CC BY
315
УДК 504.064:662
АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ СОСТОЯНИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ КМА: ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ, СТРОЕНИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
В статье рассмотрены общие методологические и организационнотехнические проблемы создания аэрокосмического мониторинга состояния геологической среды на активно разрабатываемых железорудных месторождениях КМА. Выявлены основные факторы, определяющие содержание и структуру ведения аэрокосмического мониторинга.
Ключевые слова: аэрокосмический мониторинг, месторождения твердых полезных ископаемых, материалы дистанционного зондирования, природно-технические системы, экзогенные геологические процессы.
Мониторинг месторождений твердых полезных ископаемых (ММТПИ) является подсистемой Государственный мониторинга состояния недр или геологической среды (ГМСН). Система ГМСН создается с целью информационного обеспечения управления государственным фондом недр. Функционально она представляет собой систему регулярных наблюдений, сбора, накопления, обработки и анализа информации, оценки состояния геологической среды и прогноза ее изменений под влиянием естественных природных факторов, недропользования и антропогенной деятельности горнопромышленных районов. В свою очередь, ГМСН является подсистемой Единой государственной системы экологического мониторинга (ЕГСЭМ) [7, 8, 9].
Эффективность мониторинга МТПИ может быть существенно повышена внедрением новейших ГИС-технологий с использованием средств, методов и материалов дистанционного зондирования Земли [15].
Не вдаваясь в подробности общих физических основ методов аэрокосмического зондирования и их возможностей, что достаточно обстоятельно изложено в специальной литературе [1, 2, 3, 5], сосредоточим внимание на структуре и задачах аэрокосмического мониторинга проводимого на железорудных месторождениях КМА.
Материалы дистанционного зондирования (МДЗ), охватывая природнохозяйственные системы нескольких таксономических рангов, объективно отражают состояние недр, геоэкологическую ситуацию во времени и пространстве и являются незаменимой основой для ведения мониторинга. Без ретроспективного анализа МЗД разных видов невозможно оценить тенденции и динамику изменения геологической среды (ГС), составить достоверный прогноз развития ГС, в том числе проявления опасных геологических природных и техногенных процессов, выделить зоны влияния на окружающую среду [10, 11, 12 ].
Систематическое использование МДЗ и новейших ГИС-технологий при мониторинге железорудных месторождений КМА является той основой, которая позволит:
- обеспечить достоверную и полную информацию для оценки состояния, изменения и прогноза изменений геологической среды и других природных и техногенных компонентов окружающей среды;
- обеспечить формирование и систематическое пополнение информационных ресурсов мониторинга железорудных месторождений полезных ископаемых, в том числе и иерархических уровней мониторинга;
- обеспечить взаимодействие с другими Государственными системами и подсистемами мониторинга в области охраны природных ресурсов и окружающей среды.
В то же время осуществляемые в настоящее время наземные методы мониторинга ГС по опорным стационарным участкам и пунктам не удовлетворяют современным требованиям к системности наблюдений, контроля и управления, не обеспечивают уровни обобщения - региональный и федеральный. Кроме того, сложность экономической си-
А.Н. Петин
Белгородский
государственный
университет
Россия, 308015, г. Белгород, ул. Победы, 85.
e-mail: [email protected]
туации привела к существенному сокращению наблюдательной сети и стационарных наблюдений, что снизило информативность мониторинга.
Аэрокосмический мониторинг железорудных месторождений полезных ископаемых, являясь подсистемой ГМСН локального (объектного) уровня, осуществляется согласно "Требованиям к мониторингу месторождений твердых полезных ископаемых" [16], согласованных с Госгортехнадзором России. Мониторинг МТПИ включает регулярные наблюдения, сбор, накопление и ведение баз данных, обработку и анализ информации о пространственно-временных изменений состояния объектов горнодобывающего комплекса (ГДК), геологической среды и других компонентов окружающей среды в зоне влияния ГДК, их оценку, контроль и прогноз.
Целью ведения мониторинга месторождений твердых полезных ископаемых (МТПИ) является информационное обеспечение органов управления государственным фондом недр и недропользователей при геологическом и геоэкологическом изучении территории месторождения, на разработку которой получена лицензия по пользованию недрами.
Основными задачами системы мониторинга месторождения твердых полезных ископаемых являются:
1. Оценка текущего состояния геологической среды на месторождении, включая зону существенного влияния его эксплуатации, а также связанных с ним других компонентов окружающей природной среды, и соответствия этого состояния требованиям нормативов, стандартов и условий лицензии на пользование недрами при геологическом изучении недр и добыче полезного ископаемого.
2. Составление текущих, оперативных и долгосрочных прогнозов изменения состояния геологической среды на месторождении и в зоне существенного влияния его отработки.
3. Экономическая оценка ущерба с определением затрат на предупреждение отрицательного воздействия разработки месторождения на окружающую среду (на осуществление природоохранных мероприятий и компенсационных выплат).
4. Разработка мероприятий по рационализации: способов добычи полезного ископаемого (ПИ), предотвращению аварийных ситуаций и ослаблению негативных последствий разработки ПИ на массивы горных пород, подземные воды, связанные с ними физические поля, геологические процессы и на другие компоненты окружающей среды -поверхностные воды, приземные слои атмосферы, почвенный покров, растительность.
5. Предоставление органам Госгортехнадзора России и другим государственным органам власти информации о состоянии ГС и других компонентов окружающей среды на месторождении полезного ископаемого и в зоне существенного влияния его отработки.
6. Предоставление территориальным органам управления государственным фондам недр данных мониторинга месторождения твердых полезных ископаемых для включения в базу данных государственного мониторинга состояния недр.
7. Контроль и оценка эффективности мероприятий по рациональному способу добычи полезных ископаемых, обеспечивающему полноту выемки полезных ископаемых и сокращение нерациональных потерь, при минимизации влияния на окружающую среду.
Конкретные задачи мониторинга могут уточняться условиями лицензий на пользование недрами и геологическими заданиями на выполнение работ.
Горнодобывающее предприятие действует в конкретных природных условиях и связано потоками вещества, энергии и информации с природными системами. Оно, как техническая система, включает в себя машины и механизмы, материалы, коммуникации, техногенные источники энергии и информации. В процессе своей деятельности техническая система взаимодействует с природными геосистемами: горными массивами и рудными телами, водоносными горизонтами и поверхностными водоемами и водотоками, почвами, растительностью, приземным слоем атмосферы и естественными источниками энергии образуют единое целое - геотехническую систему [4]. Поэтому ММТПИ, помимо мониторинга геологической среды, может включать в себя мониторинг поверхностных водных объектов, атмосферы, почв, растительности.
При ведении мониторинга МТПИ необходимо различать виды1 и источники техногенного воздействия на геологическую среду. Одни связанны непосредственно с разработкой железорудного месторождения, а другие, с сопутствующими добыче пред-
приятиями - хранением, транспортировкой, переработкой полезных ископаемых и вскрышных пород, а также сбросом и утилизацией подземных вод, извлекаемых при осушении месторождения. Оба вида источников воздействия совокупно воздействуют не только на геологическую среду, но и на другие компоненты окружающей среды - поверхностные воды, приземные слои атмосферы, почвы, растительность (табл. 1).
Таблица 1
Изменение геологической среды при разработке месторождений твердых полезных ископаемых, изучаемые с использованием МДЗ
№ п/п Изменения геологической среды
первичные изучаемые с использованием МДЗ
Открытые и подземные разработки
1 Разработка карьеров Создание отрицательных форм рельефа. Выведение на поверхность новых геологических отложений
2 Изменение напряженного состояния массива горных пород в результате добычи полезного ископаемого, в том числе взрывных работ. Изменение физико-механических свойств пород Развитие деформаций в массиве горных пород и на земной поверхности, деформация горных пород и грунтов в прибортовой и прибровочной частях карьеров, раскрытие трещиноватости и образование вторичных трещин, активизация ЭГП, сдвижение пород над отработанным пространством, образование мульд оседания
3 Нарушение статического положения горных пород Активизация природных и возникновение техногенных экзогенных геологических процессов на прилегающей территории
4 Активизация эндогенных процессов Техногенные землетрясения, горные удары
5 Вторичная консолидация пород - их уплотнение в процессе водопонижения и осушения Оседание земной поверхности
6 Увеличение градиента фильтрации потока, интенсификация растворения карбонатных пород и выноса рыхлого заполнения открытых полостей Активизация или возникновение карстово-суффозионных процессов
7 Разгрузка напряжений при сработке массива вышележащих горных пород и в результате набухания при увлажнении Выпор (деформация) почвы или днища горных выработок
Изятие подземных вод водопонизительными сооружениями
8 Нарушение режима подземных вод Понижение уровня подземных вод. Образование депрессионной воронки. Активизация экзогенных геологических процессов - карт, суффозия
9 Закачка изъятых подземных вод в более глубокие водоносные горизонты Изменение гидрохимических особенностей подземных вод
Отвалы
10 Создание отвалов Формирование новых геологических тел - положительных форм рельефа. Выведение на поверхность новых геологических отложений с новым набором химических элементов
11 Деформация поверхности отвалов и их бортов - фильтрация атмосферных вод, растворение карбонатных пород и вынос рыхлых пород Развитие экзогенных геологических процессов по бортам и на поверхности отвалов; эрозия, суффозия, карст, заболачивания, дефляция
12 Формирование новых гидрогеологических горизонтов Разгрузка загрязненных вод из тел отвалов - линейная и локальная
Гидроотвалы, шламохранилища (ГО, ШХ)
13 Создание ГО и ШХ "Нивелировка" рельефа. Формирование новых геологических отложений
14 Фильтрация вод, донная и боковая, из гидроотвалов шламохранилищ, прудов-отстойников Изменение гидрогеохимических особенностей подземных вод. Изменение режима и баланса подземных вод в зоне влияния гидроотвалов и шламохранилищ
Влияние горнодобывающего комплекса простирается часто далеко за пределы горного отвода (табл. 2). По данным ряда исследователей и нашим наблюдениям площадь воздействия может в несколько раз превышать площадь разработок [10, 14].
Таблица 2
Влияние разработок твердых полезных ископаемых на окружающую среду, изучаемых с использованием МДЗ
№ п/п Виды воздействия Изменения окружающей среды, изучаемые с использованием МДЗ
1 2 3
I. На гидрологические условия
1 Сокращение естественной разгрузки подземных вод в реки за счет водопонижения при осушении горных выработок Уменьшение или прекращение стока рек
2 Сброс карьерных или шахтных вод Увеличение стока рек
II. На гидрогеологические условия
3 Изменение уровня грунтовых вод первого от поверхности водоносного горизонта, понижение УГВ Оседание поверхности земли; изменение гидрографической сети, активизация ЭГП
4 Сдренирование нижележащих водоносных горизонтов в зоне водопонижения при добыче Переосушение почво-грунтов; угнетение или гибель растительности; осушение болот; активизация ЭГП
5 Повышение УГВ при сбросах дренажных вод, разгрузка вод из отвалов на поверхность Переувлажнение почво-грунтов; заболачивание территории Изменение химического состава и минерализации подземных вод
6 В связи с созданием Оскольского водохранилища Увеличение водопритока в карьеры
III. На атмосферный воздух, почвы, растительность
7 Взрывы в карьере Газопылевые выбросы дымовых шлейфов ГОКов и других перерабатывающих производств Распространение пыли, аэрозолей, газов - загрязнение химическими элементами окружающей среды
8 Дефляция пород отвалов и гидроотвалов, шлама с поверхности шламохранилищ Распространение с пылевым загрязнением новых химических элементов в почве, растительности в приземных слоях атмосферы
IV. На поверхностные воды
9 Карьеров и шахт Сброс карьерных и шахтных вод в реки и водоемы Загрязнение рек и водоемов минеральными веществами и химическими элементами
10 Шламохранилищ и гидроотвалов Фильтрация через плотины
11 Отвалов Разгрузки загрязненных подземных вод из отвалов в реки и водоемы на поверхность
12 Сопутствующих производств Сброс сточных вод
Основными факторами, определяющими содержание и структуру
ведения мониторинга МТПИ является:
- сложность геологических, гидрогеологических, инженерно-геологических условий месторождения;
- особенности условий освоения месторождения (система отработки месторождения и система защиты горных выработок от подземных вод);
- масштабы и типы освоения (объемы извлечения полезного ископаемого, вскрышных пород и подземных вод, скорость ведения горных работ и их развитие по площади и глубине);
- характер формирования техногенных ландшафтов, в том числе отвалов, гидроотвалов, шламохранилищ;
- геохимические особенности вновь образованных геологических тел;
- физико-географические условия территории расположения месторождения ТПИ, являющиеся одним из условий скорости протекания физико-химических процессов;
- характер и интенсивность влияния разработок МТПИ на окружающую среду: развитие экзогенных геологических процессов, изменение режима и гидрохимии подземных вод, загрязнение поверхностных вод и донных осадков, почв, растительности, приземных слоев атмосферного воздуха;
- наличие водозаборов подземных вод в пределах площади влияния осушения месторождения ТПИ;
- наличие сооружений по хранению, переработке и транспортировке ПИ и отходов горнодобывающего производства;
- необходимость проведения специальных мероприятий по инженерной защите от опасных геологических процессов;
- формирование зон разной степени влияния объектов горногдобывающего комплекса на окружающую среду.
Целесообразно при организации ММТПИ выделить 3 зоны влияния: зона I - зона непосредственного влияния на изменение состояния недр в пределах горного отвода; зона II - зона существенного влияния разработки месторождения на различные компоненты геологической среды; зона III - периферийная зона, примыкающая к зоне II. Зона III может быть территорией фонового мониторинга. В иных случаях при очень сильных влияниях ГДК и большой по площади зоне влияния следует выделить четыре зоны - где периферийная и фоновая разделяются.
К основным геологическим факторам, влияющим на характер проявления процессов изменений состояния геологической среды на разрабатываемых месторождениях твердых полезных ископаемых и определяющим содержание и структуру ведения мониторинга МТПИ относятся:
Собственно геологические: характер залегания горных пород, степень изменчивости их состава и свойств; особенности неотектонического строения, наличие трещиноватости и закарстованности; наличие в пределах площади разработки месторождений ПИ легко деформируемых массивов горных пород, предрасположенных к развитию экзогенных геологических процессов; глубина и характер залегания полезных ископаемых.
Гидрогеологические: характер залегания и условия распространения водоносных горизонтов, изменчивость мощностей и фильтрационных свойств водовмещающих пород, величина водопритоков в горные выработки, наличие или отсутствие постоянно действующего источника воды в горные выработки: река, обводненный высокопроницаемый водоносный горизонт, перекрывающий разрабатываемое ПИ, а также сложность гидрохимической обстановки, наличие высокоминерализованных и газированных подземных вод, участвующих в обводнении месторождения.
Инженерно-геологические: характер изменчивости физико-механических и водно-физических свойств горных пород, определяющих устойчивость бортов карьеров и подземных горных выработок, активизацию и возникновение экзогенных геологических процессов.
Все перечисленные выше факторы являются определяющими также при форми-рованиинаблюдательной сети.
Указанные факторы, определяющие структуру и содержание ММТПИ и влияющие на характер изменений геологической среды, являются также основными при выборе МДЗ для проведения мониторинга МТПИ дистанционными методами.
Выполненные нами исследования [10,11, 14] в пределах Старооскольтско-Губкинского горнопромышленного узла с помощью материалов дистанционного зондирования (МДЗ) позволил сделать следующие выводы:
- наиболее отчетливо на МЗД фиксируются изменения инфраструктуры горнодобывающих комплексов, перемещенных масс горных пород, рельефа и других техногенных объектов;
- на космических снимках (КС) выявляются существенные изменения гидрогеологических условий регионального и локального уровней, характер, границы и тенденции этих изменений;
- космические снимки позволяют получить информацию о тенденциях развития широкого спектра экзогенных геологических процессов, их площадного характера распространения;
- МЗД позволяют выделить загрязнение окружающей среды от объектов ГДК и других техногенных источников: ореолы пылевого загрязнения снегового покрова, участки поражения лесной растительности, места сброса загрязненных вод в поверхностные водные источники, дымовые шлейфы, свидетельствующие о загрязнении атмосферного воздуха;
- на космических снимках отчетливо фиксируются основные площади нарушенных земель. Быстрое нарастание площадей нарушенных земель и техногенных ландшафтов в горнопромышленных районах делает приоритетной проблему организации постоянно действующего аэрокосмического мониторинга.
Список литературы
1. Аэрометоды при геологической съемке и поисках полезных ископаемых. Региональные очерки / Под ред. Г. Ф. Лунгерсгаузена. М.: Недра, 1964. - 134 с.
2. Гарбук С.В., Гершензон В.Е. Космические системы дистанционного зондирования Земли
- М.: Издательство А и Б, 1997. - 296 с.
3. Гудилин, И.С., Комаров И.С. Применение аэрометодов при инженерно-геологических и гидрогеологических исследованиях. - М.: Недра, 1978. - 319 с.
4. Емлин Э.Ф. Геодинамические процессы на активно разрабатываемых колчеданных месторождений Урала. - Свердловск: Изд-во НТО горное, 1984. - 73 с.
5. Зеркаль О.В., Маркарян В.В., Комаров А.В. и др. Мониторинг экзогенных геологических процессов в составе системы государственного мониторинга состояния недр Российской Федерации (ГМСН России) // Тезисы Всероссийского съезда геологов и научно-практической конференции: Геологическая служба и минирально-сырьевая база России на пороге XXI века. -СПб., 2000. - С. 151.
6. Карпузов А.Ф., Перцов А.В., Кирсанов А.А. и др. Некоторые проблемы и тенденции развития космоаэрогеологических исследований в России в XXI веке //Тез. Всероссийск. съезда геологов и науч.-практ. конф.: Геологическая служба и минирально-сырьевая база России на пороге XXI века. - СПб, 2000. - С. 156-161.
7. Кирсанов А.А. Концептуальные положения использования данных дистанционного зондирования при ведении мониторинга экзогенных геологических процессов // Тез. Всероссийск. съезда геологов и науч.-практ. конф.: Геологическая служба и минирально-сырьевая база России на пороге XXI века. - СПб., 2000. - С. 162-163.
8. Королев В.А. Мониторинг геологической среды - М.: Изд-во МГУ, 1995. - 210 с.
9. Кочетков М.В., Перепадя С.В., Комаров А.В. и др. Система Государсвеннного мониторинга состояния недр // Тез. Всероссийск. съезда геологов и науч.-практ. конф.: Геологическая служба и минирально-сырьевая база России на пороге XXI века. - СПб, 2000. - С.1160-161.
10. Петин А.Н., Азаркина Н.Н., Мирнова А.В. Выявление и оценка изменений геологической среды в Старооскольско-Губкинском железорудном районе с использованием материалов дистанционного зондирования // Матер. межрегиональн. научн.-практ. конф. Актуальные географические проблемы региона. - Чебоксары, 2000. - С. 139-143.
11. Петин А.Н., Азаркина Н.Н., Мирнова А.В. Оценка трансформации геологической среды в Оскольском железорудном районе КМА на основе анализа материалов дистанционного зондирования // Белогорье: краеведческий альманах. - 2001 - № 3. -С. 68-78.
12. Петин А.Н. Ретроспективный анализ изменения площадей нарушенных земель в Сто-рооскольско-Губкинском горнопромышленном районе КМА (по материалам дистанционного зондирования земли) // Материалы Междунар. научн. семинара: Проблемы древнего земледелия и эволюции почв в лесных и степных ландшафтах Европы. - Белгород: Изд-во БелГУ, 2006. С. 136-140.
14. Петин А.Н. Мониторинг экзогенных геологических процессов в Белгородской области // Вісник Xарькiвского національного університету. Сер. Геологія-географія-екологія. - 2002. -№ 563. - С. 116-121.
15. Петин А.Н., Яницкий Е.Б. Геоинформационное обеспечение мониторинга экогеосистем горнодобывающих районов // Матеріали міжнародної науково-практичної конф.: РЕГЮН - 2006: Стратегія оптимального розвитку, Xаркiв, 2006. - С. 24-25.
16. Основные требования к аэрокосмической информации, необходимой для мониторинга экзогенных геологических, инженерно-геологических и гидрогеологических процессов в зонах интенсивного хозяйственного освоения. Методические указания. - М.: ВСЕГИНГЕО, 1987.
AERO-COSMIC MONITORING OF GEOLOGICAL ENVIRONMENT CONDITIONS OF THE IRON-ORE DEPOSITS OF KMA: PECULIARITIES OF STRUCTURE, COMPOSITION AND FUNCTIONING
A.N. Petin
Belgorod State University Pobedy Str., 85, Belgorod, 308015, Russia
e-mail: [email protected]
The article deals with the general methodological and organizational-technical problems of creating the aero-cosmic monitoring of geological environment conditions at the actively exploited iron-ore deposits of KMA. The main factors defining the contents and structure of conducting the aero-cosmic monitoring are singled out.
Key-words: Aero-space monitoring, deposits of solid natural resources, materials of distant exploring, natural-technical systems, exogenous geological processes.
