6.3.2. Однометодное эколого-геофизическое картирование техногенного загрязнения. При выполнении эколого-геофизического картирования используются, как правило, геофизические методы с различной физической основой, хорошо известные и апробированные при решении задач геологического картирования, изучении инженерно-геологических, гидрогеологических объектов, а также технических сооружений (см. гл. 4). Ниже дается краткая

162

характеристика использования геофизических методов для картирования отдельных видов техногенного физического загрязнения верхней части литосферы, оценки его воздействия на геологическую среду и влияния на биоту и живые организмы.

Радиационное картирование. Картирование радиационного загрязнения проводится с помощью спектрометрической (аэро-, авто- и пешеходной) гамма-съемки (см. разд. 4.3, 4.4). Гамма-съемка служит для выявления очагов радиационной опасности, оценки уровня радиационного загрязнения, радиационного обследования и контроля урбанизированных территорий. Спектрометрическая гамма-съемка выполняется в разных масштабах: воздушная - 1:50 000 - 1:25 000, автомобильная - 1:25 000 - 1:10 000, пешеходная гамма-съемка - 1:10 000 - 1:2 000. Для изучения радонового загрязнения в подземных выработках, промышленных и жилых помещениях используется эманационная съемка.

Спектрометрическая гамма-съемка, выполняемая с самолета или вертолета, позволяет быстро обследовать значительные территории, устанавливать особенности пространственного загрязнения радионуклидами и получать данные для последующей детализации наблюдений. Иллюстрацией эффективности такой съемки может служить приводимый Г.С. Вахромеевым (1995) пример ее применения для изучения уровня радиоактивного заражения территории, примыкающей к Чернобыльской АЭС (май, 1986 г.). На рис. 3.8 была представлена карта распределения общей радиоактивности, на которой центр радиоактивной аномалии с уровнем более 50 мР/ч смещен к северу-западу по отношению к Чернобылю. Контур аномалии несколько вытянут; наибольшее распространение радиоактивного загрязнения имеет место в северном и западном направлениях, несколько меньшее - в южном. Результаты экспериментальных измерений хорошо совпадают с данными модельных расчетов уровня радиоактивного загрязнения территории, в которых учитывалась скорость переноса радиоактивных частиц, направление и скорость ветра.

При экологических обследованиях урбанизированных территорий аэрогаммаспектрометрическую съемку выполняют обычно вместе с другими видами аэросъемок, чтобы наиболее полно выявить природу техногенного загрязнения.

Автомобильная спектрометрическая гамма-съемка выполняется по профилям вдоль автомагистралей, проходящих через урбанизированные территории, а также на улицах городов, в промышленных зонах, в жилых массивах, зонах отдыха. Плотность сети наблюдений и скорость движения автогаммаспектрометрической станции задается в соответствии с выбранным масштабом

163

съемки. Так, скорость движения во дворах и переулках составляет 4 - 5 км/ч, на автодорогах - 10 - 15 км/ч. При обнаружении повышенного уровня радиоактивности производится контрольный заезд со скоростью до 5 км/ч для детализации выявленной аномалии. До начала и после окончания съемки выполняются измерения на эталонном профиле для контроля стабильности работы аппаратуры и учета изменения радиоактивного фона. Как правило, автомобильная гамма-съемка позволяет выявить аномалии, связанные с радиоактивным загрязнением поверхностного слоя, с повышенным содержанием радиоактивных элементов в строительных и дорожных материалах (щебень, шлак, гранитный цоколь зданий и т.п.), с работой промышленных физических установок.

Пешеходная гамма-съемка выполняется в целях детализации радиоактивных аномалий, выявленных аэро- и автогаммаспектрометрическими работами, а также для поисков локальных источников радиоактивного загрязнения. Измерения ведут по предварительно намеченным на рабочей схеме профилям и пунктам фиксированных наблюдений (Вахромеев, 1995). Обследованию подлежат отдельные объекты между профилями с повышенной вероятностью радиоактивного загрязнения: ямы, канавы, кучи мусора и т.п. Жилые и хозяйственные постройки инспектируются по периметру и вдоль стен на высоте 0,5 м. Кроме детализации каждой выявленной аномалии производятся: количественная оценка ее параметров, определение природы радиоактивного загрязнения, уточнение местоположения объектов загрязнения, составление детальных карт для планирования работ по дезактивации и контроля в процессе ликвидации радиоактивного объекта. Информация о радиоактивных аномалиях с мощностью эффективной дозы гамма-излучения более 60 мкР/ч доводится до сведения местной и областной администрации.

При изучении радонового загрязнения горных выработок, промышленных и жилых помещений используются различные методы оценки концентрации радона. Весьма часто для этой цели применяют эманометры, реализующие активный пробоотбор с измерительными ионизационными камерами большого объема либо использующие эффект сорбции радона и накопления дочерних продуктов на аэрозольных фильтрах (см. разд. 4.2).

Электромагнитное картирование. Методы электромагнитного картирования различных видов техногенного загрязнения применяются в том случае, когда воздействие загрязнения приводит к изменению электрических свойств горных пород или техногенных объектов, подвергающихся этому воздействию. При необходимости картирования загрязнения вдоль отдельных профилей

164

Рис. 6.3. Пространственное геоэлектрическое картирование химического и теплового загрязнения в массиве мерзлых пород:
а - разрез; б - план; I - V1 - профили наблюдений; 1 - деятельный слой; 2 - мерзлые породы; 3 - талые проницаемые породы; 4 - направление движения воды; 5 - водоупор; 6 и 7 - изолинии сопротивлений в Ом · м в естественных условиях и после закачки отходов; 8 - точки ВЭЗ

или по площади примерно на одной и той же глубине для выделения экологически опасных локальных объектов используются методы электромагнитного профилирования (ЭМП): естественного электрического поля (ЕП); кажущихся сопротивлений (ЭП), вызванной поляризации (ЭП-ВП); переменного естественного электромагнитного поля (ПЕЭП); индукционного (ДК, ДИП); радиоволнового (РВП) и сверхвысокочастотного (РТС, РЛС) профилирования, а также метод изучения электромагнитной эмиссии (ЭМЭ) (см. п. 4.3.2).

При необходимости выполнения пространственного картирования параметров загрязнения на различных глубинах используются методы электромагнитного зондирования на постоянном (ВЭЗ, ВЭЗ-ВП, ДЭЗ) и на переменном (ЧЗ, ЗСБ) токе, радиоволновые (РВЗ), сверхвысокочастотные (РЛЗ, геолокация) (см. разд. 4.4). Большинство названных методов электроразведки применяются в наземном, аквальном и скважинном вариантах; методы радиоволнового и сверхвысокочастотного профилирования и зондирования используются также при исследованиях с воздушных носителей.

Масштабы электромагнитного картирования в зависимости от поставленных задач меняются в широких пределах. Как правило, при среднемасштабных съемках исследования выполняются по отдельным профилям, заданным вдоль и поперек объектов загрязнения; при крупномасштабных и детальных съемках часто используется регулярная сеть наблюдений (по системе параллельных профилей).

165

В качестве примера детального пространственного картирования техногенного загрязнения приведем результаты электрометрических работ, выполненных в районе одного из крупных промышленных объектов в Северо-Восточной Сибири. Задачей исследований являлась оценка параметров загрязнения и изменения мерзлотных условий на участке захоронения жидких сильноминерализованных отходов производства, которые закачивались в скважины, пробуренные до подмерзлотного водоносного горизонта (рис. 6.3). Так как закачиваемые отходы имели положительную температуру, можно было ожидать протаивания мерзлых пород вблизи буровых скважин (деградации мерзлоты) и, следовательно, значительного понижения их удельных электрических сопротивлений. Попадание же высокоминерализованных отходов в пресные подмерзлотные воды должно было привести к заметному увеличению их проводимости, что также обусловливало общее снижение сопротивления массива мерзлых пород. Действительно, по результатам электрических зондирований, выполненных на участке захоронения до и во время закачки отходов, удалось получить представление о распространении загрязнения по характеру деградации мерзлотного слоя в плане и в разрезе. На приводимых картах, снятых для одного из разносов питающей линии АВ, зона деградации мерзлоты выделяется пониженными по сравнению с ненарушенными условиями значениями удельного электрического сопротивления (до 100 - 200 Ом · м). Аномалия эта особенно велика вблизи скважин и вытянута в сторону направления фильтрации подмерзлотных вод, загрязненных более минерализованными и теплыми отходами производства.

Гравимагнитное картирование. Эффективность геомагнитных и гравиметрических съемок (см. п. 4.2.1) для геоэкологических исследований урбанизированных территорий связана с тем, что геохимическое загрязнение почв и грунтов отходами промышленного производства ("хвосты" (остатки) химических и горнорудных технологических процессов, отвалы угольных шахт, промышленные свалки, отходы сельского хозяйства, солевое загрязнение) часто сопровождается изменением их магнитной восприимчивости (см. разд. 4.1). Детальные магнитные съемки (в том числе аэромагнитная, аквальная (гидромагнитная), микромагнитная и каппаметрия) могут использоваться для изучения пространственных параметров такого загрязнения. Так, например, пыль, выбрасываемая в воздушный бассейн металлургическими комбинатами и ТЭЦ, содержит от 30 до 70% ферромагнитных материалов, что приводит к образованию зон повышенной магнитной восприимчивости почв и осадков на акваториях. По данным

166

рада исследователей, методы каппаметрии образцов, отобранных по предварительно рассчитанной сети пробоотбора, позволяют картировать зоны техногенного загрязнения почв и осадков ферромагнитными материалами, в том числе тяжелыми металлами. В настоящее время предложен рад методик, основанных на измерении магнитной восприимчивости почвогрунтов или твердого остатка снега (по данным отбора проб снежного покрова с различных участков изучаемой территории). По наблюдениям, проведенным в районах Кузбасса, было установлено, что среднее значение магнитной восприимчивости проб, отобранных на территориях, загрязненных процессами угледобычи и транспортировки угля, составляет 126 · 10^-6 ед. СГС, в то время как на относительно "чистых" территориях средний уровень этой величины не превышает 22 · 10^-6 ед. СГС. Была установлена тесная положительная корреляционная связь между содержанием тяжелых металлов в пробах и их магнитной восприимчивостью.

Интересные сведения о применении геомагнитных съемок на акваториях прибрежных морей и глубоководных районов Мирового океана приводятся А.М. Городницким. Так, решение важнейшей экологической задачи - обнаружение на дне морей затопленных судов первой и второй мировых войн, содержащих боеприпасы с отравляющими и взрывоопасными веществами, - стало возможным с развитием градиентометрического способа высокоточных геомагнитных измерений. Опыт работы в Баренцевом, Норвежском, Северном и Черном морях показал, что регистрация короткопериодных магнитных аномалий величиной в единицы нанотесла позволяет уверенно находить затонувшие суда, баржи, самолеты и другие локальные техногенные объекты, представляющие экологическую опасность.

Применение гравиметрических съемок различных масштабов - от среднемасштабных и крупномасштабных до детальных - для картирования техногенного загрязнения геологической среды обусловлено изменением плотностных свойств горных пород при техногенном воздействии. В зависимости от масштаба исследований применяются дистанционные, наземные, аквальные, подземные, скважинные технологии гравиметрических наблюдений. Особенно эффективны данные детальных (так называемых микрогравиметрических) съемок, осуществляемых с высокой точностью наблюдений. Результаты микрогравиметрических съемок дают возможность изучать узколокальные плотностные неоднородности, ослабленные зоны, скопления продуктов загрязнения и другие потенциально опасные в экологическом отношении объекты исследования.

167

Примером успешного применения микрогравиметрии при изучении указанных объектов могут служить многочисленные работы, связанные с изучением экологически опасных карстово-суффозионных процессов и зон разуплотнения в г. Москве и в Подмосковье (Кузнецов и др., 1995). Так, например, детальная микрогравиметрическая съемка, выполненная по сети профилей на северо-западе Москвы, в центре города (Красная площадь, Боровицкая площадь, Никитские ворота, Казанский вокзал и др.), дала возможность выделить узколокальные (диаметром до 5 - 10 м) аномалии, связанные с подготовкой и образованием провальных карстовых воронок, с зонами техногенного разуплотнения пород, образовавшимися на месте фундаментов древних строений и подземных сооружений. Локальными отрицательными гравитационными аномалиями отмечались также погребенные скопления строительного мусора, древние свалки и др. Несмотря на то что аномалии гравитационного поля над указанными объектами не превышали 50 мкГал, чувствительная аппаратура (гравиметры типа ГАГ-3М) и специальные приемы наблюдений позволили получить достоверные результаты, подтвержденные бурением, ремонтными и укрепительными работами.

Сейсмическое, сейсмоакустическое и вибрационное картирование. Одной из важных проблем экологической геофизики и геофизики катастроф является оценка сейсмической опасности (см. п. 4.4.1). Для картирования факторов, определяющих сейсмическую опасность, можно использовать естественные и искусственные сейсмоакустические поля. Основанные на них методы сейсмологии, сейсморазведки и сейсмоакустики позволяют получать материалы для составления карт региональной сейсмической балльности и локального прироста балльности.

Упругие свойства и состояния массивов горных пород изучаются в горных выработках, скважинах и межскважинном пространстве с помощью сейсмоакустических методов (см. п. 4.4.6). По характеру затухания упругих волн и уменьшению их скоростей можно выделять неоднородности, создающие акустические тени или отличающиеся по акустической жесткости (Огильви, 1990). Применение межскважинного акустического просвечивания массивов скальных пород (МП) оказалось весьма эффективным для оценки их пригодности в качестве коллекторов - хранилищ отходов промышленного производства, представляющих большую экологическую опасность.

Метод акустической эмиссии (АЭ) применяется для выделения зон катастрофических изменений напряженного состояния массивов горных пород. При этом регистрируются естественные

168

акустические шумы в широком диапазоне частот (от долей до десятков герц при землетрясениях, от единиц до сотен килогерц при разрушении малых объемов пород), появление которых связано с интенсивным микроразрушением пород и образованием микротрещин. Изучение периодичности, энергетического и частотного спектров акустических шумов позволяет оценивать их воздействие на биоту, что представляет особый интерес, так как, по последним данным, процессы образования микротрещин массивов горных пород приводят к существенной перестройке жизнедеятельности хемотрофных (использующих энергию химических реакций) микроорганизмов, обитающих в различных слоях литосферы, участвующих в круговороте веществ и превращениях энергии и влияющих на состояние подземной гидросферы.

Вибрационное картирование предполагает получение информации о пространственном распределении, уровне, основных параметрах виброколебаний, а также о неблагоприятном или опасном воздействии вибрации на состояние массивов горных пород, инженерные сооружения и биоту. Пространственное распределение вибрационных полей изучается при районировании урбанизированных территорий и особенно при оценке вибрационной опасности, создаваемой конкретными техногенными источниками. В связи с тем, что наиболее неблагоприятное воздействие на человека оказывает вибрация в диапазоне частот 1 - 30 Гц, при медико-санитарном картировании вибрационной опасности используется аппаратура (измерители уровня, частоты и скорости вибрации и виброускорения), позволяющая выявить вибрационные аномалии именно на данных частотах. При этом учитывается, что резонансные частоты отдельных частей организма человека различны и меняются от 2 - 8 до 12 - 27 Гц. Так как влияние вибрации на организм зависит от продолжительности воздействия и его периодичности, картирование источников вибрационной опасности часто осуществляется путем многократных повторных наблюдений по закрепленным профилям.

Результаты картирования вибрационного загрязнения могут представляться иногда в виде интегральных оценок ощущений, испытываемых человеком при вибрационном воздействии. При этом выделятся несколько градаций восприятия вибраций - от неощутимой и слабо ощутимой до неприятной при длительном и неприятной при кратковременном воздействии (Вахромеев, 1995).

Тепловое картирование. При картировании теплового загрязнения изучаются техногенные тепловые поля, которые регистрируются

169

Рис. 6.4. Результаты тепловой инфракрасной съемки при изучении теплового загрязнения городской территории (г. Москва) (Аэрогеофизические и геолого-геофизические исследования..., 1996):
1 - жилые дома и строения промзоны; 2 - поверхностный сток загрязнений в реку; 3 - 5 - тепловые техногенные аномалии возрастающей интенсивности

на дневной поверхности, во внутренних точках литосферного пространства, на дне морей, озер, рек и водохранилищ (см. п. 3.2.3). При исследованиях температуры земной поверхности и приповерхностных частей литосферы широко используются дистанционные методы; радиотепловые (РТС) и инфракрасные (ИК, ТИКАС, ТАС) съемки, осуществляемые с космических и воздушных носителей (см. разд. 4.2 и 4.3).

Для наземных (авто- и пешеходных) исследований теплового поля в ИК-диапазоне используются переносные тепловизоры, обладающие меньшей чувствительностью и большей инерционностью, чем дистанционные, но позволяющие выполнять повторные наблюдения с точностью до 0,1°С. Изучение теплового поля в ИК-диапазоне дает возможность оперативно исследовать источники теплового загрязнения, определять экологически значимые аномалии теплового поля, осуществлять прогнозирование его воздействия на развитие литосферных и биосферных процессов.

170

На рис. 6.4 приводится пример применения тепловой инфракрасной аэросъемки (ТИКАС) при изучении теплового загрязнения одного из городских микрорайонов вблизи р. Москвы. Можно видеть, что вблизи жилых домов и зданий промзоны тепловое загрязнение обусловлено потерями из тепловых сетей и дефектами теплоизоляции зданий. Узкая вытянутая тепловая аномалия высокой интенсивности связана с местоположением поверхностного стока загрязненных вод повышенной температуры. Локальные тепловые аномалии в русле реки указывают расположение мест подводных разгрузок теплых техногенных вод.

171