Академия естественных наук Комитет Российской Федерации
по геологии и использованию недр

Государственный научный центр Российской Федерации - ВНИИгеосистем

Московский государственный университет им.М.В.Ломоносова

Международный университет природы, общества и человека "Дубна"

О.Л.Кузнецов
В.А.Богословский
Э.Н.Кузьмина

ЭКОЛОГО-ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
МОСКОВСКОГО РЕГИОНА

Москва, 1995

ВВЕДЕНИЕ

Эколого-геофизические исследования урбанизированных территорий предполагают получение сведений о состоянии окружающей среды, включая такие ее компоненты, как атмосфера, литосфера, гидросфера, биосфера. Не претендуя на столь полное исследование всех перечисленных экосистем, авторы ограничиваются проблемой изучения геологической среды Московского региона. При этом под геологической средой они, вслед за рядом исследователей [12], понимают верхнюю часть литосферы, активно осваиваемую человеком и представляющую многофазную динамическую геосистему, компонентами которой являются горные породы, подземные и поверхностные воды, газы, почвы, биота, продукты техногенеза, естественные и техногенные физические поля.

При изучении геологической среды урбанизированных территорий помимо природных геоэкологических факторов, определяющих устойчивость геологической среды к техногенным воздействиям, приходится считаться с самим этим воздействием. Оно является своеобразной геологической силой, преобразующей природные условия и влияющей на протекание естественных геологических и физических процессов, на состояние сооружений, на биоту, на здоровье человека.

Город Москва с прилегающим к нему регионом является одним из крупнейших мегаполисов мира с развитой промышленностью, инфраструктурой, высокой плотностью населения. Непосредственно в пределах городской территории, расположенной большей частью внутри кольцевой дороги и составляющей около 1000 кв.км проживает свыше 9 млн. человек; население Московской области достигает в настоящее время почти 5 млн. человек. Дополнительно более двух миллионов человек ежедневно перемещаются через территорию мегаполиса. Приведенные цифры свидетельствуют о социальной значимости геоэкологических проблем для Московского региона, населений которого в первую очередь страдает от опасных последствий мощного антропогенного воздействия. Есть, однако, и еще один, экономический аспект геоэкологических и эколого-геофизических исследований региона. Речь идет о проблеме оценки сравнительной стоимости земельных участков на территории города, которая зависит, в частности, от устойчивости геологической среды к неблагоприятным природным и техногенным процессам, а также от интенсивности этих процессов и их развития по площади.

В настоящей монографии авторы делают попытку обобщения опыта эколого-геофизических исследований геологической среды Московского региона с системных позиций, исходя из особенностей ее геологического строения, уровней изучаемой геосистемы и характера решаемых задач. При этом рассматриваются общие принципы эколого-геофизических исследований урбанизированных территорий, а также особенности комплексирования дистанционных, наземных, аквальных, скважинных геофизических и геохимических методов при получении и обработке информации о состоянии и изменчивости геологической среды, о протекании экологически опасных техногенных процессов.

Большое практическое значение для оценки и прогноза антропогенных геологических процессов и загрязнения территории имеет системное эколого-геофизическое моделирование геологической среды. Авторы на примере комплексной обработки геолого-геофизических данных, полученных для Московского региона, демонстрируют возможности такого моделирования при экологическом районировании территории в мелком, среднем и крупном масштабах. Приводятся методика и результаты районирования при оценке устойчивости и степени защищенности геологической среды от техногенных воздействий, изучении инженерно-геологических процессов, картирование активных геодинамических зон в пределах городской территории.

Особое внимание в монографии уделяется эколого-геофизическим исследованиям Московского региона на локальном и объектном уровнях геосистемы. Обобщая опыт своих исследований, авторы показывают возможности одноразовых и режимных наблюдений при экологической оценке и мониторинге локальных территорий и акваторий (экополис "Косино", северо-запад г.Москвы, русло р.Москвы), городских свалок (ПТБО "Кучино"), очистных сооружений в долине р.Москвы (Звенигород), рекреационных зон (Усадьба "Остафьево"), Приводятся эколого-геофизические характеристики указанных объектов, задачи, стоящие перед геофизическими методами, методика наблюдений и результаты комплексной обработки данных

Авторы полагают, что общий методологический подход к проведению эколого-геофизических исследований на урбанизированных территориях может представлять интерес для широкого круга геологов, геофизиков, экологов и специалистов, работающих в смежных областях знаний. Практические результаты выполненных исследований могут быть использованы для проектирования и выполнения природоохранных мероприятий в г.Москве и Московской области, строительства и эксплуатации промышленных, гражданских объектов, обустройстве рекреационных зон, а также для сравнительной оценки их стоимости и рентабельности.

1. Проблемы эколого-геофизических исследований на территории Московского региона.

Экологическое равновесие природной среды, составными компонентами которой являются лито-, гидро-, атмо-, и биосферы, складывалось на протяжении всей истории Земли без активного вмешательства человека. Именно последним фактором обусловлено появление термина "окружающая среда" и связанных с ней проблем. На фоне сохраняющейся тенденции к усилению хозяйственной деятельности наблюдается постоянное возрастание масштабов техногенного воздействия на природные комплексы с далеко идущими последствиями, которые особенно ощутимы в городских экосистемах. Эти проблемы актуальны и для геологической среды, мощность которой, по Е.М.Сергееву, "определяется не присутствием, а воздействием на нее человека.

Наибольшему антропогенному и техногенному воздействию геологическая среда подвержена на урбанизированных территориях, где изменяются все взаимосвязанные ее компоненты: горные породы, насыщающие ее флюиды, физические поля. Эти изменения носят, как правило, необратимый характер. Следует отметить, что урбанизация территории способствует резкой активизации таких природных геологических процессов как выветривание; образование оползней и селей; эрозия поверхности; абразия берегов водоемов; активизация карста; подтопление и заболачивание территории и др. Одновременно с активизацией природных начинают развиваться и неблагоприятные в экологическом отношении антропогенные (техногенные) процессы: гравитационные, геотермические, гидролитогенные, литогеодинамические, антропогенный литогенез. Так, например, антропогенный литогенез проявляется в образовании пород со специфическими физико-механическими и физико-химическими свойствами. В свалочных накоплениях промышленных и бытовых отходов формируется своеобразный состав газовой фазы грунтов с преобладанием метана и двуокиси углерода и происходит интенсивное загрязнение грунтовых и подземных вод токсичными элементами и соединениями.

На примере изучения Московского региона можно показать, что пространственно-временные изменения геологической среды урбанизированных территорий достаточно эффективно изучаются по данным геофизических исследований. В этой связи нам представляется логичным кратко рассмотреть общие физические предпосылки применения геофизических методов для изучения городских и промышленных территорий, выяснить возможности использования геолого-геофизической информации для выделения и оценки слабопроявленных, экологически опасных объектов и, наконец, дать общую характеристику геологической среды Московского региона как объекта геофизических исследований.

1.1. Предпосылки применения геофизических методов для изучения урбанизированных территорий.

Изменения геологической среды урбанизированных территорий под действием антропогенной нагрузки приводит к деформациям естественных и формированию техногенных геофизических полей. Так, например, локальные вариации гравитационного поля, отражающие изменения напряженного состояния инженерно-геологических массивов, могут быть вызваны как уплотнением и разуплотнением грунтов при различных видах наземного и подземного строительства, так и активизацией карстово-суффозионных процессов (формированием полостей) в связи с техногенным изменением гидродинамического режима карстовых вод.

Аномалии геотемпературного поля (с амплитудой от единиц до десятков градусов) в условиях города возникают вследствие нарушения естественной транспирации и теплообмена с атмосферой, освоения подземного пространства и интенсивного использования подземных вод для водоснабжения. Движение подземных вод усиливает распространение так называемого "теплового загрязнения" геологической среды города. Так, например площадь московской геотермической аномалии составляет - 1000 кв.км.

Из-за наличия радиоактивных элементов в природных и искусственных строительных материалах, промышленных отходах и шлейфовых выбросах крупных энергетических комплексов изменяется специфическое поле радиоактивных излучений: наблюдается возрастание радиоактивности окружающей среды в целом.

В условиях урбанизации города формируются техногенные физические поля - вибрационное и электромагнитное. Строительные работы, движение транспорта, работа различного рода станков и механизмов на промышленных предприятиях приводят к возникновению виброакустического поля. Техногенные электромагнитные поля приурочены к линиям электропередач переменного тока (поля блуждающих токов); электромагнитные поля промышленной частоты создаются генераторами, радио- и телевизионными станциями, радиолокаторами.

Естественные и техногенные физические поля влияют на все компоненты геологической среды, в том числе на современные геодинамические процессы, течение которых во многом определяется эффектами взаимодействия физических полей с геологической средой. Однако при традиционном подходе к проблеме не могут быть объяснены все наблюдающиеся в природе явления. Для истинного понимания многих из них требуется создание нетрадиционных физических моделей на основе нелинейной геофизики - нового раздела наук о Земле. Объектами изучения нелинейной геофизики являются различного рода взаимодействия геофизических и геохимических полей, необратимые явления в геологических средах, нелинейные эффекты. Последние условно можно разделить на четыре основные группы.

К первой относится нелинейное изменение характеристик естественного или наведенного физического поля при его распространении в геологической среде. Для виброакустических полей - это возникновение высокочастотных гармоник при низкочастотном источнике поля: скачкообразное изменение энергии поля при его взаимодействии со слоистой средой, аномальная дисперсия скорости волны за счет ее поглощения.

Ко второй группе относятся эффекты трансформации одного вида физической энергии в другой, так называемые перекрестные эффекты -сейсмоэлектрический, сейсмомагнитный, термоакустический. Эти эффекты в отличие от реализуемых по тривиальной схеме прямого перехода любого вида энергии в тепловую являются результатом взаимодействия геофизических полей между собой, которое сопровождается изменением эффективных геофизических характеристик среды таких как температуропроводность, электропроводность, магнитная проницаемость.

Третья группа - эффекты трансформации энергии геофизических полей в энергию геохимических реакций. Это, главным образом, механохимические, электрохимические и радиоционно-химические реакции, лежащие в основе многих геофизических и геохимических процессов в геологической среде. Эффекты необратимого изменения геологической материи под действием интенсивных или слабых, но длительно действующих физических полей, составляют четвертую группу. Они возникают при изменении параметров геологической среды: структуры пустотного пространства (пористости, трещиноватости, кавернозности), характера его насыщения и фазового состава флюидов-порозаполнителей в результате действия на среду механических, электрических и тепловых напряжений. Под действием физических полей меняются также важнейшие величины, как рН и Eh среды.

Определенный прогресс в понимании природы необратимых изменений геологической среды связан с развитием представлений о физико-математических моделях изучаемых процессов. Эти модели являются, как правило, нелинейными. Они должны строится на базе механики многофазных сред с учетом влияния физических полей на перенос флюидов и тепла. Кроме того, следует учитывать принципиальную нестационарность и необратимость природно-антропогенных процессов. В связи с этим при построении таких моделей необходимо привлекать аппарат теории необратимых процессов. Так, например, в рамках приближения Онзагера для характеристики тепло-массопереноса может быть справедливо следующее соотношение;

Ji = Lik Xk,

где Xk - обобщенная сила; Lik- феноменологические коэффициенты; Ji -поток энергии или вещества.

Приведенное уравнение имеет фундаментальный характер, оно свидетельствует о жесткой взаимосвязи физических полей с полями градиентов давления, температуры, влажности и электрического потенциала. Отсюда также становится очевидной природа геофизических и даже биологических эффектов окружающей среды.

Геологическая среда, в которой протекают те или иные процессы, в том числе и геодинамические, активна одновременно во всех своих частях. Твердая жидкая и газовая фазы являются единой системой, все компоненты которой взаимосвязаны многообразными энергетическими переходами, определяющими их конкретное физическое состояние в каждой точке пространства.

Развитие природно-антропогенных процессов, подчиняясь закону "последней капли", приводит, как правило, к катастрофическим, необратимым последствиям. Именно по такому закону происходят: образование карстовых провалов и оползней, тиксотропное разжижение глинистых грунтов и газовые выбросы в местах скопления отходов.

В связи со сплошностью рассматриваемых природно-антропогенных процессов, их достаточно полная характеристика может быть получена только на основе комплексных геолого-геофизических и геохимических исследований. Эффективность этих исследований определяется как составом входящих в целевые комплексы геофизических методов, так и современными методами обработки и извлечения полезной информации, позволяющими получить представление об эмерджентных свойствах изучаемой геосистемы, в т.ч. о таких слабопроявленных, экологически опасных объектах, как активные геодинамические зоны, гидрогеологические "окна", зоны повышенной проницаемости и др. Ниже рассматриваются некоторые особенности современных информационных технологий, дающих возможность направленного изучения указанных объектов.

1.2. Проблемы изучения слабопроявленных экологически опасных геологических объектов: новые информационные технологии.

К числу слабопроявленных геологических объектов, представляющих повышенную экологическую опасность относятся активные геодинамические зоны, участки малоамплитудной тектоники, ослабленные зоны повышенной проницаемости, "гидрогеологические окна" и ряд других образований (см.п.2.3). Они связаны с особенностью структуры и эмерджентными свойствами геологической среды и представляют собой зоны потенциальной опасности развития неблагоприятных процессов и загрязнения при техногенном воздействии. Как правило, указанные объекты слабоконтрастны в геологических и физических полях, поэтому их выявление по данным однометодных геофизических или геохимических исследований бывает затруднено. Особенно трудно их изучение на урбанизированных территориях в условиях интенсивных техногенных помех. Для решения этой задачи необходима информация, полученная по комплексу методов. Ниже рассматриваются возможности новых информационных технологий и, в частности, интегрированного системного анализа геологической, геофизической и геохимической информации для изучения сложных слабопроявленных геологических объектов, экологически опасных явлений и процессов.

1.2.1. Физические предпосылки системного интегрированного анализа геолого-геофизической информации.

В науках о Земле все более отчетливо формируется геономическое направление, позволяющее рассматривать литосферу как единую целостную систему, внутри которой непрерывно протекают сложные физико-химические, в том числе геодинамические процессы, сведения о которых получают по комплексу дистанционных геофизических, геохимических и геологических характеристик.

Промышленное применение технических средств зондирования литосферы с космических и аэроносителей (наряду с наземными и скважинными), а также создание ЭВМ новых поколений обуславливают возможность проведения системного анализа всей совокупности информации, получаемой с четырех уровней зондирования. При этом на первый план выдвигается разработка общей теории и методологии комплексирования многоуровенной информации.

Как отмечает О.Л.Кузнецов [11] методы и теория комплексирования многоуровенной информации не могут создаваться вообще, без указания конкретных геолого-геофизических приложений. Вместе с тем целесообразно сформулировать некоторые общие положения и принципы, которые могут быть использованы при построении конкретных технологий интегрированного анализа, а также их информационного и математического обеспечения. Представляется, что к числу важнейших методологических аспектов интегрированного анализа могут быть отнесены: - общие принципы организации геологического, геофизического и геохимического пространства; - общие и особенные черты геофизических и геохимических полей и параметров; -механизм передачи информации с глубины на поверхность; - свойства физико-химической памяти горных пород; - эмерджентность свойств горных пород; -пространственная, энергетическая и временная иерархия геопроцессов.

В информационных системах геологическая среда выступает как объект измерения определенных метрических характеристик (размер, конфигурация, взаимное расположение тел и пр.). К числу важных и легко поддающихся измерению геометрических характеристик относятся морфологические характеристики геообъектов, изучаемые не только в статике, но и в динамике. Например, повторное нивелирование поверхности Земли в зонах, приуроченных к глубинным геодинамическим очагам, дает результаты, в частности, по выявлению зон техногенных просадок при эксплуатации месторождений подземных вод, нефти, газа, при подземных работах.

Типизация геологических обстановок, для которых могут быть формализованы изменения свойств среды как по вертикали, так и по латерали позволяет выделить наиболее значимые геологические объекты. Так, например, если свойства геологической среды плавно меняются по латерали, ее пространственную изменчивость можно легко аппроксимировать с помощью сплайн-функций или полиномов. В условиях урбанизированных территорий такого плавного изменения практически нет. Резкая неоднородность верхней части разреза, связанная с влиянием строительной планировки, техногенного литогенеза, подтопления территории, интенсификации природно-антропогенвых процессов приводит к тому, что свойства геологической среды изменяются скачкообразно и нелинейно на очень малых расстояниях по латерали. Как правило, одновременно резко меняются свойства и по вертикали.

Несмотря на то, что для геологических сред характерны существенно различные модели, описывающие распределение их свойств по вертикали и по горизонтали, наблюдается некая общая организация структуры геологического пространства. Она выражается в определенной иерархичности линейных и кольцевых (или кольцеобразных)' дислокации земной коры. По существу, литосфера повсеместно включает иерархически упорядочные объектов этих двух типов.

Необходимо подчеркнуть, что иерархичность линейных и кольцеобразных дислокации отражают определенную квантованность геологической среды и особенности структурных связей слагающих ее элементов. Таким образом, геологическая среда может рассматриваться, как геосистема, которая может обладать новыми свойствами по сравнению с входящими в нее элементами. Эти свойства системы носят название эмерджентных и могут проявляться на любых ее иерархических уровнях. Так, например, образцы пород поднятые из определенного интервала геологического разреза, могут быть непроницаемыми или иметь почти нулевую проницаемость, но при этом пласт, который они представляют, может иметь гигантскую проницаемость, далеко не всегда можно вычислить физическую характеристику того или иного массива горных пород на основе аддитивного сложения свойств отдельных его блоков. Условия применимости тех или иных аддитивных моделей для описания геологических объектов каждый раз необходимо доказывать. Легко доказать, например, свойство аддитивности для гравитационных характеристик среды, которые являются, по существу, и изотропными характеристиками, т.е. не зависят от направления радиус-вектора системы наблюдения. В то же время значительная часть физических характеристик существенно неаддитивна.

Анизотропность геологической среды является ее важным свойством. Как правило, проявляется неодинаковость ее физических свойств по вертикали и по латерали, а также по отдельным направлениям тензора напряжений. Неодинаковость свойств, принципиальную анизотропность геологической среды до последнего времени мало учитывают при геофизических и геохимических исследованиях, при интегрированном системном анализе без этого обойтись будет уже трудно.

К числу важнейших особенностей геологической среды следует отнести память о прошлых геофизических, геологических и геохимических процессах. Эта память всегда соседствует с актуальными характеристиками, следовательно, исследуют результаты наложения современных геологических процессов и палеопроцессов.

Еще одна особенность геологической среды - это механизм передачи информации от глубинных слоев к поверхности Земли и к приземным' слоям атмосферы. Поскольку рассматривают информационные системы, размещенные на носителях, которые расположены на различном удалении (вверх и вниз) от поверхности Земли, то необходимо учитывать механизм, обеспечивающий передачу глубинной информации на поверхность. Суть механизма заключается в том, что с одной стороны, земная кора постоянно эволюционирует по всей своей толще, а с другой стороны, есть некие каналы, которые обладают сверхпроводимостью летучих (жидких и газовых), составляющих геологическую среду.

До последних лет эти процессы рассматривались изолированно, поэтому на их общность и взаимодействие исследователи практически не обращали внимания. Современная теория комплексирования требует описания не только особенных черт геофизических или геохимических процессов, но и изучение их общих черт, а также взаимодействия между ними; Наряду с "чисто"-геофизическими и геохимическими процессами целесообразно ввести понятия о геофизико-геохимических и геохимико-геофизических процессах, т.е. о процессах, в которых существенны взаимные трансформации энергии физических и химических реакций. К ним относятся: - механо-химические процессы, протекающие в земной коре под действием градиентов механических напряжений, которые выступают в роли катализаторов химических реакций; -эффекты радиолизного характера (химические реакции, происходящие под действием ионизирующего излучения); - реакции, протекающие под действием электромагнитных и электрических полей; известна совокупность электрокинетических явлений, приводящих к значительной трансформации химических потенциалов в среде; - магнитно-химические процессы и процессы, связанные с переходом гидродинамической энергии в энергию химических реакций.

Известен обширный класс геохимико-геофизических процессов, при котором изменение таких важнейших (химических) показателей, как рН и Eh приводит к изменению физических свойств горных пород. Это объесняется тем, . что при измененном показателе водорода начинают интенсивно высаживаться одни типы элементов и выщелачиваться другие. Естественно, это отражается в минеральном составе каркаса горных пород, в его структуре, и соответственно, в физических свойствах.

При интегрированном анализе многоуровенной информации необходимо учитывать определяющую роль изотермических и адиабатических полей напряжений в формировании структуры геологической среды, ее тектонических элементов, а также в интенсификации процессов тепло-массопереноса.

1.2.2. Информационные возможности геофизических и геохимических полей.

К общим чертам этих полей относятся их неоднородность, резкая контрастность отдельных аномалий, непрерывность и значительные изменения во времени. В последнем случае можно говорить о четырехмерном . (пространственно-временном) изменении полей, которое может быть предметом изучения как при пассивных методах наблюдения, так и при активном воздействии на геологическую среду. При регистрации практически всех геофизических полей в геологической среде изучаются не истинные, но некоторые эффективные ее характеристики. Эта эффективность измеряемых характеристик определяется структурой геологической среды как геосистемы (ее гетерогенностью, многокомпонентностью, многоэлементностью) и отмеченной выше четырехмерной изменчивостью.

Хотя при решении обратных задач геофизики приписывают получаемым характеристикам универсальный смысл физических параметров, как правило приходится иметь дело лишь с эффективными геофизическими характеристиками геологической среды. Это справедливо при условии строгого решения обратной задачи геофизики, но если она решена не достаточно корректно, то исследовалось лишь распределение в среде неких физико-геологических неоднородностей. Общая схема информационных возможностей и информационных ограничений геофизических методов в зависимости от уровней наблюдений приведена в таблице № 1.

Величины геофизических параметров зависят от масштаба их измерения, в то время как величины физических характеристик однородной среды практически не зависят от масштабов измерения. В этом также заключается существенное отличие физических и геофизических измерений, т.е. переходя к другому масштабу измерения в одной и той же геологической среде, можно получить различные величины. Это необходимо учитывать при решении обратных задач геофизики и проведения интегрированного анализа информации.

Как правило, с помощью геофизических методов изучают современное состояние геологической среды. Но геосреда хранит память о палеогео-физических процессах. Следовательно, при решении обратных задач геофизики необходимо разделить нео- и палеосоставляющие геофизических процессов. Измеряемые геофизические характеристики являются функционалами над полем многих переменных. В число переменных входят структурно-литологические, фильтрационно-емкостные, деформационно-упругие и другие свойства среды.

Таблица 1

Сравнение информационных возможностей отдельных видов исследований и геосистем.

Значительное влияние на величины геофизических параметров оказывает термодинамическое состояние горных пород, выражающееся в величинах температур, давления и их градиентов. Таким образом, чтобы установить прямую связь между измеряемой геофизической характеристикой среды нужно с помощью тех или иных математических приемов снять влияние мешающих факторов. Как правило, лобовое решение этой задачи возможно крайне редко (особенно в рамках единичного геофизического метода). Наличие взаимно пересекающихся параметров и характеристик среды, а также помех возникающих при их оценке обуславливает сложность решения обратной задачи геофизики. Интегрированнный системный анализ геологической, геофизической и геохимической информации позволяет выделить из семейства функциональных зависимостей именно ту зависимость, которая более всего важна при решении конкретной геологоразведочной или другой практической задачи.

Говоря об информационных возможностях геохимических полей, следует отметить их локальность и приуроченность наиболее сильных аномалий (по летучим компонентам) к зонам глубинных разломов и других дислокации земной коры. Эти участки всегда резко выделяются над фоном, причем, контрастность их значительно выше, чем по любым физическим аномалиям. Геохимические аномалии являются своего рода маркерами долгоживущих глубинных, а в ряде случаев, и приповерхностных дислокации. В таких зонах геохимические поля претерпевают резкие скачки и применительно к их анализу можно не употреблять термина - эффективная характеристика среды.

Так как любое геохимическое поле является результатом суперпозиции глубинных и приземных источников, при решении обратных задач необходимо классифицировать аномалии и выделять составляющие, связанные с глубинными или приповерхностными процессами. Целесообразно применение приемов, давно уже используемых в разведочной геофизике, в частности, при интерпретации потенциальных полей. Это так называемые методы продолжения поля в верхнее или в нижнее полупространство.

К особенностям геохимических полей следует отнести их большую мобильность и изменчивость во времени по сравнению с геофизическими. Это объясняется соответствующими скоростями и масштабами миграции летучих и твердых компонентов литосферы.

1.2.3. Особенности технологии интегрированного системного анализа.

Создание технологии интегрированного системного анализа информации связано с решением крупной информационной проблемы, которую необходимо решать в соответствии с основными законами теории информации. При выполнении такого анализа исследователь оперирует многоуровенными, многочастотными информационными потоками, которые обеспечивают синэнергетические связи, усиливающие конечный информационный эффект от их суммирования. Следствием этой синэнергетичности является и то, что при интегрированном анализе недопустимо простое весовое сложение информационного вклада от каждого из методов. Если из физических соображений ясно, что тот или иной параметр не связан информационно с интересующей геологической характеристикой, то его совсем не обязательно вкладывать в общую информационную обработку. При системном анализе исследователю необходимо ориентироваться на раскрытие целостности объекта, выявление многоуровенности связей и сведение их в единую теоретическую картину.

Следующее свойство интегрированного анализа заключается в том, что по существу, он является кибернетическим анализом, при котором постоянно предусматривается обратная связь. Поэтому анализ должен быть основан на человеко-машинных методах обработки, на возможности исследователя (интерпретатора) многократно возвращаться к результатам интерпретации, вводить в расчеты определенные допущения, специально "зашумливать задачу", вводить или убирать те или иные помехи, т.е. вводить определенные элементы неустойчивости в решении этой обратной задачи и тут же экспрессно оценивать результаты расчета с учетом зашумленности поля и т.д.

Важная сторона информатики применительно к интегрированному анализу - эмерджентность информации о геологических объектах. Выше отмечалось, что свойства геологической среды являются эмерджентными; но раз эмерджентны свойства, то, следовательно, эмерджентна и информация об этих свойствах. Эмерджентность в ряде случаев может привести к удивительному результату комплексной интерпретации, т.е. те объекты, которые при лобовом решении обратной задачи не выявляются как инородные, при их интегрированном анализе могут быть выявлены.

Представляется, что при интегрированном анализе необходимо предусматривать следующие положения, вытекающие из требований целостности, дополнительности и замкнутости информационной системы:

а) использование каждого нижнего уровня в качестве петрофизической основы для каждого верхнего;

б) "боковое" расширение данных при переходе с нижнего уровня на более высокий;

в) снижение (потеря) глобальности и увеличение петрофизической "начинки" при переходе с верхнего на нижний уровень в сочетании с последовательным приближением к объекту;

г) принцип разбиения на квазиоднородные участки по эффективным параметрам среды;

д) принцип многоуровенной дополнительности. Важнейшим элементом технологии интегрированного системного анализа геолого-геофизической и геохимической информации является математическое моделирование. При этом применительно к изучению геологической среды урбанизированных территорий моделируются: основные особенности геологического, тектонического и гидрогеологического строения региона; условия возникновения и распределения по площади экзогенных геологических и инженерно-геологических (техногенных) процессов; пространственное распределение техногенного загрязнения; физические поля над телами заданной формы, размеров и свойств, находящиеся в слоистой и однородной вмещающей среде; слабопроявленные геологические объекты, связанные с эмерджентными свойствами геологической среды и представляющие потенциальную экологическую опасность.

Для решения этих задач могут использоваться современные методы моделирования, в которых должны органически сочетаться возможности аналитических (математических) и численных методов (конечных разностей, Монте-Карло и др.), а также натурное моделирование геологических и техногенных процессов на хорошо изученных комплексом геофизических и геохимических методов эталонных геологических полигонах.

Конечным результатом интегрированного анализа геолого-геофизических и геохимических данных при изучении геологической среды могут являться: -районирование территории по типам геологического разреза, особенностям палеорельефа, гидрогеологическим и сейсмотектоническим условиям; районирование территории по степени защищенности геологической среды от техногенного воздействия в т.ч. выявление ослабленных, разуплотненных, проницаемых участков гидрогеологических "окон", активных динамических зон; -выявление и прогноз общих закономерностей распространения по площади и интенсивности протекания экзогенных природных и техногенных физико-геологических явлений; - решение прямых геофизических и геохимических задач над объектами сплошной структуры при направленном "зашумлении" или снятия шума; - выявление очагов загрязнения геологической среды и прогноз развития неблагоприятных техногенных процессов.

Пример успешного использования технологии интегрированного системного анализа геолого-геофизических данных при картировании слабопроявленных активных геодинамических зон приводится ниже в разделе 2.3.

1.3. Геологическая среда Московского региона как объект геофизических исследований.

1.3.1. Техногенные изменения геологической среды Московского региона.

Проблемы геолого-геофизических исследований Московского региона определяются необходимостью изучения и прогнозирования состояния геологической среды и контроля ее изменений, происходящих под влиянием техногенной нагрузки. Урбанизация Московского региона привела к созданию своеобразного мегаполиса, в структуру которого, помимо Москвы, входит 146 городов и поселков городского типа, занимающих более 15% территории. Хозяйственное освоение городских площадей, прилегающих к ним промышленных зон и сельскохозяйственных угодий привело к значительным изменениям в экзодинамической обстановке, в условиях формирования режима подземных вод, в самом составе и качестве геологической среды. Как указывают Г-АТолодковская и Ю.Б.Елисеев [6] влияние инженерно-хозяйственной деятельности ощущается в регионе практически до подошвы каменноугольных отложений, которую можно принять за нижнюю границу геологической среды Московского мегаполиса. Кратко рассмотрим особенности строения верхней части разреза с точки зрения защищенности геологической среды от техногенного воздействия.

Каменноугольные отложения, залегающие в ее основании, имеют значительную мощность и представлены карбонатными породами, разделенными горизонтами глинистых пород. Известняки часто сильно и неравномерно трещиноваты, закарстованы, местами разрушены до состояния доломитовой муки. Мощность таких зон дробления достигает 5 м. К карбонатным породам карбона приурочены основные водоносные комплексы, являющиеся источником питьевого и технического водоснабжения многих городов агломерации. Воды карбона напорные, но в ходе интенсивной их эксплуатации в ряде мест произошла значительная сработка уровней.

Каменноугольные отложения перекрыты мезо-кайнозойскими песчано-глинистыми породами, среди которых особое положение занимают глины верхней юры, рассматриваемые здесь в качестве регионального водоупора. На восточной окраине Московской области эти глины отсутствуют, а в зоне их распространения сплошность горизонта нарушена древними речными долинами, что значительно осложняет картину естественной защищенности глубоких горизонтов подземных вод от загрязнения.

Чувствительность геологической среды Московского региона к техногенным воздействиям во многом зависит от состава и строения четвертичных отложений, которые, в свою очередь, определены сменой эпох наступления и таяния ледника, климатическими циклами этого периода. Древняя окская морена сохранилась лишь по ранее плиоценовым долинам. Значительно шире развиты суглинки днепровской и московской морен и песчаные водноледниковые, озерные и болотные отложения времен отступания этих ледников. Чехол четвертичных отложений насчитывает десять водоносных горизонтов и комплексов нередко гидравлически связанных между собой с местными напорами.

Урбанизация территории способствовала интенсивному формированию техногенных отложений. Если в середине прошлого десятилетия человек оставлял здесь ежегодно около 10 тыс.куб.метров техногенных новообразований, то на сегодня эта величина выросла, по крайней мере, вдвое. Особую роль в эколого-геологической ситуации региона играют природные геологические процессы, которые по опасности воздействия на геологическую среду составляют следующий иерархический ряд: заболачивание, овражная эрозия, карст, оползни и серия мелких процессов, развитых на небольших, территориально обособленных участках.

Болота развиты по всей территории. На севере и востоке региона они объединяются в крупные лесо-торфяно-болотные массивы, соединяющиеся протоками в региональные системы болот. На остальной территории это разобщенные болотные котловины - реликты древних озер. Болота занимают около 40% земель Мещеры и 10-15% земель Верхневолжской равнины. На остальной территории Подмосковья их суммарная площадь составляет 2-3%. Наиболее густая сеть оврагов отмечается в пределах Смоленске-Московской возвышенности, где площади неудобий, связанных с оврагами, колеблются от 12 до 15% всей площади земель, тогда как в Мещере и на Верхневолжской равнине они составляют 1-2% и редко достигают 5%.

Карст Московского региона относится к типу погребенного. Исключение составляет южная часть области, где карстующиеся известняки по долинам рек нередко выходят на поверхность. Появления карста на поверхности фиксируются по крайней мере на трети территории региона, что составляет по площади около 15,6 тыс.кв.км. В основном встречаются воронки, иногда сливающиеся в вытянутые неглубокие котловины, суходолы. Реже наблюдаются карстовые провалы глубиной до 5 м. Сгущение карстовых воронок отмечается вдоль зон тектонических нарушений, выделяемых по космическим снимкам в виде линеаментов.

Оползни развиты как в четвертичных отложениях, так и в глинистых породах карбона, юры и мела. В первом случае это преимущественно неглубокие оплывины с глубиной захвата 1-3 м, хотя встречаются, и более крупные, с мощностью оползневых накоплений свыше 10м. Отдельные оползни, сливаясь, образуют иногда зону фронтального сползания протяженностью до 1 км. Глубокие оползни коренных пород связаны с деформациями в глинах нижнего мела (парамоновские глины), оксфордского и келловейского ярусов верхней юры, каширской и верейской свит среднего карбона. Деформации в глинах нижнего мела почти не отличаются от сходных смещений в четвертичных отложениях; оползни в юрских глинах и карбоне достигают мощности свыше 20 м. Крупные оползни относятся к деформациям сдвига и выдавливания. Лучше других изучены крупные оползни в пределах Москвы. За последние 30 лет произошло два крупных смещения таких оползней. Е.П.Емельянова и В.В.Кюнтцель, исследовавшие крупные оползни Москвы и Подмосковья, пришли к выводу, что периодичность оползневых смещений составляет 300 (400) - 500 лет.

Антропогенное воздействие на Геологическую среду Московского региона привело к существенному преобразованию природных экзогенных геологических процессов. Так, в пределах городских территорий особенно сильно сказывается как прямое инженерное воздействие - засыпка оврагов, закрепление неустойчивых склонов, спрямление речных русел, так и опосредованное - через изменения баланса водного стока, температурного режима почв и грунтов и т.д. Геодинамическая обстановка региона осложнена такими инженерно-геологическими процессами, как механическая суффозия по городским территориям, подтопление, переформирование берегов водохранилищ, судовая абразия на канале, возникновение аномальных температурных полей.

Механическая суффозия встречается, в основном, над подземными коммуникациями и за плитами облицовки по берегам рек. Этот процесс, распространенный и на отдельных локальных участках, может привести к деформациям сооружений. Большой ущерб несет процесс подтопления городских территорий, которым поражены почти все города Подмосковья. Причины подтопления разнообразны: создание водоемов, вызывающих подпор грунтовых вод, засыпка естественных дрен (оврагов), искусственное дождевание, ограничение пространства естественной . фильтрации выпавших атмосферных осадков (уплотнение грунта, асфальтирование), барражный эффект фундаментов сооружений, утечки из коммуникаций, а также отсыпка техногенных грунтов, имеющих водонепроницаемые (слабопроницаемые) прослои.

Подтопление в условиях города часто бывает спорадическим и довольно быстро ликвидируется из-за явно выраженного экологического дискомфорта, связанного с ним. Но известно немало случаев, когда подтопление приводит к созданию постоянных водоносных горизонтов. Такие инженерно-гидрогеологические горизонты (наряду со спорадическим обводнением) получил развитие в Москве (по долинам рек Чура, Кровянка, Раменка, Котловка), а также в Егорьевске, Запрудне и других городах и поселках городского типа в Подмосковье. В Москве такие горизонты встречаются в покровных отложениях, в аллювиальных слоях морен. Глинистые грунты, попадающие в зону подтопления, изменяют свои физико-механические свойства. В несколько раз снижается модуль деформации и сцепление. Фильтрация, подъемы, снижения уровней вод новообразованных горизонтов создают условия для суффозии, а с ней и кольматации грунтов, увеличивают вероятность оползневых смещений и плоскостной эррозии.

Наряду с подтоплением городов наблюдается и обратная картина -осушение ранее заболоченных участков. Интенсивное потребление городом подземных вод глубоких горизонтов приводит к инверсии их перетока. В местах отсутствия надежного разделительного водоупора между водами эксплуатируемых горизонтов и водами четвертичного покрова, при сработке напора происходит разгрузка грунтовых вод в нижележащие горизонты, что отражается на общей обводненности городских земель в этой зоне. Характерна в этом плане территория г.Подольска, где при общем снижении уровней грунтовых вод на участках развития днепровской морены отмечены процессы подтопления.

Следует отдельно остановиться на гидрогеологических условиях Московкого региона и связанных с ними особенностях техногенного воздействия и загрязнения. Своеобразие этих условий, связанных с региональным строением Московского артезианского бассейна состоит в том, что основные пресные подземные воды приурочены к серии водоносных комплексов карбона, разделенных глинистыми толщами, размытыми многочисленными древними речными долинами, что обуславливает их гидравлическую связь. Мощную толщу водоносных комплексов карбона в центральной части бассейна перекрывают породы мезозойского и четвертичного возраста, также содержащие водоносные горизонты, которые обеспечивают заметную долю питания напорных комплексов карбона.

Как отмечают Л.Д.Бруевич, М.С.Орлов и др. [5], более чем вековой отбор подземных вод стал основным фактором антропогенного воздействия на гидрогеологические условия и вызвал глубокую перестройку гидродинамической структуры центральной части Московского артезианского бассейна. Природная гидрогеологическая система Московской области перерождается на значительной ее части в техногенную. Модуль современного водоотбора составляет здесь 1,0 л/с.кв.км, достигая на отдельных участках 2,5-3,0 л/с.кв.км. Уже сейчас на этих участках водоотбор соизмерим с величиной естественных ресурсов, модуль которых в среднем по площади определен в -2,2 л/с.кв.км. Современный водоотбор вызывает снижение пьезометрических уровней основных водоносных комплексов на большей части территории области, причем снижение напоров на величину более 10 м охватывает около 70% площади Московской области. Изменение естественных соотношений напоров в этажно расположенных водоносных комплексах создает "обращенную" гидродинамическую зональность в долинах рек, вызывает нисходящие потоки подземных вод и рост вертикального градиента напора. Т.е. переход от природной к техногенной гидрогеологической системе сопровождается изменением характера и интенсивности взаимосвязи подземных вод между собой .и с поверхностными водами.

Изменение гидродинамической структуры водоносных комплексов Московского артезианского бассейна привело к ухудшению качества подземных вод вследствие поступления загрязненных веществ из зоны аэрации, при перетекании из четвертичного водоносного комплекса, подтягивания соленых подземных вод и загрязненных поверхностных вод. В этих гидрогеологических условиях в подземных водах увеличивается содержание хлоридов, сульфатов, железа, элементов и соединений, генетически связанных с техногенным загрязнением: поверхностно-активных веществ, нефтепродуктов, ядохимикатов, тяжелых металлов и др. Спектр загрязняющих компонентов, поступающих в подземные воды в пределах Московского артезианского бассейна, весьма разнообразен и еще не полностью изучен. Источники загрязнения подземных вод различны в зависимости от гидродинамических условий водоносных горизонтов и комплексов. Так, при питании подземных вод за счет атмосферных осадков и перетекания вод четвертичного комплекса основными источниками загрязнения выступают сельскохозяйственные, промышленные и транспортные компоненты: нитраты, органические вещества различного состава, ядохимикаты, хлориды, сульфаты, тяжелые металлы, болезнетворные бактерии и др. Так, в г.Щелково в подземных водах зафиксировано увеличение содержания сульфатов до 1,6 г/л, в г.Подольске - до 2,0 г/л. В подземных водах, эксплуатируемых водозаборов г.Пушкино установлены высокие концентрации хрома. В связи с интенсификацией сельского хозяйства Московской области возникла проблема нитратного заражения подземных вод верхнего гидродинамического этажа. Повышенное содержание нитратов обусловлено увеличением доз органических и минеральных азотных удобрений, вносимых на сельскохозяйственные поля и пашни. Кроме того увеличение азота (в виде нитратов) в подземных, главным образом в грунтовых водах, происходит в результате утечек из канализации, выгребных ям, фильтрации из отстойников, прудов - накопителей химических заводов и городских свалок. Источниками поступления азота в подземные воды являются также почвы, атмосферные осадки» скотные дворы, животноводческие фермы, птицефабрики, навозохранилища и т.д.

Опасные последствия вызывают болезнетворные бактерии и вирусы, поступающие в подземные воды на участках интенсивной и длительной фильтрации фекальных и хозяйственно-бытовых стоков из дефектной канализационной сети, выгребных ям, скотных дворов, полей фильтрации и прудов биологической очистки сточных вод. Примером может служить северная окраина г.Люберцы, где зафиксировано бактериальное заражение подземных вод подольско-мячковского горизонта. В условиях, когда в структуре эксплуатационных запасов подземных вод водозаборов Московского артезианского бассейна существенную роль играют привлечение вод из поверхностных водотоков, переток вод из нижезалегающих водоносных горизонтов и подтягивание некондиционных подземных вод по контуру воронки депрессии, источниками загрязнения могут являться поверхностные воды и загрязненные воды смежных водоносных горизонтов.

Большое значение имеет вынос удобрений и ядохимикатов в речную сеть бассейнов Московской области, сброс в нее промышленных и коммунальных стоков. Расчет выноса удобрений в речные бассейны региона свидетельствует о высокой степени загрязненности вод различными удобрениями и пестицидами различного состава. Особенно сильно загрязнен ими бассейн р.Москвы, значительное присутствие пестицидов отмечено в речных долинах Клязьмы, Оки, Ламы и Дубны.

Следует отметить, что изменение гидродинамической структуры верхнего гидрогеологического этажа в результате интенсивного водоотбора привело к ухудшению качества подземных вод водоносных горизонтов и комплексов, используемых для водоснабжения Москвы и Московской области. В последних формировались участки регионального, локального, очагового и линейного загрязнения, имеющие как естественный, так и техногенный генезис. При региональном загрязнении ухудшение качества подземных вод наблюдается на большой площади, при этом могут быть загрязнены не только верхний (четвертичный), но и нижезалегающие водоносные комплексы карбона.

Наиболее интенсивное загрязнение подземных вод каменноугольных отложений отмечено в центральной части Московской области, где оно связано с промышленным загрязнением ряда подмосковных городов. В г.г. Видное, Красногорск, Ногинск, Балашиха, Электросталь и других подземные воды подольско-мячковского и окско-серпуховского горизонтов имеют повышенные содержания стронция (до 20 мг/л), железа (до 15 мг/л), фтора (до 2,5 мг/л), обусловленные высокими фоновыми концентрациями этих элементов в водовмещающих породах, высокие значения хлора (0,5 г/л), сульфат-иона (2,0 г/л) и хрома (1,0 мг/л), а также повышенные содержания свинца, молибдена и марганца. В подземных водах этих городов отмечено также бактериальное загрязнение и наличие нефтепродуктов. В пределах г.Воскресенска подземные воды мячковско-подольского горизонта отличаются повышенной минерализацией (до 2,0 г/л), высокими концентрациями сульфатов (до 0,8 г/л), повышенными значениями фосфора (до 5,0 мг/л), заметными содержаниями марганца, молибдена. Линейными участками загрязнения являются реки и поверхностные водотоки Московской области, где суточный объем сточных вод достигает больших размеров и становится соизмерим с речным стоком. Наиболее ярким примером подобного вида загрязнения может служить р.Клязьма, в бассейне которой сконцентрированы крупные промышленные города - Ногинск, Щелково, Электросталь, Павловский Посад. Объем сточных вод на этом участке составляет 6,26 куб.м/с при собственном расходе р.Клязьмы 28,8 куб.м/с. Еще хуже положение в бассейне р.Москвы, где объем сточных вод еще выше и составляет 19.0 куб.м/с при среднемноголетнем минимальном речном стоке 39,0 куб.м/с.

Для городских территорий характерна чрезвычайная "пестрота" загрязнения, когда на сравнительно небольшом участке можно встретить воды разных типов. Загрязнение почв вокруг городов связано в основном с ветропереносом загрязняющих веществ. Полоса загрязнения, к примеру, от металлургического завода может протягиваться в направлении преобладающих ветров на 20-30 км. Наибольшая площадь рассеивания (до 1500 кв.км) у элементов марганца, а наименьшая (до 150 кв.км) - у элементов титана.

В городах активизируются геомикробнологические процессы, влекущие за собой коррозию металлов, цемента и даже пластмасс. Коррозия металлов бывает связана с блуждающими токами, которые влекут за собой осмотические явления и электрофорез, в результате чего можно наблюдать перераспределение влаги и солей в грунтах, что отражается на свойствах последних. Загрязнение с сельскоугодий попадает в грунтовые воды и водоемы. Нарушение баланса фосфора и азота в этих водоемах порождает вспышки эвтрофикации и закладку новых болот.

Одним из наиболее вредных для среды источником ее загрязнения являются свалки. Содержание химических элементов вокруг них в 5-10 и более раз выше фонового. Строительство на участках старых засыпанных свалок требует особых инженерных решений из-за опасности неравномерных осадок сооружений, выделения метана и загрязнения грунтовых вод. Вблизи свалок и мест сброса сточных вод грунтовые воды помимо прочих элементов содержат растворенные аммиак, углекислоту и другие метаболиты (органокислоты). Особую опасность для здоровья людей представляет их бактериальное загрязнение.

1.3.2. Проблемы комплексных эколого-геофизических исследований геологической среды Московского региона.

Особенности строения геологической среды Московского региона и происходящие в ней техногенные изменения были на протяжении многих лет предметом геолого-геофизических и геохимических исследований. Еще в ЗОх -40х годах в связи с проведением реконструкции городской территории, строительством метрополитена, прокладкой трассы канала МоскваВолга вместе с бурением выполнялись электроразведочные исследования на постоянном токе с целью изучения литологического строения верхней части разреза, поисками погребенных долин и решением ряда других инженерно-геологических задач. В 50х-60х годах геолого-геофизический комплекс был значительно расширен за счет использования сейсморазведки (МПВ и MOB), региональной грави- и магниторазведки и методов ГИС (преимущественно методы КС, БКЗ, ПС, ГК, термометрия и резистивиметрия). Изучались особенности строения фундамента, опорных горизонтов осадочного чехла, картировались наиболее крупные тектонические элементы региона. По данным ГИС были получены сведения о физических свойствах пород верхней части осадочного чехла, оценены особенности динамики подземных вод, фильтрационные свойства водоносных горизонтов и водоупоров, как на отдельных водозаборах, так и на локальных участках урбанизированной территории (особенно при проведении изысканий под крупные строительные объекты).

Пожалуй, наиболее интенсивно и широко геолого-геофизические и геохимические исследования Московского региона в целом и города Москвы, в частности, развернулись в 70х-80х гг. Основной причиной послужили развивающиеся техногенные процессы, упомянутые в предыдущем разделе, и, в особенности, катастрофические карстово-суффозионные явления, резко проявившиеся в северо-западной части городской территории. Несколько десятков производственных и научно-исследовательских геологических и геофизических организаций были привлечены к проведению эколого-геологических работ в Москве и ее лесопарковой зоне. Помимо детальных инженерно-геологических, гидрогеологических и геохимических съемок, выполнялись дистанционные, наземные, аквальные, скважинные геофизические исследования с использованием всего имеющегося арсенала измерительных и вычислительных средств и новейших методик.

Данные аэрокосмических и аэрогеофизических исследований совместно с данными дешифрирования топокарт и результатами геологических съемок позволили получить новые сведения об особенностях тектонического и неотектонического строения региона, о распространении природных геологических процессов по площади, о характере загрязнения поверхности и верхних слоев почвы [б].

Наземные исследования и в первую очередь данные многоканальной сейсмики МПВ-МОГТ, MOB, проведенные непосредственно на участках городской застройки, позволили получить представления об особенностях закарстованности карбонатных массивов и развитии карстово-суффозионных процессов. Ценные материалы об упругих свойствах горных пород, их анизотропии, изменчивости сейсмогеологических моделей по площади были получены по комплексу наземной сейсморазведки, ультразвукового (УЗК) и акустического каротажа (АК) и межскважинного прозвучивания (МП). Несмотря на значительные помехи, детальная электроразведка (профилирование и зондирование на постоянном и переменном токах) оказалась весьма эффективной при картировании тектонических нарушений, ослабленных зон, гидрогеологических "окон", а также при изучении строения четвертичных отложений. Данные электроразведки успешно использовались также для картирования карстовых провалов, зон суффозии, очагов загрязнения, зон подтопления, техногенного литогенеза, нарушенных подземных коммуникаций и других экологически опасных объектов [8].

Впервые на городской территории и в пределах ЛПЗ были успешно применены высокоточные гравиметрические наблюдения. Они оказались весьма эффективны при картировании древних погребенных долин, проницаемых разуплотненных тектонических зон, карстовых провалов, подземных пустот, древних фундаментов и других локальных объектов с различием плотностных характеристик. Режимные гравитационные наблюдения показали возможность их принципиального использования для мониторинга напряженного состояния ВЧР и характеристики развития техногенных геологических процессов. Высокоточная магнитометрия доказала свою эффективность при изучении приповерхностного карста (картирование карстовых воронок, оценка глинистости заполнителя) и неглубоких древних долин, прорезающих региональный водоупор, сложенный юрскими глинами (условие возникновения просадочных явлений). Дополнительная и весьма интересная информация была получена в результате применения площадной эманационной съемки [8]. Режимные наблюдения за изменением концентрации подпочвенного радона позволили установить его связь с режимом температуры, влажности, напряженного состояния горных пород, развитием неблагоприятных техногенных воздействий.

Аквальные исследования в пределах Московского региона осуществлялись с помощью двух технологических комплексов. Первый комплекс (НСП, ДОЗ и ВЭЗ, ЕП, термометрия, резистивометрия) применялся при исследованиях на Москве-реке. Работы осуществлялись с движущегося судна одновременно всеми перечисленными методами. Были получены сведения о геологическом строении живого русла реки, выявлено положение и генезис древних речных долин, определены участки утечек воды из русла реки, приуроченные к гидрогеологическим "окнам", оценены линейные особенности теплового и химического загрязнения речных вод. Режимные наблюдения, проведенные на Москве-реке в пределах кольцевой дороги позволили установить особенности развития неблагоприятных экзодинамических процессов и загрязнения [7].

Второй комплекс, получивший название "русловой геофизики" (ЕП, придонная термометрия, придонная резистивиметрия, водные электрические зондирования) применялся при обследовании малых рек и прибрежных частей крупных водоемов. Осуществлялась детальная пешеходная съемка, которая позволила выявить особенности взаимосвязи подземных и поверхностных вод, местоположение источников загрязнения. Данные русловой геофизики служили основой выбора сети детального гидрогеохимического опробования.

Скважинные исследования (ГИС) выполнялись преимущественно в специально пробуренных структурных и гидрогеологических скважинах. Помимо перечисленных выше методов широко применялись различные виды ядерного, магнитного, индукционного каротажа, расходометрические исследования, термический и телевизионный каротаж, межскважинное прозвучивание, индикаторные способы исследования межскважинного пространства, измерения естественных шумов и вибрации. Все перечисленные виды скважинных исследований позволили получить детальную характеристику ряда водно-физических и физико-механических свойств массивов горных пород, оценить особенности движения подземных вод на конкретных территориях и локальных объектах, выявить техногенные изменения геологической среды, рассчитать параметры загрязнения. Кроме того, по данным скважинных наблюдений были получены сведения об истинных геофизических параметрах (удельных электрических сопротивлениях, поляризуемости, пластовых скоростях, поглощении упругих колебаний и др.) горных пород, которые затем наряду с данными лабораторного изучения керна использовались при интерпретации результатов наземных геофизических наблюдений.

Громадный объем выполненных геолого-геофизических и геохимических исследований, разнородность и разномасштабность полученной информации выдвигают задачу наиболее эффективного ее использования для направленного изучения геологической среды Московского региона. Часто богатство полученной информации не используется должным образом только в силу ограниченного, однометодного или одноцелевого подхода к изучаемым объектам. Нам представляется, что системное изучение Московского региона, позволяющее выявить сложные геоэкологические связи отдельных ее элементов, их взаимовлияние как в природных, так и в техногенно нарушенных условиях, выдвигает особые требования к выполнению комплексных геолого-геофизических работ. Прежде всего это касается учета иерархического уровня изучаемой природно-технической системы (ПТС), масштабов и видов исследований, содержания и последовательности использования отдельных технологических комплексов.

2. Системное эколого-геофизическое моделирование геологической среды Московского региона

2.1. Принципы системного моделирования

Системное моделирование геологической среды Московского региона, выполненное авторами в 1990-93 гг. для решения ряда геоэкологических задач, может служить примером практической реализации изложенных выше принципов многоуровневых эколого-геофизических исследований урбанизированных территорий. Изучение причин возникновения и характера развития техногенных геологических процессов на территории Московского региона сопряжено с необходимостью получения независимых данных о его геологическом и инженерно-геологическом строении, в том числе об изменчивости палеорельефа, фациального состава верхней части разреза и 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 загрязнения и обусловливают синэнергетическое 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) на развитие геодинамических процессов, происходящих на изучаемой территории. Независимая информация об особенностях пространственного развития природных и техногенных процессов и их интенсивности может быть получена по данным физико-геологического моделирования геологической среды, осуществляемого на уровнях космос-воздух-земля-скважина.

Вся площадь Московского региона рассматривается как сложная природно-техническая система (ПТС),- в качестве основных компонентов которой выступают: геологическая среда - источник техногенного воздействия - физические поля - изменения геологической среды под влиянием воздействия. Система имеет сложную иерархическую структуру, определяющую особенности взаимосвязей отдельных ее компонентов. При этом наиболее простой моделью геологической среды в условиях урбанизации Т является аддитивная модель: Т = T1 + Т2 + Т3, где T1 - природная геологическая обстановка (геологическая среда без техногенной нагрузки); Т2 - устойчивые региональные техногенные изменения геологической среды в результате длительного воздействия; Т3 -локальные меняющиеся во времени изменения под действием переменного воздействия. Первые две составляющие можно считать постоянными.

Целью системного геофизического моделирования геологической среды Московского региона является обобщенное и формализованное представление элементов и структуры геосистемы совокупностью геологических и геофизических полей и параметров с определенной степенью приближения отображающее реальные геоэкологические, гидрогеологические, инженерно-геологические условия территории. Геофизическое моделирование осуществляется путем последовательного построения и анализа мелко-, средне- и крупномасштабных физико-геологических моделей (ФГМ). Их назначение состоит в представлении геологических объектов ограниченным числом информативных геолого-геофизических параметров, позволяющих создавать эталоны для выделения однотипных эколого-геологических ситуаций. Модели могут быть региональными и детальными, площадными и линейными. Их можно представлять в виде таблиц, диаграмм, разрезов и схем.

Модели создаются по данным дистанционных, наземных и подземных (в основном скважинных) наблюдений. Используются материалы, полученные в пределах изучаемой территории при решении инженерно-геологических и гидрогеологических задач, поисков месторождений полезных ископаемых и др. Как правило, эти данные являются разнометодными, разномасштабными и характеризуются различной точностью, поэтому их отбор, систематизация и группирование в зависимости от масштаба и цели исследования требуют единого методологического подхода. Наиболее перспективным в этом отношении представляется применение методов системного анализа.

В соответствии с принятой выше аддитивной моделью геологической среды урбанизированной территории параметры создаваемых ФГМ должны отображать как природную (Т1), так и техногенно-измененные (Т2 и Т3) составляющие изучаемой геосистемы. Каждый иерархический уровень геосистемы может быть представлен совокупностью ФГМ, параметры которых отражают характер связей между элементами системы как по горизонтали, так и по вертикали. В качестве параметров моделей на каждом иерархическом уровне могут выступать обобщенные геометрические, петрофизические, инженерно-геологические и гидрогеологические характеристики, а также выявленные в результате интерпретации аномалии естественных и искусственных физических полей.

Следует отметить, что при иерархическом представлении геосистемы на уровнях космос-воздух-земля-скважина достигается своя степень генерализации природных условий и конкретных объектов, различающихся по геометрическим параметрам и особенностям их отражения в физических и геологических полях. Так, на уровне космических исследований изучаются особенности регионального инженерно-геологического строения, выделяются крупные морфоструктуры и элементы разломно-блоковой тектоники в масштабах 1:500000 - 1:200000. При высоком уровне генерализации формирование образов геологических объектов осуществляется на основе структурного анализа рисунка фотоизображения, особенностей рельефа, спектральных характеристик многозональных изображений и материалов инфракрасных и радиолокационных съемок. Особенно перспективно использование различной по своей физической природе информации: спектральной отражательной способности дневной поверхности, теплового и радиоволнового ее излучения.

На уровне аэрогеофизических исследований, согласно условиям съемки масштабов 1:50000 - 1:25000, выявляются морфоструктуры и разломы второго порядка, оценивается литологическая однородность пород, характеризуются гидрогеологические особенности территории (составляющая Т1).

Обработка материалов наземных геолого-геофизических исследований выполняется в более крупных масштабах (от 1:50000 до 1:5000). Ее целью является как подтверждение и геологическое истолкование данных дистанционных исследований, так и получение новой информации об изучаемых инженерно-геологических и гидрогеологических объектах. Анализ наземной геолого-геофизической информации служит основой для построения ФГМ отражающих особенности литологического строения изучаемой территории, характера ее обводненности, развития физико-геологических процессов, техногенного загрязнения (составляющие T2 и Т3).

На уровне скважинных исследований геолого-геофизическая информация дает сведения о точных геометрических параметрах разреза, физических свойствах пород и подземных вод. На основе этих данных устанавливаются корреляционные зависимости между геофизическими и инженерно-геологическими параметрами, оцениваются локальные особенности техногенного воздействия (составляющая Т3).

Таким образом, многоуровенные исследования дают возможность направленно выявить и описать многообразные связи между элементами геосистемы различных иерархических рангов, определяющие особенности пространственного строения, свойств и состояний геологической среды в различных масштабах и раздельно оценить ее природную и техногенную составляющие.

При изучении Московского региона использовались три масштаба: мелкий, средний и крупный (табл.2). При мелкомасштабных исследованиях геосистема изучалась на высшем иерархическом уровне - уровне компонент.

Таблица 2

Последовательность системного анализа геолого-геофизической
информации на уровнях космос - воздух - земля - скважина

Здесь объектами изучения являлись крупные структурные единицы региональные разломы, области поднятий и опусканий кровли кристаллического фундамента и карбонатных пород, региональные водоупоры. Среднемасштабные исследования выполнялись на уровне подсистем; в качестве объектов этих исследований выступали участки древних долин, водораздельных пространств, ледниковые выпахивания и другие особенности погребенного рельефа. Наконец, в крупном масштабе изучались элементы геосистемы: фрагменты древних долин, их сочетания в пространстве, детали геолого-гидрогеологического строения надкарбонатной и карбонатной толщ, мощность коры выветривания, участки карстово-суффозионных провалов.

2.2 Мелко- и среднемасштабное моделирование геологической среды Московского региона.

При выполнении мелко- и среднемасштабного моделирования геологической среды Московского региона решались следующие задачи:

- общая оценка природной геологической, инженерно-геологической, гидрогеологической обстановки (составляющая Т1);

- получение сведений о закономерностях развития экологически опасных геологических процессов на изучаемой площади;

- построение региональных (мелкомасштабных) и среднемасштабных ФГМ, отображающих основные геологические объекты Московского региона на уровнях компонент и подсистем.

Предполагалось, что анализ параметров разномасштабных ФГМ, а также особенности их распространения по площади дадут возможность независимой оценки интенсивности экзогенных процессов и степени защищенности геологической среды от техногенного воздействия.

2.2.1 Мелкомасштабное моделирование.

При мелкомасштабном моделировании осуществлялось изучение геосистемы на уровне компонент. При этом в качестве исходной информации использовались данные дешифрирования дистанционных спектрозональных съемок масштабов 1:2 500 000 и 1:1 000 000, гравитационной съемки масштаба 1:1 000 000, а также геологические, гидрогеологические и инженерно-геологические карты масштаба 1:500 000. Осуществлялся последовательный анализ проявленности объектов, выделенных по данным дешифрирования аэрокосмической информации, в геолого-геофизических материалах, характеризующих различные глубины исследования. Поскольку площадная разрешающая способность дистанционных методов значительно выше, чем у геолого-геофизических съемок того же масштаба, простое сопоставление схем дешифрирования и исходных геолого-геофизических карт и разрезов часто оказывается малоэффективным.

Для повышения информативности исследований было необходимо осуществлять предварительную фильтрацию исходных данных с выделением региональных и локальных составляющих. Так, например, при фильтрации наблюденных гравитационных полей выполнялся пересчет значений Dg в верхнее полупространство на несколько уровней, что позволило выделять аномалии, обусловленные телами, залегающими на больших глубинах и имеющими значительные размеры по горизонтали и вертикали. Пересчеты поля Dg (в редукции Буге с d= 2,3 г/см) проводились по программе "Подъем", составленной авторами на основе алгоритма В.Баранова на высоты 1; 2,5; 5 и 10 км. По данным пересчетов строились карты локальных аномалий.

Сопоставление схемы дешифрирования космоснимков, наблюденных и трансформированных геолого-геофизических материалов позволило проследить ряд пространственных закономерностей тектонического строения региона. В частности, было установлено, что фиксируемые по дистанционным и геологическим данным Московский авлакоген и Пачелмский грабенообразный прогиб, имеющие соответственно широтное и юго-восточное простирания, на картах пересчетов гравитационного поля отмечаются отрицательными аномалиями силы тяжести. Сравнение разностных карт, пересчитанных на различные высоты, показывает, что в пределах Московского авлакогена отрицательное гравитационное поле на высоте 10 км (что соответствует глубине примерно 3-4 км) разбивается на две локальные аномалии того же простирания.

Это подтверждает предположение о наличии здесь отдельных грабенов. Пачелмский грабенообразный прогиб имеет более глубокое заложение, чем Московский авлакоген, так как отрицательные аномалии фиксируются на более высоких уровнях пересчетов.

Наибольший интерес для изучения верхней части разреза представляют результаты пересчета поля Dg на высоту 1 км, что соответствует примерно глубине 300-400 м, т.е. нижней части каширского горизонта, представленного переслаиваниями доломитов и мергелей, которые условно можно принять за карбонатный фундамент. На составленной карте локальных аномалий четко выделяются три зоны: отрицательных, положительных и градиентных значений поля. Сравнение этой карты с тектонической схемой осадочного чехла южной части Московской синеклизы (масштаба 1:500 000) показало, что границы линейных структур тяготеют к зонам отрицательных значений поля g широтного и юго-восточного простираний.

Тульско-Шатурскому поднятию карбонатных пород соответствуют положительные локальные аномалии Dg. На структурных картах каширского горизонта и юры в пределах этого поднятия юрские отложения отсутствуют или имеют небольшую мощность. Зону поднятия пересекают погребенные долины различного возраста, зафиксированные на схеме масштаба 1:500 000. Характерно, что почти все долины ориентированы вдоль градиентной зоны аномалий Dg и только одна - доюрская - вкрест.

Практически все описываемые аномалии находят отражение ' в дистанционных материалах. К зонам отрицательных аномалий Dg, соответствующих погружениям карбонатного фундамента, и к участкам распространения погребенных долин приурочены цепочки линеаментов субширотного и субмеридианального простирания, а к узлам их пересечений -крупные и мелкие кольцевые структуры. Наибольшая плотность последних наблюдается в пределах поднятия карбонатных пород. Здесь же, на карте распространения экзогенных геологических процессов масштаба 1:500 000, отмечается наибольшее развитие карста.

Особый интерес представляет сопоставление гравитационных и гидрогеологических данных. Так локальные аномалии поля Dg, пересчитанного на высоту 1 км, находят отражение в структуре геофильтрационного поля. В частности, максимальные значения водопроводимости Т первого от поверхности напорного горизонта, достигающие более 3000 м²/сут, приурочены к зонам повышенных градиентов силы тяжести, которые оконтуривают положительные аномалии Dg_h=0 км, и представляют в целом изометричный гравитационный максимум. В то же время границы распространения основных водоносных горизонтов палеозойских отложений согласуются с конфигурацией локальных аномалии Dg_h=o-Dg_h=1км, особенно в пределах гравитационного максимума, соответствующего западной части Тульско-Шатурского поднятия. При этом ряд зон повышенной водопроводимости 1000<Т<3000 м²/сут соответствуют локальным отрицательным аномалиям силы тяжести. Следует отметить, что зоны повышенной водопроводимости при Т>3000 м²/сут почти повсеместно приурочены к узлам пересечений линеаментов и к цепочкам кольцевых структур.

В качестве примера обобщённого представления крупного структурного объекта на уровне компонент изучаемой геосистемы в табл.3 приводится качественная физико-геологическая модель западной части Тульско-Шатурского поднятия. Характерными ее особенностями являются малая мощность юрских отложений или полное их отсутствие поднятие кровли каменноугольных пород, наличие тектонических нарушений и древних долин. Таким образом, в пределах данной территории модель отражает общие закономерности пространственной изменчивости геологической среды, определяющие развитие экзогенных процессов.

2.2.2 Среднемасштабное моделирование.

Изучение геологической среды в масштабе 1:50 000 и построение среднемасштабных ФГМ иерархически связанных с уровнем подсистем Московского региона проводилось на ключевом участке, выбранном западнее г.Подольска. Участок расположен в пределах описанной выше региональной ФГМ соответствующей области поднятия карбонатных пород (табл.3). Исследование этого участка осуществлялось с помощью комплексного анализа геолого-геофизической и аэрокосмической информации. При этом на основе разработанный авторами методики [1,15] было проинтерпретировано около 1500 электрических зондирований, выполненных здесь в предшествующие годы. Одновременно были статистически обработаны и проанализированы результаты бурения 78 скважин и данные дешифрирования спектрозональных снимков масштаба 1:500 000 и 1:100 000. Для выбора и обоснования ФГМ изучаемых объектов были построены геоэлектрические разрезы вдоль ключевого участка и карта кровли карбонатных пород.

Переинтерпретация кривых ВЭЗ позволила существенно расширить информацию о глубине залегания карбонатных пород. Комплексный анализ геолого-геофизической информации осуществлялся путем последовательного сопоставления данных сверху вниз - от дешифровочных признаков - к особенностям рельефа и к маркирующим геологическим горизонтам, залегающим на разных глубинах. Было установлено, что все линейные объекты, выделяемые по данным дешифрирования, хорошо проявлены в рельефе дневной поверхности.

Линеаменты, расположенные на юго-западе и юго-востоке участка, в основном соответствуют областям развития юрских долин. Двойная кольцевая структура в центральной части участка выражена в современном рельефе и отмечается значительным понижением кровли карбонатных пород (абсолютные отметки 120-140 м). По данным бурения она коррелируется с зоной распространения юрских глин. Линеаменты широтного простирания, выделенные по данным дешифрирования в северной части участка, приурочены к разломам глубинного заложения, находящим подтверждение в данных интерпретации гравимагнитной съемки. В южной части участка узлы пересечения линеаментов коррелируются с зонами развития карста, выделенными С.И.Парфеновым.

Особый интерес представляют полученные авторами сведения о степени сохранности карбонатных пород. Были выделены сохранные известняки с сопротивлением выше 125 Омм, полуразрушенные известняки с сопртивлением 100-125 Омм и разрушенные известняки с сопротивлением 40-80 Омм. Установлено, что степень сохранности верхней части карбонатных отложений коррелируется с электрическими свойствами перекрывающей глинистой толщи. Почти повсеместно увеличение сопротивлений глинистого водоупора до 20-30 Омм соответствует уменьшению сопротивлений известняков, т.е. увеличению их разрушенности.

Построение среднемасштабных ФГМ осуществлялось на основе районирования ключевого участка по комплексу геолого-геофизических признаков, отражающих историю развития и унаследованность рельефа. При этом на уровне подсистем были выделены следующие таксономические единицы: 1) доюрские долины; 2) плейстоценовые палеодолины; 3) участки ледникового выпахивания; 4) участки малоамплитудных тектонических нарушений; 5) участки отрицательных морфоструктур; 6) участки положительных морфоструктур (рис.1).

Таблица 3

Качественная физико-геологическая модель
западной части Тульско- Шатурского поднятия

ФГМ-1 характеризует строение доюрской долины, имеющей глубокий (до 50-60 м) врез в карбонатных породах. Сопротивления заполняющих долину юрских глинистых отложений колеблются от 13 до 35 Омм. Сопротивления верхней части карбонатных пород, залегающих ниже днища долины, составляют 70-90 Омм, что свидетельствует об их значительной разрушенности. Доюрская долина перекрыта двухслойной толщей четвертичных песчано-глинистых и галечниковых отложений мощностью от 15 до 35 м, имеющих сопротивления от 30-50 до 50-80 Омм.

ФГМ-11 отражает особенности строения плейстоценовой долины. Она заполнена крупнообломочными отложениями песка и гальки с сопротивлением 125-350 Омм и мощностью от 20 до 30 м. Юрские отложения отсутствуют.

ФГМ-Ш, соответствующая участку ледникового выпахивания, наиболее характерна для северной части изученной площади. Ее особенностью является неглубокий (не более 15-20 м), но весьма протяженной (до нескольких километров) врез в карбонатные породы, которые перекрыты сверху песчано-глинистыми отложениями общей мощностью 50-60 м с сопротивлениями 40-60 Омм. Сопротивления карбонатных пород, залегающих ниже ледникового выпахивания, составляют 90-150 Омм.

ФГМ-IV характеризует участки малоамплитудной тектоники, приуроченные, как правило, к линейным зонам или узлам пересечения линеаментов. Для этой модели типичным является резкое изменение электрических сопротивлений верхней части карбонатных пород от 100-120 до $0-60 Омм при практически малозаметном изменении мощности и сопротивлений перекрывающей песчано-глинистой толщи. Зоны резкого изменения сопротивлений карбонатных пород приурочены к участкам водораздельных склонов или протяженных впадин.

ФГМ-V описывает отрицательные морфоструктуры, соответствующие локальным прогибам кровли карбонатных пород, залегающих под мощным (до 40-50 м) покровом четвертичных отложений. Последние имеют преимущественно двухслойное строение: в верхней части это песчано-глинистые отложения с сопротивлениями 30-50 Омм, а в нижней - глинистые - с сопротивлениями 15-20 Омм. Кровля карбонатных пород имеет сопротивления до 150-200 Омм, что свидетельствует об их сохранности. Данная модель характерна для двойной кольцевой структуры, осложненной линеаментами, выделенной по материалам дешифрирования аэровысотной информации, результатам ВЭЗ и бурения.

ФГМ-VI соответствует участкам локальных поднятий кровли карбонатных пород. Мощность перекрывающих четвертичных отложений с сопротивлением 30-50 Омм не превышает 35-40 м; сопротивления значительно ниже, чем в отрицательных морфоструктурах и составляют 55-80 Омм. Это свидетельствует об их значительной разрушенности. Рассматриваемая модель характерна для центральной части ключевого участка и связана с отрогами Подольского поднятия, что хорошо фиксируется по данным дистанционных исследований.

Анализ среднемасштабных ФГМ позволяет установить некоторые пространственные закономерности инженерно-геологического строения территории. Обобщенные параметры ФГМ содержат сведения о геометрии конкретных объектов и о свойствах пород верхней части разреза. В отличие от мелкомасштабных моделей среднемасштабные ФГМ позволяют провести районирование территории по природным условиям, способствующим развитию экзогенных процессов. Здесь особый интерес представляют выделенные по комплексу методов зоны малоамплитудной тектоники и приуроченные к ним сильно разрушенные участки кровли карбонатных пород.

Рис.1. Физико-геологические модели Подольского участка: I - доюрские долины; II - плейстоценовые палеодолины; III - участки ледникового выпахивания; IV - участки малоамплитудных тектонических нарушений; V - участки отрицательных морфоструктур; VI - участки положительных морфоструктур (1 - суглинки с гравием и песком; 2 - глины с прослоями песка; 3 - песчаники с валунами; 4 - глины; 5 - известняки; 6 - разрушенные известняки; 7 - местоположение линеаментов; 8 -значения удельных электрических сопротивлений)

2.3. Мелко и среднемасштабное картирование экологически опасных геодинамических зон.

Изучение активных геодинамических зон на урбанизированных территориях является весьма важной задачей геоэкологических исследований. Наличие подобных тектонических зон определяет особенности распределения напряженного состояния массивов горных пород, развитие участков повышенной трещиноватости и проницаемости, что, в свою очередь, связано с устойчивостью оснований инженерных сооружений, особенностями циркуляции подземных вод, интенсификацией неблагоприятных геологических и техногенных процессов. Активные геодинамические зоны могут контролировать проникновение физических и химических загрязнителей в геологическую среду, влиять на окружающий ландшафт, биологические объекты, на здоровье человека. Наличие геодинамических зон может существенно снижать ценность земельных ресурсов и влиять на уровень земельной ренты в пределах городских территорий.

Картирование активных геодинамических зон связано, как правило, с большими трудностями, ввиду их слабой проявленности в наблюденных геолого-геофизических полях и параметрах. Так как эти зоны носят узколокальный характер и связаны с малоамплитудными тектоническими нарушениями, их выделение возможно только при комплексном использовании данных различных методов и дополнительной априорной информации, в качестве которой используются обычно результаты дешифрирования высокоразрешенных дистанционных материалов. Наиболее эффективной методикой при этом является многоуровневый анализ разноглубинной информации или рассмотренные выше (см. гл.1) различные модификации системного интегрированного анализа геолого-геофизических и дистанционных данных.

2.3.1. Постановка задачи.

По современным воззрениям структура земной коры отвечает дискретной модели и имеет соответственно определенную квантованность. Распределение размеров Li отдельных блоков (отдельностей) в региональных и локальных массивах пород имеет полимодальный характер. Моды образуют иерархическую последовательность, подчиняющуюся закону, близкому к геометрической прогрессии:

Li+1 / Li = К

Множитель К почти постоянен и меняется в диапазоне от 2 до 5 для блоков (отдельностей) различных масштабов - от детальных до региональных.

Блочно-иерархическая модель геосистемы предполагает представление ее в виде блоков различных размеров, разделенных прослойками, также состоящими из блоков меньшего масштаба. Прочность прослоек меньше прочности окружающих их блоков как за счет меньшей жесткости материала прослойки, так и за счет проникновения флюидов, изменения энергии физико-химических связей и др.

Размеры прослоек пропорциональны размерам блоков и образуют иерархическую последовательность от крупных мегаблоков (10-100 км) - ли-неары, крупные линеаменты, до прослоек разделяющих зерен пород в доли мм.

Иерархичность и квантовость литосферного пространства предполагает различную энергонасыщенность межблоковых прослоек и узлов. Как указывает МА-Садовский [14] при поступлении в геосистему энергии извне, ее излишек сбрасывается в виде упругих волн, которые поглощаются межблоковыми прослоями. Происходит перераспределение энергии, которое при достаточно сильных воздействиях извне может привести к неустойчивости рассматриваемую геосистему. При этом необходимо учитывать масштаб этой системы и масштаб воздействия. Если размеры геосистемы значительны, то образующиеся упругие волны могут вызывать в окружающей среде эффект землетрясения. Если поступление энергии извне невелико, она поглощается (диссипирует) и значительных воздействий на среду не происходит. Таким образом свойства геосистемы (в данном случае конкретного литосферного массива определенного масштаба) зависят от уровня энергообмена с окружающим пространством.

Практика показывает, что наиболее крупные землетрясения происходят вблизи разломов. Они тем интенсивнее, чем крупнее элементы дискретной среды, т.е. чем больше размеры блоков и прослоек. Наиболее сильные выделения энергии происходят в дизъюнктивных узлах. Сказанное относится и к ослабленным, активным зонам, проявленным на различных этапах геологической истории.

Не меньшее значение имеет изучение активных геодинамических зон на платформенных территориях с точки зрения выявления малоамплитудных подвижек земной коры, обусловленных изменением направленного состояния и деформации крупных массивов горных пород. С геодинамическими зонами связаны аномалии физико-механических,водно-физических и геохимических свойств пород. Под воздействием полей напряжений меняется трещиноватость и направление движения флюидов, характер минерализации и др.условия, которые играют роль при формировании геоэкологических условий урбанизированных территорий.

К числу активных геодинамических зон в условиях Московского региона относятся хорошо проявленные и унаследованные в различных структурных этажах осадочного чехла и фундамента локальные зоны повышенной проницаемости, раздробленности, нарушенности залегания, неоднородности строения и анизотропии физических свойств. Тектонически эти зоны приурочены обычно к разрывам, малоамплитудным нарушениям, зонам повышенной трещиноватости; стратиграфически и литологически - к участкам фациального замещения, выклинивания слоев, гидрогеологически- к участкам активного вертикального взаимодействия подземных и поверхностных вод, к "гидрогеологическим окнам". Инженерно-геологическая характеристика этих зон выявляет их приуроченность к участкам активных экзогенных процессов; наконец, геоморфологически она чаще всего связана с особенностями строения современного рельефа - овражно-балочной сети, эрозионной расчлененностью территории. В дистанционных материалах активные зоны чаще всего фиксируются линеаментами, ограничениями кольцевых объектов, пересечениями линейных и кольцевых структур. В физических полях активные геодинамические зоны фиксируются аномалиями плотности упругих характеристик, электропроводности, вызванной поляризации, естественного электрического поля, температуры, напряженного состояния. Они фиксируются иногда аномалиями магнитного поля, естественной радиоактивности и, в частности, аномалиями содержания Ra и То в почво-грунтах, а также рядом геохимических аномалий.

Картирование активных геодинамических зон в условиях закрытых платформенных территорий связано с комплексной оценкой изменчивости свойств геологической среды в вертикальном разрезе и по площади. Эта изменчивость,связанная с эмерджентными свойствами геологической среды, определяется структурой литосферного пространства, унаследованным развитием его стратиграфических и тектонических элементов.

Наиболее эффективно выявление эмерджентных свойств литосферного пространства осуществляется с помощью интегрированного системного анализа геолого-геофизической информации, который позволяет повысить отношение сигнал/помеха при выделении комплексной аномалии.

Так как эмерджентные свойства геологической среды определяются структурными связями между элементами изучаемой геосистемы на различных иерархических уровнях, при картировании активных геодинамических зон на территории Московского региона использовалось последовательное изменение масштабов. В частности, при мелко и среднемасштабных исследованиях авторы ставили перед собой следующие задачи: - выяснение пространственной структуры осадочного чехла и верхней части фундамента в соответствии с априорными представлениями об их дискретности; - выяснение связи линейных и площадных структур с распределением геофизических полей и параметров на различных глубинах; - выяснение унаследованности структур фундамента и осадочного чехла; - оценка эмерджентности свойств геосистем, включающей горные породы осадочного чехла и фундамента; - выделение узколокальных геодинамических зон; - установление пространственной, энергетической и временной иерархии выявленных зон.

2.3.2. Исходная дистанционная и геолого-геофизическая информация.

При выделении активных геодинамических зон по комплексу дистанционных и наземных геолого-геофизических данных необходимо учитывать соотношение их разрешающей способности и масштабов. Опыт авторов показывает, что значительная часть дистанционной информации не подтверждается геолого-геофизическими картами того же масштаба. Это объясняется прежде всего недостаточной детальностью геолого-геофизических материалов. Работы на аэрокосмических полигонах показали, что информация, полученная с КФС масштаба 1:1000 000 с разрешающей способностью менее 100 м, может быть подтверждена только на 60-80%, если анализируются геолого-геофизические данные масштаба 1:50000 и почти на 100%, если используются материалы более крупных масштабов [15]. Таким образом, соотношение масштабов дистанционных и геолого-геофизических материалов, используемых для сопоставления, должно составлять не менее чем 1:5 - 1:10.

При выделении активных геодинамических зон в условиях закрытых платформенных территорий необходимо максимально использовать всю дистанционную и геолого-геофизическую информацию, отражающую особенности строения рельефа.приповерхностной части разреза, платформенного чехла и верхней части фундамента. В частности, при построении прогнозных карт масштабов 1:200000 - 1:50000 авторами привлекались следующие данные:

дистанционные - материалы спектрозональных мелкомасштабных космических фотосъемок (КФС) от 1:2500000 до 1:1000000, в том числе увеличенные до масштаба 1:50000; материалы спектрозональных мелкомасштабных и крупномасштабных аэровысотных (АФС) фотосъемок от 1:100000 до 1:10000 и крупнее; материалы разномасштабных многоспектральных дистанционных съемок - телевизионной (Т), тепловой инфракрасной (ТИК), радиотепловой (РТ), радиолокационной (РЛ), многозональной (МЗ). Все эти материалы анализировались совместно и представлялись в виде схем дешифрирования, карт линеаментов, а также в виде цифровых данных;

геологические - тектонические и неотектонические карты и схемы, структурные геологические карты, фациальные и литологические карты, карты изопахит отдельных литологических горизонтов, карты рельефа фундамента;

гидрогеологические - карты первых от поверхности водоносных горизонтов осадочного чехла, карты гидрогеологических структур, карты водопроводимости Т и коэффициента фильтрации Кф, гидрогеохимические карты и схемы, карты мощностей водоупоров, карты рельефа регионального водоупора;

инженерно-геологические - карты изопахит четвертичных отложений, карты палеорельефа, карты распространения экзогенных геологических процессов, площадные данные о трещиноватости, влажности, плотности, гранулометрическом составе, глинистости, засоленности грунтов верхней части разреза, карты и схемы антропогенной нагрузки на геологическую среду;

геофизические - карты опорных геофизических горизонтов (геоэлектрических, сейсмических, гравимагнитных), карты и графики наблюденных и трансформированных потенциальных полей (DZ, DT, Dg, Za, Dga, Vzz и др.), карты, разрезы и профили геофизических параметров (истинных р и кажущихся pk, продольных электрических сопротивлений р1, скоростей продольных (Vp) и поперечных (Vs) волн, продольной проводимости S и поперечного сопротивления Т отдельных геоэлектрических слоев и толщ и др.), графики и вектора наблюденных геофизических параметров (естественного электрического поля (DUeп), температуры (Т°), времен распространения упругих колебаний и др.).

Помимо указанных материалов использовались топокарты, геоморфологические, ландшафтные, гидрографические карты и схемы. Масштабы используемых материалов при решении поставленной задачи менялись в процессе исследований от 1:200 000 до 1:10 000, а при заверке отдельных локальных объектов до 1:5000.

2.3.3. Методика системного интегрированного анализа при картировании активных геодинамических зон.

Исходная дистанционная и геолого-геофизическая информация подвергается предварительной обработке: дистанционная - разнообразным трансформациям с целью улучшения качества видеоизображения и подавления помех, геолого-геофизическая - статистической обработке, фильтрации, частичной переинтерпретации. В результате комплексной обработки и дешифрирования дистанционных данных составляются целевые схемы дешефрирования, которые выступают в качестве двумерных (плоских) физико-геологических моделей (ФГМ) изучаемых объектов. Эти априорные ФГМ используются в качестве начальных приближений при фильтрации геолого-геофизической информации и дают возможность объективно установить проявленность дистанционных образов геологических структур на различных уровнях платформенного чехла и фундамента.

Нужно иметь в виду, однако, что активные геодинамические зоны, связанные с развитием малоамплитудных тектонических нарушений, локальными участками трещиноватости, являются объектами слабоконтрастными и находятся на пределе разрешающей способности геофизических методов. Для того чтобы преодолеть это затруднение используются методы системного интегрированного анализа (рис.2). При этом создается интегрированная база данных, в которой степень детализации зависит от масштаба исследований и от решаемой задачи. В частности, при выделении активных геодинамических зон интегрированная база данных дает возможность селективно составлять выборки признаков, используя наблюденные, сглаженные, трансформированные поля параметров, снятых по сети наблюдений различных масштабов и отражающих различные иерархические уровни изучаемой геосистемы (территории, литосферного пространства).

Так как прогноз активных геодинамических зон связан с изучением эмерджентных свойств геосистемы, методы интегрированного анализа должны выявлять внутреннюю структурированность всей изучаемой территории и ее отдельных участков. Эта структурированность, предопределенная многофакторными природными процессами, приводит к возникновению качественно новых свойств объектов, которые оказываются генетически взаимосвязанными. Таким образом, при изучении каждого признака (геолого-геофизического параметра) необходимо рассматривать его в тесной взаимосвязи с другими признаками, в совокупности описывающими все элементы геосистемы. Поэтому наиболее эффективными средствами для проведения системного интегрированного анализа геолого-геофизической информации являются методы многомерной статистики.

Авторами были опробованы для этой цели методы корреляционного и факторного анализа, а также различные алгоритмы классификации (кластерного анализа). Последние оказались наиболее удобны при проведении системного анализа площадной информации, т.к. позволяют проводить непосредственную диагностику объектов по комплексу признаков, придавать геологическую значимость каждой группе (кластеру) и выявлять корреляционные особенности различных кластеров вдоль отдельных направлений или по площади, что особенно важно при прогнозе пространственного положения геодинамических зон [2].

Методика классификации геолого-геофизических данных при выделении активных геодинамических зон использует диалоговый режим, позволяющий интерпретатору экспериментально проверять гипотезы, опирающиеся на априорную (прежде всего дистанционную) информацию об объектах исследования. При решении каждой конкретной задачи (на каждом этапе диалога) выполняется геолого-геофизическое районирование, диагностика и классификация исследуемой геосистемы. Затем анализируется достоверность полученной информации путем их сопоставления с данными не участвовавшими в обработке (например, с данными дешифрирования) и принимается решение для следующего этапа диалога.

Основными инструментами управления и принятия решений при проведении классификации являются: организация признакового пространства, критерии группирования, средства оценки геологической значимости выделенных групп или их сочетаний, оценка проявленности выделенных объектов.

В зависимости от решаемой задачи и геологического строения изучаемой территории признаковое пространство может формироваться по-разному. Для закрытых платформенных территорий можно раздельно рассматривать три совокупности признаков, характеризующих: 1) осадочный чехол; 2) осадочный чехол и кристаллический фундамент; 3) кристаллический фундамент.

Совместный анализ карт (полей), имеющих региональный характер, позволяет выявить наиболее крупные объекты в чехле и фундаменте как проявленные на каком-либо одном этапе развития, так и унаследованные. Совместный анализ трансформированных геолого - геофизических полей (разностных полей, локальных аномалий) позволяет получить дополнительную информацию о местоположении и унаследованности локальных объектов. При этом следует иметь ввиду, что признаки не должы быть взаимосвязаны.

Рис.2. Блок-диаграмма системного интегрированного анализа геолого-геофизической информации для построения прогнозных карт.

В результате выполнения классификации признаков, они объединяются в отдельные группы (кластеры); при этом строятся карты распределения кластеров по изучаемой площади. Одновременно рассчитываются таблицы статистических параметров (среднее, дисперсия, минимальные и максимальные значения) для каждого из признаков, входящих в кластер.

Для оценки геологической значимости выделенных групп (кластеров) используются графики нормированных средних

- средние, максимальные и минимальные значения средних во всех кластерах.

Графики строятся в соответствии с пространственным распределением признаков - от рельефа и верхней части чехла до верхней части фундамента - и позволяют интерпретатору оценить особенности строения геологического разреза в пределах каждого кластера.

Для выделения активных геодинамических зон, связанных с эмерджентными свойствами литосферного пространства, рекомендуется использовать цепочки локальных кластеров, а также отдельные кластеры, коррелирующиеся по площади, в том числе с линейными и изометричными объектами, установленными по дистанционным данным.

Важное значение для оценки активности геодинамических зон имеет изучение унаследованности изучаемых объектов на различных уровнях осадочного чехла и фундамента. Унаследованность может оцениваться как по всем признакам одновременно, так и по признакам, характеризующим раздельно чехол и фундамент. Полностью унаследованными считаются объекты, проявленные в дистанционных данных и подтверждающиеся в рельефе, чехле -и фундаменте. Частично унаследованными считаются объекты, коррелирующиеся в рельефе и верхних горизонтах чехла, или проявляющиеся в фундаменте и в нижних горизонтах чехла. Для выделения активных геодинамических зон представляют интерес как полностью унаследованные объекты, так и те частично унаследованные, которые одновременно выделяются по дистанционным данным.

Выделение активных динамических зон с помощью системного интегрированного анализа геолого-геофизической информации с методологической точки зрения можно рассматривать как один из методов решения 3-х мерной обратной геофизической задачи. Решение обратных задач сопряжено с проблемой повышения устойчивости и надежности получаемых результатов. Как правило, для этой цели в аналитических методах используются способы регуляризации, позволяющие перейти от решения некорректной обратной задачи к решению множества корректных обратных задач. Наиболее удобно осуществлять решение таких задач в рамках априорно задаваемых моделей, параметры которых могут быть подобраны интерпретатором в соответствии с имеющимися у него независимыми представлениями об объекте исследования.

Для своеобразной регуляризации в случае системного интегрированного анализа геолого-геофизической информации интерпретатор может использовать либо количество признаков, либо количество кластеров. В качестве априорной информации рекомендуется использовать независимую площадную информацию: схемы дешифрирования, результаты многоуровенного анализа, карты и схемы, которые не привлекались к обработке.

На первом этапе диалога устанавливается пространственное положение региональных и детальных объектов, выявленных по априорным данным. При выявлении региональных объектов обращается внимание на проявленность известных геологических структур. С этой целью меняется признаковое пространство и количество кластеров. При формировании признакового пространства рекомендуется использовать признаки, имеющие региональный характер. Особое внимание уделяется корреляции известных структур с дистанциоными данными, так как это может свидетельствовать об их активности на современном этапе. В том случае, если по данным кластерного анализа выделяются новые региональные линейные объекты, находящие подтверждение в дистанционных данных, они принимаются как геологически значимые.

При выделении локальных объектов используются признаки, имеющие локальный характер. Наилучшее пространственное совпадение результатов классификации с априорной информацией достигается путем увеличения количества кластеров. В процессе подбора необходимо учитывать, что не все объекты, выявленные по данным дешифрирования, выражаются на кластерных картах в виде границ между кластерами. Поэтому следует обращать внимание на сложные пространственные сочетания локальных кластеров, коррелирующихся с линейными или изометричными объектами.

На втором этапе диалога изучается унаследованность выделенных объектов в геологическом разрезе. Организация признакового пространства осуществляется в соответствии с принятой " этажностью": рельеф-чехол, чехол -фундамент, фундамент.

Особое значение имеет выделение объектов по сложным признакам (цепочки кластеров и др.). Пространственная корреляция таких сложных признаков, выделенных в рельефе, чехле и фундаменте, позволяет установить местоположение геодинамических зон, связанных с эмерджентными свойствами массива.

При проведении диалога методом подбора необходимо использовать различные масштабы. Опыт показывает, что пространственное положение и особенности строения объектов, выявленных по данным кластерного анализа мелкомасштабных материалов, могут быть детализированы с помощью анализа материалов более крупного масштаба. Кроме того, использование разных масштабов позволяет более уверено выявлять местоположение слабопроявленых объектов.

2.3.4. Результаты системного интегрированного анализа при мелко- и среднемасштабном картировании активных геодинамнческих зон в пределах Московского региона.

Картирование активных геодинамических зон по данным системного интегрированного анализа геолого-геофизической и дистанционной информации было осуществлено в пределах центральной части Московского региона в масштабах 1:200 000 и частично 1:50 000. В качестве исходной информации масштаба 1:200 000 использовались карты рельефа дневной поверхности (RELF), подошвы четвертичных отложений (Q), подошвы юрских отложений (J), кровли каменноугольных отложений (С), гидроизопьез подольско-мячковского водоносного горизонта (VOD), кровли кристаллического фундамента (CRIST), структурная карта по кровле верейской свиты (VER) и карта гравитационного поля (G).

В масштабе 1:50 000 использовались карты рельефа дневной поверхности (RELF), подошвы четвертичных отложений (Q), схема изотерм на глубине нейтрального слоя (IZT), карта мощности юрских глин (J), карты продольной проводимости (S) и поперечного сопротивления (Т) надкарбонатной толщи, карты верейского горизонта (VER) и поверхности кристаллического фундамента. В качестве априорной информации для масштаба 1:200 000 использовались сводная схема дешифрирования дистанционных данных, составленная авторами, а для масштаба 1:50 000 - схема дишифрирования, составленная И.Н.Федонкиной.

После выполнения системного интегрированного анализа исходных данных была получена серия кластерных карт, отражающих основные особенности тектонического строения территории в различных масштабах. В качестве примера на рис.За приводится одна из кластерных карт, полученная в результате интегрированного анализа в масштабе 1:200 000 следующих параметров: RELF, Q, С и CRIST. На карте вся территория разбита на 7 кластеров, геологическую значимость которых можно оценить по графикам нормированных средних (рис.Зб). Можно видеть, что Московская зона разрывных нарушений, ограничивающая с севера Московский авлакоген, выделяется на кластерной карте цепочкой локальных кластеров 0,1,3 и 5, вытянутых в субширотном направлении. Частично, в центральной и западной частях она приурочена к границе между кластерами 1 и 3 (1-3). Эта граница проявлена в фундаменте и унаследована в карбоне. Раменская зона разрывных нарушений, являющаяся южной размытой границей авлакогена, выделяется фрагментарно в восточной части планшета цепочкой чередующихся кластеров О и 1, а в центральной части - границей между этими кластерами. Эта граница проявлена во всех горизонтах осадочного чехла.

Кластерная карта позволяет получить новую информацию о местоположении предполагаемых разрывных нарушений, частично выделяемых на схеме дешифрирования, составленной Е.А-Гаврюшовой и др. [З]. Наиболее интересными из них являются линейные зоны северо-западного направления, выделяемые в центральной и западной частях планшета и совпадающие с границами кластеров 0-1 и 1-3. Выделенные зоны можно отнести к активным геодинамическим зонам, в связи с их закономерной проявленностью в дистанционных данных, рельефе дневной поверхности и осадочном чехле. Обнаруженные в центре планшета локальные тектонические зоны, приуроченные к границам кластеров 0-2 и 1-2, также можно считать активными динамическими зонами, так как они полностью унаследованы в 'рельефе, осадочном чехле и фундаменте. Активные геодинамические зоны северозападного простирания находят свое подтверждение только в юго-восточной части планшета.

Кластерные карты в масштабе 1:50 000 были построены для центральной части изучаемой территории в пределах г.Москвы. На рис.4 приведена одна из этих карт, которая позволяет более детально выявить пространственное положение активных геодинамических зон, выявленных на карте масштаба 1:200 000, оценить особенности морфологии известных тектонических структур, а также выявить новые структуры в верхних этажах осадочного чехла. Последние не выделяются по геологическим данным, но частично проявлены в дистанционных материалах. Так одна из активных геодинамических зон, выделенная в масштабе 1:200 000 приурочена на кластерной карте к границам между кластерами 0-2, 2-5 и 5-8. Эти границы имеют различную геологическую значимость и унаследованность. Граница 0-2 проявлена в верхней части разреза и в карбоне, граница 5-8 - на всех уровнях осадочного чехла.

Рис.3, а) кластерная карта геодинамических зон центральной части Московского региона (составлена по данным анализа геолого-геофизической информации м-ба_1:200 000); б) графики нормированных средних значений параметров (Р*) в кластерах: 1 - номер кластера; 2 - границы крупных тектонических структур; 3 - ослабленные зоны и разрывы, проявленные на различных уровнях осадочного чехла и фундамента

Рис.4. Кластерная карта активных геодинамических зон на территории г.Москвы (составлена по данным анализа геолого-геофизической информации м-ба 1:50 ООО): 1 - номер кластера; 2 - северная граница Подмосковного авлакогена; 3 - геодинамические зоны

Наиболее интересными тектоническими зонами, впервые выделенными по данным кластерного анализа, являются зоны северо-восточного направления, зафиксированные на кластерных картах с различным количеством признаков. На описываемой карте одна из таких зон выделяется цепочкой локальных кластеров 8 и фрагментарными участками границы между кластерами 8-5, которая хорошо проявлена во всех горизонтах осадочного чехла.

Заверкой выделенных зон являются результаты режимных аквальных наблюдений в русле реки Москва (см. 36).

2.4. Крупномасштабное эколого-геофизическое районирование городской территории: возможности и перспективы.

Возможности крупномасштабного эколого-геофизического районирования геологической среды с помощью приемов системного интегрированного анализа можно проиллюстрировать на примере изучения территории Хорошевского района г.Москвы. Происходящая здесь под влиянием ряда техногенных факторов интенсификация карстово-суффозионных процессов привела к развитию просадочных и провальных явлений, повлекших за собой деформации и разрушение зданий, подземных коммуникаций, дорог. Потребовались усилия многочисленного отряда исследователей,- геологов и геофизиков различных организаций г.Москвы для выяснения причин и масштабов этих катастрофических процессов.

Крупномасштабное (1:10000) эколого-геофизическое районирование городской территории имело целью выявление особенностей природной и техногенно-измененной геологической обстановки и неблагоприятных факторов, влияющих на развитие карстово-суффозионных процессов.

2.4.1. Условия возникновения карстово-суффозионных процессов: задачи районирования.

Развитие карстовых и карстово-суффозионных процессов на территории города Москвы обусловлено особенностями строения верхней части разреза, ее изменением в процессе геологической истории и, наконец, активным антропогенным воздействием на геологическую среду в последние десятилетия.

Еще в кайнозойское время на территории современной Москвы создались условия, благоприятные для активизации карстовых процессов. Четвертичные (плейстоценовые) долины прорезали мезозойские и частично верхнекаменноугольные отложения и вскрыли расчлененную поверхность сильно эродированных и разрушенных карбонатных пород.

В пределах наиболее глубоких палеодолин (например, Хорошевская, Татаровская) полностью отсутствуют юрские глины, служащие региональным водоупором. Эти долины заполнены преимущественно хорошо проницаемыми рыхлыми отложениями, различного гранулометрического состава. Таким образом, здесь существует наибольшая потенциальная опасность развития карстовых и карстово-суффозионных процессов. Последние особенно активизировались на северо-западе Москвы после начала эксплуатации подземных вод карбона. Возникновение региональной депресионной воронки и потеря напора в водоносном горизонте привело к интенсификации вертикального взаимодействия поверхностных, грунтовых и подземных вод основной причине развития механической суффозии тонкодисперсного заполнителя карстовых полостей.

Механизм развития карстово-суффозионного процесса, приводящего к провальным явлениям, был изучен рядом исследователей [9] и иллюстрируется схемой на рис.5. Можно видеть, что скачок уровня в подольско-мячковском водоносном горизонте (в данном случае снижение на 2-5 м за 1-2 суток) и его последующее быстрое восстановление приводит к гидродинамическому нарушению сплошности относительно водоупорных глин. Под действием вертикальной фильтрации через нарушение в водоупоре происходит прорыв воды и вынос четвертичных песков в закарстованный карбонатный массив. В связи с этим часть залегающей выше песчаной толщи оказывается разуплотненной. Далее процесс развивается снизу вверх, а достигнув подошвы супесчаного слоя на глубине около 34 м, начинает развиваться по латерали. Вынос песчаного материала протекает относительно продолжительное время, поэтому ширина зоны разуплотнения достигает не менее 30-50 м. По достижении ареолом разуплотнения критических размеров начинается оседание супесчаных пород и, в конечном итоге, разрыв их сплошности. Это влечет за собой разуплотнение верхней обводненной толщи. В ней формируется своеобразный "купол разуплотнения", сложенный сильно разжиженными песками. Уплотненность пород здесь постепенно уменьшается от периферии к центру. Если выше по разрезу залегают глинистые прослои, то они также испытывают прогибания и разрыв сплошности. По достижении "куполом" УГВ, начинается перераспределение масс песков зоны аэрации. Здесь формируется "конус разуплотнения" с обращенной вниз вершиной, а над конусом образуется воронка оседания. Этим, в частности, можно объяснить незначительные размеры воронок на поверхности земли, которые не соответствуют углу внутреннего трения песков и их мощности.

Основные закономерности развития карстово-суффозионных процессов на территории северо-запада г.Москвы сводятся к следующему: - карстово-суффозионные процессы приурочены к участкам пересечения древних погребенных долин доюрского и доледникового размывов; - на участках проявления карстово-суффозионных процессов наблюдается максимальная закарстованность каменноугольных карбонатных пород; - непосредственное влияние на процесс образования провалов оказывает наличие или отсутствие разделяющих водоупоров между водоносными горизонтами закарстованных толщ и рыхлыми перекрывающими отложениями, а также их мощность. Особое значение имеет сохранность верхнеюрского водоупора.

В активизации карстово-суффозионных процессов определенную роль играют неотектонические зоны, в пределах которых горные породы характеризуются большей трещиноватостью, фациальной неоднородностью и повышенной проницаемостью.

К настоящему времени на северо-западе г.Москвы выявлено более 40 воронок и оседаний поверхности земли предположительно карстово-суффозионного генезиса. Эти воронки имеют размеры в поперечнике от 1 до 65 м (среднестатистический размер 22 - 23 м) и глубину от 0,4 до 8 м. Характерно расположение их группами по две-три и повторяемость возникновения на одном и том же месте (унаследованность развития).

Таким образом при районировании карстово опасных территорий должны учитываться следующие факторы: 1) литолого-тектоническое строение; 2) наличие и глубина залегания горизонтов грунтовых и подземных вод; 3) величина напоров грунтовых и подземных вод; 4) коэффициенты открытой закарстованности каменноугольных пород; 5) особенности палеорельефа; 6) сохранность разделяющих водоупорных слоев.

Рис.5. Схема механизма образования карстово суффозионной воронки (по Черткову Л.Г. [9]): 1 - пески, 2 - супеси, 3 - суглинки, 4 - глины, 5 -известняки, 6 - нарушенные трещиноватые зоны; геодинамически нарушенные зоны; границы: 7 - выделены по данным ВЭЗ-МДС, 8 -выделены по данным динамического зондирования, 9 - предполагаемые 10 - уровень залегания подземных вод, 11 - направление движения масс песчаных пород.

2.4.2. Предварительная обработка исходной информации.

В качестве исходной информации для оценки свойств пород и выполнения районирования использовались результаты бурения, данные комплекса геофизического исследование скважин (ГИС) (преимущественно параметры кажущегося сопротивления (КС) и гамма-каротажа(ГК)), а также (частично) результаты комплексной переинтерпретации данных наземной и аквальной электроразведки.

На территории города мало скважин, исследованных комплексом бокового каротажного зондирования (БКЗ); в основном производился стандартный каротаж методами КС, собственных потенциалов (ПС), ГК [2], который не дает истинных значений параметров. Кроме того исследования были выполнены неравномерно - только для отдельных участков застройки. Обобщенных оценок параметров как для территории города, так и для изучаемого северо-западного сектора Москвы крайне мало.

При обработке данных ГИС использовались параметры КС, полученные подошвенными градиент-зондами A2,OMO,1N и A1,OMO,1N, а также параметр ГК. С целью оценки истинных сопротивлений пластов проводилось предварительное расчленение разреза по комплексу КС, ГК и бурения. При этом в качестве опорных использовались пласты глин, границы которых наиболее четко фиксировались по зондам ГК. Затем по диаграммам КС с учетом мощностей выделяемых пластов и длины зонда определялись характерные значения КС (оптимальные r_k опт. и средние _k ср.) соответственно для пластов средней и большой мощности. Оценка истинных сопротивлений пластов проводилась по данным статистической обработки представительных выборок (не менее 30 значений) параметров r_k опт. и _k ср. для пород различного литологического состава и возраста с учетом степени обводненности. Кроме того, для оценки свойств юрских глин использовался определенный порядок группирования исходной информации, учитывающий принадлежность данной точки исследования к соответствующей таксономической единице территории, выделенной по данным инженерно-геологического районирования. Результаты проведенной статистической обработки значений сопротивлений' для основных горизонтов надкарбонатной толщи и юрских глин представлены в табл.4. Использование геоэлектрических параметров в качестве аналогов ряда фильтрационных и фациальных характеристик разреза поводило существенно расширить представления о пространственной изменчивости инженерно-геологических условий исследуемой территории.

Для южной части Хорошевского района Москвы в масштабе 1:10 000 авторами были построены карты геологических и геоэлектрических параметров, качественно характеризующих водопроницаемость и степень глинистости юрского водоупора и всей надкарбонатной толщи. В качестве таких параметров были выбраны:

1) эвристический коэффициент глинистости надкарбонатной толщи Кг = hi/H, где hi - мощность i-го глинистого слоя, Н - общая мощность до карбонатных пород, n - число слоев;

2) эффективная продольная проводимость юрских глин Sj_эф = h/ _I, где h - мощность юрских глин, _I - их среднестатистическое сопротивление;

3) эффективная суммарная продольная проводимость надкарбонатной толщи Sэф. =Sэфi = hi/ _I, где Sэфi - эффективная продольная проводимость i-го слоя, hi - его мощность, _I - среднестатистическое сопротивление;

4) эффективное суммарное поперечное сопротивление надкарбонатной толщи Тэф =Tэфi = hi _I, где Тэфi - эффективное поперечное сопротивление i-го слоя, hi - его мощность, _I - среднестатистическое сопротивление.

В условиях песчано-глинистого разреза параметр Tэф является аналогом коэффициента горизонтальной водопроводимости Твi= Кфi hi, где Кфi и hi - коэффициент фильтрации и мощность i-го водоносного горизонта. Параметр Sэф обратно пропорционален коэффициенту поперечной водопроводимости С|_=Кф|_ /hi, где Кф|_ - коэффициент вертикальной фильтрации через разделительный слой мощностью hi.

Карта коэффициента глинистости Кг надкарбонатной толщи была построена на основе геологических данных по сетке геолого-гидрогеологических профилей, пересекающих территорию в субмеридиональном и субширотном направлениях, с которых с шагом 1 см снималась суммарная мощность глинистых слоев в надкарбонатной толще и общая мощность надкарбонатной толщи.

Для построения карты эффективной продольной проводимости Sjэф юрских глин были использованы: 1) карта мощности юрских глин, с которой снимались значения мощности; 2) карта инженерно-геологического районирования, где изучаемая территория разбита на таксоны; 3) среднестатистические значения сопротивлений для этих таксонов (табл.5).

Карты Sэф и Тэф надкарбонатной толщи строились по той же сетке геолого-гидрогеологических разрезов, с которых через 1 см снимались мощности отдельных слоев Ы, а среднестатистические сопротивления _I, выбирались из табл.4. Верхний техногенный слой имеет большой разброс по сопротивлениям, поэтому при построении карт этот слой не учитывался.

2.4.3. Результаты комплексного районирования.

Комплексное районирование территории в масштабе 1:10 000 выполнялось с использованием аппарата кластерного анализа. При формировании признакового пространства привлекалась следующая информация: 1) карта районирования территории по степени активности проявления карстово-суффозионных процессов (INT - интенсивность вертикальной фильтрации); 2) карта разрушенности верхней части карбонатного массива (RZC - коэффициент разрушенности верхней части карбонатного массива); 3) карта мощности юрских глин (HJ); 4) геологическая карта карбонатных отложений (АОС - абсолютные отметки кровли карбона); 5) карта эффективной продольной проводимости надкарбонатной толщи (Sэф); 6) карта эффективного поперечного сопротивления надкарбонатной толщи (Тэф); 7)карта коэффициента глинистости надкарбонатной толщи (Кг).

Последовательный анализ признаков и их группирование осуществлялись методом подбора с использованием априорных независимых данных, в качестве которых выступали схемы дешифрирования топокарт и материалы дистанционных съемок, составленные И.Н.Федонкиной. В результате были получены кластерные карты, позволяющие охарактеризовать особенности пространственного распространения эколого-геологических факторов, предопределяющих возникновение и интенсификацию карстово-суффозионных процессов.

Таблица 4

Результаты статистической обработки значений кажущегося сопротивления надкарбонатной толщи

Таблица 5

Результаты статистической обработки значений кажущегося
сопротивления юрских глин (Лз ох-с1)

При геологическом истолковании кластерных карт использовались результаты инженерно-геологического районирования, выполненные Л.Г.Чертковым и графики распределения средних значений признаков внутри каждого кластера (группы). На рис.6 представлена одна из таких карт, построенная с использованием всех семи признаков. Она отражает особенности строения таких объектов как водораздел, склон и днище доледниковой долины и наложения на элементы доюрской долины, ослабленные неотектонические зоны.

Обширный участок территории, принадлежащий днищу Хорошевской долины, вытянутой широкой полосой с севера-запада на юго-восток изучаемой территории описывается кластером 3, здесь практически отсутствует водоупор и максимальна водопроницаемость надкарбонатной толщи (Т).

Ослабленные зоны, приуроченные к бортам Хорошевской долины выражаются узкими линейными участками чередования кластеров на юго-западном борту 4,2, на северо-западном - 6,7. Юго-западный борт Хорошевской долины характеризуется постепенным увеличением мощности юрских глин, понижением интенсивности вертикальной фильтрации при довольно значительной разрушенности верхней части карбонатного массива. Для северозападного склона Хорошевской долины характерна меньшая интенсивность вертикальной фильтрации и незначительная разрушенность верхней части карбонатных пород. Особый интерес представляет ослабленная зона, которая выделяется на карте дешифрирования системой линеаментов, а на карте районирования границей кластеров 2-3. В этой зоне практически отсутствует юрский водоупор, очень интенсивная вертикальная фильтрация при значительной разрушенности верхней части карбонатного массива. Выделенный участок приурочен к зоне тектонического нарушения, выделенной по комплексу гидрогеологических параметров.

Ввиду повышенной потенциальной опасности ряда ослабленных зон, расположенных на участках интенсивной городской застройки, авторами были выполнены их детальные исследования, результаты которых приводятся в главе 3.

3. Опыт эколого-геофизического мониторинга на объектах Московского региона

В 1980-х начале 90-х годов авторами осуществлялись режимные наблюдения на ряде объектов г.Москвы и Подмосковья, которые можно отнести к первым опытам локального и объектного геофизического мониторинга геологической среды урбанизированных территорий. Исследования имеют многоцелевой характер, однако их общими задачами являлись: - разработка технологии наземных и аквальных эколого-геофизических наблюдений; -изучение защищенности геологической среды от различных видов техногенного воздействия; - изучение источников загрязнения (типы физического воздействия, его пространственной конфигурации, интенсивности, продолжительности); - изучение связи загрязнения с регистрируемыми физическими полями и параметрами; - оценка и прогноз техногенных изменений геологической среды/ во времени и пространстве.

Среди выполненных исследований наибольший интерес представляли режимные наблюдения по изучению динамики загрязнения территории и акваторий в пределах нового района Москвы - экополиса "Косино", изучение воздействия городских свалок и очистных сооружений на загрязнение подземных и поверхностных вод, а также эколого-геофизический мониторинг рекреационных зон в пределах Подмосковья. В методическом отношении общим для всех упомянутых работ было применение комплекса малоглубинных наземных (электроразведка методами ВЭЗ,ЭП, ЕП; сейсморазведка МПВ с ударным возбуждением упругих колебаний; радиометрия) и аквальных геофизических наблюдений (водные электрические зондирования, аквальная съемка ЕП, резистивиметрия, придонная термометрия). Результаты геофизических исследований дополнялись данными гидрогеохимического и гидробиохимического опробования, а на отдельных участках - данными бурения и фильтрационных испытаний в специально оборудованных скважинах.

Рис.6, а) карта комплексного районирования территории Хорошевского района (составлена по данным анализа геолого-геофизической информации м-ба 1:10 000); б) графики нормированных средних значений параметров (Р*) в кластерах: 1- номер кластера; 2- линеаменты; 3- ослабленные зоны

Особой областью исследований, в которой авторы принимали участие совместно с целой группой коллег, работавших в различных геологических и геофизических организациях (ВНИИГеофизика, ПНИИИС, Гидроспецгеология, МГРИ и др.) были долговременные режимные наблюдения на северо-западе г.Москвы с целью изучения карстово-суффозионных процессов. Здесь был использован геофизический комплекс, включающий наземные (практически все методы и модификации малоглубинной электроразведки; сейсморазведка методами МПВ, МОП"; высокоточная гравиметрия, эманационная съемка) и скважинные (межскважинное прозвучивание и электромагнитное просвечивание, широкий комплекс каротажа) методы, дополняемые гидрогеологическими и инженерно-геологическими исследованиями массивов горных пород и подземных вод.

Особого внимания заслуживают режимные наблюдения в акватории р.Москвы, выполненные кафедрой сейсмометрии и геоакустики МГУ и использованные авторами при геоэкологическом районировании территории [2,7]. Эти комплексные исследования (НДОЗ, резистивиметрия, термометрия, ЕП, НСП), повторяемые с интервалом в один год в пределах центральной части города позволили изучить строение геологического разреза и выполнить мониторинг геофизических полей с целью характеристики техногенных процессов в русле р.Москвы.

Ниже приводятся основные методические и эколого-геологические результаты перечисленных исследований, прежде всего, в качестве характеристики возможностей сложившихся геофизических комплексов для осуществления объектного мониторинга геологической среды урбанизированных территорий.

3.1. Изучение загрязнения территории и акваторий экополиса "Косине".

Поселок "Косино" расположен в Перовском районе г.Москвы за пределами кольцевой дороги. Местные органы самоуправления и общественные организации выступают за сохранение этой уникальной по своим природным условиям территории в связи с застройкой района "Новокосино" и бурной урбанизацией окрестностей. Поселку был присвоен статус "экополиса", и рядом учреждений были начаты экологические исследования в том числе по обоснованию водоохранной зоны Косинских озер. Авторы принимали участие в этих исследованиях в 1988-90 гг., выполняя режимные эколого-геофизические наблюдения на территории экополиса и в прибрежных частях двух Косинских озер (рис.7).

3.1.1.Геологическое строение и эколого-гидрогеологические условия экополиса "Косино"

Верхняя часть разреза изучаемой территории сложена каменноугольными, юрскими и четвертичными отложениями. Каменноугольные отложения среднего и верхнего отделов представлены переслаиванием доломитов и доломитизированных известняков с прослоями глин. Общая мощность отложений верхнего карбона около 60 м. Наиболее опасными в экологическом отношении являются зоны трещиноватости и прослои раздробленных доломитов и известняков, т.к. именно к этим объектам обычно приурочены области развития неблагоприятных инженерно-геологических и гидрогеологических процессов.

Рис.7 Карта эколого-гидрогеологического районирования пос.Косино, составленная по данным комплексных геофизических и гидрогеологических исследований: 1 - направления грунтового потока в плане; вертикальное движение подземных вод: 2 - восходящее; 3 - нисходящее; 4 - контуры ложбины водно-ледникового стока; 5,6 - положительные и отрицательные аномалии температуры; 9, 10 - положительные и отрицательные аномалии минерализации; 11 - направление сноса загрязнения.

Отложения верхней юры представлены в доюрских эрозионных врезах мелкозернистыми песками батского и келловейского ярусов,а выше по разрезу -плотными келловейскими и оксфордскими глинами и песками волжского яруса. Юрские отложения развиты не повсеместно, их максимальная мощность 40 м. Четвертичные отложения, покрывающие всю территорию включают комплекс водноледниковых, ледниковых, аллювиальных и озерно-болотных отложений, представленных глинами, суглинками, супесями, песками, щебнем и гравием. Общая мощность четвертичных отложений 10-25 м.

В тектоническом отношении территория расположена на южном крыле Московской синеклизы, не выраженной в современном рельефе. Кристаллический фундамент разбит сложной системой блоковых нарушений. В связи с вендским опусканием кровли фундамента началось накопление мощного осадочного чехла. Неотектонические движения захватили все структуры региона. Активизация неотектонических подвижек проявляется в плиоцене и в начале плейстоцена. Именно с этим периодом связаны процессы переуглубления древней речной сети. Со среднего плейстоцена началось опускание поверхности, в результате чего долины рек были перекрыты чехлом ледниковых отложений. Ряд молодых морфологических форм и элементов рельефа, возникших в ходе новейшего тектонического этапа, формировались в ходе многолетних оледенений, аккумуляции привносимого материала и переотложения осадков при оттаивании ледников.

По особенностям структуры рельефа, степени эрозионной расчлененности, характеру взаимодействия рельефообразующих факторов территория экополиса относится к мещерской зандровой низине. Во время оледенений формировались ледниковые формы рельефа. После освобождения от ледникового покрова территория была залита потоками талых вод, размывших частично юрские и меловые отложения. Абсолютные отметки поверхности 130-150м.

На территории Косино расположены три озера ледникового происхождения. Озеро Белое - самое крупное, округлой формы, диаметром около 500-600 метров, глубиной до 15 метров. Озеро Святое - округлой формы, диаметром около 300 метров. Берега озера заболочены и окаймлены торфяными массивами. Озеро Черное диаметром 200-300 метров имеет крутые северные и восточные берега и выположенные южные и западные. Именно эта группа озер представляет основную экологическую ценность региона.

Среди экзогенных процессов развитых на территории, следует отметить процессы болотообразования, обусловленные неглубоким залеганием грунтовых вод, небольшими уклонами поверхности и близким залеганием водоупорных моренных суглинков, глин. Процессы заболачивания тяготеют к котловинам озер. Заболачивание сопровождается накоплением слоя торфа.

Прямую угрозу инженерным сооружениям представляет погребенный карст. Карстово-суффозионные процессы развиты в каменноугольных породах и тяготеют к участкам территорий, где юрские глины маломощны или размыты. Заболачивание и суффозионно-карстовые явления осложняют условия освоения территории. Можно предполагать интенсификацию карстово-суффозионных процессов в результате увеличения скорости циркуляции подземных вод и роста их агрессивности к карбонатным породам. При снижении уровня подземных вод в закарстованных породах образуется нисходящий фильтрационный поток, вызывающий суффозию. Активизация процессов может быть связана с проходкой глубоких котлованов и траншей.

На территории экополиса Косино выделяется несколько водоносных горизонтов, пять из которых приурочены к четвертичным отложениям, один - к бат-келловейской песчаной толще верхней юры и один - напорный касимовский водоносный горизонт - к известнякам и доломитам верхнего карбона. Все воды пресные, химический состав преимущественно гидрокарбонатнокальциевый, а в водноледниковых водоносных горизонтах - гидрокарбонатнохлоридный или сульфатный кальциево-магниевый.

Более чем полуторастолетняя эксплуатация артезианских вод карбона в Москве и области привела к формированию огромной депрессионной воронки, благодаря которой артезианские воды перестали быть таковыми,- потеряли свой избыточный напор. Этот процесс прогрессирует, на что указывает явление ваккумирования водоносного пласта в непосредственной близости от экополиса в районе Кучино. Наличие и развитие депрессионной воронки - есть крупнейшее нарушение гидрогеологической обстановки, но оно гораздо опаснее по своим последствиям. Сработка избыточного напора в карбоне привела к тому, что поверхностные воды, в том числе Косинские озера и грунтовые (первые от поверхности) воды оказались "подвешенными" над воронкой в горизонте с питьевой водой. Таким образом, формирование качества грунтовых и поверхностных вод оказалось непосредственно связанным с делом охраны и защиты эксплуатируемого водоносного горизонта в карбоне. С гидрогеологических позиций в этом случае основным становится вопрос о гидравлической связи озер, ручьев и грунтовых вод с бывшими артезианскими водами. И если раньше, без загрязнения поверхности, перетекание в артезианские горизонты рассматривалось как весьма благоприятное явление питания подземных вод и увеличения их ресурсов, то в настоящее время этот процесс следует считать скорее негативным для формирования ресурсов. В этой связи совершенно недопустимым является бурение скважин без разъединения и изоляции вскрываемых водоносных горизонтов; дноуглубительные работы на форватерах рек; чистка дна и добыча сапропеля со дна озер, что полностью относится к Косину. Эти меры могут рассматриваться как охранные по отношению к питьевым артезианским горизонтам. Заметим также, что местный водозабор артезианских вод в совхозе им. Моссовета конечно способствует сработке напоров в карбоне, но контролируя качество воды в нем, можно установить степень тесноты связи озерных и грунтовых вод с водами карбона.

Расчеты водного баланса одного из крупнейших Косинских озер - Белого - показывают, что существует значительный отток воды связанный с развитием хорошо фильтрующих отложений в бортах озер. Поэтому одной из задач исследований являлось трассирование подобных водотоков.

Благодаря субширотному атмосферному переносу, Косино оказывается в зоне влияния Московских и более западных загрязнителей атмосферы. Промышленные и транспортные выбросы снабжают атмосферу оксидами и диоксидами серы, азота и углерода, дающими при соединении с водой "коктейль" кислот: сернистой, серной, азотистой, азотной, угольной и других. Общее содержание кислот может быть оценено величиной рН. При наличии рН ниже 5,6 - атмосферные осадки во всем мире называют "кислотными дождями". Помимо кислот атмосферные осадки могут содержать и другие, не менее токсичные загрязнения: аммиак, углеводороды, соединения тяжелых металлов, пыль и сажу. Анализ дождя, прошедшего в Подмосковье 14 июня 1989 г., показал следующие результаты: рН - 4,8; общая минерализация - 25,1 мг/л; NH -4 мг/л; Fe - 0,3 кг/л; С1 - 2 мг/л.

Здесь уместно схематично охарактеризовать основные механизмы негативного воздействия кислотных дождей на естественные биогеоцинозы. При низких значениях рН возможны ожоги листьев, стеблей и других органов растений. При повышенных концентрациях диоксида серы в воздухе могут произойти нарушения дыхания зеленых растений из-за повышения ферментов (энзимов), управляющих открытием устьиц зеленого листа. Проникновение кислотных дождей в почву чревато интенсивным выносом из нее ионов кальция и магния, находящихся, в обменном комплексе почвы, в минеральном (кристаллическом или аморфном) виде в форме металлоорганических соединений типа гумата кальция. Вслед за кальцием и магнием из почвы уходят органические вещества, определяющие ее плодородие: гумановые и фульво-кислоты, гумус, гуматы и пр.. Но потери почвой своего плодородия не является единственным негативным последствием кислотных дождей. Вынесенные кислой инфильтрацией из почвы кальций, магний и органика поступают в грунтовые воды, увеличивая жесткость воды и извлекая из воды кислород для окисления органики. Все эти процессы существенно снижают качество воды не только для хозяйственно-питьевых целей, но и как компонента экосистемы. На общий фон атмосферного загрязнения могут накладываться шлейфы и ореолы от местных источников загрязнения воздуха.

Особо следует остановиться на автотранспортном загрязнении. Это, во-первых, выхлоп двигателей внутреннего сгорания, обогащенный не только сажей и несгоревшими углеводородами, но и оксидом углерода (СО) и тяжелыми металлами, прежде всего, свинцом и кадмием. Наиболее важными свойствами этих металлов является их способность накапливаться и даже увеличивать свою концентрацию в трофических цепях, что, естественно, усиливает их токсичность. Во-вторых, применение на дорогах хлористого натрия с песком в качестве противогололедных смесей ведет к интенсивному засолению поверхностных и грунтовых вод и почв. По нашим оценкам на 1 погонный метр МКАД за зиму высыпается десятки килограммов соли.

Еще не исследованным, но значимым представляется вопрос о о загрязнении почв и грунтовых вод со стороны свинокомплекса, канализационного коллектора Москва-Люберцы, тепличного хозяйства и т.п. источников. При этом следует иметь в виду, что бактериальное загрязнение подземных вод следует изучать лишь в тех случаях, когда его источник расположен не дальше, чем 500 м от рассматриваемого (охраняемого) сечения.

Следует считать вероятным, что главным процессом формирующим загрязнение Косинских озер, окажется плоскостной смыв и снос. Здесь в качестве источников загрязнения, кроме уже названных, могут рассматриваться огороды, сады, участки, интенсивно удобряемые и имеющие уклон рельефа к озерам. При этом наиболее общим показателем загрязнения могут стать концентрации нитратов и уровень автрофикации водоема.

Гидрохимическое опробование поверхностных вод Косинских озер показало, при общей низкой минерализации озерных вод (от 185 до 250 мг/л на разные даты) обращает на себя внимание относительное содержание основных анионов. Вместо нормального распределения анионов (НСО₃ >S0₄> C1) здесь, вероятно за счет техногенного воздействия сформировалась иная последовательность: НСО₃ >С1> S0₄. Это является убедительным свидетельством эколого-геологических сдвигов в районе.

Концентрация аммонитного и нитритного ионов, свидетельствующих о "свежем" загрязнении озерных вод, достигает 1,0 мг/л по NH в озерах Черном и Святом в первой половине августа и ни разу не превысила 0,4 мг/л в оз. Белом. Содержание нитритов по всем озерам весьма мало. Нитратное загрязнение фиксируется во всех озерах, но в большей степени в Белом и Святом озерах, где достигает 7 и 3 мг/л соответственно в начале июля. В связи с этим, заметим, что предельнодопустимая концентрация нитратов в воде питьевого назначения -50мг/л.

Изучение минерализации и химического состава подземных вод в колодцах, расположенных на территории экополиса показало, что грунтовые воды преимущественно пресные с фоном общей минерализации около 400 г/л.Только на отдельных участках территории минерализация превышает 1 г/л. Как правило эти участки характеризуются также трансформацией химического состава грунтовых вод, изменяющих свой тип на гидрокарбонатно-хлоридно-сульфатный и хлоридно-гидрокарбонатно-сульфатный. Эти же участки преимущественно примыкающие к кольцевой дороге (МКАД), оказались наиболее загрязненными по нитратам, концентрации которых превышают ПДК (65-78 мг/л).

3.1.2.Эколого-геофизические исследования.

Основными задачами режимных геофизических исследований при изучении геоэкологических условий территории п.Косино являлись:

1. Расчленение верхней части геологического разреза на глубину 10-20 м;

2. Картирование древних долин, зон распространения озерных отложений и плывунов;

3. Оценка удельных электрических сопротивлений грунтов верхней части разреза с целью их геоэкологической и литологической классификации;

4. Оценка загрязнения поверхностных озерных вод (в пределах w прибрежной части оз. Белое);

5. Оценка взаимосвязи поверхностных и подземных вод в районе оз. Белое;

6. Картирование возможных путей фильтрации загрязненных вод в оз. Белое;

7. Изучение температуры придонных грунтов в прибрежной части оз. Белое.

Решение первых трех задач осуществлялось с помощью наземных исследований, последних четырех - с помощью комплекса аквальных наблюдений.

Наземные геоэлектрические исследования.

Наземные геоэлектрические исследования включали выполнение вертикальных электрических зондирований (ВЭЗ) и симметричного электропрофилирования (СЭП). Выбор этих методов определялся априорными сведениями о значительной дифференциации геоэлектрических свойств пород, слагающих верхнюю часть разреза (ВЧР). По опыту работ на территории г.Москвы авторы предполагали провести расчленение ВЧР, сложенной песчано-глинистыми породами по особенностям их литологии и техногенной загрязненности. Кроме того, предполагалось выяснить некоторые особенности погребенного рельефа вблизи оз. Белое, определяющие гидрогеологические условия района и характер движения загрязненных подземных вод. Наконец, специальной задачей наземных геоэлектрических исследований являлось получение сведений об удельных электрических сопротивлениях техногенных грунтовых толщ и пород ВЧР с целью их геоэкологической и литологической классификации и последующего использования в цикле режимных наблюдений.

Расположение точек ВЭЗ выбиралось на наиболее интересных в геологическом отношении участках территории. Электропрофилирование осуществлялось вдоль береговой линии оз. Белое с целью сопоставления с данными аквальных наблюдений, а также по профилям (улицам), пересекающим исследуемую территорию вкрест предполагаемого простирания основных структур ВЧР и вкрест возможным направлениям максимального техногенного загрязнения.

Максимальные разносы ВЭЗ, определяющие глубинность исследований, достигли АВ/2 = 100 м, разносы электропрофилирования АВ=30 м; MN=5 м; шаг 20 м на аномальных участках, шаг наблюдений уменьшался до 10 м. Шаг наблюдений при выполнении СЭП составлял 20 м. Согласно инструкции осуществлялся 10% контроль полевых наблюдений.

Аквальные геофизические исследования.

Аквальные геофизические исследования выполнялись в акватории оз. Белое комплексом наблюдений, получившим название "русловой геофизики" и включающим методы естественного электрического поля (ЕП), резистивиметрии придонных слоев воды (rв) и термометрии придонных грунтов (Т) [4,12].

Предпосылки применения аквального комплекса геофизических методов определялись априорными особенностями распределения физических полей в акватории при наличии техногенного загрязнения или фильтрацией аномальных по динамическим или химическим характеристикам подземных и поверхностных вод. Так, при наличии разгрузок пресных подземных вод в озеро местоположение разгрузки отмечается локальными положительными аномалиями потенциала ЕП. Интенсивность аномалии пропорциональна интенсивности разгрузки. Наоборот, при наличии инфильтрации поверхностных (озерных) вод в водоносный пласт, зона инфильтрации выделяется отрицательными аномалиями. Расчет интенсивности электрофильтрационного поля Е_ЕП может быть сделан по формуле:

Термометрические исследования выполняются с целью независимой регистрации природных и техногенных разгрузок подземных вод. Измерения осуществляются в толще природных грунтов, температуры Т которых определяются особенностями теплообмена поверхностных и подземных вод через разделяющую глинистую или илистую толщу. При наличии разгрузок подземных вод более низкой температуры, чем поверхностные воды в толще придонных грунтов фиксируются отрицательные локальные аномалии Т, достигающие 2-5 градусов. При наличии разгрузок теплых вод (характерных для техногенного загрязнения) - характерны положительные температурные аномалии.

При изучении естественного электрического поля осуществлялась съемка потенциала ЕП относительно неподвижного электрода (N), местоположение которого выбиралось в прибрежной части акватории на безаномальном участке. Второй электрод (М) перемещался по дну озера вдоль береговой линии на расстоянии 2-4 м от уреза воды. Осуществлялись точечные замеры потенциала ЕП с шагом 10-20 м. Для аквальных наблюдений использовались специальные неполяризующиеся электроды, представляющие собой медные стержни, вставленные в пластиковые сосуды с пористым дном, заполненные раствором CuS0₄. Таким образом, контакт медного электрода с окружающей средой осуществлялся через соль того же металла, что существенно уменьшало собственную поляризацию электрода (до + 1-3 мв) и делают ее стабильной (во времени). Измерения потенциала ЕП осуществлялись с помощью серийного электроразведочного автокомпенсатора АЭ-72.

Резистивиметрические наблюдения выполнялись с помощью специального закидного резистивиметра, представляющего собой четырехэлектродную микроустановку А 0,025 М 0,025 N, выполненную из-бронзовых колец и заключенную в экранирующий высокоомный кожух из эбонита. Резистивиметр крепился кабелем к выносной штанге, что позволяло осуществлять замеры сопротивлений воды вблизи дна водоема на расстоянии 2-4 м от береговой линии. При этом глубина погружения резистивиметра составляла 0,7-1,2 м. Для измерений применялся полупроводниковый прибор ТИС-1 с автономным питанием.

Электрическое сопротивление воды определялось по формуле r_в = Крез. DU/ I, где Крез,- коэффициент резистивиметра, DU и I - соответственно напряжение и ток в приемной и измерительной сетях резистивиметра. При наличии резких температурных перепадов вносились температурные поправки в величину r_в. Общая минерализация воды М определялась по известным зависимостям М =f(r_в) при заданном химическом составе воды и t°= const.

Термометрия придонных грунтов водоема проводилась с помощью специальных термобуров, позволяющих заглубить полупроводниковый датчик,укрепленный на конце штанги, на глубину до 0,5 -1м. Датчики, изготовленные на базе полупроводниковых терморезисторов ММТ-1 и КМТ-1, тарировались по температуре с точностью до 0,1 С°. При выполнении измерений использовались электрические термометры ЭТП-1, показания которых по тарировочной кривой n= f(T°) переводились в значения температуры.

На каждой точке осуществлялось внедрение термобура в грунт и регистрация температуры на заданной глубине. Время измерений, зависящее от инертности датчика составляло 1,5-3 мин. При резких изменениях теплового поля выполнялся контроль с повторным заглублением датчика в соседних точках, а также сгущение шага наблюдений.Рядовые замеры осуществлялись в акватории на расстоянии 1 м от уреза воды с шагом 20 м по профилю.

3.1.3. Результаты комплексных исследований прибрежной части оз.Белое.

В результате комплексных аквальных исследований проведенных в акватории оз.Белое и наземного электропрофилирования, выполненного вдоль береговой линии были построены графики ЕП, резистивиметрии, термометрии и электропрофилирования вдоль изучаемых профилей наблюдений и карга соответствующих аномалий (рис.7).

Особенности распределения естественного электрического поля, температуры, удельных электрических сопротивлений поверхностных вод и удельных электрических сопротивлений грунтов верхней части разреза (ВЧР) хорошо коррелируются вдоль профилей наблюдений. Однозначно выделяются две аномальные зоны, имеющие различную физико-геологическую природу.

Первая аномальная зона расположена в юго-восточной части озера Белое против территорий, занятых церковью Успенья и трикотажной фабрикой. В пределах этой зоны сопротивления грунтов ВЧР и сопротивления придонных слоев воды по отношению к общему фону этих параметров минимальны. На графиках ЕП в пределах этой зоны две локальные положительные относительно фона аномалии,

Все это позволяет заключить, что выделенная аномальная зона связана с наличием ленты тока минерализованных (загрязненных) вод, снижающих сопротивления грунтов ВЧР и уменьшающих сопротивление придонного слоя воды в озере. Об этом же свидетельствует наличие положительных аномалий ЕП, отмечающих местоположение зон разгрузки грунтовых вод в озеро. Характерно также, что тренд температуры в пределах этой зоны положителен. Величина "региональной" аномалии достигает 0,5 .С. Это свидетельствует о том, что разгружающиеся воды имеют температуру несколько большую, чем температура придонных слоев воды. Таким образом можно утверждать, что выделенная аномальная зона имеет техногенную природу и обусловлена загрязнением грунтовых вод.

Для выяснения природы загрязнения и установления местоположения его источника необходимо выполнение детальных площадных электроразведочных исследований на территории восточной и юго-восточной части озера.

Вторая аномальная зона расположена в северо-западной части озера Белое вблизи протоки,соединяющей его с озером Черным. Здесь на графике электропрофилирования на участке наблюдается значительное повышение эл.сопротивлений (до 120 Омм) грунтов ВЧР. Одновременно на графике термометрии придонных грунтов на том же участке выделяется отрицательная "региональная" аномалия температуры, достигающая 4 С. Эта "региональная" аномалия имеет отдельные, локальные составляющие, отражающие сложный характер температурного поля. По данным резистивиметрии в пределах описываемой зоны выделяются несколько локальных аномалий повышенных (до 50-52 омм) сопротивлений придонных слоев воды, свидетельствующих о наличии водопритоков с пониженной минерализацией.

Таким образом, сочетание пониженной минерализации придонных слоев воды,резкое понижение температуры придонных грунтов и увеличение сопротивлений грунтов ВЧР свидетельствует о наличии разгрузки холодных, слабоминерализованных подземных вод, приуроченной к хорошо проницаемым отложениям. Можно утверждать, что указанная зона не носит техногенного характера и определяется только природными факторами.

Обработка фондового материала, собственное геологическое полевое обследование территории по искусственным обнажениям в стенках карьеров, строительных котлованов и траншей, а также достаточно представительный комплекс геофизических исследований позволили выяснить некоторые новые особенности и подтвердить известный общий план геологического строения. Так, было известно, что по крайней мере одно из трех озер - Белое имеет ледниковое происхождение и расположено в древней ложбине водно-ледникового стока. На геологической карте масштаба 1:50000 контуры этой долины показаны слишком обще, с генеральным направлением оси на юго-запад, т.е. несколько навстречу Москва-реке. Нашими исследованиями удалось более точно и обоснованно протрассировать эту ложбину от оз. Белого на юг и охарактеризовать даже поперечное распределение фильтрационных свойств. Электропрофилированием удалось откартировать (по профилям) строение пород зоны аэрации, т.е. отчленить моренные суглинки от покровных. По вертикальным электрическим зондированиям южнее оз.Белое (Красносолнечная ул.) удалось установить нахождение под верхнеюрским глинистым водоупором линзы водоносных песков среднеюрского возраста (бат-келловейских). Эта находка авторов свидетельствует о том, что водно-ледниковая ложбина заложилась по направлению уже ранее "освоенному" доюрской эрозионной долиной (рис.7).

К интересным результатам следует отнести выявление сложной структуры разгрузки грунтовых вод в озеро Белое. Особенно сложной и контрастной эта разгрузка представляется по геофизическим данным у северо-западных берегов озера, где установлены подводные очаги разгрузки, напоминающие известный родник у оз.Черное (рис.7).

Выявление источников загрязнения по данным комплексных наблюдений показало, что на качество грунтовых вод поселка негативно влияют автодорога (зимнее засоление), применение удобрений на приусадебных участках и др. источники. Геофизическими методами выявлены разгрузка теплых вод со стороны трикотажной фабрики, довольно широкая полоса разгрузки загрязненных и более теплых вод с востока-северо-востока в оз.Белое (предположительно со стороны свинокомплекса). Отмечены явления евтрофикации воды озер Белое, Светлое за счет смыва и сноса удобрений с окружающих сельскохозяйственных угодий и частных огородов и садов. Сведения о выявленных и потенциальнных источниках загрязнения сведены в таблицу 6.

В результате выполненных комплексных исследований были сделаны следующие выводы.

Устойчивость геологической среды в районе экополиса Косино следует признать невысокой. Техногенные воздействия на нее инициировали и интенсифицировали такие экзогенные процессы как карст и суффозия, заболачивание, проявление тиксотропии грунтов (плывуны). Все это не только заметно осложняет и удерживает строительство, но и провоцирует вторичные процессы и явления, небезразличные для других компонентов экосистемы.

Главным процессом, приведшим к коренным изменениям в подземной гидросфере, является длительная усиленная эксплуатация артезианских вод, образование в связи с этим гигантской воронки депрессии, полная перестройки балансовой структуры потоков подземных вод и создание предпосылок для широкого и практически необратимого загрязнения подземных вод. Наряду со снижением уровней подземных вод развивается и техногенное подтопление,т.е. сокращение мощности зоны аэрации, что самым прямым образом сказывается на почвенных процессах и условиях произрастания растений. Обращает на себя внимание довольно резкая временная изменчивость химического состава подземных вод, что по-видимому является следствием и силы техногенного воздействия, и слабой защищенности вод, и малой емкости водоносного комплекса.

Иллюстрациями к вышепроведенной эколого-гидрогеологической оценке могут служить составленная авторами впервые для данного района карта карта эколого-гидрогеологического районирования (рис.7).

Таблица 6

Существующие и потенциальные источники загрязнения природных вод

3.2. Изучение загрязнения окружающей среды в районах городских свалок:
полигон захоронений твердых бытовых отходов "Кучино".

Городские свалки являются мощными источниками загрязнения урбанизированных территорий. Они представляют экологическую опасность для всех компонентов окружающей среды: атмосферы, почв, горных пород верхней части разреза, растительности, живых организмов. Наконец, эксплуатируемые и законсервированные городские свалки могут наносить реальный ущерб здоровью людей. В экологическом мониторинге территорий, примыкающим к городским свалкам, обычно участвуют специалисты - геоэкологи различного профиля. Ниже будут показаны возможности режимных геофизических исследований, выполняемых в комплексе с гидрогеологическими и гидрогеохимическими наблюдениями, при изучении загрязнения окружающей среды в районе одной из городских свалок г.Москвы - Кучинского полигона захоронения твердых бытовых отходов (ПЗТБО).

Свалка расположена вблизи г. Железнодорожный на плоском водоразделе рек Пехорка и Чичера, где до 1970 г. действовали два карьера по добыче известняка и глины для потребностей строительства г.Балашиха. Размеры карьеров 1000 х 600 м, глубина 14-15 м. Борта карьеров сложены аллювиальными и флювиогляциальными четвертичными отложениями, дно-песками и глинами верхней юры. Мощность четвертичных отложений 15-20 м, мощность юрских отложений около 20-25 м. Ниже залегают известняки и доломиты верхнего карбона.

Четвертичные отложения содержат два водоносных горизонта, приуроченных соответственно к пескам современного и древнего аллювия и имеющих питание за счет атмосферных осадков, а также за счет подтока из выше - и нижележащих горизонтов. Воды мягкие, пресные.

С 1970 по 1981 гг. Кучинские карьеры использовались в качестве полигона захоронения твердых бытовых и промышленных отходов восточных районов г.Москвы. Мощность отходов достигает 15 м, общий объем свалки 4,5 млн.куб.м. Свалка насыщена метаном. Вследствие частых возгораний и окислительных процессов весь массив техногенного грунта значительно прогрет.

Скопившиеся на полигоне отходы отличаются высокими концентрациями ряда тяжелых металлов, которые во много раз превосходят их содержание в земной коре и фоновой почве. Пробы, взяты из скважин, показали следующие значения коэффициентов концентрации (Кк) тяжелых металлов относительно фона: серебра - 17 - 1000 ; цинка - 40 - 120; вольфрама - 10 - 400; свинца - 12 -80; олова - 6 - 60; молибдена - 2 - 25; кадмия, кобальта, хрома, никеля - до 10.

Свалочный фильтрат, насыщающий массив отходов, представляет собой темнокоричневую жидкость с минерализацией 10-12 г/л и высоким содержанием органики. Тяжелые металлы, установленные в отходах присутствуют в повышенных концентрациях и в свалочном фильтрате. Однако, ввиду большого разбавления высокие концентрации фильтрата мало сказываются на составе поверхностных вод. Исключение представляют зоны отекания фильтрата в р. Пехорку, где концентрации кадмия и нитрат-иона в 5-7 раз превышают ПДК. Особенно загрязнены донные отложения рПехорки в местах отекания фильтрата и ниже свалки, где их суммарный показатель загрязнения (СПЗ) превышает фоновые значения в 65- 140 раз. В р.Чичера фильтрат разбавляется в сотни раз и до настоящего времени практически не влияет на состав вод и донных отложений (рис.8).

Загрязнение подземных вод изучалось по данным проб, отобранных из колодцев в дер. Фенино и в скважинах, пробуренных по контуру свалки и вскрывших горизонты четвертичного и юрского возраста. Наиболее загрязненная зона шириной 40-60 м фиксируется вблизи свалки, где свалочный фильтра! просачивается в грунтовые воды. Здесь коэффициенты концентрации тяжелых металлов относительно средних фоновых значений достигают : свинца - 20; кадмия - 5; никеля - 4; цинка - 3. Наблюдается возрастание концентрации по направлению к свалке.

Максимальный уровень загрязнения почв (СПЗ более 128) наблюдается на отдельных локальных участках. Сильно загрязненные почвы распространены преимущественно к югу и юго-востоку от свалки, за р.Чичеру и Пехорку загрязнение не переходит. Основными элементами загрязнения являются-серебро, цинк, молибден, медь и др. элементы, характерные для свалочных отходов (рис.8).

Оценка загрязнения приземного слоя воздуха, выполненная по данным исследования элементарного состава твердой фазы снега, показала, что уровень загрязнения тяжелыми металлами очень высок (СПЗ более 128). Коэффициенты концентрации относительно фоновых значений: серебра -79, вольфрама - 27, цинка - 20, висмута - 19, свинца - 14, меди - 12.

Таким образом, накопление значительной массы отходов на сравнительно небольшой территории приводит к значительному загрязнению всех компонентов окружающей среды. Для изучения процесса воздействия свалки на состояние почв, подземных и поверхностных вод в 1988-91 гг. были выполнены комплексные режимные наблюдения, в которых важнейшая роль отводилась геофизическим исследованиям.

Геофизические наблюдения выполнялись вдоль периметра свалки, в окрестностях дер. Фенино и в руслах рек Пехорка и Чичера (рис.8). Был использован комплекс наземных исследований (электроразведка методами ВЭЗ и электропрофилирования) и аквальных - методами русловой геофизики (см.3.1.2.).Наземная электроразведка выполнялась по системе взаимоперпендикулярных профилей, направленных вкрест предполагаемому потоку загрязненных вод со свалки. Задачей ВЭЗ являлось уточнение разреза четвертичных и мезозойских отложений, изучение его геоэлектрических и эколого- гидрогеологических параметров. Целью ЭП - картирование загрязненных лент тока по площади. Задачей русловой геофизики было установление мест разгрузок подземных вод в руслах рек и, в частности, картирование зоны разгрузки свалочного фильтрата в р. Пехорка.

При наземных измерениях использовалась стандартная методика измерений на постоянном токе. ВЭЗ выполнялись симметричной установкой с АВ max до 150 м, ЭП - симметричной двухразносной установкой AA'MNB'B с разносами АВ=50м и А1 В'=15 м и MN=5 м с шагом 10м по профилю. Основной объем наблюдений был сосредоточен в восточной и юго-восточной частях района, ниже по потоку от свалки. На самой свалке электро-разведочные работы не проводились в связи с ее большой насыщенностью металлическими обломками и особенно в связи с ее сильной загазованностью, влияющей на безопасность проведения измерений. Значительные трудности проведения геоэлектрических измерений и их интерпретации (наличием электрических помех от трассы высоковольтной ЛЭП, проходящей севернее свалки и влияние трассы газопровода, расположенной параллельно ЛЭП, влияние трассы водопровода и канализационного коллектора в дер.Фенино), заставили выбраковать ряд материалов, что несколько сузило объем полученной информации. Тем не менее обработка данных электропрофилирования и решение обратных задач ВЭЗ с помощью специальных программ интерпретации, использующих априорную геологическую информацию (данные бурения, фильтрационных испытаний), позволили получить ряд интересных результатов.

Были установлены основные характеристики геоэлектрического разреза в ПЗТБО. Так покровные отложения второй надпойменной террасы имеют удельное электрическое сопротивление 50-65 Омм в сухом и 13-15 Омм - в водонасыщенном состоянии (вблизи ручьев). УЭС песчано-глинистых пород юрско-флювиогляциального водоносного горизонта меняются .довольно сильно под действием литолого-фациальной и фильтрационной неоднородности, а также вследствие загрязненности подземных вод. Средние значения электрических сопротивлений этого горизонта составляют 25 Омм, однако в местах загрязнения подземных вод, например, по ленте тока идущей от свалки через центр дер.Фенино, электрическое сопротивление снижается до 6 Омм (3-й слой геоэлектрического разреза).

Подавляющее число кривых ВЭЗ представлено типами К и Н, типичный геоэлектрический разрез (профиль III - III) представлен на рис.9. При построении этих разрезов использовались разрезы буровых скважин. Обращает на себя внимание общее снижение средних значений УЭС по всем профилям при приближении к техногенным отложениям свалки, что может объясняться ореольным характером загрязнения пород по всему разрезу.

Наиболее значимым методическим выводом выполненных геоэлектрических исследований является установление зон загрязнения в водоносных и разделяющих толщах. Практическая значимость этих работ определяется большой потребностью расчленения разреза и укрупнения масштаба картирования исследуемой территории.

Рис.8. Загрязнение тяжелыми металлами техногенных грунтов свалки почв и донных отложений в районе ПЗТБО "Кучино": 1 - точки отбора проб донных отложений на реках Пехорка и Чичера; 2 - показатели загрязнения донных отложений: в числителе - суммарный показатель загрязнения, в знаменателе - элементы загрязнения с коэффициентами относительно фоновых значений; 3 - зоны загрязнения почв с коэффициентами элементов-загрязнителей относительно фоновых значении; 4 - границы дер.Фенино; 5 - зона отекания свалочного фильтрата в р. Пехорка; б - профили наземных геофизических наблюдений

Особый интерес представляли данные полученные методами "русловой геофизики". Они позволили выявить положение зон сосредоточенных разгрузок загрязненных грунтовых вод в русле р.Пехорка. Им соответствовали аномалии температуры придонных грунтов, пониженные значения сопротивлений придонных слоев воды и положительные аномалии ЕП. Особенно значительными эти аномалии оказались на участке реки вблизи юго-восточной оконечности свалки и против центральной части дер.Фенино. Здесь эти аномалии четко коррелировались с зонами пониженных сопротивлений, выявленными ЭП и трассирующими положение загрязненных лент тока, идущих от свалки. Данные "русловой геофизики" позволили рационально выбрать пункты отбора проб донных отложений для эколого-геохимических анализов.

Выполненные исследования легли в основу проекта эколого-геофизического мониторинга геологической среды в районе Кучинского ПЗТБО. В проекте помимо описанного геофизического комплекса рекомендовалось использовать комплекс ГИС (КС, ПС, ГК; резистивометрия с засолкой для оценки скоростей фильтрации Vф; термометрия для выявления теплового загрязнения) в специально созданной сети наблюдательных скважин. Было указано, что данные ГИС позволят получить информацию о взаимодействии подземных и загрязненных поверхностных и грунтовых вод. Для получения количественных оценок были запроектированы опытные откачки и метод заряженного тела (МЗТ) для определения коэффициента фильтрации (Кф), коэфициента водопроводимости (Тв) и действительной скорости движения подземных вод (Vд). Было указано, что на первом этапе исследований должна проводится геофильтрационная схематизация потоков подземных вод и выполнятся соответствующие расчеты параметров. Кроме того должно выполняться моделирование для оценки экологической значимости геофизических границ и параметров и уточнения размещения геофильтрационной сети.

3.3. Изучение влияния очистных сооружений на загрязнение подземных и поверхностных вод.

Качество подземной воды, идущей на водоснабжение г.Москвы, в существенной степени определяется химическим составом грунтовых вод, разгружающихся в реку. Между тем именно речные террасы р.Москвы, сложенные сравнительно хорошо проницаемыми грунтами, содержат грунтовые воды, легко подвергающиеся загрязнению.

Геофизические и гидрохимические исследования на действующих очистных сооружениях показали, что конструкция сооружений допускает инфильтрацию сточных вод в грунтовую толщу с последующей их разгрузкой в русло реки. Предложенная авторами методика наблюдений может быть использована для рекогносцировочных оценок на других объектах в связи с защитой подземных и поверхностных вод от загрязнения. Источниками подобного загрязнения в окрестностях д.Аниково в Одинцовском районе являются очистные сооружения дома отдыха "Елочка", расположенные на первой террасе р.Москвы. Непосредственным индикатором этого загрязнения могут служить оба колодца в Аникове, вода которых содержит от 80 до 160 мг/л нитратов, повышенные концентрации хлора и других компонентов. Конструкция очистных сооружений примитивна - это три небольших отстойника, обвалованных фильтрующими грунтами и имеющими глубину, равную мощности аллювиальных отложений. Иными словами, сточные воды могут непосредственно проникать и в грунтовый поток, и в артезианский водоносный горизонт карбона, используемый для водоснабжения. Режимные гидрохимические наблюдения, проведенные нами, показали, что в водозаборной скважине расположенного неподалеку пионерлагеря содержание нитратов возросло за 5 лет вдвое.

Поскольку гидрогеологическая ситуация в районе типична для всего Верхнемоскворецкого бассейна и, вероятно, для многих других рек Нечерноземья, авторами решалась задача обоснования и опробования рационального комплекса полевых исследовательских методов обнаружения загрязнения грунтовых вод.

По аналогии с многочисленными, но более полно разведанными участками первой террасы было определено генеральное направление потока грунтовых вод и расположение предположительно "грязной" ленты тока, отходящей от очистных сооружений к Москве-реке. Берег реки был размерен на пикеты шагом 10 м для проведения комплекса "русловой геофизики"; у пикетов N 5, 6, 8, 11, 14 были взяты пробы придонной воды. Анализ этих проб подтвердил наличие разгрузки загрязненных вод (табл.7).

Таблица 7

Химические анализы москворецкой воды в придонном слое

Примечание. М - общая минерализация, мг/л. ОС - очистные сооружения.

Целью геофизических исследований было установление факта утечки сточных вод из бассейнов-отстойников очистных сооружений и поступления их в реку в качестве загрязнителя. Необходимо было определить участки инфильтрации этих вод в дне и в стенках бассейнов и места их разгрузки в русле реки, а также проследить путь переноса их в толще пород на участке от очистных сооружений к реке.

Решение задачи осуществлялось комплексом аквальных "русловая геофизика" и наземных геофизических методов, включающим съемку потенциала естественного электрического поля (метод ЕП), термометрические наблюдения и измерение величины удельного электрического сопротивления воды (резистивиметрия).

Аквальные исследования проводились непосредственно в бассейнахотстойниках очистных сооружений и в русле р.Москвы. Наземные наблюдения методом ЕП были выполнены на участке поймы реки, примыкающем к очистным сооружениям.

При проведении геофизических наблюдений в бассейнах-отстойниках в качестве основного метода была использована детальная съемка потенциала естественного электрического поля (потенциала ЕП). Целью проводимых измерений являлось определение на основании особенностей распределения потенциала ЕП характера поля фильтрации стоков через дно и стенки бассейнов. Термометрические и резистивиметрические наблюдения осуществлялись для определения интегральных величин температуры и удельного электрического сопротивления сточных вод в бассейнах-отстойниках. Наблюдения методом ЕП проводились по равномерной сети наблюдений 5х5 м. Величина потенциала ЕП измерялась относительно потенциала неподвижного электрода (N), помещенного в сливной колодец, расположенный в непосредственной близости от бассейнов и связанный с ними через поток сточных вод.

Наблюдения в русле р.Москвы с целью выявления зон разгрузки подземных вод проводились вдоль профиля протяженностью 200 м, расположенного на участке берега против очистных сооружений, в месте предполагаемого сопряжения "грязной" ленты тока с рекой. Шаг наблюдений вдоль профиля составлял Юме детализацией на отдельных отрезках через 5 м. Измерение потенциала ЕП, температуры донных отложений и удельного электрического сопротивления воды в осуществляли в точках на профиле, расположенных на расстоянии 1-2 м от уреза реки. При этих измерениях подвижный электрод М и резистивиметр погружались на дно реки, а термодатчик внедрялся в донные отложения на глубину 0,2-0,4 м. Неподвижный электрод N располагался также в воде на дне реки в нижней по течению реки части профиля.

Наземные исследования методом ЕП выполнялись на участке поймы между очистными сооружениями и руслом реки. Они имеют своей целью определение особенностей фильтрационного потока в пойменных отложениях и выявление его возможной связи с фильтрующимися из очистных сооружений сточными водами. Методически задача решается проведением наземной съемки потенциала естественного электрического поля (метод ЕП) на участке прямоугольной формы размером 260х60 м, ориентированном вдоль берега реки, по равномерной сети наблюдений 20х20 м. Положение неподвижного электрода N, принимаемого за нуль, было выбрано вблизи очистных сооружений в точке, наиболее удаленной от русла реки. Для измерения потенциала ЕП использовались керамические неполяризующиеся меднокупоросные электроды конструкции ВИРГ, поляризация у которых не превышала 2,5-3,0 мВ.

Результаты исследований представлены на рис.10 в виде карты остаточных аномалий ЕП на участке бассейнов-отстойников очистных сооружений, карты потенциала ЕП для участка, в пределах которого производились наземные работы методом ЕП, и графиков изменения вдоль профиля наблюдения величин потенциала ЕП, температуры донных отложений и удельного электрического сопротивления воды. Величину остаточной аномалии ЕП определяли расчетным путем посредством вычитания из измеренной величины потенциала естественного электрического поля его фонового значения: равного среднеарифмитической величине потенциала ЕП для всего участка бассейнов-отстойников.

Теоретической основой для интерпретации результатов наблюдений методом ЕП служит представление о том, что места утечек и инфильтрации пространственно отображаются отрицательными аномалиями, тогда как участки водопритока и разгрузки - положительными аномалиями потенциала естественного электрического поля [12]. Исходя из этого обширные отрицательные аномалии, занимающие практически все пространство бассейна I и среднюю часть пространства бассейна III, свидетельствуют о наличии утечки сточных вод в этих бассейнах, показывая, что инфильтрация осуществляется как через дно, так и через стенки бассейнов. Вполне вероятно, что часть инфильтрующихся в бассейне I сточных вод разгружается в бассейны II и III, но определенно, что значительная часть инфильтрата движется в сторону реки, являющейся общей дреной в пределах участка проводившихся исследований.

Если обратиться к результатам геофизических наблюдений в реке вблизи уреза воды, то можно сделать следующие заключения. Характер изменения графика потенциала ЕП позволяет говорить о наличии разгрузки подземных вод на участке профиля, пространственно слегка смещенном вниз по течению реки относительно очистных сооружений. На указанном участке профиля прослеживается зона относительного повышения (до 10 мВ) значений величины потенциала естественного поля, что свидетельствует о водопритоке в этом месте. Предположительно можно считать, что указанная аномалия ЕП отмечает место разгрузки в русло реки подземных вод, поступающих из бассейнов очистных сооружений. Аргументом в пользу такого предположения может служить пространственное совпадение аномалии ЕП с аномалиями повышенных значений температуры и пониженных значений удельного электрического сопротивления воды, которые свидетельствуют соответственно о более высокой по сравнению с фоновой температуре и хлоридной минерализации поступающей в область разгрузки воды (табл.7).

Связь между областью инфильтрации сточных вод в дно и стенки бассейнов очистных сооружений и областью разгрузки в русло реки подтверждается также результатами измерений потенциала естественного электрического поля, проведенными на участке поймы между очистными сооружениями и рекой. Конфигурация изолиний потенциала ЕП отображает соединение двух ветвей грунтового потока, одна из которых движется вдоль реки в направлении вниз по течению, а другая, техногенная движется перпендикулярно первому потоку в направлении от очистных сооружений к реке (оба потока показаны на рис.10 стрелками). Количественно сопоставить интенсивность обоих потоков не представляется возможным, использованные геофизические методы не позволяют делать количественные выводы. Однако то обстоятельство, что в месте разгрузки в реке вода имеет более высокую температуру и повышенную минерализацию (меньшее по сравнению с фоновым значением удельное электрическое сопротивление), свидетельствует о достаточном расходе подземного потока в ленте тока от очистных сооружений к реке (рис.11).

Таким образом, проведенные комплексные геофизические и гидрогеологические исследования на очистных сооружениях показали, что конструкция очистных сооружений допускает инфильтрацию сточных вод в дно и стенки бассейнов-отстойников с последующей разгрузкой этих вод в русло реки.

Рис.10. Плановая схема загрязненного потока грунтовых вод: значения потенциалов естественного электрического поля на дне отстойников: 1. -отрицательные; 2 - положительные; 3 - эквипотенциали естественного поля; 4 - предполагаемое направление потока грунтовых вод; 5 - линии максимального градиента естественного поля; 6 - содержание хлор-иона (мг/л) в придонном слое речной воды; 7 - линия разреза

Рис.11. Гидрогеологический разрез: 1 - суглинки; 2 - пески разнозернистые; 3 - глинистый осадок в отстойнике; 4 - известняки трещиноватые; 5 - слабопроницаемый древний элювий; 6 - направление фильтрации загрязненных вод; 7 - уровень грунтовых вод; 8 -пьезометрическая поверхность вод каменноугольного водоносного горизонта в межень; 9 - места отбора проб придонной воды

Грунтовый поток от очистных сооружений к реке характеризуется высокой интенсивностью, достаточной для нарушения естественного гидродинамического и гидрохимического режима фильтрации. Воды, разгружающиеся в русло реки, имеют более высокую по сравнению с фоновыми значениями температуру и минерализацию, что подтверждает их техногенное происхождение и дает основание говорить об очистных сооружениях как об источнике значительного загрязнения как подземных, так и речных вод.

3.4. Изучение рекреационных зон: усадьба Остафьево.

Усадьба Остафьево - один из наиболее значительных исторических памятников Подмосковья. Владельцами усадьбы были четыре поколения князей Вяземских. Ее недаром называли "русским Парнасом". Здесь Н.М.Карамзин создал "Историю государства Российского", сюда приезжали А.С.Пушкин, В.А.Жуковский, Н.В.Гоголь, Е.А. Баратынский, К. Н.Батюшков...До революции в усадьбе бережно сохранялись многочисленные реликвии, документы,рукописи, произведения изобразительного искусства. Сейчас здесь возрождается музей. Перед реставраторами стоят задачи, связанные с восстановлением парка, архитектурных сооружений, благоустройством Большого пруда, а также с оценкой техногенного воздействия окружающих усадьбу сельскохозяйственных и промышленных объектов на состояние природной среды.

В 1990-1991 гг. авторами были проведены комплексные геофизические исследования с целью детального изучения эколого-гидрогеологической обстановки, выявления участков загрязнения грунтовых вод и акватории Большого пруда, обследования технического состояния старинных земляных плотин, уточнения местоположения ряда наземных и подземных объектов на территории усадьбы. Проводились наземные и аквальные исследования, особенности их методики и результаты рассматриваются ниже.

3.4.1. Исследования на акватории Большого пруда.

Задачей аквальных исследований являлось изучение условий залегания и определение температуры верхней части донных отложений, оценка загрязнения прибрежных участков акватории пруда, картирование зон разгрузки поверхностных и грунтовых вод. В комплекс геофизических методов входили водные вертикальные электрические зондирования (ВВЭЗ), термометрия донных грунтов (Т), резистивиметрия придонных слоев воды (РзМ), водная съемка потенциала естественного электрического поля (ЕП) (см.п.3.3).

Расчленение верхней части донных отложений осуществлялось с помощью ВВЭЗ. Применялась специальная плавающая коса с максимальными полуразносами симметричной установки (АВ/2==15 м). Коса транспортировалась по поверхности пруда вдоль береговой линии в 15-20 м от уреза воды. Расстояние между точками ВВЭЗ составляло 15 м. Изучение температуры донных грунтов (Т), резистивиметрические наблюдения и съемка потенциала ЕП для выявления зон разгрузок подземных и поверхностных вод проводились в акватории по одним и тем же пикетам вдоль профиля, проходящего параллельно береговой линии. Шаг менялся в зависимости от необходимой детальности от 10 до 20 м. При обработке полученных данных выполнялась фильтрация наблюденных полей для выделения региональных и локальных составляющих. Расчет функции комплексного показателя, позволял достоверно выделять комплексные аномалии. Обработка ВВЭЗ осуществлялась с использованием программ решения обратных задач электроразведки на ПЭВМ.

Наиболее полную информацию об эколого-гидрогеологической обстановке в пределах акватории Большого пруда дает совместный анализ комплекса аквальных методов. На рис.12 приводится сводная карта геофизических аномалий, показывающая распределения температурного поля и минерализации придонных слоев воды, обусловленных как природными, так и техногенными факторами. Вдоль юго-западного берега пруда придонные слои воды имеют в целом большую минерализацию, а грунты более высокую температуру, чем у противоположного берега. Эта закономерность связана с разгрузкой теплых загрязненных поверхностных и грунтовых вод и подтверждается положительным трендом потенциала ЕП. Структура разгрузки хорошо описывается локальными относительно своих трендов аномалиями ЕП, РзМ и Т. Местоположение отдельных участков тепловых загрязненных вод (лент тока) хорошо коррелируется с зонами повышенных значений поперечного электрического сопротивления, установленными на территории усадьбы по данным наземных геоэлектрических исследований. Представляет интерес повышение минерализации воды и уменьшение температуры придонных грунтов по берегам пруда в его восточной части (вблизи устья р. Любуча). Особенно заметно постепенное понижение температуры (до 10 - 12С°) и повышение минерализации воды вдоль северо-восточного берега. По всей вероятности это связано с разгрузкой холодных слабо минерализованных подземных вод в ослабленной зоне, проходящей вдоль русла р.Любочи. На существование такой зоны указывают результаты ВВЭЗ, фиксирующие резкую смену разреза: низкоомные (до 7 Омм) донные отложения у юго-западного берега сменяются более высокоомными (до 48 Омм) песчанистыми отложениями.

3.4.2. Исследование территории усадьбы.

Задачей исследования являлось картирование фундаментов парковых сооружений и ряда подземных объектов. В частности, определялись плановое положение и форма засыпанного пруда в центральной части усадьбы и картировались подземные сооружения и ходы, предполагаемые в непосредственной близости от главного дома.

Выполнялись малоглубинные геоэлектрические исследования комплексом методов: ВЭЗ, микроВЭЗ, СЭП и ЕП. При выборе комплекса авторы руководствовались априорными сведениями о значительной дифференциации электрических свойств пород верхней части разреза и техногенных грунтов, заполняющих ложе засыпанного пруда и объемы подземных сооружений. Предполагалось также, что неглубоко залегающие объекты могут исказить форму естественного фильтрационного потока, и это приведет к возникновению заметных аномалий естественного поля (ЕП).

При проведении ВЭЗ использовалась симметричная установка с максимальными разносами АВ==100 м. МикроВЭЗ выполнялись установкой с АВ <20 м и густой сетью разносов питающих электродов, позволяющей детально изучать строение верхней части разреза. Размер установки электропрофилирования (АВ=8 м, MN=1 м) был выбран по данным микроВЭЗ на подземных объектах. Профили наблюдений задавались вкрест предполагаемому простиранию объектов, расстояние между ними менялось от 2 до 5 м. Шаг наблюдений по профилю составлял 1,5-2 м, а на аномальных участках 0,5 м. Расстояние между профилями исследований составляло 5-10 м, шаг наблюдений 1-5 м.

Рис.12. План-карта геофизических аномалий на акватории Большого пруда: 1 - локальные положительные аномалии ЕП; 2, 3 - локальные аномалии температуры (2 - положительные, 3 - отрицательные); 4, 5 -локальные аномалии минерализации (4 - пониженная, 5 - повышенная); 6 - точки ВЭЗ на плотине и их номера; I - здание музея; II - подземный объект "Грог"

В результате были построены геоэлектрические разрезы, графики и карты и потенциала ЕП, отражающие плановое положение и форму изучаемых объектов, выявлены особенности естественного залегания вмещающих песчано-глинистых пород и техногенных загрязнений. Так, по данным интерпретации микроВЭЗ и ЭП было установлено, что мощность техногенных грунтов, которыми засыпан старый пруд, составляет 3 м, дно пруда сложено глинами с удельным электрическим сопротивлением 8-14 Омм; форма пруда в плане вытянутая, прямолинейная с закругленными углами. В северной части пруда четко выделяется высокоомная аномалия (40-50 Омм), вытянутая в сторону Большого пруда и связанная, по-видимому, с каменной обсадкой слива.

На берегу Большого пруда зафиксирован подземный объект, предположительно идентифицируемый как разрушенный и засыпанный в начале века грот (рис.12). Его местоположение отмечается цепочкой локальных аномалий повышенного (до 35 Омм) и пониженного (до 23 Омм) сопротивлений, которая вытягивается перпендикулярно берегу Большого пруда. Чередование аномалий различного электрического сопротивления может быть связано со степенью сохранности сооружений. Общий фон сопротивлений не превышает 20-25 Омм, что соответствует вмещающим песчано-глинистым отложениям (рис.13). В южной и юго-восточной частях участка, практически на берегу Большого пруда, выделяется серия локальных аномалий со значениями <35 Омм. Наибольший интерес представляет аномалия в центре планшета, состоящая из двух зон, вытянутых с севера на юг с < 35 Омм и зоной несколько пониженных сопротивлений (< 22 Омм), расположенной между ними. Размеры выделенного объекта примерно 4х5 м. Можно предположить, что зоны повышенных значений сопротивлений приурочены к каменной кладке подземного сооружения или к фундаменту какой-то разрушенной парковой постройки.

На карте потенциала ЕП на фоне плавного изменения поля можно видеть локальные аномалии, местоположение, форма и интенсивность которых связаны с местоположением аномалий, выделенных методом сопротивлений. Так на участке предполагаемой каменной кладки в центре планшета имеет место вытянутая в юго-восточном направлении аномалия ЕП, достигающая +20 мВ. Наиболее интенсивная аномалия, достигающая +30 : +40 мВ, отмечается непосредственно над разрушенным гротом. По-видимому, интенсивность этой аномалии связана с разгрузкой грунтовых вод и повышенной увлажненностью грунтов вблизи разрушенного грота, который может играть роль своеобразной местной дрены.

3.4.3. Исследование на земляных плотинах.

Исследование на земляных плотинах Большого пруда имело целью получение данных об особенностях их конструкции, степени однородности и проницаемости, а также о характере фронтальной и обходной фильтрации. По гребню центральной плотины выполнялись электрические зондирования, по ее низовому откосу и вдоль гребня восточной плотины проводилась съемка потенциала ЕП. По данным обработки полевой информации были построены геоэлектрический разрез, карты и графики потенциала ЕП. Геоэлектрический разрез центральной плотины позволил установить, что ее тело разделяется на два слоя: верхний, имеющий сопротивление от 80 до 120 Омм и мощность от 1,5 до 2,2 м, соответствует сухим, а нижний с сопротивлением 7 - 11 Омм -водонасыщенным глинистым грунтам. Граница между слоями имеет небольшой наклон и в южной части плотины залегает несколько глубже.

Рис.13. Карты электропрофилирования (АВ=8 м, MN=1 м) и потенциала ЕП на подземном объекте "Грот": 1 - изолинии потенциала ЕП (в мВ); 2 -изолинии рк (в Омм); 3 - профили ЕП и электропрофилирования

Рис.14. Карта потенциала ЕП на нижнем клине центральной плотины: 1 -изолинии потенциала ЕП (в мВ); 2 - точки ВЭЗ и их номера. Цифры со стрелкой: 1 -= южное примыкание плотины; 2 - водовыпуск; 3 - северное примыкание плотины. N - нулевой электрод.

Особый интерес представляет карта потенциала ЕП на низовом откосе центральной плотины (рис.14). Конфигурация изолиний ЕП отражает как неоднородность грунтовой отсыпки, так и особенности растекания . фильтрационного потока, проходящего через тело плотины [12], в частности, можно видеть, что помимо фронтальной фильтрации в ее центральной части имеет место обходная в береговых примыканиях.

Наиболее интенсивная фильтрация с аномальными значениями потенциала (-73 - 78 мВ) имеет место в южном примыкании. Аномалия в северном примыкании, возможно, связана с некоторой конструктивной деталью сооружения. Интересно, что характер поля ЕП на восточной плотине подтверждает общность конструктивных элементов обоих плотин. Полученные данные указывают на целесообразность проведения режимных наблюдений (геофизического мониторинга плотин) для получения объективных сведений об изменении состояния сооружений во времени и необходимости их ремонта или переоборудования.

Выполненные исследования показали эффективность комплекса малоглубинных наземных и аквальных геофизических исследований для решения экологогидрогелогических, гидротехнических, историко-археологических и архитектурных задач на территории музея-заповедника. В результате работ было изучено строение придонных отложений большого пруда, выявлены зоны разгрузок подземных вод различной минерализации и температуры, отмечены участки техногенного загрязнения поверхностных вод. Получены сведения об особенностях конструкции центральной плотины, форме фильтрационного потока, проходящего через ее тело. Высказано предположение об идентичности конструктивных элементов центральной и восточной плотин. Была установлена первоначальная форма и глубина засыпанного пруда, оценена водопроницаемость его основания, доказано существование водослива. Определены пространственное положение и форма ряда разрушенных объектов парковой архитектуры. При передаче материалов исследований дирекции музея-заповедника авторы сделали вывод о том, что для слежения за изменением геоэкологических условий заповедника необходимо проведение режимных геофизических наблюдений в акватории Большого пруда и на насыпных плотинах. Для выявления детализации погребенных исторических памятников следует провести дополнительные площадные работы.

3.5. Изучение техногенных геологических процессов на территории г.Москвы.

Интенсивная хозяйственная деятельность на территории города и, в частности, нерегулируемая откачка подземных вод, инженерное планирование, застройка и асфальтирование значительных площадей, подземное строительство, прокладка коммуникаций, эксплуатация транспортных сетей и другие виды воздействий вызывают развитие неблагоприятных антропогенных геологических процессов. К ним относятся подтопление территории, образование просадок и провалов грунтов, развитие суффозионных процессов, техногенный литогенез и др.

Авторы в течении ряда лет изучали особенности развития техногенных геологических процессов на северо-западе г.Москвы. При этом изучались как сами процессы (карстово-суффозионные, провалы и просадки, техногенный литогенез), так и некоторые источники воздействия. Ниже рассматриваются результаты геофизических исследований, полученные при изучении провальных явлений и подземных коммуникаций, как источников техногенного воздействия на геологическую среду.

3.5.1. Изучение просадочно-провальных явлений.

Развитие провальных явлений на северо-западе г.Москвы и, в особенности на территории Хорошевского района, поставило перед градостроителями и муниципальными службами города ряд важных задач. Требовалось установить местоположение и пространственные параметры провалов, оценить интенсивность процессов, установить причины их возникновения и дать прогноз их развития на отдельных участках территории. Столь сложные и разнообразные геологические задачи потребовали привлечения широкого комплекса геологических, инженерно-геологических и геофизических исследований. Авторы, в частности, проводили пространственное картирование провалов и выявляли причины их образования с помощью детальных наземных наблюдений методами электроразведки в сочетании с высокоточной гравиметрической съемкой. Кроме того осуществлялась комплексная переинтерпретация площадных геолого-геофизических данных с использованием методов интегрированного анализа.

Полевые геофизические исследования провальных процессов выполнялись на Карамышевской набережной и на ул.Верхние Мневники (Хорошевский район). Здесь в конце 70х - начале 80х гг. были отмечены просадки грунтов, которые привели к значительным деформациям сооружений (трещины вдоль стен многоэтажных зданий, разрывы подземных коммуникаций и др.). Для выявления причин интенсификации и картирования просадочных явлений авторами проводились малоглубинные исследования: электропрофилирование (АВ=15м, MN=4M, шаг 4м) и зондирования (ВЭЗ) с максимальными разносами АВ/2=25м. Наблюдения осуществлялись по детальной сети профилей, по которым С.С.Азаровым (НПО "Нефтегеофизика") была осуществлена высокоточная гравиметрическая съемка масштаба 1:200.

Совместная интерпретация данных электроразведки *и гравиразведки позволила изучить особенности строения верхней части разреза и выявить зону развития провальных процессов. Так на одном из участков Карамышевской набережной (д.60-62), где верхняя часть разреза представлена примерно 10 метровой толщей разнозернистого сухого песка с сопротивлением примерно 300-400 Омм, была отмечена зона пониженных сопротивлений (меньше 100 Омм). По данным высокоточной гравиметрии в пределах этой зоны значения g уменьшаются от 1120 мкГал до 1080-1060 мкГал. Именно в пределах этой аномально разуплотненной и, вероятно, водонасыщенной зоны возле дома N62 образовалась провальная воронка, имеющая около 10 метров в диаметре.

Зона пониженных значений к и g распространяется от дома 62 на территорию детского сада. Конфигурация аномалий к и g позволяет предположить, что воронка образовалась на территории засыпанного оврага и связана с процессами консолидации техногенных грунтов.

В связи с тем, что данную территорию предполагалось использовать для строительства многоэтажных домов было рекомендовано проведение детальных инженерно-геологических исследований, уточняющих полученную геофизиками информацию. Аналогичные работы были выполнены в районе домов 12-14 по ул. Верхние Мневники. Примером изучения просадочно-провальных явлений с помощью комплексной переинтерпретации площадных геолого-геофизических данных, могут служить исследования территории ТЭЦ-16. Здесь интенсивность просадочно-провальных процессов тесно связана с особенностями пространственного техногенного воздействия: утечки из тепловых сетей, работа градирен, вибрация и др. Для прогноза устойчивости сооружений ТЭЦ-16 было необходимо оценить изменение сохранности карбонатных пород и динамики подземных вод, способствующих активизации карстово-суффозионных и связанных с ними просадочных процессов. Для решения этой задачи был выполнен комплексный анализ геолого-геофизических данных. При этом в качестве исходной информации использовались карты абсолютных отметок кровли карбонатных пород (carb), карта электрических сопротивлений карбонатных пород (sopr), составленная по данным ГИС, карта уровня грунтовых вод (gidr) и гидродинамичесая карта (pese). На рис.15 приводятся результаты кластерного анализа всех используемых параметров. Можно видеть, что наибольшее распространение имеют кластеры 3 и 6, которые характеризуют поднятие карбонатных пород и их сильную разрушенность. Максимальные значения гидродинамических параметров на этом участке подчеркивают опасность активизации карстово-суффозионных процессов. На юге участка выделяется дугообразная зона чередования кластеров 0,5,1 и 2. Эта зона характеризуется значительной изменчивостью гидродинамических свойств и различной сохранностью карбонатных пород. Она пространственно связана с ограничением кольцевой структуры, проявленной в осадочном чехле и отмеченной по данным дешифрирования дистанционных материалов. Поскольку почти все градирни ТЭЦ-16 оказались в пределах выявленной зоны, авторы рекомендовали проведение режимных геолого-геофизических наблюдений для оценки и прогноза безопасности функционирования сооружений ТЭЦ.

3.5.2. Влияние подземных коммуникаций на развитие техногенных геологических процессов

Прокладка подземных коммуникаций и их эксплуатация существенно изменяет геоэкологические условия урбанизированных территорий. Подземные объекты влияют на особенности залегания верхних горизонтов подземных вод, напряженное состояние вмещающих пород. При авариях на теплотрассах возможно подтопление и загрязнение ВЧР и прилегающей территории. Подземные коммуникации могут служить объектом поисков, если на данном участке за давностью лет потеряны планы их прокладки, кроме того, они создают помехи при проведении полевых электроразведочных исследований.

По данным Мосгоргеотреста в Хорошевском районе, трубы газопровода и водопровода имеют радиусы 75-95 мм, радиус труб теплотрассы составляет 0,25-0,5 м, а глубина заложения от поверхности земли варьирует от 1 до 2 м. В районах новой застройки коммуникации находятся внутри бетонного коллектора шириной 2,55 м, высотой 1,25 м, толщиной стенок 12,5 см. Следует отметить, что при реконструкции подземных коммуникаций они могут размещаться в бетонных коллекторах большего размера (6х6 м).

В связи с тем, что никаких сведений об удельных электрических сопротивлениях (УЭС) этих объектов не существует, нами были проведены измерения на трубах теплосети, а также на бетонных коллекторах. Применялась установка Веннера АВ=33 см. Для уменьшения переходного сопротивления заземлений использовались войлочные электроды, пропитанные раствором медного купороса. Было проведен? 85 измерений, обработка которых показала, что средние значения УЭС составляют для бетонного коллектора ср= 144 Омм, а для труб теплосети ср=4,1 Омм. Трубы теплосети подвержены сильной коррозии, поэтому после 20-30 лет эксплуатации УЭС старых труб не превышает 2,5 Омм. Система старой теплосети на некоторых улицах Хорошевского района представляет собой сочетание двух труб, расстояние между которыми 25 см.

Рис 15 Результаты детального геолого-геофизического районирования территории ТЭЦ-16; а) кластерная карта сохранности о обводненности верхней части разреза на территории ТЭЦ-16; б) графики нормированных средних значений параметров (Р*) в кластерах. 1 - номер кластера, 2 -ослабленные зоны, 3 - градирни.

Для того, чтобы оценить возможности электроразведочных исследований при изучении подземных коммуникаций были выполнены как натурные наблюдения над известными объектами на ул.Тухачевского, так и лабораторные исследования (физическое и математическое моделирование).

Физическое моделирование выполнено в баке с размером 2х2х1,5 м. заполненном водой и покрытом изнутри кафельной плиткой. Измерения проводились 4-х электродной установкой, смонтированной на пенопласте; использовались cтальные электроды d=3 мм; разносы АВ/2=3; 5; 7; 9; 12,5; 15; 204 25 cm; MN/2=1 см. Подземная коммуникация имитировалась стальным стержнем с латунным покрытием, его длина 75 см, диаметр 1,9 см, 10 Омм. Для того чтобы приблизить модель коммуникации к реальным условиям, иммитируя изоляционное покрытие коммуникаций, стержень полностью или частично обматывался изолентой. Варианты экспериментов следующие: центр установки ВЭЗ расположен над коммуникацией и разносы АВ вдоль нее; центр установки ВЭЗ смещен от коммуникации на 1; 2,5 и 10 см (разносы АВ параллельны коммуникации); установка АВ располагалась перпендикулярно коммуникации, причем над ней последовательно располагались центр установки ВЭЗ и один из питающих электродов.

По результатам моделирования построены графики рк/ p нopм.пoля= f(AB/2), где p норм.поля - кривая ВЭЗ, полученная в баке с водой без коммуникаций. Центр ВЭЗ находился над осью коммуникации и был смещен от нее, последовательно, на расстояния 1; 5; 10 и 15 см, глубина погружения верхней кромки коммуникации от дневной поверхности 2 см (рис.16). На графиках видно, что наибольшее искажающее влияние коммуникация оказывает, когда установка ВЭЗ расположена непосредственно над осью (рис.16, кривая 1). Влияние коммуникации зависит от направления разносов питающих электродов АВ: оно максимально при расположении установки параллельно оси коммуникации и минимально при ее перпендикулярном положении, причем в обоих случаях центр установки находится над осью коммуникации, изменяется только направление разносов.

Математическое моделирование выполнялось для двухмерных моделей в случае точечного источника. Были построены следующие модели: 1) коммуникация шириной 2 м, высотой 1 м, глубина залегания верхней кромки 1 и 1,5 м; 2) те же параметры коммуникации, но центр зондирования удален от коммуникации на 2 м. Из полученных теоретических кривых видно, что при зондировании над осью коммуникации искажение наибольшее, а при размещении установки в 2-3 м от оси коммуникации аномальный эффект уменьшается до 10-20%. При расчетах теоретических кривых для создания моделей были использованы данные измерений УЭС, выполненные непосредственно на городских коммуникациях.

На основании данных математического и физического моделирования, а также результатов натурных наблюдений можно прийти к выводу, что геофизические наблюдения позволяют не только обнаружить местоположение подземных коммуникаций, в какой-то мере оценить степень коррозионных процессов, но и определить их влияние на окружающую среду.

3.6. Мониторинг геофизических полей при изучении техногенных процессов в русле Москвы-реки.

Москва-река является важнейшей водной артерией Московского региона. Пересекая всю его территорию от периферии и лесопарковой зоны до промышленных районов и центра, Москва-река и ее притоки оказывают сущест венное воздействие на протекание естественных геологических процессов, а в условиях интенсивного воздействия города служат источниками развития неблагоприятных техногенных явлений и-своеобразным базисом загрязнения.

Рис.16. Результаты физического моделирования: 1 - кривая ВЭЗ для L/h = 0/2; 2 - кривая вэз для L/h = 1/2; 3 - кривая ВЭЗ для L/h - 5/2, 10/2 15/2 где L - расстояние центра установки от коммуникации, h - глубина погружения верхней кромки коммуникации, АВ II коммуникации

При решении инженерно-геологических и геоэкологических задач роль Москвы-реки и притоков чрезвычайно велика и своеобразна. Во-первых, существует тесная взаимосвязь геологических структур, процессов и явлений в ложе реки с геологическими структурами, процессами и явлениями на всей прилегающей к долине территории в целом. Во-вторых, река - динамичный объект, изменяющийся во времени и пространстве и реагирующий на геологические и техногенные процессы, протекающие в данном регионе. К ним относятся сезонные колебания инженерно-геологических параметров разреза, активизация карстово-суффозионных процессов, колебания уровня грунтовых вод и некоторые другие. В-третьих, строение речной долины является следствием тектонической деятельности и индикатором современных движений.

В условиях тесной городской застройки и густой сети коммуникаций акватория оказывается наиболее пригодной для проведения детальных трехмерных наблюдений, размещения разного рода приборов и аппаратов. Несмотря на относительно небольшую ширину реки, с учетом разветвлений и меандров речная долина пересекает город с северо-запада на юго-восток довольно широкой полосой в 5-8 км, что делает аквальную информацию достаточно представительной.

Проведение эколого-геофизических исследований на реке позволяет решать следующие задачи: изучать геологический разрез вдоль русла до глубин 100-200 м, картировать аллювиальные отложения, изучать динамику накопления русловых наносов, выявлять места разгрузок подземных и утечек поверхностных вод (гидрогеологических "окон"), картировать ослабленные неотектонические зоны, определять степень техногенного загрязнения осадков.

Режимные геофизические исследования в акватории р.Москвы проводятся с конца 70-х годов. Аппаратура, методика и техника проведения работ созданы на кафедре сейсмометрии и геоакустики Геологического факультета МГУ (А.В.Калинин, В.В.Калинин, М.Л.Владов, А.А.Мусатов и др.). Полный комплекс применяемых на р.Москве исследований включает непрерывное сейсмическое профилирование (НСП), непрерывные электрические зондирования (НЭЗ) в модификациях дипольного осевого зондирования (ДОЗ) или вертикального электрического зондирования (ВЭЗ), измерение трех компонент градиента естественного электрического поля (ЕП), резистивиметрии (R) и термометрии (Т) водной толщи. Работы проводятся с одного движущегося судна одновременно всеми геофизическими методами. Аппаратура и методика, применяемые при аквальных исследованиях подробно описаны в целом ряде публикаций [7,8,12]. Сокращенный комплекс методов, применяемый при режимных многолетних наблюдениях включает: непрерывное сейсмическое профилирование (НСП) и измерение трех компонент градиента потенциала естественного электрического поля (ЕЭП).

Для возбуждения сейсмических волн при работах методом НСП используется электроискровой источник упругих волн. Приемное устройство использует систему пьезоэлектрических датчиков общим количеством до 25 штук. Набортный регистрирующий комплекс представляет собой персональный компьютер IBM-PC/AT, оснащенный контролером сбора сейсмоакустических данных. Он осуществляет измерение (усиление, фильтрацию, преобразование в цифровой код) аналового сигнала с приемной сейсмической косы и передачу цифровых данных в персональный компьютер по каналу прямого доступа к памяти.

Информационный канал сбора данных о состоянии естественного электрического поля на акватории располагается на борту движущегося судна и включает систему неполяризующихся электродов, расположенных в водной среде, измеряющих величину нескольких компонент вектора градиента потенциала естественного электрического поля, и регистрирующий комплекс на базе персонального компьютера IBM PC/XT. Опрос датчиков производится каждые две секунды. Таким образом, при скорости движения судна 4-7 км/ч достигается средняя детальность - 300 точек измерений на один километр профиля.

В связи с тем, что на акватории р.Москвы практически не проводилось бурение, особый интерес представляет совместная интерпретация данных сейсмических и электрических исследований. В качестве априорной информации при интерпретации НЭЗ использовались данные эхолотирования и резистивометрии (мощность и удельное электрическое сопротивление толщи воды), а также результаты НСП, позволившие оценить глубину залегания кровли карбонатных пород. По результатам интерпретации авторы впервые построили геоэлектрический разрез вдоль Москва-реки от Краснопресненского моста до Алексеевского моста в масштабе 1:50 000 (рис.17).

На разрезе четко выделяется надкарбонатная песчано-глинистая толща и верхняя часть карбонатных отложений, приуроченная к коре выветривания. Глубина воды в р.Москве меняется от 2,5 м до 7 м, средняя глубина воды на форваторе реки равна 5 м. Уровень поверхности воды в черте города находится на отметке 125,8 м. Кровля карбонатных пород вдоль русла реки поднимается до 115-110 м южнее Бородинского моста и на участке между Устьинским и Краснохолмским мостами. Наиболее значительный врез в кровле известняков от 80 до 65 м отмечается между Краснолужским и Крымским мостами и в районе Алексеевского моста. Здесь же происходит увеличение мощности юрских глин. Между Дорогомиловским и Бородинским мостами, а также Большим Каменным и Новоспасскими мостами юрские глины отсутствуют и образуются значительные по протяженности области развития гидрогеологических "окон".

Изучение режима естественного электрического поля проводилось на участке акватории р.Москвы в центральной части города от шлюза N9 до Южного порта, как наиболее представительном по типам процессов, происходящих в русле. Обработка данных естественного поля заключалась в разбраковке измерений, привязке данных к топографической основе, пересчету значений , градиента поля в потенциал, определению знака и величины потенциала и построению полей векторов градиента потенциала. Направление векторов градиента потенциала указывает на местоположение зон активации гидрогеологических процессов, а знак потенциала говорит о характере этих процессов. Так, утечка воды из русла реки сопровождается образованием зон отрицательных значений потенциала, наличие водопритоков отмечается положительными аномалиями потенциала ЕП.

Анализ результатов показывает, что естественное электрическое поле в акватории р.Москвы характеризуется сложным распределением аномалий градиента потенциала ЕП различной интенсивности и протяженности. По особенностям пространственной структуры изучаемую акваторию можно разделить на три основные зоны: северо-западную, центральную и юго-восточную. Границы зон можно условно провести по Бородинскому и Устьинскому мостам.

Аномальные зоны отрицательных значений потенциала наибольшей протяженности до полутора километров наблюдаются в юго-западной части акватории. Они приурочены к местам пересечения руслом древних доледниковых и доюрских долин, выполненных проницаемым терригенным материалом, по которому идут интенсивные утечки из русла. Локальные отрицательные аномалии протяженностью 150-400 м приурочены к ослабленным тектоническим зонам и нарушениям сплошности регионального водоупора - горизонта юрских глин.

Положительные аномалии потенциала ЕП часто приурочены к местам разгрузки поверхностных вод и впадению рек и ручьев. На эту достаточно пеструю картину накладывается мощный фон техногенных аномалий, связанных с наличием разнообразных подводных коммуникаций (дюкеров, подводных переходов, электромагистралей, линий связи), стоком вод уличной канализации и сбросом отработанных вод с предприятий.

Режимные наблюдения за изменением поля ЕП позволяют получить сведения о развитии процессов водообмена, оценивать их интенсивность, отмечать возникновение новых аномальных зон.

Одним из примеров активизации утечки воды и з русла может служить аномальная зона, расположенная в интервале между Большим Каменным и Крымским мостами (рис.18). На протяжении последних восьми лет в этом районе интенсивно развивается отрицательная постоянно увеличивающаяся в размерах аномалия ЕП. Привлечение данных геолого-геофизического моделирования (см.2.3.3.) позволяет отождествить эту аномалию с местоположением современного тектонического нарушения. Активизация разлома произошла, по-видимому, в 1982 г., когда нарушилась сплошность регионального водоупора и, как следствие, начала развиваться интенсивная утечка из реки.

Другой пример активизации процессов утечки, сопровождаемых .образованием отрицательных потенциалов ЕП, отмечен в районе Новоспасского моста. Локальные аномалии ЕП, наблюдавшиеся в 1979-1980 гг., постепенно увеличивались и образовали (наблюдения 1989 г.) мощную интенсивную зону длиной 1300 м.

Нарушение человеком гидрогеологического режима реки, драгирование береговой зоны, сброс сточных вод предприятий приводит к ежегодному увеличению амплитуд аномалий естественного электрического поля, что может быть документальным свидетельством наличия техногенного воздействия и его интенсивности.

Характеризуя в целом гидрологический режим реки в центральной части города, можно указать на следующие закономерности. Активизация утечек началась в 1982 г. и продолжается в настоящее время. Причиной являются современные тектонические процессы, карст, а также интенсивное воздействие человека на геологическую среду (водозабор, драгирование и т.д.). В последние десять лет наблюдается увеличение техногенного прессинга - сброс отработанных вод, прокладывание подводных коммуникаций.

Экологическое состояние акватории р.Москвы детально изучалось в районах жилой застройки Марьино, Братеево, Капотня и др. Было показано, что наиболее опасными могут считаться участки акватории в районах Капотня и Братеево. Здесь сильно изрезан рельеф дна: перепады глубин составляют от 4 до 7 метров, что не характерно для равнинных рек со спокойным течением. Отрицательные формы рельефа заполнены осадками, имеющими аномальные акустические свойства - скорость распространения сейсмических волн близкую к 1500 м/с и аномальный коэффициент поглощения. Эти данные позволяют предположить скопление жидких илоподобных осадков, вероятно, органической природы. По результатам съемки ЕП здесь фиксируется протяженная положительная аномалия, приуроченная к левому берегу реки. Она показывает, что на протяжении полутора километров происходит русловая разгрузка вод, сильно обогащенных ионами солей.

Рис.18. Пример интенсивного развития процесса утечки воды из русла р. Москвы по данным: а - 1979 г.; в - 1989 г.; г - 1990г. (1 - продольная, 2 -поперечная компонента вектора градиента ЕП (данные о поперечной компоненте за 1982 г. отсутствуют)

По всей видимости, под воздействием природных и техногенных факторов произошло нарушение сплошности противофильтрационной защиты Люблинских полей фильтрации. В результате в реку вместе с грунтовыми водами поступают сбрасываемые в отстойники отходы московской канализации. Одновременно происходит отложение наиболее тяжелых фракций в пониженных частях рельефа на дне реки.

Особый интерес представляет сопоставление данных аквальных наблюдений с результатами интегрированного анализа дистанционной и геолого-геофизической информации масштаба 1:50 000. На полученных схемах были выделены ослабленные неотектонические зоны. Наиболее интересными из них являются нарушения северо-восточного направления, проходящие через центр города параллельно излучинам Москва-реки, частично, р.Яузы. Заверкой выделенных зон являются данные режимных аквальных наблюдений в русле реки Москвы. Они позволили установить, что вдоль указанных зон наблюдаются интенсивные аномалии естественных полей. Аномальные участки в русле реки соответствуют на берегах отрезкам набережных от здания Президиума РАН до Нескучного Сада и от Дома Правительства РФ до Дома Международной торговли. Интенсификация выделенных аномалий естественного поля, наблюдающаяся в течении 14 лет позволяет сделать вывод, что приуроченные к ним тектонические зоны являются активными и экологически опасными.

Выполненные исследования показали перспективность режимных наблюдений ЕП в пределах акватории р.Москвы для решения задач геоэкологии и рационального природопользования. Имеющийся опыт работ позволяет наметить дальнейшие шаги в развитии аквального геофизического мониторинга:

расширение комплекса режимных наблюдений, расчет количественных параметров, проведение комплексного экологического анализа получаемой информации, создание локальных и региональных банков данных.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Опыт эколого-геофизических исследований геологической среды Московского региона позволяет сделать ряд практических и методологических выводов, важных при изучении любых урбанизированных территорий. Прежде всего становится очевидным, что достаточно полное их обследование может быть осуществлено только на основе системного подхода к изучаемым объектам. При этом должны применяться различные масштабы исследования, разнообразные геологические, геофизические и геохимические методы и технологии, эффективные способы комплексной обработки и интерпретации получаемых данных.

Место геофизических методов в изучении сложных геосистем определяется, с одной стороны, разнообразием взаимосвязей между геологическими и геофизическими параметрами, что позволяет характеризовать различные по своей природе элементы геосистемы, и, с другой стороны, разнообразием геофизических технологий (от дистанционных до скважинных), дающих возможность исследовать различные иерархические уровни геосистемы и выявлять особенности ее структуры. Особенно эффективно применение геофизических методов для выявления пространственного строения геологической среды, ее тектонической и литологической изменчивости, оценки интегральных свойств массивов пород, характеристики геологических и техногенных процессов. Геофизические методы позволяют выбрать рациональную основу их комплексирования с геологическими и геохимическими методами, ускоряют и удешевляют исследования, делают их более информативными.

При изучении Московского региона была сделана попытка системного использования геофизических данных, получаемых как при региональных, так и при детальных исследованиях. При этом оказалось, что современные информационные технологии могут дать новые сведения о строении геологической среды, степени ее защищенности от техногенных воздействий, о характере протекания неблагоприятных инженерно-геологических процессов. Особенно перспективными оказались методы системного интегрированного анализа геолого-геофизической информации, дающие возможность выявления эмерджентных свойств геосистемы, определяющих состояние геологической среды и позволяющие выделять слабопроявленные объекты (активные геодинамические зоны, участки повышенной проницаемости), представляющие потенциальную экологическую опасность.

Авторы полагают, что принципиальной основой оценки геоэкологического состояния урбанизированной территории должно явиться геолого-геофизическое моделирование геологической среды, осуществляемое в последовательно укрупняющихся масштабах. Получаемые при этом разномасштабные ФГМ геологической среды могут служить для выполнения геоэкологического районирования, комплексной оценки экологической опасности и, наконец, для проектирования дополнительных видов пространственного исследования и геоэкологического мониторинга.

Приведенные в монографии результаты моделирования могли бы стать более информативными, если исходная геолого-геофизическая информация была более кондиционной. Авторы полагают, что для повышения социальной и экономической значимости комплексного геоэкологического районирования наряду с геолого-геофизической и геохимической информацией должны анализироваться данные площадных физико-географических, биологических, медицинских исследований.

Очевидным является и тот факт, что параметры получаемых ФГМ необходимо приводить к количественным оценкам предельно допустимых концентраций (ПДК) или предельно допустимых воздействий (ПДВ); только такие параметры могут служить юридической основой выполняемых геоэкологических оценок и рекомендаций.

Особого внимания заслуживает опыт детальных эколого-геофизических исследований на отдельных объектах Московского региона. Он показал, что комплекс дешевых малоглубинных наземных и аквальных геофизических методов может успешно использоваться для изучения экологического состояния городских территорий и рекреационных зон, а также для обследования источников загрязнения (очистных сооружений, городских свалок, промышленных предприятий). Весьма перспективной методикой комплексного исследования оказалось сочетание наземных малоглубинных методов электроразведки и сейсморазведки, аквальных методов "русловой геофизики" с методами гидрохимического опробования. Указанный комплекс позволил значительно уменьшить объем бурения и фильтрационных испытаний и позволил получить достаточно полную информацию для обоснования природоохранных мероприятий.

В заключение следует остановиться на проблеме геофизического мониторинга урбанизированных территорий. Из приводимых в монографии данных этому понятию наиболее полно соответствуют длительные режимные геофизические наблюдения в русле Москвы-реки. Они дали возможность установить динамику естественных электрических полей, связать их с особенностями протекания естественных и техногенных процессов, а также выявить загрязнение донных отложений Москвы-реки и его изменение во времени. К сожалению, полученные параметры загрязнения, за исключением пространственных, имеют геофизическую значимость и не доведены до оценки ПДК или ПДВ. Что же касается результатов режимных геофизических наблюдений на отдельных участках городской территории (Косино, ТЭЦ-16) или объектах (ПТБО "Кучино", усадьба Остафьево, очистные сооружения в районе Звенигорода), они свидетельствуют только о возможностях проведения геофизического мониторинга. Действительно, особенности функционирования источников загрязнения, распространение загрязнителей, динамики развития неблагоприятных техногенных процессов хорошо отображается в данных режимных геофизических наблюдений. Однако качественный характер получаемой информации, недостаточный юридический вес в принятии управленческих решений, затрудняют ее использование в системе геоэкологического мониторинга.

По-видимому потребуется решение целого ряда организационных, технологических и информационных задач для создания полноценного механизма геофизического мониторинга. Опыт исследований в Московском регионе показал, что основные усилия необходимо направить на решение трех проблем: 1) создание специализированной аппаратуры и специализированных малоглубинных геофизических комплексов, предназначенных для работы в условиях урбанизированных территорий; 2) разработку методики комплексных режимных наблюдений, включающей выполнение наземных, аквальных и скважинных исследований; 3) создание региональных и объектных банков данных и банков знаний, позволяющих накапливать сведения о состоянии геологической среды, ее загрязненности и выдавать эти сведения в стандартных, юридически обоснованных параметрах, которые могут использоваться для геоэкологической оценки хозяйственной деятельности и масштабов ее воздействия на окружающую среду, проведения государственной экологической экспертизы, принятия управленческих решений в целях оптимального регулирования и устойчивого развития территорий.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Богословский В.А. и др. Геофизическое моделирование геологической среды Московского региона. Инженерная геология, М., 1990 N 1, с. 18-27.

2. Богословский В.А. и др. Комплексное крупномасштабное геолого-геофизическое районирование при изучении и прогнозе карстово-суффозионных процессов на территории г.Москвы. Инженерная геология, М., 1992, N 2, с.57-70.

3. Богословский В.А. и др. Принципы построения физико-геологических моделей для изучения среды Московского региона. Геологические проблемы Московской агломерации. М., МГУ, 1991, с. 165-189.

4. Богословский В.А. и др. Комплексные геофизические исследования очистных сооружений в связи с загрязнением подземных вод. Инженерная геология, 1991, N4, с.69-73.

5. Бруевич Л.Д. и др. Региональная оценка техногенного воздействия на подземные воды. Геологические проблемы Московской агломерации. М., МГУ, 1991,с. 19-34.

6. Голодковская Г.А. и др. Геологическая среда Московского региона и проблемы ее изучения. Геологические проблемы Московской агломерации. М., МГУ, 1991, с. 6-19.

7. Калинин А.В. и др. Методика, техника и результаты комплексных геофизических исследований на акватории р.Москвы. Геологические проблемы Московской агломерации. М., МГУ, 1991, с. 80-138.

8. Карус Е.В. и др. Комплексные эколого-геофизические исследования Московского региона. Вестник МГУ, сер. 4, геология, 1993 N 1, с.3-14.

9. Кочев А.Д. и др. Методика и результаты комплексного изучения карстово-суффозионных процессов в г.Москве. Инженерная геология, 1989, N 6 с.77-94.

10. Кузнецов О.Л. Геофизика необратимых и нелинейных процессов в геологической среде урбанизированных территорий. Геофизические и геохимические методы при решении экологических и техногенных проблем на урбанизированных территориях. М., ВНИИЯГ, 1985, с.3-9.

11. Кузнецов О.Л. Интегрированный системный анализ многоуровневой геологической, геофизической и геохимической информации. Комплексирование аэрокосмических, сейсмических, геохимических и скважинных геофизических методов при поисках и разведке нефти и газа. М., ВНИИГеоинформсистем, 1986, с.4-18.

12. Огильви А.А. Основы инженерной геофизики. М., Недра, 1990, 501 с.

13. Орлов М.С. Методика регионального гидрогеологического прогноза Московской области в связи с комплексным техногенным воздействием. Геологические проблемы Московской агломерации. М., МГУ, 1991, с.34-56.

14. Садовский М.А. О значении и смысле дискретности в геофизике. Дискретные свойства геофизической среды. М., Недра, 1989, с.5-12.

15. Трофимов Д.М. и др. Аэрокосмические и геолого-геофизические исследования закрытых платформенных территорий. М., Недра, 1986.