WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 

На правах рукописи

Сунгатуллин РАФАЭЛЬ ХАРИСОВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ

ПРИРОДНЫХ И ТЕХНОГЕННЫХ СИСТЕМ ПРОМЫШЛЕННО-УРБАНИЗИРОВАННЫХ РЕГИОНОВ

(на примере Республики Татарстан)

Специальность 25.00.36 – Геоэкология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора геолого-минералогических наук

Екатеринбург 2010

Работа выполнена

на кафедре региональной геологии и полезных ископаемых

Казанского государственного университета

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук, профессор

Катаев Валерий Николаевич

доктор геолого-минералогических наук, профессор

Мустафин Сабир Кабирович

доктор геолого-минералогических наук, профессор

Писецкий Владимир Борисович

Ведущая организация Институт геоэкологии РАН

Защита состоится 22 апреля 2010 г. в 14 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.280.01 при ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» по адресу: 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева 30, корпус III, ауд. 3326.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет».

Автореферат разослан  «  » _________ 2010 года.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор геолого-минералогических наук                 А. Б. Макаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Во второй половине XX века произошло осознание тесной связи процессов в земной коре с процессами в гидро-, био-, атмо- и техносферах, и поэтому в настоящее время геологическое изучение планеты невозможно без активного взаимодействия с другими естественными науками. Однако преобладающая глубокая дифференциация и «субъективизация» в науках о Земле приводит к ослаблению прямых контактов между научными дисциплинами и направлениями, так как отдельные объекты и среды до сих пор изучаются по методологиям, характерным для узкоспециализированного знания. С другой стороны, все сильнее проявляется интегративная тенденция с возникновением синтетических научных направлений. Особенно актуальны междисциплинарные усилия специалистов при анализе глобальных, региональных и локальных геоэкологических проблем. При этом для промышленно-урбанизированных регионов Российской Федерации практически отсутствуют исследования, направленные на синтез информации по геологическим, экологическим, географическим, социальным и другим параметрам, недостаточно разработаны критерии оценки разных сред, методические приемы обобщения возрастающих массивов информации и построения инвентаризационно-прогнозных моделей. Методом системного и интегративного изучения геологического пространства в условиях интенсивного техногенеза может служить моделирование, для которого сегодня нет общепринятых концепций. Отсюда создание методологии системного изучения природных и техногенных объектов и сфер рассматривается как одна из актуальных задач геологии и геоэкологии, затрагивающей теоретический и эмпирический уровни знания.

Цель исследований: обосновать научно-методические основы моделирования природных и техногенных систем, выявить связи между ними и создать постоянно действующие интегральные модели геологического пространства для рационального использования природных ресурсов и обеспечения устойчивого развития промышленно-урбанизированных регионов.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

  • реализовать комплекс методов системного анализа природных и техногенных объектов с установлением их взаимоотношений в условиях интенсивного техногенеза;
  • разработать принципы формализации экологических, литологических, геодинамических, химических, физических и других параметров при моделировании природных и техногенных процессов;
  • применить единую сетку разноопробованных сред для математической обработки данных при изучении управляющих параметров техногеосистемы и связей между различными средами с выявлением природных, природно-техногенных и техногенных элементов;
  • разработать алгоритм создания интегральных геоэкологических и геологических моделей для их использования в научной и прикладной деятельности;
  • подтвердить достоверность компьютерных моделей;
  • оптимизировать технологию геоэкологического зонирования на основе выбора наиболее информативных интегральных моделей с выявлением их эмерджентных свойств;
  • дать количественную оценку природных и техногенных процессов для рационального использования недр и охраны окружающей среды территорий российских регионов;
  • определить наиболее эффективные критерии прогнозирования техногенных месторождений.

Методы решения задач: полевые (маршруты, изучение обнажений, бурение и каротаж скважин, опробование и др.), лабораторные и камеральные методы геологических, экологических, геофизических, геохимических и гидрогеологических исследований; обобщение и анализ большого фактического материала унифицированным способом; выполнение численных расчетов с помощью программ Statistika, Excel и создание компьютерных моделей объектов, явлений, процессов комбинированием ГИС MapInfo и Surfer; разработка новых подходов к решению естественно научных проблем с использованием комплекса методов геологии, экологии, геоинформатики, географии, математики, физики и химии.

Объектами исследований явились породы, донные осадки, воды, почвы, растительность и продукты техногенной деятельности регионального и локального уровней на территории Республики Татарстан (РТ) - одного из самых изученных в геологическом отношении и промышленно-урбанизированных субъектов Российской Федерации, а предметом исследований выступили количественные и качественные показатели, определяющие изменения геологического пространства под действием природных и техногенных процессов.

Фактический материал. Основу диссертации составляют результаты лито-, гидро-, биогеохимических, геофизических, геодинамических исследований при геоэкологических и гидрогеологических работах, геологическом картировании и геохимической съемке по потокам рассеяния, полученные автором на территории РТ с 1993 по 2009 гг.

В процессе написания диссертационной работы использованы результаты более 40000 различных анализов, выполненных по аттестованным методикам в аккредитованных лабораторных центрах России. Литохимические модели включают результаты 24 000 анализов из кадастра месторождений и проявлений твердых полезных ископаемых РТ (Шаргородский, 2000), а при создании физических моделей использованы данные региональных геофизических работ (Боровский, 1999; Каримов, 2004 и др.). Гидрохимические модели созданы по результатам более 4 000 анализов подземных и поверхностных вод. При создании геологических и структурных моделей обработан материал 10 000 поисковых, разведочных и эксплуатационных скважин на территории РТ. Качество и достоверность полученных автором данных контролировались проведением повторного опробования и их статистической обработкой, а также сопоставлением результатов моделирования с реальной геологической обстановкой.

Автором проанализированы и обобщены фондовые геологические, экологические, гидрогеологические, геохимические, геофизические и другие материалы по РТ и сопредельным территориям, научные публикации по теме, сыгравшие значительную роль при подготовке диссертации.

Защищаемые положения:

Положение 1. Техногенез образует в земной коре промышленно-урбанизированных территорий участки с закономерно связанными химическими, физическими и геодинамическими параметрами. Системное исследование техногенно-преобразованного пространства, основанное на компьютерном моделировании и синтезе разнородной информации, способствует повышению точности и достоверности геоэкологических работ, раскрывает новые качества техногеосистемы и усиливает исследовательский потенциал наук о Земле.

Положение 2. Техногенно-преобразованное пространство формируется комплексом природных и техногенных систем. На основе анализа системообразующих факторов созданы постоянно действующие разноуровневые модели для геоэкологического прогноза, реализованные на примере Республики Татарстан.

Положение 3. На промышленно-урбанизированных площадях происходит техногенная трансформация химического состава депонирующих сред. С помощью аппарата математической статистики разработаны критерии обнаружения техногенных аномалий и количественно оценен вклад природных, природно-техногенных и техногенных процессов в общую информацию о техногеосистеме.

Положение 4. Техногенные месторождения нефти и минеральных вод на промышленно-урбанизированных территориях характеризуются относительно высокой в геологическом масштабе скоростью формирования, что позволяет увеличить минерагенический потенциал регионов.

Научная новизна

1. Впервые для субъекта Российской Федерации с разнообразным техногенным воздействием предложена, разработана и апробирована методика интегрального изучения и прогноза состояния техногенно-преобразованного геологического пространства, основанная на компьютерном моделировании. Переориентирование традиционного геоэкологического картографирования на компьютерное моделирование позволяет значительно расширить ресурсность информационных баз данных, оперативно изменять модели и объективизировать процесс изучения техногеосистем c заменой парадигмы сообщения (характерной для картографирования) аналитической парадигмой (характерной для моделирования).

2. Изучены основные депонирующие среды (лито-, био-, педо-, гидросферы), определяющие экологическую обстановку территории РТ; установлены особенности химического состава природных и техногенных объектов на промышленно-урбанизированных площадях.

3. Предложены методические приемы формализации и ранжирования качественных характеристик сред техногеосистемы для их совместного использования с количественными параметрами. С помощью методов многомерной математической статистики разработаны критерии идентификации техногенных аномалий и реализована методика количественной оценки вклада отдельных факторов в общую информацию о техногеосистеме.

4. Впервые выделены и охарактеризованы техногенная кора выветривания и водоносный техногенный ареал, существенно отличающиеся от природных геологических тел. Показаны перспективы использования новых объектов при эколого-гидрогеологическом картировании и моделировании интенсивно преобразованных территорий.

5. Предложены новые подходы поисков и прогнозирования техногенных месторождений полезных ископаемых на промышленно-освоенных территориях, что позволяет выделять минерагенические ячейки, формирующиеся за счет взаимодействия природных и техногенных процессов.

Практическая значимость и реализация результатов

Исследования автора были направлены на разработку принципиально новой методики компьютерного интегрального моделирования и совершенствование имеющихся технологий, совместное использование их для эффективного решения поставленных экологических и геологических задач с высоким качеством при минимальных затратах на территории РТ и ее отдельных площадях, при мониторинге различных геосред, охране окружающей среды на промышленных предприятиях и широкое внедрение полученных результатов в практику производственных и научных организаций геологического профиля. В рамках проведенных исследований оказалось возможным создать численные математические модели, которые применимы при мониторинге, прогнозе полезных ископаемых, изучении взаимодействия живой и косной природы. Предлагаются новые подходы и методы поиска техногенных месторождений, на основе которых получен вывод о формировании техногенных месторождений нефти и минеральных подземных вод на промышленно-урбанизированных площадях РТ.

Практическое значение работы заключается в возможности использования многих полученных результатов при региональном геологическом и геоэкологическом изучении недр различной направленности и масштаба. В частности, основные положения предложенной технологии моделирования использованы при проведении Федеральной программы «Экология и природные ресурсы России (2002-2010 гг.)», территориальных программ геологического изучения недр и воспроизводства минерально-сырьевой базы Республики Татарстан (1993-2008 гг.), при выполнении геологических, геоэкологических и геохимических съемок масштабов 1:50 000 и 1:200 000 территории РТ, при поисково-разведочных работах на твердые полезные ископаемые, питьевые и минеральные подземные воды, а также при выборе мест строительства подземных водозаборов и инженерно-геологических изысканиях. Отдельные результаты специализированных исследований применялись при геоэкологическом картировании, проведении гидрогеологических и экологических работ на территории России научными и производственными предприятиями: ФГУП «ЦНИИгеолнеруд» и ФГУП «Волгагеология» Министерства природных ресурсов и экологии Российской Федерации, ЗАО «ГИДЭК», РАО «ЕЭС России», ОАО «Газпром», «Российские железные дороги», а на территории РТ – открытыми акционерными обществами «Татнефть», «КамАЗ», «Нижнекамскнефтехим», «ТАНЕКО», «КамТИСИЗ», «Оргсинтез», «Казанский вертолетный завод», «Татспиртпром», «Красный Восток», «АЛНАС» и др.

Некоторые положения и выводы диссертации используются автором при чтении лекций и на практических занятиях по курсам: «Геология России», «Геология Республики Татарстан», «Учение о фациях», «Техника геолого-разведочных работ» для студентов Казанского государственного университета, а отдельные методические разработки применяются в учебных практиках по общей геологии и геологической съемке.

Апробация полученных результатов. В полном объеме результаты диссертационной работы представлены на заседании кафедры региональной геологии и полезных ископаемых КГУ.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международных конференциях: по пермским отложениям (Мельбурн, 1997), по прикладной геохимии стран СНГ (Москва, 1997), по верхнепермским стратотипам (Казань, 1998), по геохимии ландшафтов, палеоэкологии человека и этногенезу (Улан–Удэ, 1999), по изменяющейся геологической среде (Казань, 2007), по современным геологическим процессам и их инженерно-геологической оценке (Москва, 2009), по интерпретации геофизических полей (Екатеринбург, 2009), на международном симпозиуме им. Д. Г. Успенского (Екатеринбург, 2002), на всероссийских конференциях по мониторингу геологической среды (Казань, 1997), использованию компьютерных технологий при геологическом картировании (Санкт–Петербург, 2001), стратиграфии верхней перми (Москва, 2002; Казань, 2004), органической минералогии (Санкт–Петербург, 2002), изменениям геосистем (Казань, 2004), верхнему палеозою и фациальному анализу (Казань, 2007; 2009), природным, социально-экономическим и этнокультурным процессам (Казань, 2008), эколого-геологическим проблемам урбанизированных территорий (Екатеринбург, 2009), на научно–практической конференции IX международной выставки «Нефть, газ. Нефтехимия – 2002» (Казань, 2002), в чтениях, посвященных 200–летию Геологического музея КГУ (Казань, 2004), на республиканских экологических конференциях (Казань, 1997-2009) и научных конференциях КГУ (2001–2009).

Автором сделано более 20 презентаций на Научно-техническом совете Министерства экологии и природных ресурсов РТ (Казань, 1995-2009), 3 презентации на заседаниях Территориальной комиссии по запасам полезных ископаемых (Казань, 2006-2009) и 2 презентации на Коллегии Министерства природных ресурсов Российской Федерации (Красноярск, 2004).

Публикации и личный вклад автора. По вопросам, затронутым в диссертации, опубликовано 70 работ. Основные положения работы отражены в 6 монографиях (2 авторские и 4 коллективные) и в 14 статьях в ведущих рецензируемых научных журналах, включенных в перечень ВАКа, а отдельные результаты отражены в 2 учебно-методических пособиях и использованы в 15 научно-производственных отчетах.

Автор участвовал в постановке задач исследований, анализе опубликованных и фондовых материалов, проектировании и проведении полевых и камеральных работ, включая компьютерную обработку полученных результатов. Он является автором большинства геоэкологических карт, моделей и основных обобщений концептуального характера. Все основные результаты диссертации получены автором лично.

Благодарности. В плодотворном обсуждении спорных вопросов и проблем, рассмотренных в диссертационной работе, участвовали академик РАН В. В. Адушкин, члены-корреспонденты РАН Г. И. Худяков и Б. И. Чувашов, профессора А. И. Бахтин, Б. В. Боревский, Б. В. Буров, А. Я. Гаев, В. И. Макаров, М. Г. Миних, Д. К. Нургалиев, М. В. Панасюк, Э. М. Хакимов, В. В. Черных, Ю. К. Щукин, О. В. Япаскурт, доктора геолого-минералогических наук А. И. Белковский, У. Г. Дистанов, Р. Л. Ибрагимов, К. М. Каримов, А. А. Озол, Р. Р. Хасанов, Э. К. Швыдкин, С. Б. Шишлов, которым автор глубоко признателен.

Автор благодарен за многолетнее плодотворное сотрудничество и неоценимую помощь по оформлению диссертации М. И. Хазиеву, преподавателям геологического факультета КГУ и руководству предприятия «Татарстангеология» за поддержку при реализации и апробации работы.

Структура, объем и содержание работы. Диссертация объемом 374 страницы состоит из введения, 8 глав, раскрывающих защищаемые положения, заключения, содержит 98 рисунков, 32 таблицы, 5 приложений. Список использованной литературы включает 453 наименования.

Во введении обоснована актуальность темы, определены цель, задачи, предмет, объекты и методы исследований, научная новизна, отражена теоретическая и практическая значимость, сформулированы защищаемые положения, приведены сведения об апробации работы, фактическом материале и личном вкладе автора. В главе 1 «Природные и техногенные условия Республики Татарстан» охарактеризованы физико-географические, экономические, геологические, гидрогеологические, минерагенические условия и современная геоэкологическая обстановка территории РТ, описаны отдельные природные и техногенные процессы, обозначены основные проблемы по анализу и синтезу разнородной геоэкологической информации. В главе 2 «Геоэкологическая изученность территории» приведены краткие сведения по истории исследований и состоянию изученности геологического пространства и геоэкологических явлений и процессов в РТ. Выполнен анализ геоэкологических исследований современного информационно-мониторингового этапа, свидетельствующий об общности процессов в разных геосредах и требующий применения новых подходов при изучении многоуровневой техногеосистемы. В главе 3 «Теория и методика компьютерного моделирования» описана методология моделирования и применение аппарата математической статистики для системного исследования техногенно-преобразованного пространства. Приведены принципы построения общего грида для интеграции данных по разноопробованным средам и алгоритм создания интегральных моделей. Проведено сопоставление традиционного геоэкологического картирования и компьютерного моделирования. В главе 4 «Взаимодействие геологических и техногенных объектов и систем» приведены примеры взаимовлияния природной и техногенной систем на промышленно-урбанизированных площадях РТ. Выделены и охарактеризованы новые объекты геоэкологических исследований (техногенная кора выветривания, водоносный современный техногенный ареал), в которых происходят ускорение межгеосферного обмена с поступлением в природные оболочки новых компонентов, дестратификация верхней части литосферы, техногенная трансформация гидросферы. В главе 5 «Интегральные геоэкологические модели» показана последовательность создания интегральных моделей для РТ и ее отдельных площадей. Построение моделей основано на методах многомерной статистики с обобщением массивов разнородной информации, что позволяет создавать постоянно действующие мониторинговые геоинформационные системы, а также выявлять эмерджентные свойства техногеосистем. В главе 6 «Создание геологических моделей» охарактеризована методика формализации литологических, стратиграфических, геодинамических, химических, физических данных для последующего моделирования природных и техногенных процессов. Показаны примеры создания математических моделей отдельных сред, которые используются при решении геоэкологических задач. Применены статистические методы для разделения природных и техногенных ассоциаций химических элементов в гидро-, лито- и  биосферах. В главе 7 «Формирование и прогноз техногенных месторождений и проявлений» обоснована возможность обнаружения техногенного сырья на промышленно-урбанизированных площадях, связанная с последствиями искусственных воздействий на геологическое пространство. На территории РТ выделены технофлюидные ячейки, где обнаружены или прогнозируются техногенные месторождения минеральных вод, углеводородов и других полезных ископаемых. В главе 8 «Синтез знаний и интегральная геология» приведены доводы в пользу развития системного и междисциплинарного подходов, которые способствуют переходу к интегральной геологии. Методология последней апробирована на территории РТ. Доказано, что, основываясь на математическом диалоговом языке, можно синтезировать разнообразные свойства природных и техногенных объектов с их реализацией в виде численных интегральных моделей. В заключении приведены основные выводы и результаты, полученные автором при выполнении многолетних исследований по теме диссертации.

Обоснование защищаемых положений

Положение 1. Техногенез образует в земной коре промышленно-урбанизированных территорий участки с закономерно связанными химическими, физическими и геодинамическими параметрами. Системное исследование техногенно-преобразованного пространства, основанное на компьютерном моделировании и синтезе разнородной информации, способствует повышению точности и достоверности геоэкологических работ, раскрывает новые качества техногеосистемы и усиливает исследовательский потенциал наук о Земле (главы 3, 8).

Сфера интересов геоэкологии затрагивает взаимоотношения природных геосфер с техносферой. Техногенез относится к ведущим современным процессам, так как преобразует природные системы планетарного уровня, приводя к образованию и развитию техногеосистем, где природные и технические элементы объединены потоками вещества, энергии и информации. Но полнота исследований причинности в геоэкологии сдерживается наличием сложной и не всегда явной связи между природными и техногенными процессами. Обобщающим методом изучения техногеосистем может служить моделирование с созданием генеральной картины явления в виде математической модели, обеспечивающей высокий уровень синтеза данных, обработку огромных объемов информации за короткие промежутки времени, включая разнородные геологические и экологические данные, хранение, управление, анализ, представление и визуализацию информации, максимальную ее доступность и использование для разработки рекомендаций по управлению процессом или объектом.

Геологическое пространство можно представить в виде ячеисто–сотовой структуры, учитывающей взаимосвязи между неоднородными вертикальными блоками (ячейками) эндогенного генезиса и горизонтальными структурами–средами (сотами) экзогенного и техногенного происхождений. Это позволяет проводить количественную оценку территорий, опираясь на статистические методы обработки разнообразной информации, представленной в виде пространственно распределенных характеристик-параметров (Викторов, 2003; Кузнецов, 2000). При этом формируются системы моделей, которые решают проблему достоверности оценок и быстрого их перестраивания при расширении информационной основы, определяя обоснованность геоэкологических прогнозов. По сравнению с традиционной картой, в математической модели неизмеримо повышается адекватность информации реальному геологическому строению и степени техногенной нагрузки, т. к. модель сохраняет численные характеристики изучаемых объектов с возможностью проведения аналитических и синтетических построений. Диалоговый язык математики позволяет преодолеть разобщенность наук о Земле и дать количественную оценку всего разнообразия природных и техногенных процессов. Поэтому одной из важнейших задач современной теоретической геоэкологии становится создание соответствующих объективной реальности математических моделей объектов, явлений и процессов. Численная модель позволяет донести до пользователя авторскую интерпретацию всей обработанной информации и существенно облегчает процесс дальнейшего исследования техногенно-преобразованного пространства по мере получения геологических, экологических и других данных. Отсюда следует важный практический вывод, что системная характеристика геоэкологического объекта возможна только путем создания его цифровой компьютерной модели, а в геоэкологии представляется перспективным переход от описательного и субъективного картографирования (парадигма сообщения) к объемному моделированию природных и техногенных процессов (парадигма анализа и синтеза).

Поставленная в диссертации цель предполагала разработку методики компьютерного моделирования, позволяющей интегрировать различные составляющие геологического пространства (Сунгатуллин, 2001-2009). Процесс создания интегральной модели состоит из следующих последовательных операций: а) формирование базы количественных и качественных данных по различным средам; б) построение по ГИС–технологии монокомпонентных моделей 3D; в) создание общего грида для отдельных сред, обладающих разной сетью опробования (рис. 1); г) статистический анализ (корреляционный, кластерный, факторный и другие методы) матрицы параметров и значений, полученной с помощью общего грида (грид-анализ); д) выбор «техногенного», «природного» и «природно–техногенного» факторов на основе геологических, экологических и других представлений, с обязательным учетом кластерной группировки параметров и вклада каждого из них в факторные нагрузки; е) построение по полученным факторным коэффициентам новых синтезированных моделей 3D, системно обобщающих всю информацию о геоэкологическом пространстве и обладающих новым качеством - эмерджентностью; ж) построение интегральной модели 3D с переходом в будущем на моделирование 4D.

Создание базы количественных данных относится к наиболее ответственному элементу моделирования, являясь необходимым условием для изучения процессов в отдельных средах, а также при долгопериодном мониторинге. Количественные определения признаются доминантными по сравнению с качественными показателями, а когда накоплен значительный объем информации, появляется возможность создания постоянно действующих моделей. Результаты геологических и экологических исследований обычно представляются в виде координат точек нерегулярной сети по отдельным средам (см. рис. 1, А), а разнородность геоэкологической информации связана с неравномерной плотностью опробуемых сред, различными способами

получения первичной информации, разными методами интерпретации, дискретностью данных, описывающих непрерывные процессы, объекты и их свойства (Юбко, 2005). Интеграция данных возможна, если эти результаты будут получены на регулярной наблюдательной сети. Для преодоления подобных сложностей предлагается использовать грид-метод, когда изучаемая территория разбивается регулярной сеткой с гексагональными ячейками (см. рис. 1), размер которых выбирается исходя из имеющейся информации для оценки отдельных сред. Затем сетка представляется в виде матрицы значений (матричный грид), учитывающей зависимости между реальными точками наблюдений с измеренными параметрами и позволяющей проводить статистические расчеты. В разработанной методике применение статистического анализа заключается в получении некоторых обобщенных комплексных факторов, агрегирующих большое количество частных параметров и отражающих наиболее существенные черты суперпозиции влияющих процессов, что позволяет раскрыть внутреннюю структуру техногеосистемы и объективизировать процесс познания. При интеграции геоинформации наиболее широко применяются корреляционный, регрессионный, факторный и кластерный анализы, что связано с доступностью их использования через пакеты прикладных программ (Чижова, 2006). Результаты математической обработки материалов будут успешными, если дается содержательная интерпретация выявленных параметров (кластеров, факторов и др.). Данная стадия работы по созданию моделей требует от исследователя четкого представления об информативном потенциале параметров, которые привлечены для статистического анализа и на основе которых выделены обобщающие показатели. Выявление геологически и экологически значимых факторов позволяет создать на их основе интегральные модели (см. рис. 1, Б).

Весьма важным и актуальным направлением в геологии, и особенно в геоэкологии, представляется разработка общих принципов, обеспечивающих возможность использования результатов различных исследований для интегрального моделирования техногеосистемы. В геологии интеграции способствуют несколько причин: единство объекта исследований и общность цели; общность технических средств, методов и методик сбора первичных данных; общность технических средств лабораторных исследований, научно-технических средств хранения, обработки, преобразования полученной информации; сходство компьютерных технологий для сбора, хранения, обработки и распространения информации и единство методов моделирования. Необходимость интеграции вызвана и тем фактом, что в частных моделях сегодня выявляются точки соприкосновения, позволяющие объединить данные различных наук и создать более совершенную модель изучаемого объекта. Реализация количественного подхода в геоэкологии позволит получать совершенно новую информацию и перейти к объемному геоэкологическому моделированию. Трудности в моделировании природных и техногенных процессов обусловлены недостатком современных знаний и недостаточностью информационных баз, однако принципиальных ограничений здесь не существует.

Сегодня имеются все предпосылки для развития интегрального направления геологии, объединяющего информацию разных дисциплин для создания общей модели геологического пространства на количественно–статистической основе как необходимого компонента изучения окружающего мира. Интегральная геология есть новое научно-философское направление геологии, изучающее информационно–энергетические функции сфер планеты Земля высокого уровня организации (микро–, мезо– и макроуровни) для создания моделей геологического пространства и постижения природы геологических процессов, выработки законов функционирования техногеосистем, реконструкции геологического прошлого и прогнозирования будущего состояния окружающей среды (Сунгатуллин, 2004). При этом под интегральной геологией (от integer – целый) понимается объединение результатов сложившихся к настоящему времени отдельных геологических дисциплин в одно целое образование. Методология интегральной геологии апробирована автором как в целом для Республики Татарстан (Сунгатуллин, 2006, 2008), так и для отдельных промышленно-урбанизированных площадей (Сунгатуллин, 2001, 2009).

Положение 2. Техногенно-преобразованное пространство формируется комплексом природных и техногенных систем. На основе анализа системообразующих факторов созданы постоянно действующие разноуровневые модели для геоэкологического прогноза, реализованные на примере Республики Татарстан (главы 5, 6).

Любые модельные построения требуют определённой формализации как способа фиксации знаний об объекте исследования и выделения из бесконечного разнообразия явлений закономерностей, которые помогают его углубленному изучению с помощью математических методов (Современные…, 1984; Соловьев, 1968; Новаковский, 1994). Поэтому формализация важна для решения содержательных геоэкологических задач с помощью информационных систем. В свою очередь, последние не могут существовать без постоянного обновления и пополнения массивов данных, т. е. они работают в мониторинговом пространственно-временном режиме, что позволяет перейти к качественно новому продукту - геоэкологической постоянно действующей модели. Подобная модель создается, уточняется и пополняется в любой своей части без нарушения существующей структуры в течение всего периода использования. В основу компьютерного моделирования геоэкологических явлений и процессов закладывается методологический принцип первичности геодинамических, геологических, геофизических, геохимических и других моделей. Подобное моделирование базируется на законах и принципах математики, физики, химии и представляет эффективный метод решения сложных геоэкологических задач, позволяющий перейти к количественным методам научной квантификации информации.

Территория РТ характеризуется разнообразными типами техногенных систем (табл. 1, рис. 2). Исходная информация для создания интегральной геоэкологической модели республики получена из статистического анализа карты функционального зонирования (см. рис. 2). На основе последней по оригинальной методике балльной оценки влияния техногенных объектов на геологическое пространство (Сунгатуллин, 2001) создана численная модель

техногенной нагрузки (рис. 3). В центр шестиугольной ячейки площадью 25 км2 выносится средневзвешенный балл техногенного воздействия, который учитывает распространение конкретных техногенных систем-объектов в

Таблица 1. Техногенные системы РТ (см. рис. 2)

Тип

Подтип

Условный балл воздействия техногенных систем на геологическое пространство

Лесохозяйственный и рекреационный

0

Сельскохозяйственный

Земледельческий

1,1

Животноводческий

1,6

Водохозяйственный

Мелиоративный

2,0

Горнодобывающий

Карьерный

4,0

Транспортный

Железнодорожный

1,5

Автодорожный

1,5

Нефте- и газопроводный

1,0

Транспортных узлов

1,8

Военных полигонов

0,8

Промышленный

Химический, нефтехимический

3,5

Строительный,

машиностроительный, энергетический

2,0

Селитебный

Населенные пункты

2,6

Захороненный

2,3

Отходов производства и потребления

Твердых отходов

4,0

Жидких отходов

5,0

Гидроэнерге-тический

0,7

Нефтепромысловый

5,0

Таблица 2. Районирование территории РТ по степени

техногенного воздействия (см. рис. 3)

Категория состояния техногенно-преобразованного геологического пространства

Математическая форма

Баллы

Благоприятная

менее (х-s)

0-0,04

Удовлетворительная

от (х-s) до (х+s)

0,04-1,20

Напряженная

от (х+s) до (х+2s)

1,20-1,78

Кризисная

от (х-2s) до (х+3s)

1,78-2,36

Катастрофическая

более (х+3s)

более 2,36

Примечание. x – среднее содержание; s – стандартное отклонение

пределах ячейки и их условные баллы влияния на геологическое пространство (см. табл. 1). Это позволило районировать территорию РТ по категориям состояния техногенно-преобразованного геологического пространства с учетом статистических параметров, полученных при обработке численной информации (табл. 2). Техногенная модель РТ соответствует традиционному масштабу 1:500 000 или региональному уровню генерализации.

По сравнению с 2D картой функционального зонирования (см. рис. 2), техногенная 3D модель (см. рис. 3) отличается мозаичной структурой, что может свидетельствовать о локальном влиянии антропогенной и техногенной деятельности на окружающее пространство. Численная техногенная 3D модель позволяет использовать ее для интеграции количественной, балльной и качественной информации. Например, для создания интегральной геоэкологической модели РТ использовались модели различных сред геологического пространства (табл. 3) путем создания общего грида, соответствующего таковому для техногенной модели. Количество конкретных данных для построения отдельных моделей варьировало от 2556 (модель

Таблица 3. Факторные нагрузки геологического пространства РТ

Номер модели

Модель

Весовые нагрузки факторов и их интерпретация

геодинами-

ческий

химический

стратигра-

фический

геоэколо-

гический

физический

1

Гравиметрическая

0,01

–0,05

0,10

0,02

0,81

2

Магнитометрическая

0,03

0,12

–0,04

0,06

0,70

3

Неоднородность распределения электромагнитного поля в осадочном чехле

–0,10

–0,03

–0,01

0,05

0,93

4

Кровля фундамента

0,88

0,05

0,21

–0,04

0,01

5

Электрическая проводимость

0,76

–0,25

–0,05

–0,15

0,05

6

Геологическая

–0,28

–0,14

0,89

–0,11

0,02

7

Осадочно-петрографическая

0,26

0,13

0,91

0,04

–0,07

8

Минерагеническая

0,42

0,34

0,21

0,25

0,05

9

Содержание SiO2

–0,05

0,89

–0,03

0,06

0,03

10

Содержание CaO

0,17

0,86

0,18

0,09

–0,02

11

Содержание P2O5

0,78

0,14

–0,16

0,18

0,03

12

Рельеф современный

0,33

0,19

0,02

0,75

0,11

13

Техногенная нагрузка

0,23

0,10

–0,12

0,72

0,20

Вес фактора, %

19,1

14,1

13,9

9,6

9,3

Приведенный вес фактора, %

28,9

21,4

21,1

14,5

14,1

Примечание. Выделены значимые факторные нагрузки

фундамента) до 1265863 (модель современного рельефа). При этом устанавливается корреляционная зависимость между отдельными средами, которые затем совместно анализируются статистическими методами и по полученным коэффициентам факторных нагрузок строится новая математическая модель изучаемого объекта. На более продвинутых стадиях геоэкологического исследования применяется направленный факторный эксперимент. Главные задачи данного этапа изучения сложного объекта сводятся к нахождению минимального числа существенных факторов, с достаточной полнотой описывающих явление или процесс, и построению интегрального параметра, значения которого определяются факторными весами сред. Затем для данного набора признаков строится модель, которую можно ранжировать по значениям факторных весов.

Для системного анализа геологического пространства необходимы количественные данные по строению изучаемой территории, которые в большинстве случаев представлены в растровом формате. Поэтому на основе геологической карты масштаба 1:200000 с нанесением шестиугольной сетки автором создана цифровая стратиграфическая модель РТ (Сунгатуллин, 2006). Каждой ячейке, попадающей в область распространения отложений определенного стратона, присвоен балл, соответствующий его абсолютному возрасту. Это позволило построить для территории РТ геологическую модель, а с учетом математической обработки разных сред (см. табл. 3) - интегральную стратиграфическую модель, в формировании которой основная роль принадлежит геологической, осадочно-петрографической и минерагенической моделям. Анализ тектонического облика и геодинамики основывался на компьютерных моделях, построенных по данным глубоких, структурных и картировочных скважин. Чтобы модель привела к получению научных и практических результатов, она должна иметь следствия, которые могут быть сопоставлены с эмпирическими данными, т. е. модель должна быть адекватна реальному объекту (Современные.., 1984; Шарапов, 1989). Наиболее эффективным способом проверки истинности геологической модели является бурение скважин. Верификация компьютерных структурных моделей проведена нами с помощью проходки почти 100 скважин глубиной 100-200 м в зоне сочленения Северо– и Южно–Татарского сводов (Сунгатуллин, 2001). При сравнении моделей с природной геологической ситуацией по пересечению скважинами границ маркирующих горизонтов погрешность компьютерного прогноза составила ±5-10 м, или 3–10 %, что является достаточно убедительным доводом в пользу компьютерного моделирования.

Статистическая обработка матрицы значений 3D моделей территории РТ (см. табл. 3) выявила пять факторов, соответствующих степени воздействия каждого из них на техногенно-преобразованное геологическое пространство. Первый фактор в основном влияет на значения таких параметров, как кровля фундамента, электрическая проводимость осадочного чехла и содержание фосфора в породах. Исходя из наиболее значимого показателя (кровля фундамента), данный фактор получил название «геодинамического фактора». Для второго по значимости фактора основные факторные нагрузки обусловлены содержаниями кремнезема и кальция, и поэтому данный фактор назван «химическим». Третий фактор связан с геологической и осадочно-петрографической моделями, отражая, таким образом, возрастные и литологические особенности изучаемой территории, и поэтому данная факторная нагрузка получила название «стратиграфической». Четвертый фактор определяется моделью техногенной нагрузки и современным рельефом, что позволило нам назвать его «геоэкологическим», отражающим влияние техногенеза на геологическое пространство. И, наконец, пятый фактор четко определяется основными физическими показателями и интерпретируется как физический фактор.

Создание интегральной геоэкологической модели территории РТ (рис. 4) основывалось на выделенном геоэкологическом факторе с совместным анализом отдельных моделей и их вкладом в общую информацию о техногенно-преобразованном геологическом пространстве (см. табл. 3). Количественные параметры геоэкологической модели получены с помощью весовых факторных нагрузок всех моделей по следующей формуле:

0,72Z13+0,25Z8+0,18Z11+0,09Z10+0,06Z9+0,06Z2+0,05Z3+0,04Z7+0,02Z1

Zэ = --------------------------------------------------------------------------------------------------

0,75Z12 +0,15Z5 +0,11Z6 +0,04Z4

где Zэ – численная величина параметра в отдельной ячейке для интегральной геоэкологической модели; Zn – численная величина параметра в соответствующей ячейке для отдельной модели; n – номер модели (см. табл. 3).

Общий вес геоэкологического фактора составляет 14,5 % объема всей современной информации о техногенно-преобразованном пространстве (см. табл. 3). Созданная интегральная геоэкологическая 3D модель обладает ресурсностью, мобильностью, оперативностью и базируется на численных значениях как отдельных составляющих параметров, так и интегральной модели в целом. Например, по сравнению с техногенной моделью (см. рис. 3), интегральная геоэкологическая модель показывает различие между промышленно-урбанизированными территориями (значение Zэ менее минус 1,5) и участками разрабатываемых месторождений нефти (значение Zэ более 2,0). Кроме того, интегральная модель сглаживает многочисленные сложности совмещения и ранжирования различных параметров техногеосистемы, а также позволяет провести районирование с помощью математических методов.

Для многих промышленно-урбанизированных территорий сегодня назрела необходимость создания мониторинговой сети изучения отдельных сред, а показатели их состояния могут служить основой для создания прогнозного моделирования природных и техногенных процессов в окружающей среде. Поэтому системный анализ экологического состояния геологического пространства проведен нами для подобных площадей РТ (Сунгатуллин, 2001, 2008, 2009). Целью геоэкологического моделирования на Набережно-Челнинской площади явилась оценка современного состояния поверхностной и подземной гидросфер с решением двух задач: выявления природных и техногенных факторов, воздействующих на элементы гидросферы, и создания компьютерных моделей гидросферы для учета и прогноза взаимодействия гидросферы с другими средами геологического пространства и техносферой. Для построения интегральных моделей использовались цифровые данные по современному рельефу, стратиграфическому и тектоническому строению, химическому составу пород, подземных и поверхностных вод, минерагеническому потенциалу, физическим характеристикам и техногенной нагрузке (табл. 4). С помощью кластерного анализа выделены и сопоставлены группы «природных» и «техногенных» элементов поверхностной и подземной гидросфер. В поверхностных водах происходит сокращение

Таблица 4. Факторные нагрузки для Набережно-Челнинской

площади РТ (см. рис. 5)

Модель

Весовые нагрузки факторов и их интерпретация

литологии-ческий

гидрогео-логический

гидроло-гический

физический

неотекто-нический

1. Рельеф современный

0,15

0,03

-0,02

-0,01

-0,88

2. Кровля фундамента

-0,03

0,11

0,86

0,00

0,24

3. Техногенная нагрузка

0,41

0,63

0,23

-0,08

-0,08

4. Геологическая

0,89

0,10

-0,05

0,13

-0,04

5. Осадочно-петрографическая

-0,81

0,04

-0,12

-0,13

0,24

6. Минерагеническая

0,10

0,67

0,55

0,03

0,12

7. Гравиметрическая

0,22

-0,46

0,11

0,55

0,43

8. Магнитометрическая

0,03

-0,06

-0,11

0,89

0,01

9. Содержание СаО в породах

-0,65

0,08

0,16

0,40

-0,22

10. Гидрохимическая модель подземных вод

0,15

-0,88

0,09

0,06

0,03

11. Гидрохимическая модель поверхностных вод

0,01

-0,02

0,72

-0,10

-0,40

Вес фактора, %

19,48

16,88

15,35

11,92

11,75

Примечание.  Выделены значимые факторные нагрузки

«природной» группы элементов до 7 компонентов, тогда как в подземной гидросфере их количество достигает 14. Факторный анализ позволил определить, что «природный» фактор подземной и поверхностной гидросфер формируется только за счет макрокомпонентов. В подземной гидросфере значимым параметром «природного» фактора являются кальций и хлор, а в поверхностной гидросфере – натрий, калий, магний, железо и сульфат-ион.

Цифровые модели вод исследованной территории позволили выполнить системный анализ и геоэкологическую интерпретацию данных (Сунгатуллин, 2008). Так, стало возможным выявить факторы, характеризующие геологическую, гидросферную, физическую и неотектоническую составляющие (см. табл. 4). Аналогично вышеприведенному алгоритму созданы интегральные модели поверхностной и подземной гидросфер для Набережно-Челнинской площади (рис. 5). По весу каждого из факторов (см. табл. 4) можно установить долю введённых данных от объёма геоэкологической информации. Например, интегральные модели подземной и поверхностной гидросфер содержат 1/3 часть всей современной информации, что свидетельствует о важности исследования гидросферы как центрального элемента техногеосистемы. Наряду с химизмом поверхностных и подземных вод, интегральные гидросферные модели включают в себя также информацию о других средах, что фиксируется значимыми факторными нагрузками последних в интегральных гидросферных моделях (см. табл. 4).

Интерпретация интегральной модели зависит от ее целевой направленности. Так, с помощью модели подземной гидросферы Набережно-Челнинской площади выделяются области развития защищенных и незащищенных от загрязнения подземных вод (см. рис. 5, А). Подобную информацию можно использовать как в экологических, так и в поисковых целях для решения актуальной проблемы водоснабжения г. Набережные Челны за счет подземных источников (Сунгатуллин, 2009). Наиболее перспективными объектами для питьевого водоснабжения следует считать участки недр с условным параметром менее минус 20, которые расположены на левобережье Нижнекамского водохранилища в нескольких километрах от города. Интегральная модель поверхностной гидросферы выделяет области развития относительно чистых и загрязненных речных вод (см. рис. 5, Б). Подобные модели применимы при мониторинговых исследованиях и определении стоимости природных ресурсов отдельных территорий. Поэтому при экологических прогнозах особенно важна актуализация информации путем периодического сбора данных, обратной связи и модернизации интегральной модели. Такие модели могут создаваться для отдельных объектов, площадей, регионов и в целом для России, а получаемая информация пригодна, соответственно, для решения задач локального, регионального и федерального уровней.

Положение 3. На промышленно-урбанизированных площадях происходит техногенная трансформация химического состава депонирующих сред. С помощью аппарата математической статистики разработаны критерии обнаружения техногенных аномалий и количественно оценен вклад природных, природно-техногенных и техногенных процессов в общую информацию о техногеосистеме (глава 4).

Наряду с некоторыми природными факторами, техногенная деятельность рассматривается как одна из самых мощных современных геологических сил, преобразующих земную кору, модифицирующих физические и химические поля, формирующих новые структурные элементы. Активная переработка геологического пространства под воздействием техногенеза приводит к формированию в глобальном масштабе в гидролитосфере совершенно новой триады элементов «порода – вода - техногенные образования» - техногенной коры выветривания. Последняя наиболее приспособлена к условиям техногенно-преобразованной окружающей среды, а агентами выветривания здесь, наряду с природными физическим, химическим и биологическим факторами, являются антропогенный и техногенный. Наиболее динамичным элементом техногенной коры выветривания является гидросфера, где зарождается водоносный современный техногенный ареал (Сунгатуллин, 2009), отвечающий участкам антропогенного изменения подземной гидросферы. Пространственная форма водоносного ареала в виде вертикального цилиндра отличает его от природных пластообразных гидростратиграфических подразделений.

Установлено, что техногенез и урбанизация способны ускорить естественный круговорот веществ, включая и химические элементы в гидросфере. На промышленно-урбанизированных площадях РТ установлена техногенная трансформация химического состава гидросферы с формированием техногенного водоносного ареала (Сунгатуллин, 2007, 2009). Например, добыча углеводородов и нефтепромысловые сооружения на юго-востоке РТ за 50 лет привели к наиболее масштабным техногенным изменениям подземной гидросферы (Ибрагимов, 2007). Извлекаемые попутно с нефтью крепкие хлоридные натриевые рассолы способствовали образованию многочисленных техногенных минерализованных родников. Если в начале 70-х годов прошлого столетия на территории РТ в зоне активного водообмена не было выявлено ни одного водопункта с водами хлоридного типа, то в настоящее время на площади нефтяных месторождений такие воды встречаются повсеместно, при этом содержание хлоридов в них значительно превышает 1 г/л (рис. 6).

Важным аспектом изучения вод техногенного ареала являются критерии их выделения. Нами выборка вод техногенного происхождения осуществлялась с помощью методов математической статистики на примере минеральных вод РТ (Сунгатуллин, 2006, 2009). Кластерный анализ выявил «техногенную» и «природную» группы компонентов. В первую группу вошли хлор, натрий, калий, а вторую составили кальций и сульфат-ион. При этом поведение химических компонентов в водоносном техногенном ареале и в природных гидростратиграфических подразделениях существенно различается (рис. 7). В отличие от природных вод, воды техногенного ареала не обладают вертикальной гидрохимической зональностью, т. е. являются азональными. Ареал отличается

от природных минеральных вод повышенной (в среднем в 2 раза) минерализацией и преимущественно сульфатно-хлоридным магниево-натриевым составом. В настоящее время около 25 % минеральных вод РТ в зоне активного водообмена образовались за счет техногенной трансформации химического состава природных вод.

На примере типичных промышленно-урбанизированных площадей РТ рассмотрены взаимоотношения природных и техногенных процессов. Например, состав техногенно-преобразованных вод в Приказанском районе изменяется в разрезе сверху-вниз следующим образом: (НCO3-SO4–Ca-Na)(SO4-НCO3-Mg-Ca)(НCO3-SO4–Na-Mg-Ca)(SO4-Ca). Это обусловлено в основном заполнением Куйбышевского водохранилища и подъемом уровня подземных вод, которые замедлили водообмен между приповерхностными водоносными горизонтами и способствовали подтоку минерализованных вод снизу, а также резким ростом промышленной деятельности в 60-80-е годы прошлого столетия (индустриальный этап развития г. Казань) и поступлением в подземную гидросферу «сверху» дополнительных химических компонентов. Данные факторы трансформировали природный химический состав подземных вод и привели к формированию здесь водоносного техногенного ареала. Ретроспективный анализ изменения содержаний химических компонентов показал, что до середины 50-х годов XX века состав подземных вод формировался за счет природных особенностей гидролитосферы. Существенные изменения произошли при заполнении Куйбышевского водохранилища (рис. 8). В течение 5-6 лет гидросфера адаптировалась к поднявшемуся уровню вод, что выразилось в значительном росте общей жесткости (в 3 раза) и содержаний железа (в 100 раз). Наиболее существенные изменения подземной гидросферы произошли в начале 1960-х годов. Антропогенно-измененный период, продолжающийся более 50 лет, отразился в резком повышении сухого остатка (в 5 раз по сравнению с природным периодом), сульфатов (в 10 раз), общей жесткости (в 4 раза), железа (в 50-150 раз). В настоящее время отмечается этап стабилизации трансформированного состава подземных вод (см. рис. 8), который сохранится в ближайшем будущем, так как растворы сульфатных солей относятся к очень стойким и медленно распадающимся соединениям со временем распада в десятки и сотни лет (Гольдберг, 1983). Таким образом, в Приказанском районе основным пусковым механизмом трансформации состава подземной гидросферы послужило создание Куйбышевского водохранилища.

Впервые для территории РТ автором показана эффективность применения статистических методов для разделения природных и техногенных ассоциаций химических элементов в геологических объектах с целью решения экологических задач. Сопряженное опробование донных осадков на территории РТ позволило сопоставить распределение химических элементов и областей развития техногенных объектов. Например, в илистой фракции повышены содержания Al, Ti, Fe, Mn, P, Mg, K, а в песчаной фракции - Si, Ca, Na (Сунгатуллин, 2005). Факторный анализ макрокомпонентов выявил факторы, отвечающие за их природные и

техногенные особенности. Созданные модели и экологическая интерпретация результатов статистической обработки выделяют техногенный фактор донных осадков, основной вклад в который вносят Mn, P и Na, что подтверждается совпадением аномалий данных элементов с площадями развития техногенных объектов. Распределение микроэлементов в донных осадках показало (Сунгатуллин, 2007), что в илистой фракции концентрируется бльшая часть из изученных 47 элементов. В песчаной фракции повышены содержания Co, Cr, Sn, Sr, Hg. Статистическими методами выделены природная, техногенная и природно-техногенная группы элементов. Природные особенности характеризуются V, Sc, Ti, Zr, Y, Yb, Ba, Be; к элементам преимущественно техногенного происхождения относятся Mn, P, As, Sn, Nb, а смешанного генезиса - Zn, Pb, Cu, Ni, B, Li, Ga, Co. Распределение микроэлементов показало их зависимость от гранулометрического состава донных осадков и от типа техногенных объектов.

Статистическая обработка геохимических данных с применением факторного анализа позволила выявить факторные нагрузки в потоках рассеяния. С учетом геохимических особенностей элементов, геологического строения и особенностей техногенных объектов, каждый из факторов получил экологическую интерпретацию. Модели геохимических полей, созданные по факторным нагрузкам, системно представляют информацию по всем химическим элементам в виде интегральных моделей. При этом наиболее отчетливо выражена связь интегральной модели «техногенного» фактора со степенью антропогенной нагрузки. На примере территории РТ показана возможность использования систематизированной информации по распределению химических элементов в промышленно-урбанизированных регионах для эколого-геохимического мониторинга, а выделенные природные, техногенные и природно–техногенные ассоциации элементов способствуют решению разнообразных прикладных и теоретических задач.

Некоторые взаимоотношения биотических и абиотических параметров в техногеосистемах рассмотрены на примере почвенного и растительного покровов Набережно-Челнинской площади РТ (Сунгатуллин, 2009). Биогеохимические исследования показали взаимосвязанное поведение элементов в данных средах. В дерново–подзолистых, лесных и черноземных почвах выделяют два уровня концентрации химических элементов – горизонты С2 и А1. Среди растений основным концентратором химических элементов и, соответственно, биоиндикатором является мох, в золе которого установлены аномальные содержания 19 элементов. Факторный и кластерный анализы позволили выделить в почвах и растительности параметры, характеризующие природный субстрат (материнскую породу), биологическую и антропогенную составляющие. Наиболее выражен «литофильный» геохимический фактор, основную нагрузку которого формируют породообразующие элементы Fe, Ti, Al. Именно состав пород является определяющим фактором геохимического облика растений и почв. Элементы второй группы (Ca, Na, P, Sr, Mg, Mn, Ba и др.) играют важную роль в жизнедеятельности растений, и их можно выделить как биофильные элементы. Наконец, третья (технофильная) группа объединяет Pb, Cr, Ni, Mo, Ga, Ge, Co, As, Cu, которые связаны с деятельностью промышленных и урбанизированных объектов, поступая в растения с пылью, атмосферными осадками и подземными водами. Выявлена зависимость между химическим обликом пород, почв и растительных сообществ, что подтверждает взаимообусловленность процессов в пределах отдельных ландшафтов. Причем вклад «литологического» фактора в химический состав почв и растительности, по сравнению с биофильным и технофильным факторами, является доминирующим и составляет более 60 %.

Создание эколого-геохимических моделей позволяет принципиально сравнивать результаты различных видов анализов и опробования. Например, по результатам мониторинговых работ на промышленно-урбанизированных площадях РТ установлено: совпадение содержаний химических элементов в донных осадках с гидрохимическими полями (Сунгатуллин, 2001); взаимосвязь между подземными и поверхностными водами (Сунгатуллин, 2008, 2009); общие тенденции поведения элементов в подземной гидросфере и почвах. Все это свидетельствует о влиянии техногенеза на разные геосреды.

Положение 4. Техногенные месторождения нефти и минеральных вод на промышленно-урбанизированных территориях характеризуются относительно высокой в геологическом масштабе скоростью формирования, что позволяет увеличить минерагенический потенциал регионов (глава 7).

В XXI веке использование техногенных месторождений будет рассматриваться как одно из стратегических направлений развития минерально-сырьевого комплекса России. Поэтому в последние годы проблемам формирования, изучения и переработки техногенных месторождений уделяется значительное внимание (Воробьев, 2001; Гаев, 1996; Макаров, 2006; Трубецкой, 2008; Чайников, 2001 и др.). Особенно интересны такие исследования для регионов, где история горнодобывающей промышленности и, соответственно, формирования техногенных месторождений насчитывает многие десятилетия и столетия. К подобным регионам относится и РТ, где еще в XVIII веке сформировались техногенные месторождения - отвалы при добыче медных руд. К настоящему времени на территории республики накоплены сотни миллионов тонн отходов минерального сырья, однако они практически не исследовались с точки зрения техногенного сырья. На территории РТ к первоочередным объектам подобного изучения можно отнести промышленно-урбанизированные территории, так как освоение здесь техногенных месторождений решает многие экономические, социальные и  экологические задачи.

В геологическом пространстве промышленно-урбанизированных территорий формируются структуры, в которых наблюдаются неоднородности теплового, химического, физического, техногенного и других полей. Поэтому здесь выделяются технофлюидные ячейки с мощным совместным проявлением техногенеза и минерагенического потенциала (Сунгатуллин, 2009). Обмен веществом в подобной ячейке обусловлен физическим механизмом вертикального тепло- и массопереноса при миграции флюидов снизу вверх (природное направление) и сверху вниз (техногенное направление). Вертикальный перенос флюидов обусловливает дестратификацию геологического пространства и азональность природного вещества с образованием техногенных месторождений полезных ископаемых за счет переработки природного вещества, а радиально-латеральные массоэнергопотоки играют ведущую роль в распространении антропогенных и техногенных воздействий. Следовательно изучение технофлюидных ячеек может привести к познанию роли техногенеза в образовании техногенных месторождений и проявлений, а также его влиянии на круговорот вещества и энергии. Подобные ячейки являются не только каналами распространения природного вещества и энергии, но и источником антропогенного изменения окружающей среды, т. е. эталонными объектами геопатогенных зон и межгеосферного обмена веществ (Востоков, 2007; Лузгин, 2007 и др.).

К настоящему времени актуальной проблемой является открытие новых залежей углеводородов в традиционных нефтегазоносных регионах и, в частности, в РТ. В современной флюидодинамической концепции формирования в земной коре широкой гаммы полезных ископаемых, включая месторождения углеводородов в пределах древних платформ, флюидным растворам отводится главная роль (Соколов, 1999). Мигрирующие снизу вверх флюиды являются мощными тепломассоносителями и реализуют механизм конвекции в пределах участков тектонических напряжений и зон повышенной

вторичной проницаемости. За счет прорывов энергоемких флюидов по вертикали формируются многопластовые залежи. Следует учитывать возможность переформирования углеводородной залежи за счет естественного и

искусственного воздействий на природный нефтяной пласт за очень короткий период времени и даже в течение нескольких лет (Гаврилов, 2008), что соответствует, например, возрасту месторождений пресных подземных вод. С другой стороны, области проявлений техногенно-индуцированных землетрясений на востоке РТ могут послужить объектами поисков промышленных скоплений нефти, так как динамика литосферы и сейсмичность напрямую связаны с процессами перераспределения флюидов в пространстве (Адушкин, 2005). Период проходки сотен тысяч скважин на нефтеперспективных площадях РТ составляет более 60 лет. Поэтому вероятность возникновения в технофлюидных ячейках вторичных техногенных залежей углеводородов в надпродуктивных горизонтах за счет техногенно-обусловленного флюидного потока существенно возрастает (рис. 9). В подобных структурах образуются инъекции углеводородов и рассолов в верхние структурные этажи. Факты флюидного «загрязнения» подземной гидросферы нефтепродуктами, хлоридами, сульфатами могут указывать на возможность обнаружения техногенных месторождений углеводородов и минеральных вод в кайнозойско-верхнепалеозойской части осадочного чехла территории РТ, что значительно расширяет горизонты поисково-разведочных работ на старых нефтепромыслах.

Изучение промышленно-урбанизированных площадей позволило автору выделить три технофлюидные ячейки на территории РТ (рис. 10), с которыми связано большинство месторождений полезных ископаемых. Данные ячейки со временем расширяются, формируя сложные экогеосистемы взаимодействующих лито-, гидро-, био- и техносфер. Ячейки обладают тектонической раздробленностью, геодинамической подвижностью, повышенным тепловым потоком и флюидопроницаемостью, т. е. характеризуются аномальностью экологических обстановок, что предопределило и приуроченность к подобным структурам городов и крупных промышленных объектов. Кроме того, на территории РТ можно прогнозировать выделение еще трех ячеек. Такое предположение основано на перспективности освоения в одной из таких ячеек (граница Мелекесской впадины и Южно-Татарского свода) крупнейших запасов битумов России. Кроме того, в «битумной ячейке» имеются месторождения каменных углей, разнообразные проявления минеральных питьевых вод, которые могут явиться основой создания курортно-санаторной сети республиканского и федерального значения (Сунгатуллин, 2008). Во второй из перспективных ячеек, расположенной в купольной части Северо-Татарского свода, возможно обнаружение нефтяных месторождений и проявлений. И, наконец, в третьей ячейке (Казанско-Кировский прогиб) расположены крупные месторождения гипса, минеральных вод, проявления серы и поделочных камней. Таким образом, в пределах выделенных технофлюидных ячеек на территории РТ можно прогнозировать обнаружение месторождений разнообразного техногенного сырья, образованного за счет антропогенного и техногенного изменений гидролитосферы.

ВЫВОДЫ

1. Разработана и апробирована методика интегрального изучения и прогноза состояния техногенно-преобразованного геологического пространства субъекта Российской Федерации, основанная на компьютерном моделировании и применении аппарата математической статистики, которая синтезирует массивы разнородной информации, повышает точность, достоверность, информативность геоэкологических работ, раскрывает новые качества техногеосистем и усиливает исследовательский потенциал наук о Земле.

2. Выполнена верификация компьютерных моделей с помощью результатов бурения скважин. Погрешность прогноза составила 3–10 %, что доказывает применимость компьютерного моделирования для решения геоэкологических задач.

3. Разработаны методические приемы формализации и ранжирования качественных характеристик (экологических, стратиграфических, литологических и др.) техногеосистемы для использования их совместно с количественными параметрами, что позволяет оптимизировать технологию геоэкологического зонирования.

4. Выделены и охарактеризованы техногенная кора выветривания и водоносный техногенный ареал, показаны перспективы использования новых объектов при эколого-гидрогеологическом картировании промышленно-урбанизированных регионов и поисках техногенных месторождений.

5. Изучен химический состав природно-техногенных систем на территории Республики Татарстан. С помощью моделей и методов многомерной математической статистики обработки данных выявлены критерии обнаружения техногенных аномалий в депонирующих средах (породы, донные осадки, почвы, поверхностные и подземные воды). Реализована методика количественной оценки вклада природных, природно-техногенных и техногенных процессов в общую информацию о техногеосистеме.

6. Обоснованы закономерности быстрого (десятки лет) формирования техногенных месторождений нефти и минеральных вод на промышленно-урбанизированных территориях, что увеличивает минерагенический потенциал регионов, повышает эффективность геолого-разведочных работ и прогноз последствий освоения техногенных месторождений.

7. Созданы постоянно действующие интегральные модели для организации и проведения численного мониторинга на территории Республики Татарстан, необходимые для выработки приоритетных направлений региональной экологической политики.

Основные публикации по теме диссертации

Монографии

1. Сунгатуллин Р. Х. Комплексный анализ геологической среды (на примере Нижнекамской площади). Казань: Изд-во «Мастер-Лайн», 2001. 140 с.

2. Сунгатуллин Р. Х. Интегральная геология. Казань: Изд-во «Образцовая типография», 2006. 142 с.

Монографии коллектива авторов

3. Силантьев В. В., Жарков И. Я., Сунгатуллин Р. Х., Хасанов Р. Р. Верхнепермские стратотипы Поволжья. Казань: Изд-во КГУ, 1998. 90 с.

4. Методическое руководство по поискам, оценке и разведке месторождений твердых нерудных полезных ископаемых Республики Татарстан. Часть 2. Методика поисков и оценки / под ред. Ф. М. Хайретдинова, Р. М. Файзуллина. Казань: Изд–во КГУ, 2000. 432 с. (подразделы 2.2.4., 2.3.4., 2.3.5.).

5. Геологические памятники природы Республики Татарстан / под ред. И. А. Ларочкиной, В. В. Силантьева. Казань: Изд-во «Акварель-Арт», 2007. 296 с. (разделы «Тектоническое строение», «Стратиграфия», «Полезные ископаемые»).

6. Геология Приказанского района / под ред. А. И. Шевелева. Казань: Изд-во ЗАО «Новое знание», 2007. 208 с. (главы 7, 8, 12).

Статьи, опубликованные в ведущих

рецензируемых научных журналах из перечня ВАКа

7. Сунгатуллин Р. Х. Апатит–ильменит–титаномагнетитовые руды Каларского габбро–анортозитового массива // Геология и геофизика. 1993. № 9. С. 56–59.

8. Сунгатуллин Р., Хазиев М., Швыдкин Э. Геолого–геохимические предпосылки поисков углеводородов // Бурение & нефть. 2004. Ноябрь. С. 6–8.

9. Сунгатуллин Р. Х. Моделирование состояния геологической среды при интенсивном антропогенезе // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. 2005. № 5. С. 390394.

10. Швыдкин Э., Вассерман В., Король М., Сунгатуллин Р. Геохимические съемки при оценке перспективных структур Волго–Уральской нефтегазоносной провинции // Бурение & нефть. 2005. № 7–8. С. 12–14.

11. Сунгатуллин Р. Х., Хазиев М. И. Геохимические исследования донных отложений на территории Республики Татарстан // Ученые записки КГУ. Естественные науки. 2007. Т. 149, № 4. С. 167-182.

12. Сунгатуллин Р. Х., Сунгатуллина Г. М. Минерагенические системы и интегральные модели // Разведка и охрана недр. 2007. № 11. С. 25-29.

13. Сунгатуллин Р. Х. От компьютерно-математического моделирования – к синтезу знаний и интегральной геологии // Геоинформатика. 2008. № 1. С. 29-33.

14. Сунгатуллин Р. Х., Хазиев М. И., Шанин А. Е. Геоэкологические исследования на Самосыровском полигоне твердых бытовых отходов // Ученые записки КГУ. Естественные науки. 2008. Т. 150, № 1. С. 168-181.

15. Сунгатуллин Р. Х., Хазиев М. И. Системный подход при изучении гидросферы на промышленно-урбанизированных территориях // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. 2009. № 1. С. 19-31.

16. Сунгатуллин Р. Х., Сунгатуллина Г. М., Хазиев М. И. Биогеохимические исследования при изучении геологического пространства // Ученые записки КГУ. Естественные науки. 2009. Т. 151. № 1. С. 196-217.

17. Сунгатуллин Р. Х. Методика создания 3D моделей геоэкологического пространства // Геодезия и картография. 2009. № 3. С. 42-44.

18. Сунгатуллин Р. Х. Техногенез и минеральные воды // Разведка и охрана недр. 2009. № 2. С. 53-58.

19. Сунгатуллин Р. Х., Хазиев М. И Интегральная геоэкологическая модель Республики Татарстан // Геодезия и картография. 2009. № 4. С. 43-50.

20. Сунгатуллин Р. Х. Химический состав подземной и поверхностной гидросфер (на примере Набережно-Челнинской площади) // Ученые записки КГУ. Естественные науки. 2009. Т. 151, № 3. С. 153-166.

Статьи в других научных журналах и сборниках

21. Сунгатуллин Р. Х., Уманцев В. В., Силантьев В. В. Новые данные по стратиграфии и полезным ископаемым Елабужско-Бондюжского вала // Пермские отложения Республики Татарстан. Казань: Изд–во «Экоцентр», 1996. С. 20–26.

22. Сунгатуллин Р. Х., Хазиев М. И. Геоэкологические исследования при проведении геологической съемки масштаба 1:50 000 на территории Республики Татарстан // Вестник ТО РЭА. 1999. № 2. С. 15-19.

23. Сунгатуллин Р. Х., Хазиев М. И. Эндогенные, экзогенные и антропогенные процессы на Нижнекамской площади РТ // Мониторинг геологической среды: активные эндогенные и экзогенные процессы. Казань: Изд-во КГУ, 2000. C. 321–324.

24. Сунгатуллин Р. Х., Беляев Е. В., Хазиев М. И., Хаванов А. Ю. Перспективность северо-востока Республики Татарстан на различные виды полезных ископаемых // Геологическое изучение земных недр Республики Татарстан. Казань: Изд-во КГУ, 2002. С. 27–37.

25. Сунгатуллин Р. Х., Хазиев М. И. Реконструкция условий позднепермского осадкообразования по геохимическим данным (бассейн Нижней Камы) // Геологическое изучение земных недр Республики Татарстан. Казань: Изд-во КГУ, 2002. С. 14–26.

26. Сунгатуллин Р. Х., Хазиев М. И., Боровский М. Я. Системный подход в геологических исследованиях. Статья 1. Геологические и геофизические предпосылки // Георесурсы. 2003. № 1. С. 24–26.

27. Сунгатуллин Р. Х., Хазиев М. И. Системный подход в геологических исследованиях. Статья 2. Геодинамические системы // Георесурсы. 2003. № 2. С. 23–26.

28. Сунгатуллин Р. Х. Компьютерно–математическая методика геолого-экологического моделирования // Прикладная геохимия. Выпуск 5. Компьютерные технологии. М.: Изд-во ИМГРЭ, 2004. С. 305–310.

29. Сунгатуллин Р. Х. Интегральная геология – новое научное направление // Развитие идей Н. А. Головкинского и А. А. Штукенберга в Казанской геологической школе. Казань: Изд-во КГУ, 2004. С. 152–155.

30. Сунгатуллин Р. Х. Литохимические параметры при исследовании геологического пространства // Ученые записки КГУ. Естественные науки. 2005. Т. 147, № 1. С. 62–75.

31. Сунгатуллин Р. Х. Системный анализ, моделирование и интегральная геология // Ученые записки КГУ. Естественные науки. 2006. Т. 148, № 4. С. 143-164.

32. Сунгатуллин Р. Х., Хазиев М. И. Интегральная геология и изменяющаяся среда // Изменяющаяся геологическая среда: пространственно-временные взаимодействия эндогенных и экзогенных процессов. Казань: Изд-во КГУ, 2007. С. 223-228.

33. Чурбанов А. А., Сунгатуллин Р. Х., Хазиев М. И. Цветные камни правобережья Волги // Георесурсы. 2008. № 1. С. 23-24.

34. Сунгатуллин Р. Х. Набережные Челны: природная и техногенная гидросферы // Инженерные изыскания. 2008. № 6. С. 60-64.

35. Сунгатуллин Р. Х. Техногенные коры выветривания и техногенные фации – новые объекты геологии // Верхний палеозой России: стратиграфия и фациальный анализ. Казань: Изд-во КГУ, 2009. С. 72-74.

36. Сунгатуллин Р. Х. Формализация литологических данных при создании интегральных геологических моделей // Верхний палеозой России: стратиграфия и фациальный анализ. Казань: Изд-во КГУ, 2009. С. 273-274.

37. Сунгатуллин Р. Х. Численное моделирование геологического пространства промышленно-урбанизированных территорий // Эколого-геологические проблемы урбанизированных территорий. Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2009. С. 60-61.

38. Сунгатуллин Р. Х. Методы математической статистики при исследовании техногенной трансформации геосред // Эколого-геологические проблемы урбанизированных территорий. Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2009. С. 62-64.

39. Soungatoulline R. Kh., Khassanov R. R. , Novikov A. A. Geochemical correlation of polyfacies sediments of the Upper Permian of the East Russian Platform // Proceedings of the Royal Society of Victoria. 1998. V. 110, no. 1/2. P. 227–234. Melbourne.

40. Soungatoulline R. Kh., Khaziev M. I., Khavanov A. Y. Ecogeochemical study under the geological mapping of the Tatarstan Republic // Geochemistry of Landscapes, Palaeoecology of Man and Ethnogenesis. Ulan–Ude, 1999. P. 220.

41. Soungatoulline R., Khaziev M. and Borovsky M. Geological and Geophysical Aspects of the Large–Scale Geological Studies // Georesources. 2002. V. 6. P. 46–48.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.