Тема 1. Геофізичні дослідження в екології

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ІВАНО-ФРАНКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ

ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

НАФТИ І ГАЗУ

 

 

Кафедра польової нафтогазової геофізики

В.П. Степанюк

 

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

З ЕКОЛОГІЧНОЇ ГЕОФІЗИКИ

Для студентів екологічних спеціальностей

М. Івано-Франківськ

Р.

ВСТУП

Екологічна геофізика — це науково-прикладний розділ геофізики, призначений для рішення різноманітних екологічних задач і що дає об'єктивну фізичну інформацію для різних дисциплін екологічного профілю.

Постановкою на першому місці визначення "екологічна" підкреслюється прикладний екологічний характер цього розділу геофізики, оскільки всі традиційні геофізичні методи і напрямки досліджень торкаються екологічних проблем і давно застосовуються для рішення геоекологічних і екологічних задач. Екологічна геофізика як "інструмент" для вирішення екологічних задач можна розглядати як прикладну дисципліну нової фундаментальної науки — геофізики біотехносфери (геофізичної екології), орієнтованої на вивчення впливу фізичних полів на екосистеми Землі.

Виникнувши як наукова дисципліна про середовище існування живих організмів, екологія довгі роки була розділом біології, що вивчає взаємини живої і неживої природи, біоти і навколишнього середовища. В даний час подібну класичну екологію називають біоекологією. В останні десятиліття XX в. йде інтенсивна екологізація інших природних і гуманітарних наук і створюються екологічна хімія, фізика, геологія, геофізика й ін. Тому в сучасному розумінні фундаментальна екологія стає системою наук, що вивчає загальні закони функціонування екосистем як у природних умовах, так і в умовах інтенсивного техногенного й антропогенного впливу в процесі господарської діяльності людини. Таким чином, екологія стає наукою про взаємини природи і суспільства.

Створення нових науково-прикладних екологічних дисциплін не випадковість і не данина моді. Це об'єктивна потреба в розробці міждисциплінарних теоретичних і практичних екологічних проблем, необхідних для виживання біосфери в умовах усезростаючого техногенного навантаження. Особливе місце при цьому займає геофізика як наука, що досліджує Землю, навколоземний простір і гідролітосферу шляхом вивчення різноманітних природних і штучних фізичних полів. Вони можуть бути некерованими, тобто виникаючими внаслідок природних процесів чи техногенної діяльності людей, і керованими. Останні спеціально створюються для вивчення оболонок Землі, пошуків і розвідки корисних копалин, рішення різноманітних задач геології, географії, екології.

Екологічні проблеми давно є предметом досліджень загальної, чи фундаментальної, геофізики, що складається з фізики Землі, геофізики атмосфери, літосфери, гідросфери. Прикладом може служити вивчення землетрусів, повільних підйомів і опускання суші, що має важливе значення в екологічній геодинаміці. Інший приклад - вивчення періодичних змін сонячної активності і магнітних бур. Це приводить до варіацій (зміні в часі і просторі електромагнітних полів Землі), що впливає на технічні системи (погіршення космічного, радіо- і кабельного зв'язку, нагрів і мимовільне вимикання енергетичних мереж, збільшення корозії трубопроводів) і погіршує здоров'я людей.

Серед напрямків прикладної геофізики (регіонального, розвідувального, інженерного) найбільш близька до екологічного інженерна геофізика. У ній давно розробляються проблеми ендогенних (внутрішніх) і екзогенних (зовнішніх), повільних і катастрофічних природних геодинамічних процесів (сейсмічність, вивітрювання, зсуви, обвали і т.п.), антропогенно-техногенних проявів (вибухів, аварій, техногенного забруднення і т.д.), забруднення геологічного середовища речовинного (хімічного), наприклад відходами промислового, міського і сільського господарства, чи енергетичного (фізичного), наприклад за рахунок росту інтенсивності акустичних (шумових), електромагнітних, теплових, ядерних полів, що впливають на здоров'я людей.

Особливістю геофізичних досліджень є можливість реалізації принципів томографії, тобто вивчення просторової будови блоків Землі за трьома координатами і зміни стану його в часі шляхом проведення періодично повторюваних космічних, атмосферних, наземних, аквальних і підземно-свердловинних спостережень. Це особливо цінно для організації геофізичного моніторингу, тобто спостереження, оцінки і прогнозування природно-техногенних процесів через зміни зв'язаних з ними фізичних полів. У результаті створюється можливість прогнозувати катастрофічні чи повільні негативні процеси, що необхідно для прийняття управлінських рішень.

Екологічна геофізика відрізняється можливістю проведення швидкого, точного, об'єктивного, недорогого, часто непрямого вивчення будови верхньої частини геологічного розрізу (ВЧР) в умовах сильного техногенного впливу. Введене геофізиками поняття ВЧР еквівалентне екологічному визначенню "природно-техногенна система" (ПТС). Елементами ПТС є як природні геологічні об'єкти (гірські породи, підземні води, гази, біота, окремі геологічні тіла, елементи тектоніки, природні фізичні поля й ін.), так і елементи, що виникають у результаті техногенезу (штучні тіла, техногенно змінені гірські породи і води, техногенні фізичні поля й ін.). Тому задачею геофізичних досліджень ВЧР в умовах техногенезу є вивчення за допомогою геофізичних методів природних геологічних елементів, що визначають стійкість до антропогенних впливів; техногенних інженерно-геологічних процесів; впливу природних і техногенних фізичних полів на геологічне середовище і біоту. Слід зазначити, що природні геофізичні і техногенні фізичні поля можуть або просто складатися за принципом суперпозиції — лінійний зв'язок, чи складно взаємодіяти — нелінійні зв'язки. Останні можуть виникнути, коли техногенні фізичні поля порівнянні з природними геофізичними за інтенсивністю й охоплюють значні об’єми простору, а геолого-геофізична будова району неоднорідно, геофізично нестабільна. У цьому випадку сумарні природно-техногенні поля можна назвати геофізичними, підкреслюючи цим те, що техногенні фізичні поля якось перетворені літосферою, що приводить до ускладнення сумарного поля.

До речі, вплив самих фізичних полів на біоту може оцінюватися інтенсивністю екофізичних чи екогеофізичних аномалій. Під екофізичними аномаліями можна розуміти аномалії природного і техногенного походження, що значно впливають на екосистеми, біоту, здоров'я людей. Під екогеофізичними аномаліями можна розуміти лише ті геофізичні аномалії, що формуються за участю літосфери і трансформуються нею.

Особливі труднощі виникають при вивченні ВЧР міських і промислових (так званих урбанізованих) територій. До них відносяться різка просторова неоднорідність геологічного середовища, зміна фізичних властивостей гірських порід, ґрунтів і ґрунтів у просторі і в часі. Зазначені труднощі збільшуються несприятливими умовами вимірів фізико-хімічних полів унаслідок забудови територій, наявності асфальтового покриття, сильних промислових перешкод і ін. Практика геофізичних досліджень на урбанізованих територіях показує, що застосування традиційних методик часто виявляється малоефективною. Інформативність вивчення ВЧР при рішенні геоекологічних задач може бути різко збільшена за допомогою нових геофізичних технологій, що використовують прийоми комплексування дистанційних, наземних, аквальних і свердловинних методів.

Формування цільових екологічних геофізичних комплексів повинне спиратися на апріорні представлення про об'єкти і задачі досліджень, реалізованих у відповідних фізико-геологічних моделях (ФГМ). Так, при рішенні задач геоекологічного картування побудова ФГМ сполучена з необхідністю одержання незалежних даних про геологічну й інженерно-геологічну будівлю об'єкта, у тому числі про мінливість палеорельефу, фаціального складу верхньої частини розрізу, фільтраційних властивостей порід, про наявність розривних порушень і ослаблених зон і ін. Усі зазначені фактори в сукупності визначають стійкість геологічного середовища стосовно різних видів геодинамічного, речовинного й енергетичного забруднень. Вони обумовлюють синергетичний (спільний) вплив різнорідних природних і техногенних факторів (напружений стан масивів порід; динаміка підземних вод; приливні деформації літосфери; вплив вилучених вогнищ землетрусів, локальних вібраційних, гравітаційних, електромагнітних і термічних полів).

Для екологічних цілей може застосовуватися безліч методів геофізики (гравімагнітні, електромагнітні, сейсмоакустичні, теплові, ядерні). При цьому випливає або спеціально проводити екогеофізичні роботи, або здійснювати екологічну переінтерпретацію даних інших напрямків прикладної геофізики (глибинної, регіональної, розвідувальної, інженерної).

Екологічна геофізика - новий, що знаходиться в стадії становлення напрямок геофізики.

 

ТЕМА 1. ГЕОФІЗИЧНІ ДОСЛІДЖЕННЯ В ЕКОЛОГІЇ