Институт проблем природопользования и экологии НАН Украины, Днепропетровск
Физико-геологическое моделирование объектов исследований геофизики техногенно-экологической безопасности
О.К. Тяпкин
Аннотации
В процессе решения проблем экологической безопасности уже на стадии мелкомасштабных геолого-геофизических исследований появляется необходимость учета техногенных факторов. Количество информации о влиянии этих факторов возрастает по мере увеличения масштаба исследований и соответствующих геолого-геофизических моделей. Эти модели могут быть использованы и в геологоразведочном процессе, и при решении задач экологической безопасности.
У процесі вирішення проблем екологічної безпеки вже на стадії дрібномасштабних геолого-геофізичних досліджень з'являється необхідність урахування техногенних факторів. Кількість інформації про вплив цих факторів зростає в міру збільшення масштабу досліджень і відповідних геолого-геофізичних моделей. Ці моделі можуть бути використані й у геологорозвідувальному процесі, і при вирішенні задач екологічної безпеки.
In the decision of problems of ecological safety already at a stage of small-scale geological-geophysical researches it is necessary to take into account influence of technogenic factors. The amount of the information about influence of these factors grows in process of increase of scale of researches and appropriate geological-geophysical models. These models can be used in prospecting process and at the decision of tasks of ecological safety.
Основное содержание исследования
Традиционные физико-геологические модели (ФГМ) ориентированы на решение задач поисков и разведки месторождений полезных ископаемых и, как правило, отражают только природную составляющую геологической и геофизической сред. В свете проблем экологической безопасности уже на стадии мелкомасштабных исследований (масштаб 1: 500000 и мельче) появляется необходимость учета техногенных факторов (например, расположение потенциально опасных техногенных объектов в сейсмоактивных районах [4]). Очевидно, что количество информации о конкретном влиянии этих факторов возрастает по мере увеличения масштаба исследований и соответствующих геолого-геофизических моделей. При этом можно условно выделить 3 этапа [18]. На I этапе (стадии мелко - и среднемасштабных геолого-геофизических исследований) для решения конкретных проблем экологической безопасности достаточно дополнить существующие и вновь разрабатываемые "геологоразведочные" ФГМ минимальным количеством (вплоть до общетеоретических положений) информации только об опасных природных и техногенных объектах и процессах.
На II этапе (стадия крупномасштабных геолого-геофизических исследований) необходима разработка моделей объектов исследований, которые, с одной стороны, полностью применимы для решения задач указанной стадии геологоразведочного процесса, а с другой стороны, включают "избыточную" геологическую информацию (преимущественно о верхней части геологического разреза, приповерхностных и поверхностных условиях, а также их связей с особенностями глубинного строения земных недр.), в совокупности с информацией о соответствующих по масштабу техногенных объектах и процессах. На этих двух этапах в разрабатываемых моделях доля геологической информации значительно превосходит долю информации о техногенных объектах и процессах. Эти модели могут быть использованы и в геологоразведочном процессе, и при решении природопользовательских задач экологической безопасности [21]. И только на III этапе (стадия детальных геолого-геофизических исследований) в разрабатываемых моделях доля информации о техногенных объектах и процессах становится соизмеримой с долей природной (геологической) информации, а в конкретных ситуациях последняя может быть сведена до минимума. В данной статье будут освещены все три указанные этапа: первый - на примере изучения и оценки сейсмической опасности юга Украины, второй - на примере процесса выработки, проверки и оценки эффективности геофизических перспектив, а третий - на примере оценки геолого-экологических последствий горнодобывающей и других видов деятельности человека.
Мелко - и среднемасштабное глубинное физико-геологическое моделирование при изучении сейсмической опасности районов атомных электростанций юга Украины.
Оценке сейсмичности Восточно-Европейской платформы в последнее время уделяется все большее внимание. Известно, что за последние 200 лет в пределах этой платформы произошло более 120 землетрясений: от довольно сильных, параметры которых определены по макросейсмическим данным, до сравнительно слабых, зарегистрированных в последние десятилетия сейсмическими станциями Украины, Молдовы и России. Однако регионы повышенной сейсмической опасности Украины в настоящее время характеризуются слабой сейсмической изученностью, которая обусловлена не отсутствием сейсмичности, а тем, что существующая здесь сеть сейсмических станций не рассчитана на изучение слабых (M?4,0) землетрясений. Отчасти восполнить дефицит сейсмологической информации позволяет использование комплекса геолого-геофизической информации на основе построения глубинных объемных моделей земных недр. В свете указанного, потенциально тектонически активными зонами (в которых могут происходить различные подвижки) являются области сочленения крупных структур и блоков, контрастных по физико-геологическим параметрам. К потенциально тектонически активным зонам можно отнести области сочленения Украинского щита (УЩ) с Днепрово-Донецкой впадиной (ДДВ) и Причерноморской впадиной, а в пределах УЩ характерно то, что землетрясения (гипоцентры которых здесь характеризуются в основном глубинами 5-10 км) приурочены к Орехово-Павлоградскому, Мало-Янисольскому и другим разломам, разделяющим блоки (структуры) с различными литолого-стратиграфи-ческими комплексами пород [4].
Иерархическое петроплотностное моделирование. Одним из наиболее распространенных геофизических методов для изучения геологического строения исследуемых площадей является гравиразведка. При этом эффективность и достоверность глубинных построений в значительной мере зависит от оптимальности и объективности построения объемных петроплотностных моделей [2]. Несмотря на достигнутые результаты в области интерпретации гравитационных данных [2], отдельные вопросы требуют дальнейшего развития для получения оптимальных решений. Применительно к решению проблем экологической безопасности в центре внимания находятся проблемы аппроксимации геологического разреза от поверхности раздела "земля-воздух" до максимальных глубин современного изучения, а также их оптимальность и экономичность использования конкретных алгоритмов решения прямых и обратных задач гравиразведки в условиях техногенно нагруженных регионов Украины. Рассмотрим пути решения этих проблем на примере создания системы плотностных моделей юго-восточной части УЩ в масштабах от 1: 500000 до 1: 50000, то есть - на нескольких иерархических уровнях: региональном, среднемасштабном и крупномасштабном [3]. Рассмотрим два первых уровня.
1. Региональная плотностная модель масштаба 1: 500000 юго-восточной части УЩ совместно с окружающими ее структурами: с одной стороны, полностью отвечает стадии геофизических исследований, на которой решаются задачи изучения глубинного строения региона, мощности земной коры, морфологии основных плотностных границ в земной коре, выделения и оконтуривания в ней крупных блоков; с другой же стороны, она является базой изучения опасных региональных природных и техногенных процессов. Основой построения этой модели являются результаты глубинных сейсмических зондирований и региональных исследований методом общей глубинной точки (ОГТ), данные исследований магнитотеллурического зондирования (МТЗ), гравитационное и магнитное поля в масштабах 1: 500000.
Полнота освещения с помощью геофизической информации глубинного строения земной коры обеспечивается поэтапным усложнением моделей. Вначале считается, что достоверно известно только две структурные поверхности: z'=hф (х', у') и z'=hм (x',y') - соответственно, кристаллического фундамента и Мохоровичича (М), а построение модели сводится к подбору плотности осадочного слоя sос, земной коры sк и мантии sм при двух указанных фиксированных структурных границах. Величины sос, sк и sм определяются из условия минимума следующего функционала
|| Dg (x,y) - Dgвыч (sос,sк,sм,hф,hм,x,y) || = min, (1)
при ограничениях нижнего и верхнего пределов изменения плотности
sос. н<sос<sос. в; sк. н<sк<sк. в;
sм. н<sм<sм. в (2)
Полученные в результате решения параметры, служат "каркасной" основой модели. Они являются исходными при оценке методом подбора основных параметров функционала на втором этапе
||Dgn изм (x,y,z) - Dgn выч
(sj (x',y',z'),hj (x',y'),x,y,z) || = min (3)
sj н x', y', z') Ј--sj в и
hj н Ј hj (Ј--sj--(x', y') Ј hj в 4)
После того, как на начальной стадии первого этапа гравитационного моделирования найдено положение контактной поверхности z' = hj (x', y'), задано распределение скорости vj (x', y', z') и определена зависимость sj (x', y', z') = sj (vj (x', y', z'), методом подбора определяется распределение аномальной плотности sj (x', y', z') в средней и нижней частях земной коры.
2. На этапе построения среднемасштабных плотностных моделей изучаются неоднородности верхнего этажа земной коры - практически до условной границы Конрада (К2), т.е. выполняется объемное картирование крупных блоков, структур верхней части земной коры с целью детализации модели геологического строения вдоль региональных глубинных сейсмических и электроразведочных профилей; затем выполняется сплошное объемное среднемасштабное петроплотностное моделирование [3]. Корректная постановка прямой задачи гравиразведки на этом этапе моделирования связана с получением решений (параметров тел) той детальности, которая обеспечивается информацией, заключенной в сейсмической и электрической моделях, гравитационном поле и фактических геологических данных изучаемой площади. После получения оптимального решения формируется конечное построение, переводящее параметрическую модель в геологические построения. А полученный от сплошной среднемасштабной объемной петроплотностной модели гравитационный эффект служит фоном для выделения аномалий более высоких порядков, что позволяет все последующие крупномасштабные построения увязать по единому уровню поля и плотностной модели.
В свете выявленных нами экотектонических закономерностей [21] представляют интерес результаты изучения глубинного геологического строения Среднеприднепровского геоблока УЩ. Здесь параллельно с проведением рассматриваемого среднемасштабного плотностного моделирования выполнено двухмерное математическое моделирование кривых МТЗ вдоль сейсмических профилей, что дало возможность установить в ряде случаев корреляцию между зонами электропроводности низов коры и верхней мантии и глубиной залегания поверхности М. Анализ поведения этой поверхности под основными геологическими структурами дал возможность установить взаимосвязь этой поверхности со структурами докембрийского фундамента и осадочного чехла. Привлечение данных о глубинном строении земной коры подтверждает и дополняет результаты первоначального построения экотектонической основы на базе технологии восстановления систем разломов земной коры по комплексу геолого-геофизических данных. Первоначально хорошо проницаемая зона (пересечение большого количества разломов) в районе Верховцевской зеленокаменной структуры уже на ранних стадиях своего развития была интенсивно "залечена" интрузивными новообразованиями, которые "стабилизировали" этот узел разломов, создав "демпфирующую пробку-подушку" в интервале глубин ?5-10 км, и тем самым уменьшили аномальность - подверженность участка проявлениям различных современных процессов в земных недрах [19].
Геолого-геофизическое изучение конкретных потенциально тектонически активных зон юга Украины (на примере Орехово-Павлоградского разлома). Орехово-Павлоградский разлом является шовной зоны между крупными геоблоками УШ: "легким и высокоомным" Среднеприднепровским и "тяжелым и низкоомным" Приазовским. Эта зона является сосредоточением процессов дробления и милонитизации слагающих их пород, в ней развиты исключительно напряженные складчатые деформации (наиболее четко проявлена изоклинальная складчатость с крутым падением осей на восток) и разнообразные проявления магматизма. Для зоны характерны протяженные субпараллельные разломы высоких порядков с преобладанием взбросов и нередко надвигов, которые ориентированы согласно ее простирания, а также многочисленные ортогональные или косоориентированные нарушения. В совокупности те и другие обусловливают блоковый характер внутренней структуры шовной зоны. В соответствии со структурно-физическими неоднородностями земной коры и верхов мантии, степенью отражения их в динамике неоген-четвертичных отложений, а также характеристиками конкретных землетрясений на территории юго-востока УЩ можно предположить 3 типа сейсмогенных зон: с высокой сейсмичностью, к которой приурочены землетрясения с М=4-5 (зоны сочленения УЩ с ДДВ и Причерноморской впадиной), средней - М=3,5-4 (выступающие части щита в ДДВ и Причерноморскую впадину), и слабой, где максимально возможная магнитуда землетрясений оценивается М?3,0-3,5 (рассматриваемый Орехово-Павлоградский и Мало-Янисольский разломы) [4].
В пределах регионов повышенной сейсмической опасности юга Украины находятся Южно-Украинская и Запорожская атомные электростанции, металлургические и химические комбинаты, водохранилища, шахты, крупные городские агломерации, которые развивались без учета возможной местной сейсмичности. Совместимость во времени макро - и микросейсмических процессов с различными техногенными или природными явлениями могут стать спусковым механизмом как локальных, так и региональных катастроф. Например, известно [12], что за 16 секунд до первого взрыва 26.04.1986 г. на Чернобыльской АЭС произошло сейсмическое событие с М=1,4 и эпицентром вблизи станции (?10 км). В результате вибрационно-незащищенная система IV блока АЭС во время технологического испытания подверглась сейсмическому воздействию, что с учетом резонансных эффектов способствовало невозможности ввода графитовых стержней-поглотителей в реактор, остановки процесса разгона реакции, а следовательно, предотвращения интенсивного выделения газов и их взрыва.