Оценка экологического состояния геологической среды Сорбско-Райизской площади Полярного Урала на ранней стадии урбанизации

Краткое описание

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. АНАЛИЗ РАНЕЕ ПРОВЕДЕННЫХ РАБОТ...

4 9

ГЛАВА 2.

2.1.

2.2.

МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОЦЕНКИ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ НА* РАННЕЙ

СТАДИИ УРБАНИЗАЦИИ... 15

Обзор существующих методов оценки

экологического состояния геологической среды... 15

Выводы... 23

Методические основы оценки экологического состояния геологической среды слабо

урбанизированных территорий... 24

Выводы... 39

ГЛАВА 3. ПРИРОДНЫЕ ФАКТОРЫ ФОРМИРОВАНИЯ ЭКОЛОГО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ •

ПОЛЯРНОГО УРАЛА... 41

Физико-географический очерк... 41

Основные черты геологии... 54

Гидрогеологические условия... 66

Экзогенные геологические процессы и явления... 71

Выводы... 83

ГЛАВА 4. ТЕХНОГЕННЫЕ ФАКТОРЫ ФОРМИРОВАНИЯ ЭКОЛОГО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ

ТЕРРИТОРИИ... 86

Горнодобывающий комплекс... 86

Транспортный комплекс... 91

Селитебный и промышленный комплексы... 95

Сельскохозяйственный комплекс... 96

Рекреационный и туристический комплексы... 96

Выводы 98

3.1.

3.2. 3.3. 3.4.

4.1. 4.2. 413. 4.4. 4.5.

ГЛАВА 5. ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

ГЕОЛОГИЧЕКОЙ СРЕДЫ СОБСКО-РАЙИЗСКОЙ

ПЛОЩАДИ...

5.1. Природно-территориальные комплексы...

100 101

5.2. Экзогенные геологические процессы, определяющие экологическое состояние геологической среды... 106

5.3. Геохимические и радиационные условия

территории... НО

5.4. Экологическая роль многолетней мерзлоты... 113

5.5. Тектоническая нарушенность скальных массивов

как экологический фактор... 115

5.6. Степень урбанизации Собско-Райизской площади... 118

5.7. Эколого-геологические условия Собско-Райизской площади... 123

5.8. Интегральная оценка экологического состояния геологической среды Собско-Райизской площади... 127 Выводы... 131

ГЛАВА 6. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО

РАЦИОНАЛЬНОМУ ОСВОЕНИЮ СОБСКО-РАЙИЗСКОЙ ПЛОЩАДИ... 133

ЗАКЛЮЧЕНИЕ... 143

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ

ЛИТЕРАТУРЫ... 146
Введение

4 . ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Переход значительной части крупных месторождений при распаде СССР к странам «ближнего зарубежья» создает в России дефицит многих видов минерального сырья. Возникает потребность ввода в эксплуатацию месторождений остродефицитного сырья, ранее не осваиваемых из-за сложных климатических и экономических условий. В настоящее время такие месторождения, расположенные в пределах слабо урбанизированных территорий криолитозоны, экстренно доизучаются и вводятся в эксплуатацию, что приводит к значительным изменениям состояния геологической среды.

Необходимость выполнения объективной оценки современного экологического состояния геологической среды, выявления основных природных и техногенных факторов, формирующих эколого-геологическую обстановку рудоносных районов криолитозоны, вовлекаемых в промышленное освоение ресурсов, определяет актуальность проводимых исследований.

Идея работы заключается в разработке научно-методических основ и принципов оценки, картографического отображения экологического состояния геологической среды для территорий, находящихся на ранней стадии урбанизации с учетом роли природных и техногенных факторов в формировании эколого-геологических условий.

Цель работы: интегральная оценка экологического состояния геологической среды Собско-Райизской площади Полярного Урала на стадии начального освоения минерально-сырьевой базы региона.

Основные задачи исследований:

1. Разработка принципов и методических основ оценки экологического состояния геологической среды слабо урбанизированных территорий.

2. Выявление природных факторов формирования эколого-геологических условий Собско-Райизской площади Полярного Урала.

3. Выявление техногенных факторов формирования эколого-геологических условий территории.

4. Выбор критериев, принципов типизации геологической среды, показателей оценки ее экологического состояния.

5. Создание комплекта геоинформационных картографических моделей, характеризующих состояние отдельных ингредиентов геологической среды как основу ее интегральной оценки.

6. Оценка экологического состояния геологической среды Собско-Райизской площади.

7. Разработка практических рекомендаций по рациональному освоению и реабилитации Собско-Райизской площади.

Фактический материал. В основу работы положен фактический материал, полученный автором в процессе полевых геолого-съемочных работ по проекту ГДП-200, листа Q-41-XII в составе Партии региональных геологических исследований (ПАРГИ) Уральской государственной горно-геологической академии в 1998-2001 годах, обработанный с применением компьютерных технологий в период обучения в очной аспирантуре (1999 - 2002 гг.), а также опубликованные и фондовые работы.

Методы исследований. В работе использован комплекс методов, включающий: изучение, анализ и обобщение геологических, гидрогеологических, геохимических, инженерно-геологических материалов в фондовой и опубликованной литературе по изучаемой тематике; маршрутные исследования и опробование, лабораторные исследования с применением современных методов анализа состояния горных пород, почв; математические методы обработки результатов с использованием компьютерных технологий; геоинформационные методы создания картографических моделей и баз аналитической информации.

Научная новизна:

впервые проведена оценка экологического состояния геологической среды территории открытых горно-складчатых структур

У/

криолитозоны Полярного Урала, находящихся на ранней стадии урбанизации;

выявлены основные природные и техногенные факторы, определяющие специфику эколого-геологической обстановки Полярного Урала;

предложены оценочные критерии современного экологического состояния геологической среды на слабо урбанизированных территориях, а также принципы их картографического отображения; впервые составлена геоинформационная картографическая модель Собско-Райизской площади Полярного Урала, отражающая интегральную оценку современного экологического состояния геологической среды.

Практическая значимость. Результаты исследований внедрены при составлении комплекта карт по листу Q-41-XII Государственной геологической карты РФ масштаба 1:200000, выполненному по государственному заказу. Разработаны практические рекомендации по рациональному освоению и реабилитации Собско-Райизской площади. Полученные материалы используются на кафедре гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии VI11А при чтении лекций, проведении лабораторных и практических занятий по курсам «Геоэкология», «Эколого-геологическое картографирование», «Охрана и рациональное использование геологической среды» и «Методы эколого-геологических исследований».

Основные защищаемые положения

1. Эффективность оценки экологического состояния геологической среды слабо урбанизированных территорий Полярного Урала обеспечивается проведением эколого-геологических исследований с акцентом на природные факторы, выбор оценочных критериев, типизацией природных и техногенных условий на базе аналитических карт, созданием синтетических карт, отражающих экологическое состояние геологической среды.

2. Эколого-геологические условия Собско-Райизской площади определяются совокупностью специфических климатических, ландшафтно-' геоморфологических, гидрологических, геокриологических, геологических, минерагенических, гидрогеологических особенностей, активизацией экзогенных геологических процессов и явлений, а также воздействием горнодобывающего комплекса, импульсивно развивающегося транспортного, промышленного, селитебного, сельскохозяйственного и рекреационно-туристического комплексов.

3. Оценка экологического состояния геологической среды Собско-Райизской площади базируется на ранжировании территории по совокупности и интенсивности проявления природных и техногенных факторов на основе картографических моделей. Площадь находится на ранней стадии урбанизации, что в целом определяет ее удовлетворительное эколого-геологическое состояние с локальным распространением очагов нарушения геологической среды и загрязнения ее компонентов на участках хозяйственного освоения.

Апробация работы. Отдельные вопросы работы докладывались и обсуждались: на VII научной конференции Института геологии Коми НЦ УрО РАН «Структура, вещество, история литосферы Тимано-Североуральского сегмента» (Сыктывкар, 1999 г.); международной научной конференции «Новые типы инженерно-геологических и эколого-геологических карт» (Москва, 2001 г); международном симпозиуме «Экологические проблемы инженерной геологии» (Екатеринбург, 2001 г.); международной научно-практической конференции «Техногенная трансформация геологической среды» (Екатеринбург, 2002 г.); годичной сессии Научного совета РАН по проблема*м геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии «Сергеевские чтения» (Москва, 2004 г); молодежной научно-практической конференции, проводимой в рамках Уральской горнопромышленной декады (Екатеринбург, 2004 г.); научных семинарах кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии УГГГЛ (2000-2003 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, из f/ них 5 статей и 7 тезисов докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Объем работы составляет 157 страниц, в том числе 34 рисунка, 7 таблиц. Список использованной литературы включает 127 наименований.

В первой главе изложено состояние вопроса оценки экологического состояния геологической среды (ГС) Собско-Райизскои площади Полярного Урала, а также выполнен анализ ранее проведенных работ геологического содержания, результаты которых целесообразно использовать при эколого-геологических исследованиях данной территории.

Во второй главе рассмотрены методические основы оценки

экологического состояния геологической среды территорий, находящихся на

ранней стадии урбанизации. Проанализированы основные критерии оценки

~ экологического состояния ГС и возможность их использования при

исследованиях территорий Полярного Урала.

В третьей главе охарактеризованы природные факторы формирования эколого-геологических условий Полярного Урала.

Четвертая глава посвящена изложению комплекса техногенных факторов, влияющих на современное экологическое состояние геологической среды.

В пятой главе выполнена комплексная интегральная оценка экологического состояния геологической среды Собско-Райизскои площади на основе обобщения качественных и количественных показателей природных и техногенных факторов, ранжированных с использованием метода экспертных балльных оценок, с учетом их вклада в интегральный показатель.

В шестой главе даны практические рекомендации по рациональному освоению Собско-Райизскои площади, составленные с учетом специфики техногенной освоенности данной территории и сочетания сложных природных факторов.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю д.г.-м.н., профессору О. Н. Грязнову за всестороннюю помощь в подготовке диссертации, к.г.-м.н., доценту И. В. Абатуровой за поддержку и ценные замечания в процессе работы над темой. Автор искренне благодарен сотрудникам кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии УГГУ за постоянное внимание и советы, а также коллективу ПАРГИ УГТУ за помощь в сборе информации и создании цифровых моделей.

10

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. АНАЛИЗ РАНЕЕ ПРОВЕДЕННЫХ РАБОТ

В настоящее время под влиянием многих антропогенных факторов происходит интенсивное ухудшение качества природной среды. Глобальные изменения экосистемы планеты, необратимые последствия экологических катастроф, отчуждение гигантских площадей в районах техногенеза, все это говорит о необходимости изучения современного состояния природной среды, прогноза изменений в процессе дальнейшей урбанизации и разработки принципов рационального природопользования.

Важным и актуальным, на сегодняшний день, является исследование экологического состояния слабо урбанизированных территорий, " характеризующихся низкой степенью техногенной нагрузки и локальным сосредоточением объектов техногенеза, но перспективных для дальнейшего освоения минерально-сырьевой базы. Эти исследования, проводимые перед введением в действие новых объектов, позволяют предотвратить или минимизировать негативное влияние промышленно-хозяйственной деятельности человека на окружающую среду.

К таким территориям относятся районы криолитозоны Большеземельской тундры, Тимано-Печерского сегмента, севера Западной Сибири и Полярного Урала. Эти северные районы России ранее промышленно не осваивались, а основной хозяйственной деятельностью человека в данном регионе были охота и оленеводство. Поэтому, даже с учетом современной индустриализации, на сегодняшний день там существуют еще уголки природы, сохранившиеся в естественном первозданном виде.

Наряду с этим в этих же регионах существуют интенсивно трансформированные территории под влиянием источников техногенного воздействия. Примерами являются площади Норильского, Воркутинского промышленных узлов и крупных нефтегазовых областей Республики Коми и Западной Сибири.

11

Изучение экологического состояния природной среды вопрос сложный и многозначный, для решения которого необходимо привлекать широкий круг-^ специалистов, так как необходимо решать комплексные задачи по оценке

влияния объектов техногенеза на состояние геологической среды, атмосферы, поверхностной гидросферы, биоты, а также на здоровье населения.

Систематические исследования, посвященные изучению данного вопроса, появились только с середины 80-х годов и были направлены, в основном, на изучение экологических обстановок в промышленно освоенных регионах. Исследование экологического состояния территорий криолитозоны, находящихся на ранней стадии урбанизации, вопрос новый и методически недостаточно разработанный, хотя и существуют региональные работы, повященные изучению и оценке экологического состояния данных территорий.

Интересен опыт исследований эколого-геологических условий севера Тюменской области (1998 г) и полуострова Ямал (1989-1992 г) [101, 113], ** выполненные в масштабе 1:1 000000 коллективом Государственного научно-

производственного предприятия «Аэрогеология». Хотя работы имеют региональный характер, они отражают специфику эколого-геохимической обстановки территории как в целом по региону, так и частные геохимические условия различных компонентов природной среды на локальных техногенно-измененных и ненарушенных ландшафтах. По результатам большого объема проведенных полевых и аналитических исследований авторами этой работы была выполнена оценка эколого-геологической ситуации и риска нарушения экологического равновесия.

Схожие работы по поставленным целям и решаемым задачам были выполнены специалистами ГТП «Полярноурапгеология» под руководством Н.Г. Обермана в процессе проведения «Геоэкологической съемки территории деятельности ГТП «Полярноуралгеология» масштаба 1:1000000». [117] Эколого-геологическая оценка данной территории выполнялась на основе исследования ряда факторов. В частности, для оценки загрязнения почв и пород в пределах ландшафтно-техногенных комплексов, в качестве критерия были

12

предложены коэффициенты концентрации элемента в породах и уровни техногенного накопления в различных техногенных комплексах. Изучено преобразование качества природных вод (как поверхностных, так и подземных) на участках с различным направлением и уровнем техногенной нагрузки. Большое внимание уделено изучению направленности изменений геологической среды региона и рекомендациям по ее рациональному использованию.

Аналогичные задачи решались фрагментарно коллективами авторов при проведении Государственных геологических съемок масштаба 1:200000 на различных территориях Тимано-Печерской низменности и западного склона Полярного Урала и Западной Сибири (в проектах ГДП-200).

Из приведенного обзора видно, что на территории восточного склона Полярного Урала, характеризующейся широким распространением месторождений полезных ископаемых и перспективной минерально-сырьевой базой; специализированных эколого-геологических исследований не„ проводилась. Хотя существуют работы, результаты которых возможно использовать для выполнения комплексной оценки экологического состояния геологической среды. К таким работам можно отнести:

результаты геохимических съемок различного масштаба,

выполненных с целью поисков месторождений полезных

ископаемых;

результаты поисков и разведки подземных вод, выполненных с

целью обеспечения существующих населенных пунктов водой для

хозяйственно-питьевых нужд;

результаты геофизических, термометрических и буровых работ,

выполненных при геолого-съемочных и поисковых работах;

материалы аэрофотосъемок проведенных для решения

топографических задач, и др.

Для исследования эколого-геологических условий территорий восточного склона Полярного Урала, находящихся на ранней стадии урбанизации,

13

предлагается использовать в качестве эталонной Собско- Райизскую площадь. Особенности географического положения, сложное геологическое строение,-'f/ наличие в разной степени изученных месторождений и рудопроявлений

полезных ископаемых, геоморфологические условия, а главное наличие в переделах изучаемой территории участков с различной степенью техногенного воздействия, позволяют выявить основные факторы, определяющие специфику экологического состояния геологической среды Полярного Урала.

Анализ ранее проведенных исследований показал, что в пределах Собско-Райизской площади специализированных эколого-геологических исследований не проводилось. Фрагментарные работы по изучению специфики эколого-геологических условий выполнялись ГГП «Полярноуралгеология» под руководством Обермана Н.Г. [114-116] и имели региональный характер.

В период 1997-2001гг. в пределах изучаемой территории Абатуровой И.В. при участии автора в составе «Партии региональных геологических

Ль

"^ исследований» (ПАРГИ) Уральской государственной горно-геологической

академии были проведены гидрогеологические, инженерно-геологические и эколого-геологические исследования, необходимые для решения задач по проекту ГДП-200 [122].

Для изучения вопроса и получения дополнительной информации, характеризующей экологическое состояние геологической среды, использованы результаты ряда работ геолого-съемочного и геолого-поискового характера, а также работ гидрогеологического и инженерно-геологического содержания, проводимых в пределах изучаемой площади фрагментарно с 70-х годов специалистами «Полярно-уральской геологоразведочной экспедиции» (ПУГРЭ) [102-111, 119-121, 123-127].

Изучением метеорологических особенностей Полярного Урала исследователи занимались с 50-х годов прошлого века [112]. Многолетние метеорологические наблюдения, проводимые на метеостанции «Рай-Из», дают представление о динамике изменения климатических условий в субарктической широтной зоне под влиянием природных и антропогенных факторов [109].

14

Для выделения эколого-геохимических аномалий и изучения условий миграции и накопления химических элементов в пределах природных ландшафтов большой интерес представляют результаты литогеохимических съемок различного масштаба, направленных на поиски месторождений полезных ископаемых [125].

На основе обобщения результатов геолого-съемочных и поисковых работ крупного масштаба, проведенных на месторождениях полезных ископаемых, получена информация, характеризующая геокриологические, инженерно-геологические и гидрогеологические условия исследуемой территории. Эти исследования в пределах Собско-Райизской площади выполнены при поисково-оценочных работах на Софроновском месторождении фосфоритов [127], Центральном месторождении хромитов, Пайпудынском месторождении мраморов [124, 110]. Детальные гидрогеологические исследования были проведены только в среднем течении р. Соби при поисках и разведке подземных вод для водоснабжения п. Харп [108].

Многолетние гидрометрические наблюдения, проводимые гидрогеологами ПУГРЭ на крупных водотоках - р.Собь, р. Большая Пайпудына, р.Макар-Рузь [106, 107, 118, 126], характеризуют динамику изменения гидрологического режима рек Собско-Райизской площади.

Специалистами ЗАО «Горно-обогатительные технологии» в 2002 г выполнены детальные экологические работы при составлении ТЭО постоянных разведочных кондицией для отработки месторождений хромитов «Центральное» и «Западное». Данная работа относится к прогнозно-рекомендательным и практически не содержит фактической информации, отражающей современное экологическое состояние окружающей среды на участках исследований.

Таким образом, можно констатировать, что Собско-Райизская площадь Полярного Урала характеризуется достаточной степенью изученности только геолого-структурных особенностей. Гидрогеологические и инженерно-геологические условия территории исследованы фрагментарно, на небольших

15

участках или затронуты при региональных работах, относящихся к Полярному Уралу в целом. Исследования эколого-геологических условий территории при- среднемасштабных исследованиях практически не выполнялись. Оценке экологического состояния геологической среды Собско-Райизской площади на ранней стадии урбанизации посвящена настоящая диссертационная работа.

16

ГЛАВА 2, МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОЦЕНКИ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО

СОСТОЯНИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ

НА РАННЕЙ СТАДИИ УРБАНИЗАЦИИ

2.1. Обзор существующих методов оценки экологического состояния геологической среды

Эколого-геологические исследования являются сравнительно новым видом работ в геологии. Изучением вопроса о содержании и методике проведения экологических исследований в 70-80 годы стали заниматься специалисты различного профиля: географы, геологи, почвоведы . В последнее время этой проблемой заинтересовались биологи и специалисты медико-санитарных служб. Основные концепции данного направления и даже используемая терминология находятся в постоянной разработке.

На основе анализа работ Е. М. Сергеева, В. И. Осипова, Э. Д. Ершова, О. Н. Грязнова, В. Т. Трофимова, Д. Г. Зилинга, И. Н. Востокова, Н. Г. Обермана и других рассмотрим ряд понятий, которые используются в данной диссертационной работе.

Объектом исследований является эколого-геологическая система -определенный объем литосферы как геологический компонент природной среды с находящейся в ней и на ней биотой, и включающий в себя три подсистемных блока - литосферный (абиотический), биоту (биотический) и источники воздействия техногенного и природного происхождения [Трофимов В. Т., 2000]. Нижняя и верхняя границы исследований определяются в каждом конкретном случае индивидуально в зависимости от решаемых задач и специфики геологического строения литосферного блока [85, 94].

Наши исследования охватывают изучение и оценку экологического состояния геологической среды (ГС) как составной части литосферы, под которой различные авторы понимают следующее:

17

о это любые горные породы и почвы, слагающие верхнюю часть литосферы, которые рассматриваются как многокомпонентные системы,- находящиеся под воздействием инженерно-хозяйственной деятельности человека, в результате чего происходит изменение природных геологических процессов, что, в свою очередь, вызывает изменение инженерно-геологических условий определенной территории [Сергеев Е. М., 1979];

о это окружающие нас природные и измененные человеком геологические образования и поля, такие, как рельеф, горные породы, почвы, воды, полезные ископаемые, разные геофизические поля, эндогенные и экзогенные процессы, которые являются минеральной (жизнеобеспечивающей) основой биосферы и влияют на условия существования и деятельности человека [Осипов В. И., 1992].

о это верхняя часть литосферы, ограниченная рельефом, включающая почвы, рыхлые отложения, коры выветривания, коренные горные породы, полезные ископаемые, подземные воды и происходящие в ней геологические процессы и явления. Поверхностные воды и приземная атмосфера не принадлежат ГС, в то же время оказывают на нее огромное воздействие через экзогенные процессы, аэрогенный и гидрогенный транзит вещества [Грязнов О.Н., 2000].

Экологические свойства геологической среды характеризуются вещественным составом пород коренной основы и четвертичных образований, спецификой распространения геохимических, геодинамических и геофизических полей, а также наличием и характером связей между компонентами геологической среды и биоты и принадлежит к пространственным категориям, поэтому проблема охраны и оптимизации состояния ГС имеет четко выраженный пространственный аспект. В этой связи оценка состояния ГС должна базироваться на основе научных исследований и составления картографических моделей, которые бы отражали данную оценку наглядно. Это определило важнейшую роль карты как документа, средства '' исследования и отражения информации, которому доступны все основные

Список литературы