Моделирование природных систем

Положение 3. На промышленно-урбанизированных площадях происходит техногенная трансформация химического состава депонирующих сред. С помощью аппарата математической статистики разработаны критерии обнаружения техногенных аномалий и количественно оценен вклад природных, природно-техногенных и техногенных процессов в общую информацию о техногеосистеме (глава 4).

Наряду с некоторыми природными факторами, техногенная деятельность рассматривается как одна из самых мощных современных геологических сил, преобразующих земную кору, модифицирующих физические и химические поля, формирующих новые структурные элементы. Активная переработка геологического пространства под воздействием техногенеза приводит к формированию в глобальном масштабе в гидролитосфере совершенно новой триады элементов «порода – вода - техногенные образования» - техногенной коры выветривания. Последняя наиболее приспособлена к условиям техногенно-преобразованной окружающей среды, а агентами выветривания здесь, наряду с природными физическим, химическим и биологическим факторами, являются антропогенный и техногенный. Наиболее динамичным элементом техногенной коры выветривания является гидросфера, где зарождается водоносный современный техногенный ареал (Сунгатуллин, 2009), отвечающий участкам антропогенного изменения подземной гидросферы. Пространственная форма водоносного ареала в виде вертикального цилиндра отличает его от природных пластообразных гидростратиграфических подразделений.

Установлено, что техногенез и урбанизация способны ускорить естественный круговорот веществ, включая и химические элементы в гидросфере. На промышленно-урбанизированных площадях РТ установлена техногенная трансформация химического состава гидросферы с формированием техногенного водоносного ареала (Сунгатуллин, 2007, 2009). Например, добыча углеводородов и нефтепромысловые сооружения на юго-востоке РТ за 50 лет привели к наиболее масштабным техногенным изменениям подземной гидросферы (Ибрагимов, 2007). Извлекаемые попутно с нефтью крепкие хлоридные натриевые рассолы способствовали образованию многочисленных техногенных минерализованных родников. Если в начале 70-х годов прошлого столетия на территории РТ в зоне активного водообмена не было выявлено ни одного водопункта с водами хлоридного типа, то в настоящее время на площади нефтяных месторождений такие воды встречаются повсеместно, при этом содержание хлоридов в них значительно превышает 1 г/л (рис. 6).

Важным аспектом изучения вод техногенного ареала являются критерии их выделения. Нами выборка вод техногенного происхождения осуществлялась с помощью методов математической статистики на примере минеральных вод РТ (Сунгатуллин, 2006, 2009). Кластерный анализ выявил «техногенную» и «природную» группы компонентов. В первую группу вошли хлор, натрий, калий, а вторую составили кальций и сульфат-ион. При этом поведение химических компонентов в водоносном техногенном ареале и в природных гидростратиграфических подразделениях существенно различается (рис. 7). В отличие от природных вод, воды техногенного ареала не обладают вертикальной гидрохимической зональностью, т. е. являются азональными. Ареал отличается

 
от природных минеральных вод повышенной (в среднем в 2 раза) минерализацией и преимущественно сульфатно-хлоридным магниево-натриевым составом. В настоящее время около 25 % минеральных вод РТ в зоне активного водообмена образовались за счет техногенной трансформации химического состава природных вод.

На примере типичных промышленно-урбанизированных площадей РТ рассмотрены взаимоотношения природных и техногенных процессов. Например, состав техногенно-преобразованных вод в Приказанском районе изменяется в разрезе сверху-вниз следующим образом: (НCO3-SO4–Ca-Na)→(SO4-НCO3-Mg-Ca)→(НCO3-SO4–Na-Mg-Ca)→(SO4-Ca). Это обусловлено в основном заполнением Куйбышевского водохранилища и подъемом уровня подземных вод, которые замедлили водообмен между приповерхностными водоносными горизонтами и способствовали подтоку минерализованных вод снизу, а также резким ростом промышленной деятельности в 60-80-е годы прошлого столетия (индустриальный этап развития г. Казань) и поступлением в подземную гидросферу «сверху» дополнительных химических компонентов. Данные факторы трансформировали природный химический состав подземных вод и привели к формированию здесь водоносного техногенного ареала. Ретроспективный анализ изменения содержаний химических компонентов показал, что до середины 50-х годов XX века состав подземных вод формировался за счет природных особенностей гидролитосферы. Существенные изменения произошли при заполнении Куйбышевского водохранилища (рис. 8). В течение 5-6 лет гидросфера адаптировалась к поднявшемуся уровню вод, что выразилось в значительном росте общей жесткости (в 3 раза) и содержаний железа (в 100 раз). Наиболее существенные изменения подземной гидросферы произошли в начале 1960-х годов. Антропогенно-измененный период, продолжающийся более 50 лет, отразился в резком повышении сухого остатка (в 5 раз по сравнению с природным периодом), сульфатов (в 10 раз), общей жесткости (в 4 раза), железа (в 50-150 раз). В настоящее время отмечается этап стабилизации трансформированного состава подземных вод (см. рис. 8), который сохранится в ближайшем будущем, так как растворы сульфатных солей относятся к очень стойким и медленно распадающимся соединениям со временем распада в десятки и сотни лет (Гольдберг, 1983). Таким образом, в Приказанском районе основным пусковым механизмом трансформации состава подземной гидросферы послужило создание Куйбышевского водохранилища.

Впервые для территории РТ автором показана эффективность применения статистических методов для разделения природных и техногенных ассоциаций химических элементов в геологических объектах с целью решения экологических задач. Сопряженное опробование донных осадков на территории РТ позволило сопоставить распределение химических элементов и областей развития техногенных объектов. Например, в илистой фракции повышены содержания Al, Ti, Fe, Mn, P, Mg, K, а в песчаной фракции - Si, Ca, Na (Сунгатуллин, 2005). Факторный анализ макрокомпонентов выявил факторы, отвечающие за их природные и техногенные особенности. Созданные модели и экологическая интерпретация результатов статистической обработки выделяют техногенный фактор донных осадков, основной вклад в который вносят Mn, P и Na, что подтверждается совпадением аномалий данных элементов с площадями развития техногенных объектов. Распределение микроэлементов в донных осадках показало (Сунгатуллин, 2007), что в илистой фракции концентрируется бóльшая часть из изученных 47 элементов. В песчаной фракции повышены содержания Co, Cr, Sn, Sr, Hg. Статистическими методами выделены природная, техногенная и природно-техногенная группы элементов. Природные особенности характеризуются V, Sc, Ti, Zr, Y, Yb, Ba, Be; к элементам преимущественно техногенного происхождения относятся Mn, P, As, Sn, Nb, а смешанного генезиса - Zn, Pb, Cu, Ni, B, Li, Ga, Co. Распределение микроэлементов показало их зависимость от гранулометрического состава донных осадков и от типа техногенных объектов.

Статистическая обработка геохимических данных с применением факторного анализа позволила выявить факторные нагрузки в потоках рассеяния. С учетом геохимических особенностей элементов, геологического строения и особенностей техногенных объектов, каждый из факторов получил экологическую интерпретацию. Модели геохимических полей, созданные по факторным нагрузкам, системно представляют информацию по всем химическим элементам в виде интегральных моделей. При этом наиболее отчетливо выражена связь интегральной модели «техногенного» фактора со степенью антропогенной нагрузки. На примере территории РТ показана возможность использования систематизированной информации по распределению химических элементов в промышленно-урбанизированных регионах для эколого-геохимического мониторинга, а выделенные природные, техногенные и природно–техногенные ассоциации элементов способствуют решению разнообразных прикладных и теоретических задач.

Некоторые взаимоотношения биотических и абиотических параметров в техногеосистемах рассмотрены на примере почвенного и растительного покровов Набережно-Челнинской площади РТ (Сунгатуллин, 2009). Биогеохимические исследования показали взаимосвязанное поведение элементов в данных средах. В дерново–подзолистых, лесных и черноземных почвах выделяют два уровня концентрации химических элементов – горизонты С2 и А1. Среди растений основным концентратором химических элементов и, соответственно, биоиндикатором является мох, в золе которого установлены аномальные содержания 19 элементов. Факторный и кластерный анализы позволили выделить в почвах и растительности параметры, характеризующие природный субстрат (материнскую породу), биологическую и антропогенную составляющие. Наиболее выражен «литофильный» геохимический фактор, основную нагрузку которого формируют породообразующие элементы Fe, Ti, Al. Именно состав пород является определяющим фактором геохимического облика растений и почв. Элементы второй группы (Ca, Na, P, Sr, Mg, Mn, Ba и др.) играют важную роль в жизнедеятельности растений, и их можно выделить как биофильные элементы. Наконец, третья (технофильная) группа объединяет Pb, Cr, Ni, Mo, Ga, Ge, Co, As, Cu, которые связаны с деятельностью промышленных и урбанизированных объектов, поступая в растения с пылью, атмосферными осадками и подземными водами. Выявлена зависимость между химическим обликом пород, почв и растительных сообществ, что подтверждает взаимообусловленность процессов в пределах отдельных ландшафтов. Причем вклад «литологического» фактора в химический состав почв и растительности, по сравнению с биофильным и технофильным факторами, является доминирующим и составляет более 60 %.

Создание эколого-геохимических моделей позволяет принципиально сравнивать результаты различных видов анализов и опробования. Например, по результатам мониторинговых работ на промышленно-урбанизированных площадях РТ установлено: совпадение содержаний химических элементов в донных осадках с гидрохимическими полями (Сунгатуллин, 2001); взаимосвязь между подземными и поверхностными водами (Сунгатуллин, 2008, 2009); общие тенденции поведения элементов в подземной гидросфере и почвах. Все это свидетельствует о влиянии техногенеза на разные геосреды.

Положение 4. Техногенные месторождения нефти и минеральных вод на промышленно-урбанизированных территориях характеризуются относительно высокой в геологическом масштабе скоростью формирования, что позволяет увеличить минерагенический потенциал регионов (глава 7).

В XXI веке использование техногенных месторождений будет рассматриваться как одно из стратегических направлений развития минерально-сырьевого комплекса России. Поэтому в последние годы проблемам формирования, изучения и переработки техногенных месторождений уделяется значительное внимание (Воробьев, 2001; Гаев, 1996; Макаров, 2006; Трубецкой, 2008; Чайников, 2001 и др.). Особенно интересны такие исследования для регионов, где история горнодобывающей промышленности и, соответственно, формирования техногенных месторождений насчитывает многие десятилетия и столетия. К подобным регионам относится и РТ, где еще в XVIII веке сформировались техногенные месторождения - отвалы при добыче медных руд. К настоящему времени на территории республики накоплены сотни миллионов тонн отходов минерального сырья, однако они практически не исследовались с точки зрения техногенного сырья. На территории РТ к первоочередным объектам подобного изучения можно отнести промышленно-урбанизированные территории, так как освоение здесь техногенных месторождений решает многие экономические, социальные и экологические задачи.

В геологическом пространстве промышленно-урбанизированных территорий формируются структуры, в которых наблюдаются неоднородности теплового, химического, физического, техногенного и других полей. Поэтому здесь выделяются технофлюидные ячейки с мощным совместным проявлением техногенеза и минерагенического потенциала (Сунгатуллин, 2009). Обмен веществом в подобной ячейке обусловлен физическим механизмом вертикального тепло- и массопереноса при миграции флюидов снизу вверх (природное направление) и сверху вниз (техногенное направление). Вертикальный перенос флюидов обусловливает дестратификацию геологического пространства и азональность природного вещества с образованием техногенных месторождений полезных ископаемых за счет переработки природного вещества, а радиально-латеральные массоэнергопотоки играют ведущую роль в распространении антропогенных и техногенных воздействий. Следовательно изучение технофлюидных ячеек может привести к познанию роли техногенеза в образовании техногенных месторождений и проявлений, а также его влиянии на круговорот вещества и энергии. Подобные ячейки являются не только каналами распространения природного вещества и энергии, но и источником антропогенного изменения окружающей среды, т. е. эталонными объектами геопатогенных зон и межгеосферного обмена веществ (Востоков, 2007; Лузгин, 2007 и др.).

К настоящему времени актуальной проблемой является открытие новых залежей углеводородов в традиционных нефтегазоносных регионах и, в частности, в РТ. В современной флюидодинамической концепции формирования в земной коре широкой гаммы полезных ископаемых, включая месторождения углеводородов в пределах древних платформ, флюидным растворам отводится главная роль (Соколов, 1999). Мигрирующие снизу вверх флюиды являются мощными тепломассоносителями и реализуют механизм конвекции в пределах участков тектонических напряжений и зон повышенной вторичной проницаемости. За счет прорывов энергоемких флюидов по вертикали формируются многопластовые залежи. Следует учитывать возможность переформирования углеводородной залежи за счет естественного и

 
искусственного воздействий на природный нефтяной пласт за очень короткий период времени и даже в течение нескольких лет (Гаврилов, 2008), что соответствует, например, возрасту месторождений пресных подземных вод. С другой стороны, области проявлений техногенно-индуцированных землетрясений на востоке РТ могут послужить объектами поисков промышленных скоплений нефти, так как динамика литосферы и сейсмичность напрямую связаны с процессами перераспределения флюидов в пространстве (Адушкин, 2005). Период проходки сотен тысяч скважин на нефтеперспективных площадях РТ составляет более 60 лет. Поэтому вероятность возникновения в технофлюидных ячейках вторичных техногенных залежей углеводородов в надпродуктивных горизонтах за счет техногенно-обусловленного флюидного потока существенно возрастает (рис. 9). В подобных структурах образуются инъекции углеводородов и рассолов в верхние структурные этажи. Факты флюидного «загрязнения» подземной гидросферы нефтепродуктами, хлоридами, сульфатами могут указывать на возможность обнаружения техногенных месторождений углеводородов и минеральных вод в кайнозойско-верхнепалеозойской части осадочного чехла территории РТ, что значительно расширяет горизонты поисково-разведочных работ на старых нефтепромыслах.

Изучение промышленно-урбанизированных площадей позволило автору выделить три технофлюидные ячейки на территории РТ (рис. 10), с которыми связано большинство месторождений полезных ископаемых. Данные ячейки со временем расширяются, формируя сложные экогеосистемы взаимодействующих лито-, гидро-, био- и техносфер. Ячейки обладают тектонической раздробленностью, геодинамической подвижностью, повышенным тепловым потоком и флюидопроницаемостью, т. е. характеризуются аномальностью экологических обстановок, что предопределило и приуроченность к подобным структурам городов и крупных промышленных объектов. Кроме того, на территории РТ можно прогнозировать выделение еще трех ячеек. Такое предположение основано на перспективности освоения в одной из таких ячеек (граница Мелекесской впадины и Южно-Татарского свода) крупнейших запасов битумов России. Кроме того, в «битумной ячейке» имеются месторождения каменных углей, разнообразные проявления минеральных питьевых вод, которые могут явиться основой создания курортно-санаторной сети республиканского и федерального значения (Сунгатуллин, 2008). Во второй из перспективных ячеек, расположенной в купольной части Северо-Татарского свода, возможно обнаружение нефтяных месторождений и проявлений. И, наконец, в третьей ячейке (Казанско-Кировский прогиб) расположены крупные месторождения гипса, минеральных вод, проявления серы и поделочных камней. Таким образом, в пределах выделенных технофлюидных ячеек на территории РТ можно прогнозировать обнаружение месторождений разнообразного техногенного сырья, образованного за счет антропогенного и техногенного изменений гидролитосферы.