6. Дистанционные методы в эколого- геологическом картографировании

В последние годы отмечается все возрастающее воздействие техногенеза на геологическую среду. Существенные изменения верхней части литосферы вызваны интенсивной разработкой полезных ископаемых шахтным (калийные соли, каменный уголь и др.) и карьерным (минеральные стройматериалы, карбонатное сырье и др.) способами, добычей нефти и газа, эксплуатацией подземных вод, проведением широкомасштабной мелиорации земель, сооружением водохранилищ и иной инженерно-хозяйственной деятельностью. В пределах таких территорий создалась напряженная ситуация, а в некоторых – экологически кризисная.

Для оценки эколого-геологической обстановки, в первую очередь в районах с высокой техногенной нагрузкой, широко применяются методы дистанционного зондирования. Они позволяют получить объективную информацию о состоянии и ходе развития геологической среды. По МДС устанавливаются просадки земной поверхности над шахтными выработками, изменения геосистем в районах добычи полезных ископаемых карьерным способом, экзогенные процессы в зонах водохранилищ и в районах мелиорации земель, а также другие проявления техногенеза, протекающие в ряде случаев с большой скоростью. Составленные по аэрокосмическим данным эколого-геологические карты являются необходимым картографическим обеспечением в решении проблем геоэкологии и рационального природопользования.

Дистанционные эколого-геологические исследования обеспечиваются информативным комплектом МДC. КС регионального уровня генерализации позволяют изучать крупные тектонические структуры с ярко выраженной современной геодинамикой и наложенной хозяйственной деятельностью. Космическая информация пригодна в основном для целей обзорного и мелкомасштабного картографирования. При создании эколого-геологических карт среднего масштаба используются КС и высотные АФС локального уровня оптической генерализации, обеспечивающие построение моделей отдельных элементов структурных форм с проявлениями техногенной экзодинамики, а также зон экологических катастроф на значительных площадях. Детальные AФC способствуют проведению крупномасштабного картографирования отдельных районов с развитием активных экзогенных процессов, в том числе вызванных интенсивной хозяйственной деятельностью, участков городских агломераций, экологически опасных очагов, зон катастроф и крупных аварий.

Рис. 23.Заболачивание геосистем (1) над шахтными выработками в зоне подтопления Солигорского водохранилища. Фрагмент цветокодированного космического снимка

Главный методический принцип дистанционных эколого-геологических исследований состоит в пространственно-временном подходе к дешифрированию техногенных трансформаций геологической среды на основе всестороннего использования разновременной и многоуровенной аэрокосмической информации. Такой подход предполагает: 1) анализ МДC, полученный при аэрофотосъемке и космическом фотографировании в различных спектральных диапазонах; 2) исследование разновременных, особенно разносезонных снимков одного года съемки; 3) изучение разногодичных изображений с интервалом 5–7 лет, выполненных для одного сезона при одинаковых технических параметрах. По данным дешифрирования составляются карты современного состояния геологической среды, динамики техногенных процессов, служащие базовыми для создания геоэкологических моделей, комплексных схем рекомендуемых мероприятий по охране и рациональному использованию природной среды.

Дешифрируемые техногенные процессы разделяются по характеру участия в них человека, ареалу распространения, степени воздействия на геологическую среду и особенностям отражения на МДC. И. В. Кузьминой выделены две группы процессов, вызванные хозяйственной деятельностью: эуантропогенные и семиантропогенные. Явления первой группы от начала и до конца управляются и направляются человеком (сооружение шахт, дамб, выемка грунта и т. п.). В группе семиантропогенных процессов техногенные элементы создают лишь исходную ситуацию, а дальнейшее их развитие протекает под влиянием естественных факторов (например, процессы заболачивания в зоне водохранилища). Наиболее информативны методы дистанционной индикации при изучении семиантропогенных процессов, развивающихся по подобию природных явлений.

В зависимости от пространственного соотношения очага нарушений с геологической средой определены сферы непосредственного и опосредованного влияния техногенных процессов. Непосредственное воздействие наблюдается в том случае, если экологический фон не имеет каких-либо искусственных границ (сооружений) между собой и источником процесса. При опосредованном влиянии такие рубежи существуют.

Воздействие техногенеза на геологическую среду проявляется неодинаково. Слабое влияние ограничивается трансформацией почвенно-растительного покрова. В этом случае внутриландшафтные взаимосвязи существенно не нарушаются. Активная хозяйственная деятельность связана со значительными изменениями геолого-геоморфологической основы природного комплекса, приводящими к перестройке всей его структуры. Разная степень генерализации аэрокосмических фотоизображений обеспечивает плавность перехода от изучения техногенных трансформаций в отдельных очагах до картографирования подобных нарушений в пределах целых регионов.

Б. В. Виноградовым установлены три категории техногенных воздействий, различающихся по особенностям отражения на МДС. Первая включает процессы синхронные со съемкой: подтопление территории вблизи дамб и т. п. Техногенные формы, образовавшиеся в течение предшествующих съемке сроков – карьеры, водохранилища и другие, отнесены ко второй категории. Для третьей типичны древние антропогенные ландшафты, сформировавшиеся за длительный период времени, например, массивы оврагов в пределах Новогрудской возвышенности, появившиеся в результате нерационального землепользования на протяжении последних столетий.

С. А  Сладкопевцев, оценивая дистанционные методы эколого-геологических исследований, подчеркивает, что информация о техногенном загрязнении и нарушенности глубоко залегающих горных пород и подземных вод на МДС практически отсутствует. Весьма эффективны результаты дешифрирования только почв и особенности рельефа. Аэрокосмические снимки дают ценные сведения главным образом о нарушенности таких компонентов геологической среды, как рельеф, покровные отложения, грунтовые воды и почвы; гораздо менее информативны в отношении техногенного загрязнения поверхности литосферы.

В качестве примера эколого-геологического дешифрирования МДС рассмотрим оценку экзодинамики геосистем прибрежной зоны Солигорского водохранилища, расположенного на юге Минской области. Техногенные процессы вблизи этого искусственного водоема изучались по материалам разновременных аэро- и космических снимков, полученных в видимом, инфракрасном и радиоволновом спектральных диапазонах в период с 1969 по 2002 г. Подобный подход позволил выявить пространственно-временные закономерности эволюции геосистем под влиянием водоема.

Солигорское водохранилище создано в 1967 г. и является источником производственного водоснабжения РУП "Беларуськалий". Искусственный водоем имеет длину 24 км, ширину около 1,5 км и при нормальном подпорном уровне площадь водного зеркала составляет около 23,1 км². Следует отметить, что ведение горных работ под самим водохранилищем и прилегающей к нему территории привело к активизации экзогенных процессов в геосистемах. Среди широкой группы экзодинамических явлений высокой мобильностью отличаются процессы антропогенного (вторичного) заболачивания над шахтными выработками (рис. 23). В данном случае естественное подтопление прибрежных геосистем усиливается оседанием земной поверхности в пределах мульд сдвижения горных пород.

В области непосредственного влияния Солигорского водохранилища на прибрежные геосистемы отчетливо выделяется площадь водоема, дешифрирующаяся по темно-серому, почти черному тону аэрокосмоизображения. В прибрежной полосе отмечаются луговозлаковые сообщества: частуха подорожниковая (Alisma plantago-aquatica L.), манник водный (Glyceria aquatica L.) и др., произрастающие на тонко- и мелкозернистых частично наносных песках. Уровень грунтовых вод залегает здесь на глубине около 0,2–0,3 м. Подобные геосистемы различаются на фотоснимках в виде узких светлых полос однородного рисунка аэрокосмоизображения.

Процессы антропогенного заболачивания наиболее отчетливо обнаруживаются по комплексу ландшафтных индикаторов на участках проявления мульд сдвижения горных пород. В этом случае в днищах понижений, образовавшихся над отработанным геологическим пространством, наблюдается усиление процесса болотообразования. В геосистемах формируются осоково-пушицевые и крупноосоковые сообщества, дешифрирующиеся по однородному рисунку и светло-серому тону аэрокосмоизображения.

По данным дистанционного зондирования отчетливо выделяются геосистемы в пределах подтопленной поймы р. Случь. Процессы подтопления и заболачивания обнаруживаются на снимках по различному фототону, который изменяется от темно-серого, почти черного до серого. На участке поймы, залитой водой (глубина 0,5–1,5 м), формируются растения с плавающими на поверхности листьями: кувшинка белая (Nymphaea alba L.), кубышка желтая (Nuphar luteum L.), горец земноводный (Polygonum amphibium L.) и др.

В условиях низкой поймы, не залитой водой, развиваются разнотравно-осоковые сообщества: осока острая, дернистая, пузырчатая (Carex acuta L., C. caespitosa L., C. vesicaria L.), хвощ топяной (Equisetum palustre L.) и др. Мощность торфа здесь 0,3–1,0 м, уровень грунтовых вод залегает на глубине 0,2–0,5 м. На снимках геосистемы низкой поймы различаются по однородному, иногда с мелким крапом (за счет кочкарникового нанорельефа) рисунку и темно-серому фототону.

Преобразование геологической среды, вызванное техногенезом, требует внедрения систематических последовательных наблюдений за ее состоянием. Важнейшим направлением в этой системе является аэрокосмический мониторинг, предусматривающий регламентированные периодические дистанционные исследования пространственно-временных изменений геологической среды под воздействием природных и техногенных факторов. Современный этап развития дистанционных эколого-геологических исследований характеризуется внедрением автоматизированных методов дешифрирования аэро- и космических снимков. Для количественной оценки состояния природной среды предпочтение отдается обработке исходной цифровой дистанционной информации.

Эколого-геологическое картографирование. Развитие дистанционных методов в экогеологии тесно связано с разработкой на основе аэрокосмической информации картографических моделей состояния геологической среды в условиях техногенеза. Эколого-геологическое картографирование – процесс создания карт (моделей) экологического содержания по данным дистанционного зондирования, геолого-съемочным материалам и другим источникам экогеоинформации (графическим, цифровым, текстовым), характеризующим состояние и тенденции изменения верхней части литосферы. В данном случае достигается возможность получения наглядных высокоинформативных документов, отражающих эколого-геологическую обстановку, и служащих основой для прогноза техногенных процессов, разработки рекомендаций и мероприятий по их предупреждению, ослаблению и ликвидации нежелательных инженерно-геологических и экологических явлений и их последствий.

Применительно к области древнематерикового оледенения методические приемы эколого-геологического картографирования будут различными для следующих регионов: 1) с мощной (50–250 м и более) четвертичной толщей; 2) с маломощной (до 50 м) четвертичной толщей, залегающей на дочетвертичных осадочных породах; 3) с маломощной (до 50 м) четвертичной толщей, залегающей на протерозой-архейских породах кристаллического фундамента.

Назначение и содержание эколого-геологических карт определяются прежде всего масштабом картографирования и объектом экологического анализа. Составление таких карт осуществляется на трех масштабных уровнях: 1) региональном (мелкомасштабном); 2) локальном (среднемасштабном); 3) детальном (крупномасштабном). Первый уровень предполагает создание карт геоэкологического содержания масштаба 1:1 000 000–1:500 000 в пределах крупных регионов на основе мелкомасштабной тематической геоинформации ранее проведенных работ с использованием дистанционных методов исследований. Подобные карты могут быть полезными для выработки стратегии природопользования в регионах. Эколого-геологические карты масштаба 1:200 000–1:100 000 составляют второй уровень. Они создаются на основе средне-масштабных эколого-съемочных работ и другой информации. Эти модели служат для выявления проблемных ареалов, где целесообразно проводить более детальные исследования.

Третий уровень объединяет крупномасштабные (1:50 000–1:25 000 и крупнее) карты геоэкологического содержания, которые составляются как во время крупномасштабных специализированных эколого-съемочных работ, так и на основе материала ранее проведенных исследований. На базе таких карт могут быть выделены экологически опасные очаги или конфликтные участки, требующие более углубленного изучения. Детальные карты составляются для горнорудных и промышленных районов, крупных инженерных сооружений (АЭС, химзаводы и т. п.) при различных экологических ситуациях.

Особую роль играют дистанционные методы при среднемасштабном эколого-геологическом картографировании отдельных территорий, испытывающих заметную техногенную нагрузку на геологическую среду. Итоговой моделью подобных построений является эколого-геологическая карта масштаба 1:200 000, основу которой представляет районирование территории по ее экологическим параметрам с учетом природных и техногенных трансформаций геологической среды. Такая карта является синтетической, обобщающей многочисленные характеристики геологической среды и техногенного воздействия.

Сведения эколого-геологического содержания могут быть получены путем анализа предварительно составленных вспомогательных картографических моделей: 1) геодинамической схемы новейшего этапа; 2) ландшафтно-геоморфологических комплексов; 3) проявлений экзогенных геологических процессов; 4) защищенности подземных вод; 5) объектов техногенного воздействия и изменений различных компонентов природной среды (атмосферного воздуха, почв, пород зоны аэрации, поверхностных и подземных вод и др.). При этом создание эколого-геологической карты заключается не в механическом суммировании отдельных геопараметров, а в системном анализе разнородной информации о пространственно-временных закономерностях развития геологической среды.

Основное содержание эколого-геологической карты масштаба 1:200 000 и легенды к ней в общем виде сводится к картографическому отображению природных и техногенных факторов динамики геологической среды, показу районов (областей) с различной экологической обстановкой, а также охраняемых природных территорий и объектов. Легенда к карте строится в виде матрицы.

Эколого-геологическая карта отражает четыре блока экогеоинформации: 1) ведущие факторы динамики геологической среды; 2) состояние геологической среды по природным факторам; 3) состояние геологической среды по техногенным факторам; 4) охраняемые природные территории и объекты. Главную смысловую нагрузку на карте определяют три степени состояния геологической среды: 1) благоприятное; 2) умеренно благоприятное; 3) неблагоприятное.

Основным объектом среднемасштабного картографирования является геоэкологический район, объединяющий территории с ландшафтами одного вида, одинаковым характером мезоформ рельефа, определенными типами почвогрунтов и растительными группировками на уровне групп ассоциаций, а также с однообразным экологическим состоянием геологической среды. В свою очередь, районы объединяются в геоэкологическую область, которая представляет собой территорию с общими ландшафтными особенностями (ландшафты одного рода, однообразные по генезису и времени образования) и одинаковой экологической обстановкой, сформировавшейся в результате однотипного техногенного воздействия. В завершенном виде эколого-геологическая карта отражает ведущие природные факторы динамики геологической среды, характер ее экологического состояния как по природным показателям, так и по интенсивности проявления техногенеза.