения интересующих геологов глубинных объектов, ни для каких-либо иных целей. Со временем в районах проведения геологоразведочных исследований производятся инженерно-строительные работы по созданию промышленных объектов и коммуникаций с целью эксплуатации выявленных месторождений. Им предшествует обязательный этап инженерно-геологических изысканий, основная задача которых заключается в обеспечении устойчивости и сохранности проектируемых сооружений при длительных эксплуатационных нагрузках без каких-либо опасных деформаций. Однако, как правило, эти инженерногеологические исследования носят дискретный характер и позволяют изучить массивы пород лишь в отдельных точках и на ограниченную глубину. Существенной особенностью современных сейсморазведочных данных является то, что они получаются по всей исследуемой площади с высокой степенью пространственной дискретизации (до 25×25 м). Такие площадные данные о строении и свойствах пород ВЧР являются базой для проектирования детальных геофизических исследований «легкими» методами, дополнение и уточнение которых редким реперным каркасом из точек инженерногеологических изысканий может послужить надежной основой при проектировании инженерно-строительных работ на конкретных участках. Предлагаемый комплексный подход значительно сократит объем дорогостоящих инженерно-изыскательских работ при существенном повышении их достоверности, надежности и полноте получаемой информации. Учитывая огромный накопленный объем сейсморазведочных исследований и плотность покрытия территорий такими исследованиями, эта информация может стать базовой для проектирования детальных комплексных геофизических (грави-, магнито-, электроразведочных) исследований инженерно-экологической направленности и последующего создания подробных инженерных карт и разрезов при проектировании инженерно-строительных работ, а также при прогнозировании возможных экологических последствий воздействия проектируемых сооружений на окружающую среду. Причем заказчиком такого комплексного подхода изучения ВЧР могут выступать сами добывающие компании, ранее заказавшие проведение сейсморазведочных работ на своих лицензионных участках, т.к. для них в случае последующего сооружения промышленных коммуникаций и инфраструктуры предоставляется реальная возможность существенной экономии средств на инженерные изыскания, и, как следствие, повышение рентабельности проектов и снижение себестоимости добываемых полезных ископаемых. При таком комплексном исследовании снижается риск экологических просчетов при проектировании и эксплуатации возводимых инженерных сооружений. Заключение Подводя итоги, необходимо отметить следующее. 1. В свете проблем экологической безопасности для условиях техногенно нагру- женных регионов Украины в мелком и среднем масштабах достаточно дополнить существующие и вновь разрабатываемые «геологоразведочные» ФГМ минимальным коли159 ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2003, Випуск 6 чеством информации только об опасных природных и техногенных объектах и процессах. На стадии же крупномасштабных геолого-геофизических исследований необходима разработка моделей объектов исследований, которые, с одной стороны, полностью применимы для решения задач указанной стадии геологоразведочного процесса, а с другой стороны, включают «избыточную» информацию (о ВЧР и поверхностных условиях, а также их связях с особенностями глубинного строения), в совокупности с информацией о соответствующих по масштабу техногенных объектах и процессах. 2. При разработке ФТГМ геологическая информация дополняется необходимыми сведениями об объектах техносферы соответствующего масштаба и возникающих техногенных процессах. При этом частные ФТГМ как для наземных, так и аквальных исследований в первую очередь должны быть ориентированы на использование относительно недорогих «легких» геофизических методов: гравиразведки и магниторазведки. 3. Накопленный положительный опыт решения вопросов геофизики техногенноэкологической безопасности на региональном уровне является базой решения разнообразных локальных инженерно-экологических проблем на основе геофизического изучения оползней, просадок грунта, подтопления и других опасных в экологическом отношении геологических процессов в пределах городских агломераций и природнотехногенных комплексов с уже сложившимся хозяйственной инфраструктурой и уровнем загрязнения окружающей среды. Перечень ссылок 1. Використання геофізичних методів при вирішенні завдань техногенної безпеки в межах міських агломерацій / П.Г. Пігулевський, В.К. Свистун, С.О.Слободянюк, О.К. Тяпкін // Вісник Київського національного університету. Геологія. – Київ: Київський університет. – 2001. – Вип. 19. – С.46-50. 2. Гравиразведка. Справочник геофизика / Под ред. Е.А.Мудрецовой. – Москва: Недра, 1981. – 397 с. 3. Иерархическая система петроплотностных моделей юго-востока Украинского щита / В.Ю. Коваленко, П.И. Пигулевский, В.К. Свистун, О.К. Тяпкин, И.С. Чуприна // Геофизика и математика: Материалы Второй Всероссийской конференции / Под ред. В.Н.Страхова. – Пермь: Горный институт УрО РАН, 2001. – С.359-360. 4. Козарь Н.А., Пигулевский П.И., Тяпкин О.К. К вопросу геолого-геофизического изучения сейсмической активности юго-востока Украинского щита // Науковий вісник Національної гірничої академії України. – 2000. – №6. – С.70-75. 5. Магниторазведка. Справочник геофизика / Под ред. В.Е. Никитского, Ю.С. Глебовского. – Москва: Недра, 1980. – 367 с. 6. Огильви А.А. Основы инженерной геофизики. – Москва: Недра, 1990. – 501 с. 7. Онищенко С.А., Тяпкин О.К. Перспективы экологического использования данных разведочной геофизики в районах развития многолетней мерзлоты // Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей: Материалы 30-й сессии Международного семинар им. Д.Г.Успенского / Под ред. В.Н.Страхова. – Москва: ОИФЗ РАН, 2003. – Ч.1. – С.85-86. 8. Онищенко С.А., Тяпкин О.К. Использование данных разведочной геофизики при решении инженерно-экологических задач в районах развития многолетней мерзлоты // Проблеми природокористування, сталого розвитку та техногенної безпеки регіонів: Матер. Міжнародн. наук.-практ. конф. – Дніпропетровськ, 2003. – С.205-206. 9. Пігулевський П.Г., Дремлюга І.Є., Тяпкін О.К. Використання геофізичних даних при вивченні сейсмічної небезпеки районів атомних електростанцій півдня України // Вісник Київського національного університету. Геологія. – Київ: Київський університет, 2002. – Вип. 23-24. – С.66-70. 10. Пигулевский П.И., Тяпкин О.К. Объемное моделирование Володарского щелочного массива (Приазовский блок Украинского щита) по гравитационному полю // Геофизический журнал. – 2001. – Т. 23. - №1. – С.102-107. 11. Свистун В.К., Пигулевский П.И., Тяпкин О.К. Роль геофизических методов при решении задач техногенной безопасности // Екологія довкілля та безпека життєдіяльності. – 2001. – №4. – С.69-71. 12. Сейсмические явления в районе Чернобыльской АЭС / В.Н. Страхов, В.И. Старостенко, О.М. Харитонов, Ф.Ф. Аптикаев, Е.В. Борковский, О.К. Кедров, А.В. Кендзера, Ю.Ф. Копничев, В.Д. Омельченко, В.П. Палиенко // Геофизический журнал. – 1997. – Т.19. - № 3. – С.3-15. 13. Солдатенко В.П., Тяпкин О.К. Применение гравиразведки для решения экогидрогеологических задач // Науковий вісник Національної гірничої академії України. – 1998. – № 1. – С.53-57. 160 ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2003, Випуск 6 14. Тяпкін К.Ф., Тяпкін О.К., Якимчук М.А. Основи геофізики: Підручник. – Київ: «Карбон Лтд», 2000. – 248 с. 15. Тяпкин О.К. Физико-геологические модели объектов исследований – как основа анализа геологогеофизических данных // Построение физико-геологической модели и системный подход при истолковании результатов геофизических исследований: Труды Всесоюзн. науч.-техн. конф. – Пермь, 1990. – С.6. 16. Тяпкин О.К. Физико-геологические модели редкометалльных рудных узлов и рудных полей в Западном Приазовье // Геофизический журнал. – 1999. – Т.21. - № 2. – С.112-119. 17. Тяпкин О.К. Возможности повышения эффективности решения инженерно-экологических задач с помощью гидромагнитной съемки // Сборник научных трудов Национальной горной академии Украины. – Днепропетровск, 1999. – №6. - Т.4. – С.168-172. 18. Тяпкин О.К. Физико-геологическое моделирование при решении задач экологической безопасности // Проблеми природокористування, сталого розвитку та техногенної безпеки регіонів: Матер. Міжнародн. наук.-практ. конф. – Дніпропетровськ, 2003. – С.241-243. 19. Тяпкин О.К., Пигулевский П.И. К созданию тектонической основы для решения задач природопользования, экологии и техногенной безопасности // Науковий вісник Національної гірничої академії України. – 2000. – № 4. – С.67-68. 20. Тяпкин О.К., Солдатенко В.П. Применение гравиразведки для оценки геолого-экологических последствий горнодобывающей деятельности // Геофизический журнал. – 2000. – Т.22. - № 1. – С.21-30. 21. Шапарь А.Г., Тяпкин О.К. Экогеофизические аспекты районирования промышленно и техногенно-нагруженных регионов // Доповiдi Нацiональної академiї наук України. – 1999. – № 3. – С.133-137. 22. Шапарь А.Г., Тяпкин О.К. Применение геофизических методов при решении задач техногенной безопасности // Геофизический журнал. – 2001. – Т.23. - № 5. – С.81-91. O.K. Tyapkin PHYSICAL-GEOLOGICAL MODELING OF OBJECTS OF RESEARCHES OF GEOPHYSICS TECHNOGENIC- ECOLOGICAL SAFETY Institute of Problems on Nature Management & Ecology of the NAS of Ukraine, Dniepropetrovsk, Ukraine In the decision of problems of ecological safety already at a stage of small-scale geologicalgeophysical researches it is necessary to take into account influence of technogenic factors. The amount of the information about influence of these factors grows in process of increase of scale of researches and appropriate geological-geophysical models. These models can be used in prospecting process and at the decision of tasks of ecological safety. Поступила в редколлегию 5 октября 2003 г. Представлено членом редколлегии чл.-корр. НАН Украины А.Г. Шапарем 161