Мониторинга экзогенных геологических процессов

В настоящее время разработаны методические рекомендации и требования по организации и ведению государственного мониторинга экзогенных геологических процессов (ЭГП) (Требования …, 1995; Методические …, 1997; Методические …, 2000). В этом направлении оригинальные материалы изложены в диссертационной работе А.О. Крутовского (2002). Проблемой мониторинга ЭГП в настоящее время занимаются многие организации и отдельные исследователи (Ольховатенко и др., 2002). Основная задача на современном начальном этапе исследований – правильно наметить стратегическое направление решения этой весьма сложной проблемы. Мониторинг ЭГП является составной частью мониторинга инженерно-геологических условий. Участки проявлений экзогенных геологических процессов входят в состав наблюдательных сетей различного уровня – государственные опорные сети федерального и территориального значения, локальные (объектные) сети муниципального и ведомственного значения, что хорошо демонстрируется на примере Томской области по данным ТЦ Томскгеомониторинг (рис.4.7.1).

Рис. 4.7.1. Схема наблюдательной сети за экзогенными геологическими процессами на территории Томской области

(по данным ФГУП ТЦ «Томскгеомониторинг»)

1 – опорная государственная наблюдательная сеть федеральная; 2 - опорная государственная наблюдательная сеть территориальная; 3 – ведомственная наблюдательная сеть; 4 – подписи пунктов наблюдения: цифра около знака – номер участка, буквы в скобках – индексы генетических типов ЭГП (Оп – оползни, Эо – эрозия овражная, Эб – эрозия боковая, З – заболачивание).

Государственная опорная федеральная сеть включает объекты мониторинга ЭГП, развитие которых оказывает существенное влияние на состояние верхней части недр на значительных территориях. Результаты наблюдений по федеральной сети представляют собой информационную основу оперативного управления фондом недр и безопасного недропользования на федеральном уровне. Объектами мониторинга по федеральной сети являются в основном эрозионные процессы, связанные с деятельностью речных потоков. Развитие речной боковой эрозии создает угрозу безопасности для крупной группы населенных пунктов.

Государственная опорная территориальная сеть объединяет участки наблюдения, на которых развитие геологических процессов оказывает негативное воздействие на инженерно-хозяйственные объекты области. Вместе с тем данные наблюдения по территориальной сети, наряду с данными федеральной сети, используются для региональной текущей и прогнозной оценки состояния геологической среды в целях рационального управления фондом недр.

Локальные (муниципальные и ведомственные) наблюдательные сети представлены единичными участками, где проводятся наблюдения организациями, деятельность которых может оказать влияние на активизацию ЭГП.

Основные задачи мониторинга ЭГП:

· изучение режима ЭГП и факторов, в том числе техногенных, на специально организованной опорной наблюдательной сети;

· оценка активности ЭГП и их влияния на геологическую среду;

· изучение, оценка характера и степени влияния деятельности человека на активность ЭГП;

· составление различных видов прогноза ЭГП;

· проверка, оценка оправдываемости и уточнение прогнозов;

· оценка степени подверженности народно-хозяйственных объектов воздействию ЭГП;

· разработка рекомендаций по охране и рациональному использованию геологической среды от ЭГП;

· усовершенствование и развитие опорной наблюдательной сети, в том числе создание специальных наблюдательных сетей для решения важных народнохозяйственных задач;

· разработка и ведение постоянно действующих моделей (ПДМ) прогноза ЭГП.

Мониторинг предусматривает изучение режима ЭГП как в региональном, так и в локальном аспектах. В связи с этим опорная наблюдательная сеть должна включать в себя участки наблюдений различных категорий. Целесообразно для этой цели иметь участки трёх категорий.

Опорная наблюдательная сеть выбирается на основе анализа специальных инженерно-геологических карт районирования по условиям развития и по интенсивности проявления ЭГП. При её организации на опорных участках выполняются специальные инженерно-геологические исследования, характер и детальность которых зависит от категории участков.

Следует отметить, что в системе наблюдений на участках первой и второй категории большое место должны занимать аэрометоды (аэровизуальные наблюдения, аэрофотосъёмка и др.). Для оценки активности ЭГП на больших территориях могут быть использованы космические методы.

В системе мониторинга ЭГП выполняются следующие виды прогнозов: региональные и локальные, долговременные и краткосрочные. Неотъемлемой частью мониторинга в дальнейшем должны быть инженерно-геологические постояннодействующие модели (ПДМ). ПДМ предназначены для решения инженерно-геологических задач, связанных с оценкой применения геологической среды и прогнозом экзогенных геологических процессов. Использование ПДМ обеспечивает упорядочение технологии сбора и обработки инженерно- геологической информации на основе современной вычислительной техники.

Система инженерно-геологических ПДМ включает три уровня моделирования. ПДМ первого уровня контролирует всю территорию и обеспечивает выявление площадей и периодов активизации всех, основных ЭГП с их ежегодной корректировкой.

ПДМ второго уровня создаются для участников наиболее интенсивного развития отдельных ЭГП.

ПДМ третьего уровня характеризуют отдельные локальные участки проявления ЭГП с целью контроля и оперативного прогноза их развития.

4.7.2. Наблюдательная сеть в системе мониторинга

экзогенных геологических процессов

1. Основными задачами наблюдений за режимом ЭГП в системе их мониторинга являются получения исходной информации, необходимой и достаточной для контроля за состоянием ЭГП, их прогноза, и выдача рекомендаций по предотвращению опасного воздействия ЭГП на народнохозяйственные объекты.

2. Объектами режимных наблюдений становятся не столько природные, сколько природно-техногенные геосистемы (ПТГ), изучаемые на нескольких уровнях исследований. В настоящее время режимные наблюдения осуществляются на региональном и локальном уровнях.

3. В зависимости от масштаба исследований, интенсивности проявлений ЭГП и границ ПТГ устанавливаются наблюдательные участки различных категорий. При этом на региональном уровне (участки первой и второй категорий) в качестве основного наблюдаемого параметра выступает активность проявления ЭГП, выраженная как соотношение качеств или площадей элементарных проявлений, либо в виде обобщённых комплексных показателей (например, в виде геодинамического потенциала). На локальном уровне (участки третьей категории) основными наблюдаемыми параметрами, характеризующими режим ЭГП, являются значения величин и скоростей деформирования грунтов. Кроме того, на всех уровнях, но с разной степенью детальности ведутся наблюдения за факторами, влияющими на развитие ЭГП.

По задачам и составу наблюдений целесообразно выделять участки нескольких видов:

· опорные, на которых выявляются основные закономерности и механизм ЭГП, проводится наиболее полный комплекс видов наблюдений;

· специальные, на которых ведутся наблюдения за режимом ЭГП, непосредственно угрожающих конкретным народнохозяйственным объектам;

· изыскательские, где ведутся кратковременные (на период изысканий) режимные наблюдения в соответствии с действующими нормативными документами;

· опытно-методические полигоны, на которых в отличие от опорных участков проводятся проверка и отработка методов изучения и прогноза ЭГП, натурные эксперименты по искусственной активизации процессов, а также оценка эффективности по инженерной защите территории.

4. Инженерно-геологическим обоснованием размещения наблюдательной сети являются карты проявлений и условий развития ЭГП. В качестве критериев выбора наблюдательных участков выступают требования представительности, т.е. отражения наиболее типичных условий развития процессов, их активности, практической значимости участков с учётом имеющихся материальных и финансовых ресурсов.

5. При региональных исследованиях для получения обобщённых показателей особое значение имеет применение аэрокосмических методов наблюдений, при локальных – стационарных наземных наблюдений с увеличением роли автоматизированных измерений основных изучаемых параметров.

6. Основным требованием к информации, получаемой на наблюдательных участках, является её оперативное использование для составления прогнозов ЭГП.

4.7.3. Сбор, обработка, анализ информации об экзогенных геологических процессах и основных изменяющихся факторах

В системе мониторинга ЭГП важнейшую роль играют систематические данные об активности проявления ЭГП и факторах, их определяющих.

Прежде всего, необходимо получать информацию о динамике показателей активности ЭГП, отличающихся в зависимости от категории наблюдательных участков характером и частотой наблюдения.

Комплекс изменяющихся факторов проявления ЭГП определяется механизмом развития и типом ЭГП. Важнейшими из них являются метеорологические и гидрологические (атмосферные осадки, температура воздуха, волнение и уровни морей и водохранилищ, расходы водотоков и т.п.)

Для характеристики многолетнего режима ЭГП необходимы данные по следующим показателям метеорологических и гидрологических факторов:

-количество осадков (в мм) за год, за тёплый и холодный периоды года, за определённый сезон;

-число дней с осадками различной величины (облачными и ливневыми, и т.д.), их интенсивность;

-средняя температура воздуха за год, за тёплый и холодный периоды года, по сезонам, за период снеготаяния, число дней с переходом средней температуры воздуха через 0° и т.д;

-число дней с различными циркуляционными процессами в северном полушарии, классифицируемыми по типизации атмосферной циркуляции.

Информация по метеорологическим и гидрологическим показателям содержится в специальных метеорологических справочниках и ежемесячниках, выпускаемых территориальными подразделениями Госкомгидромета и при составлении временных рядов в основном не требует специальной обработки.

При прогнозировании оползневого и некоторых других ЭГП из изменяющихся факторов важнейшими являются гидрогеологические условия, показателем для которых служит уровень грунтовых вод.

Для анализа информации об ЭГП и факторах, их обуславливающих, применяется широкий комплекс методов, включающий как простые качественные, так и сложные математические методы. Сложные методы реализуются на ЭВМ с помощью специальных программ.

Оценка тесноты связи процессов и факторов осуществляется количественными и качественными методами. Качественная оценка производится по отношению к норме, количественная – преимущественно на основании корреляционно – регрессионного анализа.

4.7.4. Автоматизированная информационная система для ведения мониторинга экзогенных геологических процессов

Взаимосвязь автоматизированных информационных систем (АИС) и мониторинга ЭГП наглядно демонстрируется при рассмотрении функциональной и компонентной структур литомониторинга (Осипов, 1986).

В компонентном аспекте литомониторинг делится на четыре подсистемы 1-го порядка: мониторинг горных пород; мониторинг подземных вод; мониторинг недр; мониторинг ЭГП. Следовательно, мониторинг ЭГП является подсистемой 1-го порядка литомониторинга. В функциональном аспекте литомониторинг делится на три подсистемы: получение информации о структуре и свойствах геологической среды; наблюдение и контроль за изменением геологической среды; оценка и прогноз изменений геологической среды. Третья подсистема представляет собой АИС.

Таким образом, мониторинг ЭГП и инженерно-геологические АИС являются одноуровенными подсистемами литомониторинга.

Реализация АИС в системе мониторинга ЭГП позволяет решать следующие задачи:

· стандартизировать формы сбора и хранения первичной режимной информации;

· перманентно корректировать сеть режимных наблюдений за изучаемым ЭГП;

· автоматизировать трудоёмкие речные расчёты характеристик процесса и факторов, его обуславливающих;

· уточнять методику проведения режимных наблюдений и перечень показателей, определённых в процесс сбора и обработки материалов;

· разрабатывать прогнозно-диагностические модели, аппроксимирующие изучаемый процесс и на основе расчётов по этим моделям прогнозировать ЭГП. Прогнозирование осуществлять перманентно, то есть по ходу поступления новой режимной информации уточнять модели и пересчитывать прогнозные параметры.

Реализация мониторинга ЭГП позволит: пересмотреть существующую структуру организации стационарных режимных наблюдений; увязать в единую систему все материалы режимных наблюдений; конкретизировать цели и методику проведения наблюдений; создать единую методологическую базу для прогнозирования ЭГП; составлять и перманентно вести прогнозно-диагностические модели, как отдельных процессов, так и комплексов, парагенетически связанных ЭГП.

4.7.5. Основные требования к региональной службе контроля и прогноза опасных геологических процессов

Крупномасштабная хозяйственная деятельность, как правило, активизирует или вызывает к жизни новые, ранее не известные на исследуемой территории, самые разнообразные современные геологические процессы, наиболее распространёнными и опасными среди которых являются загрязнение подземных вод, подтопление населённых пунктов, оползни, эрозия, термокарст, землетрясения и прочее.

С целью обеспечения необходимой информацией о современных геологических процессах различных отраслей промышленности и сельского хозяйства, рационального использования и охраны геологической среды необходимо создать научно-производственную службу контроля и прогноза опасных геологических процессов (службу геопрогноза или литомониторинга).

Структура службы геопрогноза должна включать:

- наземные и, при необходимости, аэрокосмические наблюдательные сети, регистрирующие в автоматизированном режиме изменения основных параметров, характеризующих современные геологические процессы и внешние факторы, определяющие их развитие;

- лабораторно-экспериментальную и аналитическую базу;

- современные средства передачи, хранения и обработки информации;

- научно-исследовательские подразделения, которые должны производить разработку и совершенствование программ, алгоритмов и выдачу основных результатов исследований.

Объектами исследований службы геопрогноза являются геологическая среда и протекающие в ней естественные и техногенные современные геологические процессы, внешние геолого-гидрологические условия и физико-географические факторы, методология и конкретные методы, алгоритмы, программы изучения и прогноза развития опасных геологических процессов.

Основной продукцией службы геопрогноза должны быть:

- оперативное, краткосрочные и долгосрочные прогнозы проявления опасных геологических процессов;

- обзорные, средне- и крупномасштабные карты районирования территории по характеру и степени подверженности опасным геологическим процессам;

- рекомендации по рациональному использованию и охране геологической среды и защите инженерных объектов от современных геологических процессов.

Основная терминология на английском языке

Антропоген -Anthropogene

Антропогенез -Antropogenesis

Антропогенная (техногенная) нагрузка -Anthropogenic stress

Антропогенное вещество -Anthropogenic matter

Атмосфера –Atmosphere

Биогенные элементы -Biogenic elements

Биогеохимический цикл (круговорот) -Biogeochemical cycle

Биогеохимия -Biogeochemistry

Биогеоценоз -Biogeocenosis, biogeocenose

Биота -Biota

Биотоп -Biotope

Биоценоз -Biocenosis, biocenose, biocommunity

Бонитет -Quality index

Бонитировка -Evaluation

Верховодка -Perched water

Вечная мерзлота -Permafrost

Вещество вредное -Harmful substance

Водоохранная зона -Water-protective area

Водосбор –Catchment, catch basin, catchment area, watershed

Водоупор -Aquiclude, confing layer, impermeable, water confining stratum

Воды грунтовые –Groundwater (ground water, subferrian water, underground water)

Воды ископаемые -Fossil water

Временный водоток -Ephemeral stream

Гипергенез -Hypergenesis

Государственная экологическая экспертиза -State experts ecological appratsal

Грунт -Ground, earth, soil, terrain

Единичный показатель загрязнения атмосферы -Unique air pollution index

Естественная защищенность подземных вод -Natural protection of the ground waters

Естественное загрязнение атмосферы -Natural air pollution

Загазованность -Gassidity, air pollution

Загрязнение природных вод -Natural water pollution

Запасы подземных вод эксплуатационные -Usable ground water resources

зона водоохранная -Water-protective area

Зона подпора подземных вод -Zone ground water hydrostatic head

build-up

Зона подтопления -Waterlogged zone

Инвентаризация источников выбросов -Inventory of emission sources

Инвентаризация нарушенных земель -Inventory of disrupted lands

Индекс загрязнения -Pollutional index

Индекс качества среды -Environmental quality index

Индикатор -Indicator, marker, guide

Индикатор загрязнения -Pollution indicator

Истощение вод -Depletion of waters

Канава -Trench

Кислотные дожди -Acid rains

Локальное загрязнение почвы -Local soil pollution, local contamination of soil

Месторождение подземных вод -Ground water basin

Нагрузка антропогенная -Anthropogenic stress

Нарушенные земли -Disturbed lands

Объект водный -Water target

Опасные геологические процессы -Dangerous geological processes

Опасные экологические ситуации -Hazardous ecological conditions

Оползень -Landslide, landslip, earth-slide, rock-slide, mountain slip

Ореол рассеяния -1. Dispersion halo; 2. Dissemination nimbus

Перенос загрязнений -Pollutants transfer

Перенос загрязнений дальний -Distal pollutants transfer

Площадь водосбора -Drainage basin

Процесс -Process

Режим подземных вод -Underground water regime

Рекреационная зона -Recreation zones

Ресурсы водные -Water resources

Свойства геологической среды экзогенные -Exogenic propertics of geological environment

Статический уровень подземных вод -Static ground water level

Сток -Sewer, flow

Уровень грунтовой воды -Water table

Уровень подземной воды -Ground- water level, water plane

Фильтрация подземных вод -Ground water filtration

Циркуляция атмосферы -Atmospheric circulation

Шурф -Pit, test pit

Глава 5. Аналитическое обеспечение

при мониторинге

Для анализа объектов окружающей среды в настоящее время используются различные методы (Приборы …, 1980; Рекомендации …, 1986; Ядерно-физические …, 1987; Назаренко, Сотсков и др., 1989; Фомин, 1995), которые могут быть разделены на три группы: 1) ядерно-физические, 2) оптические и 3) физико-химические.

5.1. Ядерно-физические методы

По физической сущности наиболее часто используемые для элементного анализа ядерно-физические методы можно подразделить на три класса (Назаренко, Сотсков и др., 1989).

1. Методы, основанные на измерении альфа-, бета- или гамма- радиоактивного излучения (альфа-, бета- и гамма-спектрометрия) естественных радиоактивных нуклидов, искусственных радионуклидов, радиоактивных индикаторов, изотопного разбавления и т.д.

2. Методы, основанные на измерении наведенной искусственной радиоактивности определяемых элементов. К ним относят все виды радиоактивационного анализа, а также можно отнести нейтронно-радиационный анализ. Для активации исследуемых проб (получения наведенной активности) используются потоки различных по характеристикам нейтронов, заряженных частиц или гамма-квантов.

3. Методы, основанные на регистрации характеристического рентгеновского излучения, возбужденного различными заряженными частицами при их взаимодействии с внутренними электронными оболочками атомов элементов.

Спектрометрические методы используются для определения урана, тория, радия, калия по их естественной радиоактивности. В настоящее время являются практически единственными методами изучения радиоактивных загрязнений окружающей среды, в том числе искусственными радионуклидами.

Радиоактивационный анализ позволяет определять загрязнение окружающей среды тяжелыми и легкими элементами, в том числе радиоактивными и некоторыми их формами.

Нейтронно-активационный анализ (НАА) на тепловых и резонансных нейтронах применяют в двух вариантах – инструментальном и с радиохимическим выделением. Инструментальный вариант анализа (ИНАА) отличается высокой производительностью, достаточно низкой трудоемкостью, многоэлементностью, возможностью автоматизации процесса анализа. Предел обнаружения элементов в зависимости от их активационных свойств и состава матрицы анализируемой пробы в основном колеблется от 10^-3 до 10^-6 %. Метод с радиохимическим выделением (РНАА) позволяет снизить предел обнаружения на два и более порядка, но он длителен и трудоемок.

Рентгенофлуоресцентные методы в настоящее время интенсивно развиваются. Отличаются методы высокой производительностью, многоэлементностью, сравнительно малыми трудозатратами, недеструктивностью анализа, что позволяет проводить дальнейший анализ той же самой пробы другими методами. В варианте рентгенофлуоресцентного анализа рассматривается рентгеноспектральный, в основу которого положен анализ с дисперсией по длинам волн.

5.2. Оптические методы

Среди оптических методов наибольшее распространение при анализе экологических объектов получил метод атомной абсорбции с пламенной и электротермической атомизацией проб.

Атомно-абсорбционный анализ особенно применим для определения следов или малых количеств элемента в различных объектах окружающей среды – водах, почвах, растениях и т.д. Особая ценность атомно-абсорбционного анализа для контроля окружающей среды состоит в том, что из одного раствора после разложения образца можно определять многие элементы. Метод позволяет определять элементы в зависимости от свойства элемента и используемой методики анализа в широком интервале содержаний – от 10 ^–6 % до десятков процентов.

Эмиссионный спектральный анализ позволяет определять многие элементы из одной навески. Предел чувствительности эмиссионного спектрографа для большинства элементов равен, как правило, нескольким граммам на тонну.

Атомно-эмиссионная спектрометрия с индивидуально связанной плазмой в последние годы очень быстро развивается. Этому способствуют низкие пределы обнаружения большой группы элементов, высокая точность измерений, возможность одновременного определения макро- и микрокомпонентов пробы, возможность автоматизации процессов анализа.

5.3. Физико-химические методы

Данный раздел представлен широким кругом методов, который может быть использован для элементного анализа объектов окружающей среды.

Электрохимические методы – вольтамперометрия, полярография, кулонометрия и др. основаны на измерении величины электрического тока или разности потенциалов, возникающих в растворах при протекании в них различного рода химических реакций.

Потенциометрический метод с использованием ионоселективных электродов позволяет определять свыше 25 ионов в растворах в широком диапазоне концентраций. Результаты измнрнний не зависят от цвета и вязкости раствора, мутности, наличия взвешенных твердых частиц. Они незаменимы при определении ионного состава биологических растворов (сыворотки, крови и т.д.).

Хроматографические методы применяются при исследовании летучих компонентов почв, органических соединений и других материалов.

Аналитические работы при специализированных геоэкологических исследованиях предусматривают выполнение большого объема лабораторных анализов почв, пород, пыле-аэрозольных выпадений, вод, биомассы на широкий комплекс элементов, всесторонне характеризующих как их природный состав, так и степень загрязнения радиоактивными элементами (их идентификация), тяжелыми металлами и другими токсичными веществами (приложение 2).

В группу анализов, характеризующих природный состав и физико-химические свойства отдельных компонентов геологической среды входят: наряду с тяжелыми металлами (ГОСТ 17.4.1.02-83) следующие показатели: грансостав по 4 фракциям (<0,05 мм – песчаная фракция; 0,05 – 0,01 мм – крупная пыль; 0,01 – 0,001 мм – мелкая и средняя пыль; <0,001 мм – илистая фракция; определение удельной поверхности или расчет удельной поверхности; емкость поглощения; содержание органического вещества; кислотность; сумма поглощенных оснований; валовых и подвижных концентраций азота, фосфора, калия, фтора, кремнезема, алюминия, железа, состава поверхностных, грунтовых, подземных вод и другое.

В группу анализов, характеризующих степень загрязнения отдельных компонентов геологической среды, входят: определение содержаний естественных (уран, торий, калий) радиоактивных элементов, дочерних продуктов распада урана-238 и тория-232, тяжелых металлов различных классов опасности (ГОСТ 17.4.1.02-83) и других веществ (серы, нефтепродуктов), а также редких и редкоземельных элементов.

Аналитические исследования содержаний микро- и макрокомпонентов выполняются по отраслевым методикам и ГОСТам. Выбор методик в качестве аналитических осуществляется в соответствии с уровнем развития аналитической базы и требованиями экологии к значениям нижних границ интервалов количественных определений. Предпочтение отдается методам, позволяющим анализировать комплекс элементов, по возможности с минимумом затрат на подготовку образцов.

Уран, торий, селен, свинец и стронций в твердой фазе анализируется рентгено-спектральным методом.

Определение радиоактивных (уран, торий), редких (рубидий, цезий, стронций, гафний и тантал) и редкоземельных (скандий, лантан, церий, самарий, европий, тербий, иттербий и лютеций) элементов в малых навесках и в твердой фазе определяется инструментальным нейтронно-активационным анализом (ИНАА).

Анализ практически всех компонентов в жидкой фазе и растениях выполняется атомно-абсорбционным и потенциометрическими методами.

Атомно-эмиссионным методом с индуктивно связанной плазмой (АЭ ИСП) определяется широкий спектр элементов: бор, литий, никель, хром, медь, ваналий, марганец, цинк, бериллий, ниобий, барий, цирконий и сурьма в твердой и жидкой фазе.

Атомно-абсорбционным методом с электротермической атомизацией (АА ЭТА) проводят определение компонентов (свинец, кадмий, кобальт, таллий, мышьяк и селен) в жидкой и твердой фазе.

Проверка качества лабораторных исследований проводится по результатам внутрилабораторного и внешнего контроля. Отобранные в поле при контрольном опробовании (3-5% от общего количества) пробы чаще анализируются в основной лаборатории.

Научным советом по аналитическим методам (НСАМ) подготовлен перечень существующих ГОСТов, ОСТов, отраслевых методик и методик предприятия, пригодных для определения вредных компонентов при геологических и геоэкологических исследованиях (приложение 2).

Основная терминология на английском языке

Абсорбция -Absorption

Адсорбция -Adsorption

Качество окружающей среды -Quality of the environment

Контроль за окружающей средой -Environmental control

Чувствительность -Sensitiveness

Элемент радиоактивный -Radioactive element, radioelement

Эмиссия -Emission

Явление -Phenomenon, effect, event