ЭКОЛОГО-ГЕОФИЗИЧЕСКОЕ
РАЙОНИРОВАНИЕ И КАРТИРОВАНИЕ
ТЕРРИТОРИЙ

В геологических науках (геологии, инженерной геологии, геохимии, геофизике) в понятия районирование и картирование территорий вкладывается различное содержание. Так, например, в инженерной геологии районирование рассматривается как разделение территории на совокупность элементов, обладающих общими признаками, систематика этих элементов, их картирование и описание (Королев, 1995; Теория и методология..., 1997). Таким образом, картирование (получение конкретных данных для составления отдельных карт) может быть составной частью районирования. В ряде практических эколого-геофизических задач картирование играет самостоятельную роль (например, при изучении различных видов загрязнения геологической среды).

6.1. Эколого-геофизическое районирование

Эколого-геофизическое районирование территорий осуществляется в целях получения представлений о пространственном развитии неблагоприятных природных и техногенных геологических процессов, а также для оценки их влияния на состояние литосферного пространства экосистемы, биоту и человека. Изучение этих процессов, как правило, сопряжено с необходимостью получения независимых данных о геологическом, инженерно-геологическом и гидрогеологическом строении изучаемой территории, в том числе об изменчивости палеорельефа, фациального состава верхней части разреза и фильтрационных свойств пород, о наличии разрывных нарушений и ослабленных зон и др. Все указанные факторы в совокупности определяют устойчивость литосферного пространства по отношению к различным видам воздействия разнородных природных и техногенных факторов (напряженное состояние массивов пород, динамика подземных вод, приливные деформации литосферы, влияние удаленных

151

очагов землетрясений, локальных вибрационных, гравитационных, электромагнитных и термических полей) на состояние экосистем и биоты.

При выполнении эколого-геофизического районирования, как правило, решается оптимальная совокупность эколого-геологических задач, важнейшими из которых являются:

• - районирование территории по типам геологического разреза, особенностям палеорельефа, гидрогеологическим и сейсмотектоническим условиям;
• - районирование территории по степени защищенности литосферы от техногенного воздействия, в том числе выявление ослабленных, разуплотненных, проницаемых участков, гидрогеологических "окон", активных динамических зон;
• - выявление и прогнозирование общих закономерностей распространения по площади и интенсивности протекания экзогенных природных и техногенных физико-геологических процессов;
• - выделение очагов загрязнения геологической среды и прогнозирование развития неблагоприятных техногенных процессов.

Эколого-геофизическое районирование сводится к моделированию изучаемой территории (региона, локального объекта), т.е. к представлению сложной природно-техногенной системы (ПТС) простыми геолого-геофизическими объектами. В качестве основных компонентов ПТС выступают изменяющаяся под влиянием техногенного воздействия верхняя часть литосферы и агенты техногенного воздействия (физические поля). ПТС имеет сложную иерархическую структуру, определяющую особенности взаимосвязей отдельных ее компонентов.

Наиболее общую модель (М) любой урбанизированной территории, в пределах которой верхняя часть литосферы испытывает длительные техногенные нагрузки, можно представить в виде трехкомпонентной модели:

M = M₁ + M₂ + M₃(t).

Первый компонент (М₁) отображает совокупность природных условий, определяющих особенности строения литосферного пространства без учета техногенной нагрузки; второй (М₂) - устойчивые региональные изменения литосферы, происшедшие в результате длительного техногенного воздействия. Наконец, компонент M₃(t) описывает локальные изменения геологической среды, происходящие под действием переменной техногенной

152

нагрузки (влияние сооружений, эксплуатируемых предприятий, транспорта, различных видов загрязнения). Первые две составляющие можно считать постоянными, третью - переменной.

При выполнении эколого-геофизического районирования приведенная аддитивная модель (М) позволяет представить отдельные элементы и особенности структуры ПТС совокупностью геологических и геофизических полей и параметров, отображающей реальные геоэкологические, гидрогеологические, инженерно-геологические условия изучаемой территории (региона, локального объекта). Моделирование осуществляется путем последовательного построения и анализа мелко-, средне- и крупномасштабных физико-геоэкологических и физико-геологических моделей (ФГЭМ, ФГМ). Их назначение состоит в представлении геологических объектов ограниченным числом информативных геолого-геофизических параметров, позволяющих создавать эталоны для выделения однотипных эколого-геологических ситуаций. Модели могут быть региональными и детальными, площадными и линейными. Их можно представлять в виде таблиц, диаграмм, разрезов и схем.

Модели создаются по данным дистанционных, наземных и подземных (в основном скважинных) наблюдений. Используются материалы, полученные в пределах изучаемой территории при решении геоэкологических, инженерно-геологических и гидрогеологических задач, поисков месторождений полезных ископаемых и др. (см. разд. 5.2 и 5.4). Как правило, эти данные являются разнометодными, разномасштабными и характеризуются различной точностью, поэтому их отбор, систематизация и группирование в зависимости от масштаба и цели исследования требуют единого методологического подхода. Особенно важен в этом отношении учет так называемого масштабного фактора, определяющего зависимость величин измеряемых геофизических параметров от размеров применяемых установок или частоты используемого физического поля. Не менее существенна дискретность измерений (шаг наблюдений) в пространстве, определяющая детальность изучения объекта. При необходимости сопоставления данных, полученных на соседних участках различными методами, в различных масштабах и с различной точностью, требуется специальная статистическая обработка, принципы которой изложены в литературе (Никитин, 1986; Огильви, 1990). Наиболее перспективным в этом отношении представляется использование упоминавшихся в разд. 5.4 методов интегрированного системного анализа. Последовательность его применения дается в табл. 6.1.

При иерархическом представлении ПТС на уровнях космос-воздух-земля-скважина достигается своя степень генерализации

153

154

(обобщения) природных и техногенно измененных литосферных объектов, различающихся по геометрическим параметрам и особенностям отражения их в физических полях и эколого-геологических параметрах. Так, на уровне космических исследований изучаются особенности регионального геологического и тектонического строения территории, выделяются крупные морфоструктуры и элементы разломно-блоковой тектоники в масштабах 1:500 000 - 1:200 000 (модели М, M₁). На уровне аэрогеофизических исследований согласно условиям съемки при масштабах 1:50 000 - 1:25 000 выявляются морфоструктуры и разломы второго порядка, оценивается литологическая однородность пород, характеризуются гидрогеологические особенности территории (модели M₁, M₂). На уровне наземных геолого-геофизических исследований в масштабах от 1:25 000 до 1:5 000 осуществляется подтверждение и эколого-геологическое истолкование данных дистанционных исследований, а также получение новой информации об изучаемых эколого-геологических объектах. Анализ наземной геолого-геофизической информации служит основой для построения ФГМ и ФГЭМ, отражающих детали геологического и гидрогеологического строения изучаемой территории, развитие физико-геологических процессов, экологически опасного техногенного загрязнения литосферного пространства (модели M₂ и M₃(t)). На уровне скважинных исследований геолого-геофизическая информация дает сведения о пространственной структуре массивов горных пород (литосферного пространства), составе и физических свойствах пород и подземных вод. На основе этих данных устанавливаются корреляционные зависимости между геофизическими, геологическими, экологическими параметрами, оцениваются локальные особенности техногенного воздействия на экосистемы (модель M₃(t)).

Таким образом, многоуровневые исследования дают возможность направленно выявить и описать многообразные связи между элементами геосистемы различных иерархических рангов, определяющие особенности пространственного строения, свойств и состояний литосферы в различных масштабах, а также раздельно оценить и природную и техногенную составляющие геосистемы.

В качестве примера эколого-геофизического районирования урбанизированной территории можно привести исследования Московского региона, выполненные в трех масштабах: мелком, среднем и крупном (табл. 6.1).

При мелкомасштабных исследованиях геосистема изучалась на высшем иерархическом уровне - уровне компонентов (наиболее крупных элементов геосистемы). Объектами изучения являлись

155

крупные структурные единицы - региональные разломы, области поднятий и опусканий кровли карбонатных пород, региональные водоупоры. Среднемасштабные исследования определялись на уровне подсистем. В качестве объектов этих исследований выступали участки древних долин, водораздельных пространств, следы ледникового выпахивания и другие особенности погребенного рельефа. Наконец, в крупном масштабе изучались элементы геосистемы: фрагменты древних долин, их сочетания в пространстве, детали геолого-гидрогеологического строения надкарбонатной и карбонатной толщ, мощность коры выветривания, участки карстово-суффозионных (связанных с вымывом заполнителя из карстовых полостей) провалов.

При мелкомасштабном районировании территории в качестве исходной информации использовались данные дешифрирования дистанционных спектрозональных съемок в масштабах 1:2 500 000 и 1:1 000 000, гравитационной съемки в масштабе 1:1 000 000, а также геологические, гидрогеологические и инженерно-геологические карты масштаба 1:200 000. Осуществлялся последовательный анализ проявленности объектов, выделенных по данным дешифрирования аэрокосмической информации в геолого-геофизических материалах, характеризующих различные глубины исследования. Поскольку площадная разрешающая способность дистанционных методов значительно выше, чем у геолого-геофизических съемок того же масштаба, осуществлялась предварительная фильтрация исходных данных с выделением региональных и локальных составляющих. В результате многоуровневого анализа разноглубинной геолого-геофизической информации были построены мелкомасштабные ФГМ, параметры которых отображали особенности природной инженерно-геологической и гидрогеологической обстановки изучаемой территории (модель М₁). В частности, были выделены крупные тектонические структуры и приуроченные к ним области поднятий и опусканий кровли карбонатных пород; прослежены области резкого изменения мощности юрских глин - основного регионального водоупора, обеспечивающего защищенность подземных вод от загрязнения; определены зоны развития древних долин и приуроченных к ним локальных геофизических аномалий, представляющих потенциальную опасность для развития экзогенных геологических процессов.

При среднемасштабном районировании использовались данные наземных геофизических наблюдений в масштабе 1:50 000 (преимущественно электроразведки и сейсморазведки) и данные бурения. В качестве дополнительной информации привлекались результаты дешифрирования дистанционных методов (фото-, тепло-

156

Рис. 6.1. Физико-геологические модели, используемые при среднемасштабном эколого-геофизическом районировании территории (Московский регион) (Кузнецов и др., 1995):
I - доюрские долины; II - плейстоценовые долины; III - участки ледникового выпахивания; IV - участки малоамплитудных тектонических нарушений; V - участки отрицательных морфоструктур; VI - участки положительных морфоструктур; 1 - суглинки с гравием и песком; 2 - глины с прослоями песка; 3 - песчаники с валунами; 4 - глины; 5 - известняки; 6 - разрушенные известняки; 7 - местоположение линеаментов; 8 - значения удельных электрических сопротивлений в Ом · м

и многозональные съемки). Комплексный анализ геолого-геофизической информации осуществлялся путем последовательного сопоставления данных сверху вниз - от дешифровочных признаков к особенностям рельефа и к маркирующим геологическим горизонтам, залегающим на разных глубинах. Построение среднемасштабных ФГМ (модели М₂) осуществлялось на основе геолого-геофизических признаков, отражающих историю развития и унаследованность рельефа. При этом были выделены типы моделей, соответствующие основным элементам современного

157

и древнего рельефа, тектоническим особенностям территории (рис. 6.1).

Крупномасштабное (1:10 000) эколого-геофизическое районирование выполнялось в пределах городской территории. Оно имело целью выявление особенностей природной и техногенно-измененной геологической обстановки и неблагоприятных факторов, влияющих на развитие карстово-суффозионных процессов. Основные закономерности развития этих процессов на территории северо-запада г. Москвы сводятся к следующему:

• - карстово-суффозионные процессы приурочены к участкам пересечения древних погребенных долин доюрского и доледникового размывов;
• - на участках проявления карстово-суффозионных процессов наблюдается максимальная закарстованность каменноугольных карбонатных пород;
• - непосредственное влияние на карстово-суффозионные процессы оказывает наличие или отсутствие разделяющих водоупоров между водоносными горизонтами закарстованных толщ и рыхлыми перекрывающими отложениями, а также мощность водоупоров.

При выполнении районирования использовались результаты бурения, данные комплекса геофизических исследований скважин (ГИС) (преимущественно параметры кажущегося сопротивления (КС) и гамма-каротажа (ГК)), а также (частично) результаты комплексной переинтерпретации данных наземной и аквальной электроразведки (см. табл. 4.1). Выбор параметров крупномасштабных ФГМ (модели М₂ и М₃(t)) осуществлялся на основе многомерного статистического анализа таких геолого-геофизических данных (числовых признаков), как интенсивность вертикальной фильтрации, коэффициент разрушенности верхней части карбонатного массива, мощность юрских глин, абсолютные отметки кровли карбона, эффективная продольная проводимость S_эф, эффективное поперечное сопротивление Т_эф, коэффициент глинистости К_г надкарбонатной толщи.

Районирование осуществлялось путем анализа, группирования и классификации признаков на основе пространственного совпадения с априорными данными, в качестве которых использовались схемы дешифрирования топографических карт и материалы дистанционных съемок. В результате вычислений были получены так называемые кластерные карты (карты групп признаков), которые позволили выявить особенности пространственного распространения эколого-геологических факторов, предопределяющих возникновение и интенсификацию карстово-суффозионных процессов (Кузнецов и др., 1995).

158