Экологическая геофизика - это научно-прикладной раздел геофизики, предназначенный для решения разнообразных экологических задач и дающий объективную физическую информацию для различных дисциплин экологического профиля.
Постановкой на первом месте определения "экологическая" подчеркивается прикладной экологический характер этого раздела геофизики, поскольку все традиционные геофизические методы и направления исследований затрагивают экологические проблемы и давно применяются для решения геоэкологических и экологических задач. Экологическая геофизика как "инструмент" для решения экологических задач может рассматриваться в качестве прикладной дисциплины новой фундаментальной науки - геофизики биотехносферы (геофизической экологии), ориентированной на изучение влияния физических полей на экосистемы Земли.
Возникнув как научная дисциплина о среде обитания живых организмов, экология долгие годы являлась разделом биологии, изучающим взаимоотношения живой и неживой природы, биоты и окружающей среды. В настоящее время подобную классическую экологию называют биоэкологией. В последние десятилетия XX в. идет интенсивная экологизация других естественных и гуманитарных наук и создаются экологическая химия, физика, геология, геофизика и др. Поэтому в современном понимании фундаментальная экология становится системой наук, изучающих общие законы функционирования экосистем как в природных условиях, так и в условиях интенсивного техногенного и антропогенного воздействия в процессе хозяйственной деятельности человека. Таким образом, экология становится наукой о взаимоотношениях природы и общества.
Создание новых научно-прикладных экологических дисциплин не случайность и не дань моде. Это объективная потребность в разработке междисциплинарных теоретических и практических экологических проблем, необходимых для выживания
5
биосферы в условиях всевозрастающей техногенной нагрузки. Особое место при этом занимает геофизика как наука, исследующая Землю, околоземное пространство и гидролитосферу путем изучения разнообразных естественных и искусственных физических полей. Они могут быть неуправляемыми, т.е. возникающими вследствие природных процессов или техногенной деятельности людей, и управляемыми. Последние специально создаются для изучения оболочек Земли, поисков и разведки полезных ископаемых, решения разнообразных задач геологии, географии, экологии.
Экологические проблемы давно являются предметом исследований общей, или фундаментальной, геофизики, состоящей из физики Земли, геофизики атмосферы, литосферы, гидросферы. Примером может служить изучение землетрясений, медленных подъемов и опусканий суши, имеющее важное значение в экологической геодинамике. Другой пример - изучение периодических изменений солнечной активности и магнитных бурь. Это приводит к вариациям (изменению во времени и пространстве электромагнитных полей Земли), что оказывает влияние на технические системы (ухудшение космической, радио- и кабельной связи, нагрев и самопроизвольное выключение энергетических сетей, увеличение коррозии трубопроводов) и ухудшает здоровье людей. Особенно высокая солнечная активность характерна для 23-го цикла (1998 - 2002 гг.) с начала наблюдений пятен на Солнце. В эти годы циклы солнечной активности разных периодов (11-, 22-, 60-летний и др.) накладываются, что увеличивает общую интенсивность пространственно-временных вариаций естественного электромагнитного поля Земли как первичного, так и вторичного (атмосферного) космического и земного происхождения.
Среди направлений прикладной геофизики (регионального, разведочного, инженерного) наиболее близка к экологической инженерная геофизика. В ней давно разрабатываются проблемы эндогенных (внутренних) и экзогенных (внешних), медленных и катастрофических природных геодинамических процессов (сейсмичность, выветривание, оползни, обвалы и т.п.), антропогенно-техногенных проявлений, (взрывов, аварий, техногенного загрязнения и т.д.), загрязнения геологической среды вещественного (химического), например отходами промышленного, городского и сельского хозяйства, или энергетического (физического), например за счет роста интенсивности акустических (шумовых), электромагнитных, тепловых, ядерных полей, влияющих на здоровье людей.
Особенностью геофизических исследований является возможность реализации принципов томографии, т.е. изучения пространственного
6
строения массивов Земли по трем координатам и изменения состояния его во времени путем проведения периодически повторяемых космических, атмосферных, наземных, аквальных и подземно-скважинных наблюдений. Это особенно ценно для организации геофизического мониторинга, т.е. слежения, оценки и прогнозирования природно-техногенных процессов по изменениям связанных с ними физических полей. В результате создается возможность предсказывать катастрофические или медленные негативные процессы, что необходимо для принятия управленческих решений.
Экологическая геофизика отличается возможностью проведения быстрого, точного, объективного, недорогого, часто косвенного изучения строения верхней части геологического разреза (ВЧР) в условиях сильного техногенного воздействия. Введенное геофизиками понятие ВЧР эквивалентно экологическому определению "природно-техногенная система" (ПТС). Элементами ПТС являются как природные геологические объекты (горные породы, подземные воды, газы, биота, отдельные геологические тела, элементы тектоники, естественные физические поля и др.), так и элементы, возникающие в результате техногенеза (искусственные тела, техногенно измененные горные породы и воды, техногенные физические поля и др.). Поэтому задачей геофизических исследований ВЧР в условиях техногенеза является изучение с помощью геофизических методов природных геологических элементов, определяющих устойчивость к антропогенным воздействиям; техногенных инженерно-геологических процессов; воздействия природных и техногенных физических полей на геологическую среду и биоту.
Следует отметить, что природные геофизические и техногенные физические поля могут или просто складываться по принципу суперпозиции - линейная связь, или сложно взаимодействовать - нелинейные связи. Последние могут возникнуть, когда техногенные физические поля сравнимы с природными геофизическими по интенсивности и охватывают значительные объемы пространства, а геолого-геофизическое строение района неоднородно, геофизически нестабильно. В этом случае суммарные природно-техногенные поля можно назвать геофизическими, подчеркивая этим то, что техногенные физические поля как-то преобразованы литосферой, что приводит к усложнению суммарного поля.
Кстати, воздействие самих физических полей на биоту может оцениваться интенсивностью экофизических или экогеофизических аномалий. Под экофизическими аномалиями можно понимать аномалии природного и техногенного происхождения, оказывающие
7
значимое воздействие на экосистемы, биоту, здоровье людей. Под экогеофизическими аномалиями можно понимать лишь те геофизические аномалии, которые формируются с участием литосферы и трансформируются ею.
Особые трудности возникают при изучении ВЧР городских и промышленных (так называемых урбанизированных) территорий. К ним относятся резкая пространственная неоднородность геологической среды, изменение физических свойств горных пород, почв и грунтов в пространстве и во времени. Указанные трудности усугубляются неблагоприятными условиями измерений физико-химических полей вследствие застройки территорий, наличия асфальтового покрытия, сильных промышленных помех и др. Практика геофизических исследований на урбанизированных территориях показывает, что применение традиционных методик часто оказывается малоэффективным. Информативность изучения ВЧР при решении геоэкологических задач может быть резко увеличена с помощью новых геофизических технологий, использующих приемы комплексирования дистанционных, наземных, аквальных и скважинных методов.
Формирование целевых экологических геофизических комплексов должно опираться на априорные представления об объектах и задачах исследований, реализованных в соответствующих физико-геологических моделях (ФГМ). Так, при решении задач геоэкологического картирования построение ФГМ сопряжено с необходимостью получения независимых данных о геологическом и инженерно-геологическом строении объекта, в том числе об изменчивости палеорельефа, фациального состава верхней части разреза, фильтрационных свойств пород, о наличии разрывных нарушений и ослабленных зон и др. Все указанные факторы в совокупности определяют устойчивость геологической среды по отношению к различным видам геодинамического, вещественного и энергетического загрязнений. Они обусловливают синергетическое (совместное) воздействие разнородных природных и техногенных факторов (напряженное состояние массивов пород; динамика подземных вод; приливные деформации литосферы; влияние удаленных очагов землетрясений, локальных вибрационных, гравитационных, электромагнитных и термических полей).
Для экологических целей может применяться множество методов геофизики (гравимагнитные, электромагнитные, сейсмоакустические, тепловые, ядерные). При этом следует либо специально проводить экогеофизические работы, либо осуществлять экологическую переинтерпретацию данных других направлений прикладной геофизики (глубинной, региональной, разведочной, инженерной).
8
Экологическая геофизика - новое, находящееся в стадии становления направление геофизики, по которому практически нет учебников. Предлагаемая работа является попыткой восполнить этот пробел. Вместе с тем авторы претендуют на известную универсальность своей работы, включив в нее краткие основы методов геофизических исследований, используемых в фундаментальной и прикладной геофизике. Поэтому книга может служить учебным пособием как по экологической геофизике, так и по основам прикладной геофизики для студентов вузов, обучающихся по образовательным программам геологических, геофизических, почвенных, экологических и других естественно-научных специальностей и специализаций, связанных с решением экологических проблем.
9
