НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ГЕОФІЗИКИ ім. С.І. СУББОТІНА

ТЯПКІН Олег Костянтинович

УДК [550.3+550.83]:504 (477)

ГЕОФІЗИЧНІ ОСНОВИ РІШЕННЯ ЗАДАЧ ЕКОЛОГІЧНОЇ

БЕЗПЕКИ В УМОВАХ ТЕХНОГЕННО НАВАНТАЖЕНИХ

РЕГІОНІВ УКРАЇНИ

04.00.22 – Геофізика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора геологічних наук

Київ – 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті проблем природокористування та екології Національної академії наук України

Науковий консультант: член-кореспондент НАН України,

доктор технічних наук, професор

ШАПАР Аркадій Григорович,

Інститут проблем природокористування та

екології НАН України, Дніпропетровськ, директор

Офіційні опоненти: член-кореспондент НАН України,

доктор геолого-мінералогічних наук, професор,

ЛЯЛЬКО Вадим Іванович,

Центр аерокосмічних досліджень Землі Інституту геологічних наук НАН України, Київ, директор

доктор геологічних наук,

ВИЖВА Сергій Андрійович,

Київський національний університет ім. Тараса Шевченка, Київ, завідувач кафедри геофізики

доктор геолого-мінералогічних наук,

ЗВОЛЬСЬКИЙ Станіслав Тимофійович

Інститут геофізики ім. С.І. Субботіна НАН України, Київ,

провідний науковий співробітник

Провідна установа: Український державний геологорозвідувальний інститут

Захист дисертації відбудеться "27" квітня 2005 р. о 10 год. на засіданні Спеціалізованої вченої ради Д 26.200.01 при Інституті геофізики ім. С.І. Субботіна НАН України за адресою:

03680, м.Київ-142, пр.Палладіна, 32

Факс: (044) 450-25-20

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту геофізики ім. С.І. Субботіна НАН України

Автореферат розісланий 26.03. 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор геологічних наук М.І. ОРЛЮК

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність. Нині в народному господарстві України склалася структурна деформація, при якій перевага віддається розвитку ресурсовидобувних і переробних (найбільш екологічно небезпечних) галузей промисловості зі значною питомою вагою великих підприємств. Останні створювалися в основному у 30-70-і роки ХХ століття без урахування вимог охорони навколишнього середовища й екологічних наслідків їхньої діяльності, в результаті чого в ряді техногенно навантажених областей глибоко порушені екологічна рівновага й умови життєдіяльності населення. Для виходу із зазначеної критичної ситуації актуальною є розробка регіональних стратегій сталого еколого-економічного розвитку. Останнє є складною науково-прикладною проблемою, розв’язання якої вимагає розвитку нетрадиційних технологій діагностики як стану екосистем, так і динаміки антропогенного впливу на навколишнє середовище. Технології досліджень, що використовують комплекс геофізичних методів, дозволяють оперативно визначати їх стан і функціонування за малим числом параметрів. Перспективи ефективного застосування геофізичної інформації при розв’язанні задач екологічної безпеки визначаються, у першу чергу, різноманіттям фізичних полів, що об'єктивно відбивають статику та динаміку природного середовища (будь-які просторово-часові зміни навколишнього природного середовища викликають появу аномалій геофізичних полів), що реагують або пов'язані з екологічною обстановкою (через геолого-петрографічні, водно-фізичні, геохімічні, біологічні й інші характеристики).

Однак геофізичні методи протягом багатьох десятиліть розвивалися в основному під впливом вимог геологорозвідувального процесу, що полягають у підвищенні ефективності пошуків і розвідки родовищ корисних копалин на все більших глибинах. Пряме перенесення накопиченого науково-практичного геофізичного досвіду в область розв’язання проблем екологічної безпеки техногенно навантажених регіонів (що тяжіють до верхньої частини геологічного розрізу і денної поверхні) неможливе. У зв'язку з тим, що основні статичні та динамічні параметри цієї частини геологічного розрізу (і почасти приземних частин атмосфери) значною мірою визначаються особливостями глибинної тектонічної будови, для розв’язання сучасних задач раціонального природокористування й екологічної безпеки техногенно навантажених регіонів України потрібен розвиток особливого, відмінного від “геологорозвідувального” підходу до використання геофізичних методів (що базується на рівнозначному вивченні земних надр від поверхні денного рельєфу до глибини кілька кілометрів). Відомі науково-практичні розробки використання геофізичної інформації й застосування геофізичних методів при розв’язанні задач раціонального природокористування й екологічної безпеки роз'єднані і не мають єдиної основи. У зв'язку з цим актуальним є розвиток наукових основ нової геофізичної дисципліни – екологічної геофізики (екогеофізики), що узагальнює розв’язання різноманітних задач раціонального природокористування й екологічної безпеки при переході техногенно навантажених регіонів України до сталого еколого-економічного розвитку.

Зв'язок роботи з науковими напрямками та темами. Дослідження з теми дисертації виконані у Відділі антропогенних змін геологічного середовища Інституту проблем природокористування та екології НАН України при розробці держбюджетних тем НАН України: №32 “Розробка наукових основ раціонального природокористування при реалізації сталого еколого-економічного розвитку території” 1996-1999 рр. (№ держ. реєстр. 0196U021594); №36 “Наукове обґрунтування пріоритетних напрямків у досягненні сталого розвитку техногенно навантажених регіонів з урахуванням його нормативних показників” 1999-2003 рр. (№ держ. реєстр. 0199U004402); №37 “Розробка методичних підходів до встановлення гранично припустимих параметрів техногенного навантаження на природні компоненти території” 2001-2003 рр. (№ держ. реєстр. 0101U008150); проекту ДКНТ України 2.05.02/1А-93 “Еколого-географічне картографування Придніпровського району” 1993-1995 рр. (№ держ. реєстр. 0194U001088); НДР по оцінці впливу на навколишнє середовище (ОВНС) ряду гірничодобувних, металургійних і хімічних підприємств Дніпропетровської області, а також при підготовці й веденні регіональної та локальної системи екологічного моніторингу (СЕМ) і площинних великомасштабних комплексних геоекологічних досліджень окремих районів і ділянок Промислового Придніпров’я (у т.ч. розробці проекту СЕМ м. Жовті Води), виконаних Інститутом проблем природокористування й екології НАН України на договірній основі протягом 1993-2004 рр.

Основна ідея роботи полягає у підвищенні ефективності геофізичних досліджень при розв’язанні регіональних і локальних задач екологічної безпеки шляхом комплексного геолого-геофізичного підходу як до моделювання сучасних природно-техногенних процесів і їхніх екологічних наслідків на денній поверхні й у земних надрах, так і до вибору стратегії та розробки програм переходу територій техногенно навантажених регіонів до сталого еколого-економічного розвитку.

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є розвиток наукових основ нової геофізичної дисципліни – екогеофізики стосовно розв’язання проблем раціонального природокористування й екологічної безпеки техногенно навантажених регіонів, що базується на використанні “подвійної” ролі геофізичних полів: з одного боку, як основи застосування відповідних методів при практичному розв’язанні зазначених проблем, а з іншого боку, як одного з основних факторів навколишнього середовища, що безпосередньо впливає на можливості сталого розвитку територій.

Для реалізації основної ідеї роботи й досягнення її мети поставлено такі завдання:

-

-

-

-

-

-

-

Об'єкт досліджень – природно-техногенне геофізичне середовище техногенно навантажених регіонів України.

Предмет досліджень – наукові основи геолого-геофізичного розв’язання проблем раціонального природокористування й екологічної безпеки в умовах переходу техногенно навантажених регіонів України до сталого розвитку.

Наукові положення, представлені до захисту.

1. Нова геофізична дисципліна – екологічна геофізика як самодостатній метод розв’язання різноманітних екологічних задач в умовах техногенно навантажених регіонів, заснована на введеному понятті природно-техногенного геофізичного середовища – динамічної єдності суперпозиції фізичних полів та їх зовнішніх космічних причин-джерел (як безпосередньо, так і опосередковано внаслідок зміни земних факторів), природних (наземних і геологічних) і техногенних джерел. Наділення конкретних об’ємів верхніх геосфер набором власних фізичних параметрів, що характеризують внутрішній стан і структуру живої й неживої речовини в цих об’ємах, дозволяє встановити взаємно однозначну відповідність між біосферою і геофізичним середовищем за допомогою розв’язання прямих задач відомих геофізичних методів.

2. Використання як тектонічної основи екогеофізики відомих ієрархічно супідпорядкованих систем розломів земної кори дозволяє реалізувати для розв’язання задач раціонального природокористування й екологічної безпеки техногенно навантажених регіонів оригінальну методику, суть якої полягає в послідовному збільшенні масштабів вивчення тих самих територій. З укрупненням масштабу досліджень акцент зміщується від виявлення та картування аномальних екотектонічних ділянок (найбільшої схильності до проявів сучасних процесів) до вивчення й прогнозування напрямків поширення усіх видів природно-техногенного впливу в навколишньому середовищі.

3. Доповнення природної “геологорозвідувальної” дрібно-, середньо- і великомасштабної інформації даними про відповідні за масштабом техногенні об'єкти й процеси дозволяє удосконалити традиційні фізико-геологічні моделі стосовно розв’язання задач раціонального природокористування та екологічної безпеки техногенно навантажених регіонів і розробити ієрархічний ряд фізико-техногенно-геологічних моделей відповідних масштабів. Ці моделі використовуються для наступного детального виділення, вивчення й моделювання конкретних техногенних об'єктів і аномальних ділянок, що дозволяє всі наступні побудови об’єднати за рівнями полів і фізичних параметрів георечовинного середовища.

4. Основою кількісної оцінки екологічних наслідків техногенного втручання в навколишнє середовище та вибору раціональних способів природокористування є комплекс базових геофізичних показників життєдіяльності населення і стану навколишнього середовища, якими є міри чутливості живих організмів до впливу відповідних видів фізичних полів: акустична – до шумового впливу, механічна – до вібраційного впливу, теплова – до відповідного впливу, радіаційна – до впливу іонізуючих випромінювань, електромагнітна – до впливу електричних і магнітних полів різної частоти. Розроблений на їх основі інтегральний показник геофізичного впливу є важливою складовою частиною загальної оцінки стану природного середовища техногенно навантажених регіонів при виділенні критичних і кризових територій, а також зон надзвичайної екологічної ситуації і техногенно-екологічної небезпеки.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. На основі аналізу та систематизації результатів вітчизняних і зарубіжних геолого-геофізичних досліджень в області раціонального природокористування й екологічної безпеки введене поняття природно-техногенного геофізичного середовища й конкретизоване об'єктне та предметне поле, а також методологічна база й базис методологічної єдності нової геофізичної дисципліни – екогеофізики.

2. Показано ефективність використання – як тектонічної основи при розв’язанні регіональних і локальних задач раціонального природокористування й екологічної безпеки техногенно навантажених регіонів – інформації про системи розломів верхньої частини земної кори, які встановлені за комплексом геолого-геофізичних даних. Для розглянутої низки задач – це якісно новий підхід.

3. Вперше визначено етапи моделювання об'єктів вивчення екогеофізики та розроблено ієрархічний ряд фізико-техногенно-геологічних моделей (ФТГМ) шляхом доповнення “геологорозвідувальної” інформації (у вигляді фізико-геологічних моделей – ФГМ) необхідними відомостями про об'єкти техносфери та природно-техногенні процеси відповідного масштабу.

4. Вперше розроблено комплекс базових кількісних показників впливу природно-техногенних геофізичних полів на життєдіяльність населення, що дозволяє обґрунтувати геолого-геофізичні аспекти вибору раціональних екологічно безпечних способів природокористування техногенно навантажених регіонів України з позицій переходу до сталого еколого-економічного розвитку.

Практичне значення отриманих результатів.

У рамках нової геофізичної дисципліни – екогеофізики, що розвивається, розроблено та впроваджено у виробничих геофізичних організаціях методичні принципи й рекомендації застосування комплексу геофізичних методів при розв’язанні регіональних і локальних задач екологічної безпеки в умовах Промислового Придніпров’я, а також у системі екологічного моніторингу техногенно навантажених регіонів України.

Для підвищення оперативності розв’язання проблем екологічної безпеки проведена оцінка точності й достовірності формалізованого простежування геофізичних індикаторів розломів земної кори. Розроблено методику виявлення активних (“довгоживучих”) фрагментів розломів за комплексом геолого-геофізичних даних і принципи їхнього використання для виділення ділянок, потенційно пов'язаних з інтенсивними проявами небезпечних сучасних процесів на денній поверхні й у земних надрах, а також формалізована процедура визначення переважних напрямків поширення конкретних техногенних впливів із використанням інформації про системи розломів.

Розроблено регіональні й локальні ФТГМ – як базу ефективного геофізичного вивчення різних небезпечних природно-техногенних процесів у межах техногенно навантажених регіонів України.

Розроблено методику кількісної оцінки природно-техногенного геофізичного (і окремо радіологічного) впливу для визначення екологічних наслідків різних видів антропогенного втручання в навколишнє середовище техногенно навантажених регіонів, а також перспектив розвитку їх господарської (на прикладі – рекреаційної) інфраструктури.

Розроблено геолого-геофізичні аспекти Державної програми сталого розвитку регіону видобутку і первинної переробки уранової сировини, на основі яких створена регіональна екологічна програма захисту населення від факторів радіаційного забруднення навколишнього природного середовища Дніпропетровської області.

Розроблено структуру інформаційних геолого-геофізичних блоків різного рівня (від регіонального до об'єктового) у рамках СЕМ “Придніпров’я”.

Реалізація роботи. Основні результати роботи у вигляді методичних рекомендацій із застосування комплексу геофізичних методів при розв’язанні задач екологічної безпеки в умовах техногенно навантажених регіонів півдня України використовуються в підрозділах ДГП “Укргеофізика”. Карта систем розломів Дніпропетровської області масштабу 1:200000, складена автором за комплексом великомасштабних геолого-геофізичних даних, передана в Придніпровську розвідувальну експедицію ДГП “Укргеофізика” як тектонічна основа геофізичного розв’язання задач екологічної безпеки, а великомасштабна карта-врізка масштабу 1:50000 систем розломів району м. Марганця використана при складанні ОВНС Марганецького ГЗК для виділення ділянок, потенційно пов'язаних з інтенсивними проявами небезпечних сучасних процесів на денній поверхні і в земних надрах.

Результати роботи були використані при створенні системи тест-станцій у межах попередньо обраних полігонів регіональної СЕМ “Придніпров’я”, проектуванні СЕМ м. Жовті Води, організації регіональних і локальних польових досліджень і аналізі одержуваної інформації, а також при складанні виданих Екологічних карт Дніпропетровської області масштабу 1:330000 і м. Дніпропетровська масштабу 1:25000 (під гол. ред. А.Г. Шапара, відповідно 1998 р. і 2001 р.) і Екологічного паспорта Дніпропетровської області (Дніпропетровська облдержадміністрація, 2000 р.). Авторські науково-практичні розробки також були використані при підготовці вихідних матеріалів для Розпорядження Кабінету Міністрів України від 07.02.2001 р. №122 про надзвичайну екологічну ситуацію, що склалася в Широківському районі Дніпропетровської області, та в розробці проекту Державної програми сталого розвитку регіону видобутку і первинної переробки уранової сировини (яка затверджена Постановою Кабінету Міністрів України від 16.12.2004 р. №1691). Основні положення зазначеної програми лягли в основу розробки регіональної екологічної програми захисту населення від факторів радіаційного забруднення навколишнього природного середовища, виконаної ІППЕ НАН України в 2003 р. на замовлення Головного управління з питань надзвичайних ситуацій та у справах захисту населення від наслідків Чорнобильської катастрофи Дніпропетровської облдержадміністрації.

Розроблена на прикладі Вільногірського державного гірничо-металургійного комбінату (ВДГМК) модель процесу радіологічного впливу гірничо-металургійного виробництва на навколишнє середовище використана в 2001-02 рр. при реконструкції Відділення одержання колективного концентрату на збагачувальній фабриці зазначеного комбінату й будівництві заводу цирконових вогнетривів.

Авторські методичні розробки щодо застосування геофізичних методів при розв’язанні задач раціонального природокористування й екологічної безпеки з 1999 р. використовуються в навчальному процесі зі студентами геологорозвідувального факультету Національного гірничого університету (м. Дніпропетровськ). Вони включені в 2000 р. у монографію “Основи геофізики”, затверджену Міністерством освіти і науки України, як підручник для студентів геологічних спеціальностей Вузів (Постанова №2/163 від 07.02.2000 р.).

Вихідні матеріали й особистий внесок автора. В основу роботи покладені результати науково-практичних (у т.ч. значного обсягу комплексних польових геоекологічних, геофізичних і радіологічних) досліджень територій і конкретних промислових об'єктів південного сходу України, у яких автор брав участь як безпосередній виконавець або керівник, працюючи на посаді старшого наукового співробітника та з 2002 р. завідувача Відділом антропогенних змін геологічного середовища Інституту проблем природокористування та екології НАН України (м. Дніпропетровськ). У процесі підготовки роботи були використані й узагальнені середньо- і великомасштабні геолого-геофізичні матеріали Дніпропетровської та Придніпровської геофізичних експедицій ДГП “Укргеофізика”, а також інформація про радіоактивне забруднення території України, люб'язно надана Інститутом географії НАН України. Крім того, в основу деяких геолого-геофізичних побудов автора були покладені власні фактичні матеріали, отримані в період роботи в Центральній геофізичній експедиції Держкомгеології України (зараз ДГЕ “Дніпрогеофізика) 1990-1993 рр. та роботи за сумісництвом на кафедрі геофізичних методів розвідки Національного гірничого університету (м. Дніпропетровськ, 1990-2004 рр.), а також участі у міжнародних геофізичних проектах Інституту геофізики Гамбурзького університету (Німеччина, 1998-1999 рр.). Зазначені матеріали були використані автором для постановки завдань, визначення шляхів їх розв’язання й методології досліджень, а також розвитку основних положень дисертації. Основні новітні результати дисертаційної роботи, її наукова новизна отримані автором самостійно.

Апробація роботи. Матеріали дисертаційної роботи на окремих етапах її виконання доповідалися на Міжнародних науково-практичних конференціях: “Теорія і практика рішень екологічних проблем у гірничодобувній і металургійній промисловості” (Дніпропетровськ, 1995, 2004), “Наука i освіта” (Дніпропетровськ, 1998–2000), “Некласична геофізика” (Саратов, 2000), “Геофізичний моніторинг небезпечних геологічних процесів та екологічного стану середовища” (Київ, 2000–2004), “Геологічна наука та освіта в Україні на межі тисячоліть: стан, проблеми, перспективи” (Львів, 2000), “Проблеми природокористування, сталого розвитку та техногенної безпеки” (Дніпропетровськ, 2001, 2003), “Техногенно-екологічна безпека як умова сталого розвитку України” (Львів, 2000), “Проблеми, методи і засоби досліджень Світового океану” (Запоріжжя, 2003), “Сучасні проблеми прикладної геофізики” (Дніпропетровськ, 2003), “Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості” (Кривий Ріг, 2004); Міжнародному семінарі ім. Д.Г.Успенського “Питання теорії і практики геологічної інтерпретації гравітаційних, магнітних і електричних полів” (Єкатеринбург, 1999; Москва, 2000; Київ, 2001; Москва, 2003; Перм, 2005); Другій Всеросійській конференції “Геофізика і математика” (Перм, 2001); Міжнародній школі-семінарі “Питання теорії і практики геологічної інтерпретації гравітаційних, магнітних і електричних полів” (Апатити, 2002); Conferences & Technical Exhibitions of European Association of Geoscientists & Engineers – EAGE (Helsinki, 1999; Glasgow, 2000; Amsterdam, 2001); на засіданні Національної комісії з радіаційного захисту населення України (Київ, 2004), а також на наукових семінарах Відділу антропогенних змін геологічного середовища Інституту проблем природокористування та екології НАН України (Дніпропетровськ, 1997-2004 рр.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано понад 90 робіт, надрукованих після захисту кандидатської дисертації. Основні положення дисертації викладені у 3 монографіях, 32 статтях (у т.ч. 27 входять до переліку ВАК з геологічних наук), працях наукових конференцій, наведених в авторефераті.

Структура й обсяг роботи. Робота складається з вступу, 5 розділів, висновків і списку використаної літератури з 486 джерел. Загальний обсяг роботи 357 стор., включаючи 80 рисунків і 28 таблиць.

Автор щиро вдячний науковому консультанту директорові Інституту проблем природокористування та екології НАН України члену-кореспонденту НАН України А.Г. Шапару за постійну увагу, допомогу і підтримку при виконанні роботи.

Автор висловлює подяку співробітникам Відділу антропогенних змін геологічного середовища й колегам з інших відділів Інституту проблем природокористування та екології НАН України за багаторазове обговорення результатів досліджень і сприяння у підготовці роботи. Крім того, автор дуже вдячний співробітникам Інституту географії НАН України за допомогу у зборі інформації, співробітникам кафедри геофізики Національного гірничого університету – д.г.н. Р.П. Денисюку, д.т.н. В.О. Гончаренку, к.г.-м.н. А.Л. Лозовому, к.г.-м.н. В.П. Солдатенку за поради, зауваження і методичну допомогу в розробці окремих питань, а також керівникам виробничих геофізичних і геологічних підрозділів В.В. Музиці, В.К. Свистуну, к.г.н. П.Г. пігулевському, М.А. Козару та магістру державного управління Я.Г. Трояну за практичну допомогу в реалізації наукових ідей.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність теми, формулюються мета й задачі дослідження, наведено наукова новизна і практична значимість, а також результати апробації і реалізації основних положень роботи.

У першому розділі “Аналіз сучасних проблем використання геофізики для розв’язання задач раціонального природокористування й екологічної безпеки” наведено аналіз (за даними вітчизняних і зарубіжних публікацій) сучасного стану і визначення перспектив розвитку геолого-геофізичних досліджень у розробці стратегії сталого розвитку техногенно навантажених територій, оптимізації природокористування й екологічної безпеки. Його результати є такими: у геологічних науках на сучасному етапі спостерігається прагнення кожної з них знайти свою “екологічну нішу” або на рівні розв’язання конкретних задач, або шляхом виділення нового наукового напрямку – і, як наслідок, накладання об'єктних і предметних полів цих наук і термінологічна невизначеність. Проблемами інтеграції геології, геофізики, геохімії, географії, ґрунтознавства, гірничих наук у єдину систему знань про геологічне середовище займаються багато вчених, зокрема, О.М. Адаменко, Г.К. Бондарик, Г.С. Вартанян, Р.Г. Гарецький, Г.А. Голодковська, А.Я. Дроздовська, Ю.Б. Єлисеєв, Е.Я. Жовинський, Д.Г. Зилінг, Є.А. Козловський, Є.В. Краснов, В.К. Лукашев, В.І. Лялько, Б.С. Панов, В.І. Осипов, В.Н. Островський, Л.А. Островський, Г.І. Рудько, Є.М. Сергєєв, Е.В. Соботович, К.І. Сичов, К. Троль, В.Т. Трофимов, Н.М. Фролов, Є.О. Яковлєв та інші. У першу чергу це стосується дисциплін: геоекології та екогеології, що претендують на роль всеосяжних і фундаментальних. Дотепер немає єдиної думки про межі і можливі перетинання предметних полів зазначених наукових напрямків. Термінологічна й понятійна база цих дисциплін перебуває у стадії становлення. На основі узагальнення результатів аналізу об'єктного й предметного полів геоекології та екогеології зроблено висновок, що (залежно від контексту прикладних задач раціонального природокористування й екологічної безпеки) припустимо використання як одного, так й іншого терміна.

Питаннями методології і формування понятійного апарату в області еколого-геофізичних досліджень активно займається велика кількість учених (В.А. Богословський, Г.С. Вахромєєв, С.А. Вижва, М.Г. Губайдуллін, А.Д. Жигалін, Г.І. Каратаєв, А.Є. Кулінкович, А.А. Огільві, М.І. Орлюк, В.К. Хмелевськой та інші). Питання методології й формування понятійного апарату в області еколого-геофізичних досліджень опрацьовані недостатньо порівняно з геоекологічними дослідженнями. Тому методологічні розробки останніх зараз активно переносяться в геофізику. Це виявляється в тому, що за аналогією з тим, як із фундаментальної науки екологічного плану – геоекології – виділяється прикладна наука – екологічна геологія, у геофізиці виділяється новий фундаментальний розділ – геофізична екологія та її прикладна частина – екологічна геофізика (екогеофізика). Під екогеофізикою розуміється науковий напрямок на стику екологічної геології та геофізичної екології, що поєднує геофізичні дослідження геологічного середовища (у розвідувальній геофізиці – верхньої частини розрізу) й прилеглих частин атмосфери для розв’язання екологічних задач.

Протягом багатьох десятиліть геофізичні методи досліджень розвивалися переважно під впливом вимог підвищення ефективності пошуків і розвідки родовищ корисних копалин. Відповідно до цього системи спостережень, апаратура й прийоми інтерпретації удосконалювалися в напрямку збільшення роздільної здатності методів на все більших і більших глибинах. У світлі ж проблем розробки стратегії сталого розвитку техногенно навантажених територій для розв’язання конкретних задач раціонального природокористування й екологічної безпеки необхідне вивчення верхньої (надзвичайно неоднорідної за своїм складом і станом) частини земної кори, в межах якої відбувається основна господарська діяльність людини. Це вимагає особливого “негеологорозвідувального” підходу до вибору методів проведення спостережень, їх комплексування й інтерпретації геофізичних даних.

Для оцінки можливостей сучасної геофізики проаналізовані основні тенденції розвитку інженерно-екологічних геофізичних досліджень на території СНД (колишнього СРСР) і основні напрямки природокористувальних і природоохоронних геофізичних досліджень у розвинутих країнах Європи й Північної Америки (на основі аналізу публікацій переважно в американських журналах “Geophysics” і “Geophysics: The leading edge of exploration” за останні два десятиліття ХХ століття). На території колишнього СРСР велися широкомасштабні площинні (картувальні й пошукові) комплексні геофізичні дослідження, спрямовані на розв’язання переважно інженерно-геологічних і гідрогеологічних задач. За кордоном фактично повний діапазон геофізичних методів знайшов застосування у: дослідженнях навколишнього середовища (Environmental Geophysics) – для вивчення будови різних смітників; при розв’язанні інженерних задач (Engineering Geophysics) – для вивчення стійкості різних транспортних магістралей та споруд; геотехнічних дослідженнях (Geotechnical Geophysics) – для вивчення й розв’язання питань стійкості гідротехнічних споруд; гідрогеохімічних дослідженнях (Groundwater Geophysics) – для виявлення й картування результатів забруднення підземних вод сховищами рідких токсичних або радіоактивних відходів; археологічній розвідці (Archaeological Prospection) – для оперативної оцінки археологічного об'єкта до початку розкопок, а також у палеонтологічних, рятувальних і інших роботах. Взагалі встановлено, що існуючі напрямки (розділи) геофізики в конкретних умовах техногенно навантажених територій розв’язують окремі з зазначених задач і не охоплюють усієї проблеми в цілому.

Для розв’язання питань техногенно-екологічної безпеки, що пов'язані з функціонуванням і оцінкою стану екосистем в умовах інтенсивного техногенного впливу, необхідний розвиток нетрадиційних технологій діагностики динаміки техногенного впливу (забруднення) та стану екосистем, що спираються на комплекс геофізичних методів (які дозволяють оперативно визначати стан і функціонування біогеоценозів за малою кількістю параметрів). У першу чергу необхідний подальший розвиток і вдосконалення екологічної геофізики, в якій нами чітко виділені два основні напрямки досліджень: 1) природокористувальний (для досліджень сучасних природних і техногенних процесів у земних надрах і контролю за станом природного середовища) і 2) екологічний (для вивчення безпосереднього впливу самих геофізичних полів на людину і навколишнє середовище). При цьому на передній план висувається проблема розробки (вибору) єдиних геолого-тектонічних основ процесів одержання й обробки-інтерпретації геофізичної інформації та створення системи комплексного геолого-геофізичного екологічного моніторингу, орієнтованого на розв’язання як регіональних, так і локальних проблем техногенної безпеки.

Для конкретизації об'єктного поля геофізичної екологічної дисципліни, яку ми розвиваємо, необхідне введення поняття “природно-техногенне геофізичне середовище”. Актуальність останнього викликана тим, що як у геологорозвідувальному процесі, так і при розв’язанні задач екологічної безпеки намітилася тенденція до недоврахування різних головних складових частин цього поняття (відсутність інтересу до джерел геофізичних аномалій в екології і “другорядна роль” цих аномалій при пошуках родовищ корисних копалин).

У другому розділі “Поняття природно-техногенного геофізичного середовища і науково-методологічні основи використання геофізики при розв’язанні задач екологічної безпеки” проаналізовані просторово-часові взаємозв'язки різноманітних джерел геофізичних полів, дана оцінка впливу створюваних ними аномалій на геологічне середовище та біоту й конкретизоване поняття геофізичного середовища як основи об'єктного і предметного полів сучасної екологічної геофізики.

Нами розвиваються два основні напрямки досліджень екогеофізики (природокористувальний та екологічний), що втілюють у собі взаємодоповнюючі підходи до дослідження геофізичного середовища відповідно шляхом вивчення аномалієутворюючих джерел і власне фізичних полів.

У геоекології вважається, що геофізичні поля є невід'ємною частиною геологічного середовища, під яким розуміється “верхня частина літосфери, яка взаємодіє з біотою, впливає на середовище мешкання людини та знаходиться у взаємодії з техногенними факторами”. При цьому геологічне середовище чітко обмежене зверху поверхнею рельєфу. Нижня ж межа визначається глибиною проникнення техногенного впливу в геологічне середовище (земну кору). При такому вузькому трактуванні просторового розташування джерел геофізичних полів із поля зору геологів і геофізиків повністю випадають планетарні та зовнішні космічні джерела.

Існуючі геофізичні дисципліни не охоплюють усього обсягу просторово-часових зв'язків аномалієутворюючих джерел і варіацій геофізичних полів. Подолання цієї проблеми можливе тільки в рамках екогеофізики, яку ми розвиваємо (табл.1). Нами обстоюється ідея про те, що одним з основних факторів, який визначає екологічну обстановку будь-якого регіону є розломи земної кори. Справді, населені пункти та великі промислові виробництва тяжіють до річок, мережа яких цілком визначається системами розломів. Уздовж останніх також розташовуються родовища рудних корисних копалин на кристалічних щитах (масивах) і локальні структури, які є пастками для вуглеводнів, в осадовому чохлі нафтогазоносних районів, що визначає розвиток відповідно гірничо- і нафтогазовидобувної промисловості.

Таблиця 1

Просторово-часова локалізація об'єктів геофізичного вивчення

Напрямки (розділи) геофізики | Місце розташування об'єктів вивчення | Часові шкали

Космічний

простір | Атмосфера | Поверхнева гідросфера | Денний

рельєф | Верхня частина геологічного розрізу | Глибинні частини земної кори | Земна мантія

і ядро | Геологічний час | Історичний

час | Реальний

час

Глобальна та регіональна | +–––– | ++ | ++ | ++ | + | +

Розвідувальна ––––– | ++– | ++––

Інженерна–– | + | + | ++––– | + | ++

Екологічна | + | ++ | ++ | ++ | ++ | +– | + | ++ | ++

Нами запропонована класифікація техногенних впливів на геологічне середовище на основі аномальних геофізичних ефектів, які при цьому виникають. Тісний взаємозв'язок об'єктів геологічного, геохімічного та геофізичного вивчення верхньої частини земної кори обумовлює наш спільний геолого-геохімічний підхід до структуризації джерел як природних, так і техногенних геофізичних аномалій. У своїх дослідженнях ми спиралися на розроблену В.Т. Трофимовим, В.А. Корольовим і А.С. Герасимовою класифікацію техногенних впливів на геологічне середовище. Кожному виду техногенного впливу нами був поставлений у відповідність комплекс аномальних геофізичних ефектів, що виникають, а також потенційні екологічні наслідки. Використовуючи дану класифікацію, комплексні впливи розчленовуються на окремі складові (кожна з яких знаходить своє відображення в аномальних змінах фізичних полів) для їх подальшого аналізу й оцінки.

Людина як біофізичним об'єкт реагує на зміну фізичних полів природного і техногенного походження. У нашому випадку це знаходить відображення у виділенні екологічного напрямку досліджень в екогеофізиці. Разом із тим ці проблеми тісно пов'язані з природокористувальним напрямком в екогеофізиці, тому що аномалії геофізичних полів часто обумовлені особливостями розломно-блокової будови. При цьому слід взяти до уваги термін вільного користування “геопатогенна зона”, що різними дослідниками трактується далеко не однозначно. На нашу думку, визначення таких зон пов'язане з впливом на біоту геофізичних і геохімічних аномалій, що відбивають конкретні особливості геологічних структур і, в першу чергу, розломи земної кори.

Для конкретизації поняття “природно-техногенне геофізичне середовище” нами уточнене тлумачення основних екологічних термінів (у т.ч. визначення геологічного, природного і навколишнього середовищ, а також техносфери). Ці геосфери з позицій геофізики нами описані через джерела аномалій геофізичних полів: геологічні, наземні (природні), техногенні й зовнішні космічні. Далі під природно-техногенним геофізичним середовищем пропонується розуміти динамічну єдність суперпозиції фізичних полів і їх зовнішніх космічних і внутрішніх земних причин-джерел. В основу поняття джерела геофізичного поля покладене уявлення про збурюючий (аномалієутворюючий) об'єкт як об’єм простору, що відповідає за формування аномальних складових геофізичних полів. Причиною виникнення цих аномалій є наявність у зазначеному об’ємі тіла, яке відрізняється від вміщуючого середовища за своїми фізичними властивостями та внутрішньою структурою, або проявів процесів, що змінюють зазначені властивості речовини. У такому формулюванні поняття “аномалієутворюючий об'єкт” максимально сумісне з визначенням біосфери (за В.І. Вернадським). Наділення конкретних об’ємів верхніх геосфер набором власних фізичних параметрів, що характеризують внутрішній стан і структуру живої й неживої речовини в цих обсягах, дозволяє установити взаємно однозначну відповідність між біосферою і геофізичним середовищем за допомогою розв’язання прямих задач конкретних геофізичних методів: гравірозвідки, магніторозвідки й ін.

Стосовно екогеофізики, що розвивається, об'єктне поле схематично показане на рис.1. Об'єктом є природно-техногенне геофізичне середовище в рамках доступної для вивчення (на сучасному рівні розвитку геолого-геофізичних технологій досліджень) сукупності частин геологічного й природного середовища, а також техносфери. Тобто об'єктне поле цього напрямку геофізики Р має вигляд (сукупність заштрихованих фрагментів на рис.1,а)

P = [(AUа1)B]U[(AUа1)D] = (AUа1)(b1Uc1Ud1Ub2Uc2Ud2), (1)

де А (а1) – природно-техногенне геофізичне середовище, В (b1, b2) – природне середовище, С (c1, c2)– геологічне середовище, D (d1, d2) – техносфера. Індекси 1 і 2 відповідно відбивають сукупності об'єктів, геофізичні аномалії яких: 1 – фіксуються сучасною апаратурою, 2 – не фіксуються сучасною апаратурою, але параметри цих об'єктів можуть бути відновлені в результаті кількісної інтерпретації просторово і генетично пов'язаних з ними геофізичних полів.

Однак зображене на рис.1,а об'єктне поле є ідеалізованим. Це виражається в тому, що можна чітко розмежувати природне середовище і техносферу. У реальності вони перетинаються (формування природно-технічних систем) і людство, перетворюючи природне середовище під свої потреби, постійно збільшує це перетинання (рис.1,б).

Предметом є сукупність знань (система даних) про просторово-часові закономірності розподілу й перерозподілу фізичних властивостей речовини геосфер під впливом природно-техногенних процесів і викликані ними варіації геофізичних полів стосовно проблем зміни навколишнього середовища в умовах техногенезу, оптимізації природокористування й екологічної безпеки.

Запропонована загальна структура наукового методу екогеофізики наведена в табл.2. Відповідно до цієї схеми, процес пізнання в екогеофізиці має ієрархічний характер. Основні теоретичні передумови формуються загальними методами пізнання; часткові методи окремих наук забезпечують інформаційний простір, що включає характеристики основних підсистемних елементів і їхні причиново-наслідкові зв'язки. Спеціальні методи пізнання використовуються практично на всіх структурних рівнях і є способами одержання точного знання.

Вимогами сучасного етапу розвитку екогеофізики є створення ФТГМ, які всебічно узагальнюють природні та техногенні процеси й явища. Такі моделі покладені нами в основу розробленої загальної структури геофізичних досліджень при розв’язанні задач екологічної безпеки, де, зокрема, як і в розвідувальній геофізиці пропонується застосовувати ті ж способи трансформації спостережених полів для виділення високочастотної (імпульсної) складової – при дослідженнях верхньої частини геологічного розрізу. Відмінність полягає у подальшому використанні результатів такої трансформації полів: виключення-відбраковування – у геологорозвідувальному процесі і подальше вивчення – у проблемах екологічної безпеки.

Третій розділ “Екотектонічна основа розв’язання задач раціонального природокористування й екологічної безпеки” присвячений оцінці ролі тектонічного фактора в питаннях раціонального природокористування та вибору методів і технологій створення екотектонічної основи розв’язання проблем розробки стратегії сталого розвитку, раціонального природокористування й екологічної безпеки техногенно навантажених регіонів. Для побудови такої основи нами використані відомі уявлення про системи докембрійських розломів, що характеризуються єдиними планетарними закономірностями розміщення.

Таблиця 2

Структура наукового методу екогеофізики

Загальні методи пізнання | Спеціальні методи

пізнання | Часткові методи

пізнання | Спеціальні методи

екогеофізики

загальнонаукові | суміжних наук | наук про Землю | геофізичних

наук

Матеріалістична діалектика

Системний аналіз | Фізики

Хімії

Математики |

Геології

Географії

Екології

Біології

Медицини

Економіки

Соціології | Інженерної геології

Гідрогеології

Геоморфології

Геохімії

Геології корисних копалин

Геотектоніки

Мінералогії

Історичної геології

Палеонтології | Гравіметрії

Магнітометрії

Сейсмометрії

Електрометрії

Термометрії

Петрофізики

Радіометрії і ядерної геофізики | Екотектонічне картування

Функціональний комплексний аналіз екотектонічної, екогеологічної і геофізичної обстановки

Фізико-техногенно-геологічне моделювання

Геофізичний моніторинг техногенних змін навколишнього середовища

Проведені нами еколого-тектонічні дослідження є реалізацією принципу послідовних наближень, рекомендованого при вивченні будь-яких природних об'єктів (у тому числі, тектонічних розломів) і містять у собі ряд основних етапів: від дрібномасштабного вивчення території регіонів (масштаби 1:500000 і 1:200000) до великомасштабного вивчення найбільш важливих в екологічному відношенні локальних природних і техногенних об'єктів (масштаб 1:50000 і крупніше). При цьому здійснюється як “просторова”, так і “часова” інтерпретація екотектонічної інформації. Суть першої полягає в тому, що виходячи із загальноприйнятих уявлень про те, що зонам перетинання розломів відповідають більш “роздроблені” ділянки земної поверхні, нами пропонується виконання простого підсумовування індикаторів розломів різних рангів, що припадають на одиницю площі. На прикладах території Дніпропетровської області нами показано, що за допомогою карти щільності індикаторів розломів можна охарактеризувати фоновий стан геологічного середовища стосовно найбільш інтенсивних і небезпечних природних і техногенних процесів, що можуть бути загрозою для життєдіяльності людини. На конкретних ділянках досліджуваної території в міру збільшення рівня отриманої інтегральної оцінки зростає імовірність різких порушень геологічного середовища, що призводять до аварійних ситуацій. У регіональному плані виявлені ділянки найбільшої “схильності” до проявів різних сучасних процесів у земних надрах сконцентровані на південному заході області – Середньопридніпровському блоці Українського щита (УЩ). У геологічному відношенні до цих ділянок тяжіють відомі зеленокам'яні структури (ЗКС): Криворізька, Верховцевська, Софіївська, Сурська, Чортомлицька, де в силу історично сформованої наявності екологічно небезпечних об'єктів (підприємств військово-промислового і ядерно-паливного комплексів, ставків-накопичувачів і відстійників підприємств гірничодобувної й обробної промисловості), природні і техногенні аварії й катастрофи можуть викликати нові, ще більш важкі катастрофи. Не обмежуючись лише “просторовою” інтерпретацією тектонічної інформації, нами пропонується проводити уточнення отриманих даних з урахуванням активізацій окремих фрагментів розломів у різні проміжки часу. Критерієм виявлення активних (“довгоживучих”) розломів є більш-менш виразний прояв різних груп їхніх ознак, у яких “зашифрована” історія формування розлому. Весь часовий інтервал (від деякого умовного початку тектонічної активності на Землі – до наших днів) нами розділений на чотири нерівних за величиною відрізка, що зменшуються при наближенні до сучасності. Кожному з цих часових відрізків ставиться у відповідність виразність прояву однієї з 4-х груп ознак (від древніх до молодих) розломів: 1) геологічних і геофізичних (з уведеними поправками за вплив денного й похованого рельєфу) ознак; 2) наявності проявів вторинних геологічних процесів; 3) особливості похованого рельєфу; 4) особливості денного рельєфу. Активними (“довгоживучими”) є розломи або їхні фрагменти, добре виявлені у всіх 4-х зазначених групах ознак. На території Середньопридніпровського блоку УЩ 30% зафіксованих нами фрагментів розломів інтерпретуються як активні. Визначним є те, що ці фрагменти розташовуються на території не довільно, а концентруються на зазначених вище ділянках підвищеної щільності індикаторів розломів, що тяжіють до ЗКС.

Отримані дрібномасштабні (масштаб 1:500000) результати є основою для подальшого середньомасштабного вивчення території та побудови карти систем розломів масштабу 1:200000. Ця карта становить інтерес не тільки для розв’язання задач екологічної безпеки, але й у геологорозвідувальному процесі. Вона побудована за єдиною методикою для різних у геолого-структурному відношенні частин регіону – УЩ і Дніпрово-Донецької западини (ДДЗ). Тобто вона дозволяє “екстраполювати” більш представницькі результати вивчення тектонічних особливостей земних надр у межах УЩ на прилеглі території ДДВ. Та й у межах УЩ середньомасштабні карти систем розломів раніше будувалися за “геологорозвідувальним розумінням” тільки в межах окремих геоблоків (Середньопридніпровського, Приазовського).

Для розв’язання локальних задач техногенної