Геологические геофизические исследования

Экологическая геофизика — это научно-прикладной раздел геофизики, предназначенный для решения разнообразных эко­логических задач и дающий объективную физическую информа­цию для различных дисциплин экологического профиля.

Постановкой на первом месте определения "экологическая" подчеркивается прикладной экологический характер этого разде­ла геофизики, поскольку все традиционные геофизические мето­ды и направления исследований затрагивают экологические про­блемы и давно применяются для решения геоэкологических и экологических задач. Экологическая геофизика как "инстру­мент" для решения экологических задач может рассматриваться в качестве прикладной дисциплины новой фундаментальной науки — геофизики биотехносферы (геофизической экологии), ориентиро­ванной на изучение влияния физических полей на экосистемы Земли.

Возникнув как научная дисциплина о среде обитания жи­вых организмов, экология долгие годы являлась разделом биоло­гии, изучающим взаимоотношения живой и неживой природы, биоты и окружающей среды. В настоящее время подобную классическую экологию называют биоэкологией. В последние деся­тилетия XX в. идет интенсивная экологизация других естествен­ных и гуманитарных наук и создаются экологическая химия, физика, Инженерное обеспечение строительства (геология), геофизика и др. Поэтому в современном по­нимании фундаментальная экология становится системой наук, изучающих общие законы функционирования экосистем как в природных условиях, так и в условиях интенсивного техногенно­го и антропогенного воздействия в процессе хозяйственной дея­тельности человека. Таким образом, экология становится наукой о взаимоотношениях природы и общества.

Создание новых научно-прикладных экологических дисцип­лин не случайность и не дань моде. Это объективная потреб­ность в разработке междисциплинарных теоретических и прак­тических экологических проблем, необходимых для выживания биосферы в условиях всевозрастающей техногенной нагрузки. Особое место при этом занимает геофизика как наука, иссле­дующая Землю, околоземное пространство и гидролитосферу путем изучения разнообразных естественных и искусственных физических полей. Они могут быть неуправляемыми, т.е. возника­ющими вследствие природных процессов или техногенной дея­тельности людей, и управляемыми. Последние специально созда­ются для изучения оболочек Земли, поисков и разведки полез­ных ископаемых, решения разнообразных задач геологии, гео­графии, экологии.

Экологические проблемы давно являются предметом исследова­ний общей, или фундаментальной, геофизики, состоящей из физи­ки Земли, геофизики атмосферы, литосферы, гидросферы. При­мером может служить изучение землетрясений, медленных подъ­емов и опусканий суши, имеющее важное значение в экологи­ческой геодинамике. Другой пример — изучение периодических изменений солнечной активности и магнитных бурь. Это при­водит к вариациям (изменению во времени и пространстве электромагнитных полей Земли), что оказывает влияние на тех­нические системы (ухудшение космической, радио- и кабельной связи, нагрев и самопроизвольное выключение энергетических сетей, увеличение коррозии трубопроводов) и ухудшает здоровье людей. Особенно высокая солнечная активность характерна для 23-го цикла (1998—2002 гг.) с начала наблюдений пятен на Солнце. В эти годы циклы солнечной активности разных пе­риодов (11-, 22-, 60-летний и др.) накладываются, что увеличива­ет общую интенсивность пространственно-временных вариаций естественного электромагнитного поля Земли как первичного, так и вторичного (атмосферного) космического и земного происхож­дения.

Среди направлений прикладной геофизики (регионального, разве­дочного, инженерного) наиболее близка к экологической инже­нерная геофизика. В ней давно разрабатываются проблемы эндо­генных (внутренних) и экзогенных (внешних), медленных и катастрофических природных геодинамических процессов (сейс­мичность, выветривание, оползни, обвалы и т.п.), антропогенно-техногенных проявлений, (взрывов, аварий, техногенного загряз­нения и т.д.), загрязнения геологической среды вещественного (химического), например отходами промышленного, городского и сельского хозяйства, или энергетического (физического), на­пример за счет роста интенсивности акустических (шумовых), электромагнитных, тепловых, ядерных полей, влияющих на здо­ровье людей.

Особенностью геофизических исследований является возмож­ность реализации принципов томографии, т.е. изучения пространственного строения массивов Земли по трем координатам и изменения состояния его во времени путем проведения периоди­чески повторяемых космических, атмосферных, наземных, ак-вальных и подземно-скважинных наблюдений. Это особенно ценно для организации геофизического мониторинга, т.е. слежения, оценки и прогнозирования природно-техногенных процессов по изменениям связанных с ними физических полей. В результате создается возможность предсказывать катастрофические или мед­ленные негативные процессы, что необходимо для принятия управленческих решений.

Экологическая геофизика отличается возможностью проведе­ния быстрого, точного, объективного, недорогого, часто косвен­ного изучения строения верхней части геологического разреза(ВЧР) в условиях сильного техногенного воздействия.Введенное геофизиками понятие ВЧР эквивалентно экологическому опреде­лению "природно-техногенная система" (ПТС). Элементами ПТС являются как природные геологические объекты (горные породы, подземные воды, газы, биота, отдельные геологические тела, элементы тектоники, естественные физические поля и др.), так и элементы, возникающие в результате техногенеза(искусствен­ные тела, техногенно измененные горные породы и воды, техно­генные физические поля и др.). Поэтому задачей геофизических исследований ВЧР в условиях техногенеза является изучение с помощью геофизических методов природныхгеологических эле­ментов, определяющих устойчивость к антропогенным воздей­ствиям; техногенных инженерно-геологических процессов; воз­действияприродных и техногенных физических полей на геоло­гическую среду и биоту.

Следует отметить, что природные геофизические и техноген­ные физические поля могут или просто складываться по прин­ципу суперпозиции — линейная связь, или сложно взаимодейст­вовать — нелинейные связи. Последние могут возникнуть, когда техногенные физические поля сравнимы с природными геофи­зическими по интенсивности и охватывают значительные объе­мы пространства, а геолого-геофизическое строение района не­однородно, геофизически нестабильно. В этом случае суммарные природно-техногенные поля можно назвать геофизическими, под­черкивая этим то, что техногенные физические поля как-то пре­образованы литосферой, что приводит к усложнению суммарного поля.

Кстати, воздействие самих физических полей на биоту может оцениваться интенсивностью экофизических или экогеофизических аномалий. Под экофизическими аномалиями можно понимать ано­малии природного и техногенного происхождения, оказывающие значимое воздействие на экосистемы, биоту, здоровье людей. Под экогеофизическими аномалиями можно понимать лишь те геофизические аномалии, которые формируются с участием лито­сферы и трансформируются ею.

Особые трудности возникают при изучении ВЧР городских и промышленных (так называемых урбанизированных) территорий. К ним относятся резкая пространственная неоднородность гео­логической среды, изменение физических свойств горных пород, почв и грунтов в пространстве и во времени. Указанные труд­ности усугубляются неблагоприятными условиями измерений фи­зико-химических полей вследствие застройки территорий, нали­чия асфальтового покрытия, сильных промышленных помех и др. Практика геофизических исследований на урбанизированных тер­риториях показывает, что применение традиционных методик часто оказывается малоэффективным. Информативность изуче­ния ВЧР при решении геоэкологических задач может быть резко увеличена с помощью новых геофизических технологий, исполь­зующих приемы комплексирования дистанционных, наземных, аквальных и скважинных методов.

Формирование целевых экологических геофизических ком­плексов должно опираться на априорные представления об объек­тах и задачах исследований, реализованных в соответствующих физико-геологических моделях (ФГМ). Так, при решении задач геоэкологического картирования построение ФГМ сопряжено с необходимостью получения независимых данных о геологическом и инженерно-геологическом строении объекта, в том числе об изменчивости палеорельефа, фациального состава верхней части разреза, фильтрационных свойств пород, о наличии разрывных нарушений и ослабленных зон и др. Все указанные факторы в совокупности определяют устойчивость геологической среды по отношению к различным видам геодинамического, вещественного и энергетического загрязнений. Они обусловливают синергетичес-кое (совместное) воздействие разнородных природных и техно­генных факторов (напряженное состояние массивов пород; дина­мика подземных вод; приливные деформации литосферы; влия­ние удаленных очагов землетрясений, локальных вибрационных, гравитационных, электромагнитных и термических полей).

Для экологических целей может применяться множество мето­дов геофизики (гравимагнитные, электромагнитные, сейсмоакус-тические, тепловые, ядерные). При этом следует либо специально проводить экогеофизические работы, либо осуществлять экологи­ческую переинтерпретацию данных других направлений приклад­ной геофизики (глубинной, региональной, разведочной, инже­нерной).

Экологическая геофизика — новое, находящееся в стадии становления направление геофизики, по которому практически нет учебников. Предлагаемая работа является попыткой воспол­нить этот пробел. Вместе с тем авторы претендуют на известную универсальность своей работы, включив в нее краткие основы методов геофизических исследований, используемых в фундамен­тальной и прикладной геофизике. Поэтому книга может служить учебным пособием как по экологической геофизике, так и по основам прикладной геофизики для студентов вузов, обучаю­щихся по образовательным программам геологических, геофи­зических, почвенных, экологических и других естественно-науч­ных специальностей и специализаций, связанных с решением экологических проблем.

1.5 Аппаратура для геофизических исследований.