Моделирование гравитационного поля при оценке геолого-экологических последствий горнодобывающей деятельности. Добыча полезных ископаемых оказывает многообразное воздействие на природную и, в частности, на геологическую среду. Происходящие изменения в состоянии и свойствах массивов пород и подземной части гидросферы влияют на ландшафты, поверхностные воды, почвы, зону аэрации, атмосферу и через них (а также непосредственно) на экологические системы. Воздействие на окружающую среду и экогеологические последствия горнодобывающих работ на конкретных месторождениях проявляются в разной степени и в различных сочетаниях, в зависимости от особенностей природных условий районов горных разработок и степени воздействия техногенных факторов.
Использование исключительно маркшейдерских данных в условиях сложной горногеологической обстановки разрабатываемого месторождения не дает полной картины о внутреннем состоянии массива горных пород, ограничиваясь данными о геометрии и динамике его отдельных блоков. Неоценимый вклад геофизики в процесс всестороннего изучения внутренних изменений в монолитных, на первый взгляд, массивах горных пород обусловлен ее уникальными технологическими возможностями исследований современных природных и техногенных процессов в земных недрах и контроля за состоянием окружающей среды (дальнодействие, опосредованное обнаружение и изучение объектов, скрытых под экранами любого генезиса). С помощью геофизических методов на эксплуатируемых месторождениях изучается и оценивается значимость происходящих изменений окружающей среды, сравнивается ее нарушенное состояние с фоновыми характеристиками и нормативными показателями, исследуются наиболее интенсивные и опасные техногенные процессы. В [13, 20, 22] подробно рассмотрены два из них: динамику развития подземных пустот и понижение уровня подземных вод. Нами проведены исследовании изменений гравитационного поля, связанных с нарушениями массивов горных пород и изменениями гидрогеологических условий в районе добычи полезного ископаемого открытым способом для целей создания ФТГМ объектов экогеофизического изучения в условиях действующего карьера.
Результаты наших исследований являются основой построения гравитационной части физико-геологической модели предельно-допустимой экологической нагрузки разрабатываемого месторождения и прилегающих территорий в пределах ожидаемой сферы техногенного воздействия и распространения его последствий. Такая модель представляет собой необходимую базу применения гравиразведки для решения широкого круга задач экологической безопасности. В частности, определяется "всплывание" зон разуплотнения, прогнозируется образование провалов и воронок на поверхности земли, что способствует целенаправленному ведению природоохранных мероприятий на участках развития естественных и техногенных подземных пустот; а также уверено фиксируется и изучается изменение уровня подземных вод при решении вопросов устойчивости склонов карьера и отвалов горных пород.
Возможности повышения эффективности решения инженерно-экологических задач с помощью гидромагнитной съемки. Современный уровень научно-технического развития магниторазведки - другого "легкого" геофизического метода - открывает реальную перспективу расширения возможностей традиционных инженерно-геологических и гидрогеологических методов (удешевляя и даже частично заменяя их) в области проблем экологической безопасности. Последнее особенно важно при проведении исследований на акваториях активно действующих портов, дно любого из которых (речного, морского) изобилует большим количеством разнообразного техногенного преимущественно металлического мусора (от отдельных предметов и деталей до полностью затонувших плавсредств), в различной степени затрудняющего движение судов, а также плановые работы и реконструкцию порта. Особо необходимо отметить, что на дне любого европейского порта могут находиться неразорвавшиеся бомбы и другие боеприпасы времен Второй мировой войны. Наличие такого "смертельного металлического мусора" на относительно небольших глубинах (от первых метров до 10-20 м) определяет необходимость и целесообразность проведения детальных поисковых магниторазведочных работ по всей акватории действующих портов.
Сложные условия крупного действующего порта требуют новых приемов формализации исходной и оперативно получаемой магниторазведочной информации, базирующихся на нестандартных (для геологоразведочного процесса) модельных представлениях об изучаемом природно-техническом пространстве. Основной особенностью разрабатываемой нами ФТГМ является попытка максимального учета динамики природно-технической системы (крупного порта). В акваторию крупного речного порта входят: река, которая может распадаться на рукава и каналы, со своими фарватерами и расширениями (поворотными кругами), а также бассейны и гавани с причалами (пристанями, молами). В разрабатываемой модели находят свое отражение пространственно временные вариации магнитного поля как природного происхождения, так и техногенного. Среди первых особое внимание уделяется не вариациям главного магнитного поля Земли (которые учитываются традиционными способами [5]), а специфическим помехам, связанным с суточными приливно-отливными колебаниями уровня воды и соответствующими изменениями расстояния до магнитных масс (за исключением шлюзованных частей акваторий). Эти колебания накладываются - как высокочастотная составляющая - на относительно низкочастотные сезонные колебания. Для речных портов, находящихся на небольшом удалении от моря (океана), колебания уровня воды зависит также от силы и направления ветра на взморье. Эти же факторы оказывают существенное влияние на пространственно-временные вариации скоростей течения, которые в свою очередь активно влияют на процесс (технологию) гидромагнитных исследований в различных частях акватории порта. Важен также ледовый режим порта. В некоторых его частях и в каналах, где в достаточно суровые зимы может образовываться неподвижный ледяной покров достаточной мощности, появляется возможность замены в зимний период гидромагнитной съемки более экономичной "сухопутной" магниторазведкой по льду. Последняя может также быть единственным безальтернативным вариантом магниторазведочных исследований в прибрежной зоне реки.
Разработанная ФТГМ помогает корректировать представления о реальных причинах наблюдаемых на акваториях портов магнитных аномалий, формировать на качественном и количественном уровнях представления о форме, структуре, условиях залегания и основных свойствах аномалиеобразующих природных и техногенных объектов. На основании этой модели осуществляется четкая увязка процессов получения и обработки магниторазведочной информации, определяется круг инженерно-экологических задач, решаемых с помощью магниторазведки, а также методика последней и подходы к интерпретации ее результатов [17, 22].
Моделирование процесса радиологического воздействия горно-металлургического производства на состояние окружающей среды. Любое промышленное производство сопровождается разнообразными внешними и внутренними транспортными вещественными и энергетическими потоками. Обобщенная схема таких транспортных потоков для предприятий перерабатывающей промышленности иллюстрируется на рисунке 1. Сырьевые и энергетические ресурсы - на входе, готовая продукция и отходы - на выходе, вместе с внутренними материальными потоками предприятия образуют сложную разомкнутую транспортную систему, оказывающую существенное разнообразное воздействие на все компоненту окружающей среды. Рассмотрим процесс моделирования транспортных материальных потоков и их воздействие на все компоненты окружающей среды на примере потенциально радиационно опасного производства ДП "Вольногорский государственный горно-металлургический комбинат (ДП "ВГГМК"), который расположен в западной части Днепропетровской области в районе г. Вольногорск.
Основным направлением производственной деятельности комбината является добыча и переработка руды, производство ильменитового, рутилового и цирконового концентратов, алюмосиликатов, формовочных песков, соединений циркония и гафния. В исходном сырье ДП "ВГГМК" (титано-циркониевых песках) содержатся радионуклиды рядов тория и урана. Но в отличии от радиационной обстановки, возникающей в условиях работы с применением искусственных радионуклидов, на предприятиях редкоземельной промышленности и, в частности, ДП "ВГГМК", речь идет скорее не о радиационной опасности, а о необходимости организации безопасных условий труда при встрече с нежелательными радиоактивными примесями, от которых в процессе работы необходимо избавляться. В результате сложного многоэтапного технологического процесса получения двуокиси циркония на ДП "ВГГМК" существует возможность радиоактивного загрязнения практически всех компонентов окружающей среды. Особенностями производства, влияющей на радиационную обстановку, являются: относительно низкая удельная активность перерабатываемых материалов при их больших количествах на рабочих местах; сложные многоступенчатые процессы переработки, включающие пылящие и высокотемпературные операции; высокая степень зависимости потенциальной радиационной опасности от характера технологического процесса.
На рисунке 2 приведены основные вещественные потоки в системе производственной деятельности ДП "ВГГМК", с разделением на радиационно безопасные и потенциально радиационно опасные. Нами обобщены сведения о возможностях попадания радионуклидов из отходов ДП "ВГГМК" в следующие компоненты окружающей среды - геологическую, воздушную среду и водную среду, которые в свою очередь являются источниками - проводниками радионуклидов в почву, а затем в растительность и сельхозпродукцию, а также человека. На основании проведенных исследований разработан комплекс мероприятий (охранных (мониторинг), защитных (планировочных) и компенсационных) по обеспечению нормативного состояния окружающей среды и экологической безопасности, а также разработанные модели процесса радиологического воздействия горно-металлургического комбината на окружающую среду были в дальнейшем использованы при реконструкции, расширении и создание нового производства. Разработанная в 1998-1999 гг. на примере ДП "ВГГМК" модель процесса радиологического воздействия горно-металлургического производства на компоненты окружающей среды была положена нами в 2001-02 гг. в основу оценки воздействия на окружающую среду объектов реконструкции и новых производств на территории ДП "ВГГМК": реконструкции отделения получения коллективного концентрата на обогатительной фабрике комбината и строительства завода цирконовых огнеупоров на территории промплощадки ДП "ВГГМК". Опыт наших исследований и моделирования процесса радиологического воздействия ДП "ВГГМК" на состояние окружающей среды является основой заключения о том, что вид и уровень воздействия реконструированного отделения обогатительной фабрики и завода цирконовых огнеупоров не окажет экологически опасных изменений в радиационной обстановке окружающей среды.
Рисунок 2. Основные вещественные потоки в системе производственной деятельности ВГГМК 1 - радиационно безопасные потоки; 2 - потенциально радиационно опасные потоки
Примеры решения локальных задач экологической безопасности с помощью комплекса геофизических методов. К настоящему времени накопленный положительный опыт решения вопросов геофизики техногенно-экологической безопасности на региональном уровне является базой успешного решения разнообразных локальных инженерно-экологических проблем на основе геофизического изучения оползней, просадок грунта, подтопления и других опасных в экологическом отношении геологических процессов в пределах городских агломераций и природно-техногенных комплексов с уже сложившимся хозяйственной инфраструктурой и уровнем загрязнения окружающей среды. В [1, 11] рассмотрены конкретные примеры результатов таких исследований на территории Днепропетровской области и Николаевской областей: изучения оползнеопасных склонов; изучения подтопленных территорий; выявления и оконтуривания погребенных свалок; исследований в ходе строительства метрополитена; исследований мест погребения отходов шахтных пусковых установок.
Еще одним примером эффективного использования геофизической из формации при решении инженерно-экологических задач является "экологическое" использование данных разведочной геофизики в районах освоения нефтегазовых месторождений на территории развития многолетней мерзлоты [7, 8]. На всех стадиях геологоразведочных работ (поисковой, разведочной, детализационной) геофизики вынуждены заниматься проблемой изучения верхней части геологического разреза (ВЧР), которая не несет полезной разведочной информации и относится к разряду помехообразующих (искажающих) факторов за счет больших вариаций физических свойств горных пород. Мощность ВЧР в различных регионах варьирует от первых десятков до сотен метров (например, в районах развития толщи реликтовой многолетней мерзлоты). Именно такая ситуация имеет место, например, на территории Ямало-Ненецкого АО (Россия), которая характеризуется в региональном плане повсеместным развитием криогенеза с "мозаичным" трудно прогнозируемым строением мерзлой толщи как вглубь по разрезу (до глубины ?500 м) так и по латерали. Здесь требование к детальности изучения строения ВЧР возрастает по мере увеличения необходимой детальности решения поставленных геологических задач. Однако после учета и исключения искажающего влияния информация о строении ВЧР, как правило, не используется ни в процессе последующей интерпретации, направленной на изучение строения интересующих геологов глубинных объектов, ни для каких-либо иных целей. Со временем в районах проведения геологоразведочных исследований производятся инженерно-строительные работы по созданию промышленных объектов и коммуникаций с целью эксплуатации выявленных месторождений. Им предшествует обязательный этап инженерно-геологических изысканий, основная задача которых заключается в обеспечении устойчивости и сохранности проектируемых сооружений при длительных эксплуатационных нагрузках без каких-либо опасных деформаций. Однако, как правило, эти инженерно-геологические исследования носят дискретный характер и позволяют изучить массивы пород лишь в отдельных точках и на ограниченную глубину. Существенной особенностью современных сейсморазведочных данных является то, что они получаются по всей исследуемой площади с высокой степенью пространственной дискретизации (до 25Ч25 м). Такие площадные данные о строении и свойствах пород ВЧР являются базой для проектирования детальных геофизических исследований "легкими" методами, дополнение и уточнение которых редким реперным каркасом из точек инженерно-геологических изысканий может послужить надежной основой при проектировании инженерно-строительных работ на конкретных участках. Предлагаемый комплексный подход значительно сократит объем дорогостоящих инженерно-изыскательских работ при существенном повышении их достоверности, надежности и полноте получаемой информации. Учитывая огромный накопленный объем сейсморазведочных исследований и плотность покрытия территорий такими исследованиями, эта информация может стать базовой для проектирования детальных комплексных геофизических (грави-, магнито-, электроразведочных) исследований инженерно-экологической направленности и последующего создания подробных инженерных карт и разрезов при проектировании инженерно-строительных работ, а также при прогнозировании возможных экологических последствий воздействия проектируемых сооружений на окружающую среду. Причем заказчиком такого комплексного подхода изучения ВЧР могут выступать сами добывающие компании, ранее заказавшие проведение сейсморазведочных работ на своих лицензионных участках, т.к. для них в случае последующего сооружения промышленных коммуникаций и инфраструктуры предоставляется реальная возможность существенной экономии средств на инженерные изыскания, и, как следствие, повышение рентабельности проектов и снижение себестоимости добываемых полезных ископаемых. При таком комплексном исследовании снижается риск экологических просчетов при проектировании и эксплуатации возводимых инженерных сооружений.