ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ИЗВЕСТНЯКОВЫХ МАССИВОВ ЮЖНОБЕРЕЖНОГО КРЫМА (для целей сейсмоэкологии и охраны окружающей середы)

summary

Розділ 1 «Методологія і методика геоекологічного аналізу вапнякових масивів Південнобережного Криму».

Ускладнення соціально-економічних і природоохоронних завдань, інтенсивне використання природних ресурсів визначило в конструктивно-географічних дослідженнях посилення геоекологічного змісту.

Одним з основних методов вивчення геоекології є геоекологічний аналіз, наукова концепція якого органічно витікає із змісту ландшафтного, геоморфологічного, економ-географічного та інших аналізів. Структура геоекологічного аналізу повинна адекватно відповідати структурі досліджуваної геоекосистеми, у якій виділяють природну, господарську і соціальну підсистеми. Якщо в традиційному геоекологічному аналізі переважають оцінки якості середовища, пов'язані із забрудненням ґрунтів, повітря, природних вод тощо, то в останні роки в геоекологічну оцінку почали включати небезпечні геолого-геоморфологічні (землетруси, цунамі, зсуви, абразії, карст та ін.), гідрологічні (селі, катастрофічні паводки, повені, підтоплення тощо), атмосферні (посухи, суховії, урагани, зміни температурного режиму і под.) явища, обумовлені як природними, так і антропогенними чинниками. В.О. Боков (2006) відносить взаємодії небезпечних природних процесів із соціальними і технічними підсистемами до сфери екогеодинаміки, виділяючи при цьому «екогеодинамічні цикли» паводків, зсувних, сейсмічних та інших явищ, які обумовлені антропогенним впливом на середовище.

Таким чином, геоекологічний підхід до вивчення вапнякових масивів як елементів геоекосистем сейсмічно небезпечних територій Південнобережного Криму передбачає врахування відповідних внутрішніх і зовнішніх властивостей цих об'єктів, на основі яких розглядається їхня роль у сейсмоекологічній ситуації і місце в природоохоронній структурі регіону. Виходячи з цього, методи вивчення масивів можна поділити на дві групи: методи для вивчення окремих елементів масивів і методи, які спрямовані на оцінку масивів у системі суб'єктно-об'єктних відношень. Перша група методів застосовувалася в основному при польових експедиційних дослідженнях, друга – при аналізі отриманого фактичного матеріалу, а також у картоскладальних і розрахунково-аналітичних роботах.

Розділ 2 «Розвиток наукових уявлень про походження вапнякових масивів Південнобережного Криму». Аналіз матеріалів (а це понад 150 публікацій) засвідчує, що проблема вивчення великих вапнякових масивів Південнобережного Криму має більш як 200-річну історію. Перші відомості про зсувну природу вапнякових масивів належать В.Ф. Зуєву (1783 р.), а вже в 1883 р. І.В. Мушкетов уперше відзначив сейсмічну природу багатьох кримських обвалів і блокових зсувів. Однак дотепер існують протиріччя у трьох основних напрямках їхнього вивчення: у термінології, генезисі та у віці масивів. Ці протиріччя можуть бути пояснені полігенетичністю, різним віком об'єктів і значною роллю в їхньому утворенні сучасних і давніх землетрусів. З'ясування генетичної природи вапнякових масивів – важливе питання оцінки екологічної ситуації в регіоні, яка пов'язана із сейсмічними подіями минулого, сучасного і майбутнього.

Розділ 3 «Вапнякові масиви як елемент сейсмоекологічної ситуації Південнобережного Криму».

Незважаючи на всебічний аналіз економічних, соціальних і техногенних чинників, що проводиться при створенні соціогосподарських комплексів, збитки або крах створеної системи від раптового стихійного лиха можуть стати неочікуваними. У зв'язку з цим останнім часом під геоекологічну систематику і прогнозування стали потрапляти стихійні лиха природного характеру. Складність їхнього аналізу обумовлена тим, що вони мають нестійкий і граничний характер самоорганізації, пов'язаний з нелінійністю розвитку. Теорія, що аналізує поведінку нелінійних динамічних систем при зміні їхніх параметрів, отримала назву «теорія катастроф». Починаючи з 1955 року, після робіт американського математика Г.Уїтні і досліджень Р.Тома, які дали назву теорії, почався інтенсивний розвиток як самої теорії, так і розробленої в її рамках концепції ризику, що дозволяє підійти до важливого питання геоекології – оцінки екологічної ситуації, пов'язаної з небезпечними геолого-геоморфологічними процесами. «Для людини не менш важливе значення, ніж оцінка екологічного стану, має оцінка ризику виникнення екологічно несприятливих явищ» (Боков 2000, с. 54). У зв'язку з цим в алгоритмі оцінки екологічної ситуації, яка пов'язана з небезпечними геолого-геоморфологічними процесами, простежуються такі основні випадки: перша - ситуація абсолютно безпечна: імовірність події і збитки від неї дорівнюють нулю, ризик відсутній; друга - екологічна ситуація безпечна на даний момент: імовірність події дуже велика, але збитки від неї теж дорівнюють нулю (наприклад, потужний обвал або зсув, у якого в зоні дії  відсутні елементи соціальної і господарської підсистем, суб'єктно-об'єктні відношення відсутні); треття - безпечною є ситуація і при нульовій імовірності настання події, хоча збитки від неї могли б бути дуже великі (висока щільність несейсмостійких споруд, але територія асейсмічна); четверта - ситуація з різним ступенем небезпеки і ризику – від мінімальної до надзвичайної або навіть катастрофічної: ймовірність прояву події і збитки від неї коливаються від 0,1 (початковий прояв і мінімальні збитки) до 1,0 (максимум проявів і максимальні збитки).

Кримський півострів розташований у межах сейсмоактивного сегмента Альпійської складчастої області півдня Європи. Південнобережний Крим має високу щільність населення (450 чол/км²) і рекреаційну спеціалізацію. Стихійність забудови і господарського освоєння, нехтування будівельними нормами і правилами,  які регламентовані для сейсмостійкого будівництва – все це створює досить небезпечну сейсмоекологічну ситуацію. Відповідно до карт загального сейсмічного районування Криму (ОСР-98; Пустовітенко, Кульчіцький та ін., 1998), тут можливі сейсмічні події інтенсивністю 7, 8, 9 балів (за шкалою MSK64), які мають  повторюваність  відповідно 100, 500, 1000 років. Однак тільки сейсмоінструменталього методу для вивчення сейсмічної небезпеки не завжди достатньо (створення сейсмослужби півострова ініційовано після Ялтинського землетрусу 1927 р.).

Використання сейсмогеологічного методу (Солоненко, 1973), при якому прогноз ведеться за максимально можливим землетрусом, що залишив «сліди» у рельєфі, дозволяє розширити часові рамки сейсмоекологічного аналізу. Дані, які отримані за допомогою цього методу, стали однією з причин припинення будівництва Кримської АЕС. У США за вимогою комісії з атомної енергетики сейсмоактивність тектонічних розривів повинна бути визначена за період 500 тис. років. У зв'язку з цим, в умовах Південнобережного Криму встановлення сейсмічного генезису вапнякових масивів повинно вестися у двох напрямках: перший – виявлення сейсмоактивних тектонічних порушень і обмежених ними тектонічних блоків;  другий – вивчення сейсмогенного руйнування крутих вапнякових схилів масивів і обумовлений цим  сейсмогравітаційний вплив (сейсмогенні обвали, каменепади, зсуви тощо) на прилеглі елементи геоекосистем.

Для з'ясування сейсмічної природи вапнякових масивів, а отже, і їхніх властивостей як індикаторів сейсмоактивних зон, використано такі  методи:

1 - розподіл зміщених вапнякових масивів Криму щодо тектонічних розривів різних порядків. Розривні порушення, які зображені на карті лінією, у природі являють собою тривимірні тіла складної будови. Ширину розривної зони (S_з, м) можна визначити за протяжністю розриву (L, м) із співвідношення: LgS_з=0,77 lgL -1,20 (Альошин та ін., 1982). Розриви глибокого закладення в межах регіону мають довжину від 40 до 80 км, що відповідає розрахованій ширині зони від 270 до 450 м.; міжблокові розриви – від 1,5 до 40 км, що відповідає ширині зони від 21 до 270 м; внутрішньоблокові розриви – від 1,0 до 14 км, що відповідає ширині зони від 15 до 106 м. Виходячи з цього, зайнята розривними зонами площа для розривів глибокого закладення складає 148 км², для міжблокових  – 103 км²,  для внутрішньоблокових – 48 км². Загальна площа розривних зон сягає 299 км², або 6 % площі розрахункового планшета. Таким чином, якщо в межах зон розривних порушень розташовується 6 % масивів (або 17 із них), то це випадковість, якщо більш – це закономірність.  Виявилося, що в межах розривних зон розташовується понад 40% зміщених вапнякових масивів (44 із 110). Для масивів, що мають сейсмогравітаційні ознаки, цей відсоток збільшується до 87%. Цим доводиться тісний зв'язок між розміщенням розривних порушень різних порядків і розташуванням аналізованих масивів. Такі порушення й обмежені ними тектонічні блоки можна трактувати як сейсмоактивні, а зміщені вапнякові масиви можуть виступати їхніми індикаторами.

2 - метод розрахунку межі міцності порід залежно від докладених сил (F_{критична}) – при розташуванні вапнякового масиву поблизу корінного схилу. У природних умовах вектори сил, докладені до гірських порід, їхня природа і величина дуже різні, але коли їхня сума досягає критичного значення, відбувається порушення суцільності порід.

Цей метод використовується при дослідженні гравітаційних форм у скельних породах, однак ми застосували його для з'ясування можливої сейсмогенної природи досліджуваних масивів. Якщо припустити, що сила, яка створила досліджувані утворення, гравітаційна, то сила F_{критична}=mg (при прискоренні сили ваги g=const). Звідси і маса (m) зміщеної структури повинна бути константою: m_кр= F_кр/g. Вимірюючи істинну масу (m_і) досліджуваних блоків і порівнюючи її з розрахунковою m_кр, одержуємо декілька варіантів їхніх співвідношень: а) якщо  m_і » m_кр, то можна говорити, що це утворення гравітаційне; б) якщо m_і > m_кр, необхідно шукати тектонічні причини утворення структури; в) якщо m_і < m_кр, то це утворення має сейсмогравітаційний генезис. F_кр – F_і = DF. Приріст DF, якої бракує до критичної сили зламу порід, характеризують як величину, що має сейсмічну природу. DF можна виразити в абсолютних одиницях (E, джоулі). В останньому випадку з використанням формул, відомих у сейсмології, можливий вихід на розрахунки енергетичного класу (E=V· δ· g· H, де V – об'єм зміщеного масиву, δ – об'ємна щільність порід, для вапняків 2,7 т/м³, g – прискорення сили ваги, H – висота зсуву або обвалу) і магнітуди (М=2,8+0,57·К, де  К=Lg E) землетрусу, що  утворив  цю сейсмодислокацію. Розрахунок параметрів F_кр, S, m_кр, m_і, DF для дислокацій Тисової ущелини, Марчека, Таракташа, Фороса, Караул-Оба та інших дав такі результати: m_кр у 2,5 – 3 рази більша за mі, що дозволяє трактувати ці вапнякові масиви як сейсмодислокації.

3 - порівняльно-морфологічний метод, за допомогою якого встановлено, що сейсмогенні зміщення мають об'єми понад 5· 10⁶ м³.  Для сейсмогенних зсувів характерні більш протяжні і глибокі ніші відриву, причому тільки ці зсуви мають ніші довжиною понад 1000 м і глибину захвату, тобто ширину  зміщеного блока, понад 50-55 м (Федоренко, 1988). Великі вапнякові масиви Південнобережного Криму цілком відповідають сформульованим критеріям сейсмогенності. У роботі наведено дані про 29 найбільших брилових зсувів світу. У цьому переліку на першому місці знаходиться гігантський голоценовий зсув Сайдмарех в Ірані (об'єм 30· 10⁶ м³), а 9, 11, 13, 15, 16 і 17 місця займають зміщені вапнякові масиви Криму.

У дисертації розглянуто концептуальні основи сейсмоморфогенезу земної поверхні, під якими автор розуміє такі зміни земної поверхні, що супроводжують сучасні і давні землетруси. При вивченні сейсмічних утворень ми розрізняємо їхні тектонічні і геоморфологічні компоненти, які генетично пов'язані між собою і знаходяться у відношеннях взаємної підпорядкованості. Деформації земної кори, викликані сейсмічними рухами, у багатьох випадках ведуть до безпосередньої зміни земної поверхні і створюють сейсмодислокації в рельєфі. З ними пов'язані сейсмічні тектоно-геоморфологічні структури 3-го порядку – зональні і лінійні сейсмодислокації. Зональні сеймодислокації, які приурочені до наявних у рельєфі блоків земної кори. Вони виникають при активній реакції блоків на сейсмічні події, що відбуваються в сейсмогенеруючій зоні (наш термін – сейсмоморфоструктура). Оскільки сейсмоморфоструктури розрізнюються геологічною будовою, рельєфом, сейсмічним режимом, типом сейсмодислокацій, то один і той же землетрус у різних сейсмоморфоструктурах має різні геоморфологічні прояви, і це надзвичайно важливо при оцінці конкретної сейсмоекологічної ситуації.

Таким чином, геологічна будова території, сейсмічний режим і геоморфологічні особливості створюють передумови для декількох можливих шляхів реалізації сейсмотектонічних напруг. Однак в остаточному підсумку вони ведуть до утворення певного набору форм рельєфу – сейсмічних геоморфологічних структур 4-го порядку.

Вивчення вапнякових масивів Південнобережного Криму, виявлення серед них форм, обумовлених сейсмічними явищами, дозволяє більш обґрунтовано розглядати сейсмоекологічну ситуацію. Під сейсмоекологічною ситуацією ми розуміємо сукупність станів і ризиків сейсмічної небезпеки та елементів геоекосистем, що знаходяться в суб'єктно-об'єктних відношеннях, характерних для даної території у певний відрізок часу. Оцінка сейсмоекологічної ситуації – це параметризація взаємодіючих  явищ і процесів, які ніби очікують на головну подію, зі спробою уявити ефекти цієї події через аналіз можливих екологічних, економічних, соціальних та інших збитків. У цьому полягає основна відмінність оцінки сейсмоекологічної ситуації від екологічної, тому що екологічна ситуація звичайно оцінюється за станом природного середовища, що зазнає впливів, які вже відбулися або відбуваються в даний час (залпові викиди забруднювачів, накопичення забруднювачів за багато років тощо).

Аналіз літератури показує, що до чинників, які утворюють сумарні збитки від землетрусів, відносять від 25 до 40 показників. Однак найбільш значними (до 80-90%) є тільки три чинники: 1 - сейсмічна небезпека, 2 - щільність населення, 3 - особливості структури господарства й уразливість його об'єктів (Balassanian, 2000). У зв'язку з цим для оцінки сейсмоекологічної ситуації Південнобережного Криму нами використано наступний алгоритм розрахунків.  На підставі отриманого фактичного матеріалу будувалася елементарна ГІС з електронними шарами у вигляді: 1 - сейсмогеологічної карти, що трансформувалася в карту сейсмічної небезпеки; 2 - карти щільності населення, 3 - карти вразливих і небезпечних соціальних та господарських об'єктів Південнобережного Криму.  Далі, шляхом суміщення всіх побудованих електронних шарів карт і аналізу виниклих суб'єктно-об'єктних відношень зроблено оцінку сейсмоекологічної ситуації Південнобережного Криму.

Оцінка сейсмічної небезпеки здійснювалася на підставі побудованої сейсмогеологічної карти, на якій показано сейсмоактивні тектонічні зони (сейсмоморфоструктури). Вони індикувалися за приуроченістю до них зміщених вапнякових масивів гравітаційного і сейсмогенного походження. Ці зони, де збільшення сейсмічної інтенсивності може досягати 1 – 2 балів за шкалою MSK-64, оконтурювались ізолініями в 2 оцінні бали. Іншим елементом оцінки сейсмічної небезпеки було виявлення зон, уразливих с точки зору  виникаючих при землетрусі сейсмогравітаційних явищ. Для розрахунку зони впливу сейсмообвалів використано методи інженерної геології (Гречішин, 1987), на основі яких для кожного конкретного вапнякового ескарпу розраховано дальність відльоту брил. Якщо при звичайних обвалах і вивалюванні уламків їхня початкова швидкість дорівнює нулю, то при сейсмічних обвалах вона відповідає величині приросту прискорення (при 8 – 9 бальному землетрусі понад 1 g) за рахунок сейсмічного удару. Виходячи з цього, отримані дані збільшено в два рази. Зони можливого розвитку сейсмогравітаційних обвалів, зсувів тощо в розрахованих межах перекриття ними схилів одержували 1 оцінний бал. Загальний сейсмічний фон також оцінювався в один бал. У цілому сейсмічна небезпека визначалася по 4 -бальній інтегральній шкалі. З урахуванням цього будувалась електронна карта  сейсмічної небезпеки.

Оцінка щільності населення в регіоні. За результатами опрацьованих статистичних даних про чисельність населення Південнобережного Криму в  межах міських, селищних і сільських радах (Рескомстат АРК за 2003 р.) аналізувалася щільність населення досліджуваної території. Райони із щільністю населення від 10 до 300 чол./км² оцінювалися 1 балом,  від 301 до 1000  чол./км² – 2 балами, від 1001 до 2000 чол./км² – 3 балами, а понад 2000 чол./км² – 4 балами. У результаті будувалася електронна карта реальної щільності населення Південнобережжя.

Оцінка господарських і соціальних підсистем є складним фінансово- і працезатратним економіко-географічним дослідженням. Тому аналізувалися лише деякі важливі елементи соціально-господарських підсистем: високовольтні лінії електропередач (ЛЕП), електропідстанції, основна дорожньо-транспортна мережа, склади паливно-мастильних матеріалів, бензозаправки, очисні споруди, водоймища, великі санаторно-курортні комплекси тощо. В одну операційну одиницю включалося не більше чотирьох об'єктів, кожен з них оцінювався 1 балом.

Екологічний ризик і обумовлена ним загрозлива екологічна ситуація виникають тільки там, де існує перекриття в просторі двох і більше оцінних ознак. Це досягається шляхом електронного картографічного суміщення показників усіх використаних елементів оцінки. Кожний з трьох оцінних критеріїв максимально міг одержати в одному електронному виділі (полігоні) 4 бали, що дає максимальну інтегральну оцінку напруженості сейсмоекологічної ситуації – 12 балів за оцінною шкалою. На рис. 1

виділено ділянки: 1) де сейсмоекологічна ситуація оцінена як безпечна (у гірсько-лісовій частині сейсмічна небезпека може досягати 4 балів оцінної шкали, але немає елементів господарських підсистем, у зв'язку з цим суб'єктно-об'єктні відношення відсутні – оцінний бал нуль); 2) з низькою небезпекою – від 1 до 3 оцінних балів; 3) середньої небезпеки –  від 4 до 6 балів; 4) високої небезпеки –  від 7 до 9 балів (райони багатоповерхової міської забудови, з небезпечними господарськими об'єктами, зони підвищеної сейсмічної і сейсмогравітаційної небезпеки тощо). Отримана при цьому схема сейсмоекологічної ситуації має попередній оцінний характер і може розглядатися як приклад використання розробленого методу. При цьому «…навіть приблизні оцінки сейсмічного ризику мають важливе значення при розробці сценаріїв землетрусів і прийнятті рішень на різних рівнях» (Вольфман, Скляр, Пустовітенко,  2005, с. 65).

Розділ 4 «Геоекологічний аналіз  вапнякових масивів для оцінки сейсмоекологічної ситуації  Південнобережного Криму».

У межах Південнобережного Криму виділено чотири сейсмоекологічні райони розвитку вапнякових масивів, що розрізняються особливостями сейсмоекологічної ситуації: Ласпі-Ліменський, Ялтинський, Алуштинський і Судацький.