Геофизические методы исследования в геологии и геоэкологии

Основные вопросы, рассматриваемые на лекции:

1. Соотношение геоэкологии и экологической геофизики.
2. Химические, физические и геологические аспекты эколо­гии.
3. Геоэкология и геофизическая экология

1. Соотношение геоэкологии и экологической геофизики. Экологическая геофизика — это научно-прикладной раздел геофизики, предназначенный для решения разнообразных эко­логических задач и дающий объективную физическую информа­цию для различных дисциплин экологического профиля.

Постановкой на первом месте определения "экологическая" подчеркивается прикладной экологический характер этого разде­ла геофизики, поскольку все традиционные геофизические мето­ды и направления исследований затрагивают экологические про­блемы и давно применяются для решения геоэкологических и экологических задач. Экологическая геофизика как "инстру­мент" для решения экологических задач может рассматриваться в качестве прикладной дисциплины новой фундаментальной науки — геофизики биотехносферы (геофизической экологии), ориентиро­ванной на изучение влияния физических полей на экосистемы Земли.

Возникнув как научная дисциплина о среде обитания жи­вых организмов, экология долгие годы являлась разделом биоло­гии, изучающим взаимоотношения живой и неживой природы, биоты и окружающей среды. В настоящее время подобную классическую экологию называют биоэкологией. В последние деся­тилетия XX в. идет интенсивная экологизация других естествен­ных и гуманитарных наук и создаются экологическая химия, физика, геология, геофизика и др. Поэтому в современном по­нимании фундаментальная экология становится системой наук, изучающих общие законы функционирования экосистем как в природных условиях, так и в условиях интенсивного техногенно­го и антропогенного воздействия в процессе хозяйственной дея­тельности человека. Таким образом, экология становится наукой о взаимоотношениях природы и общества.

Создание новых научно-прикладных экологических дисцип­лин не случайность и не дань моде. Это объективная потреб­ность в разработке междисциплинарных теоретических и прак­тических экологических проблем, необходимых для выживания биосферы в условиях всевозрастающей техногенной нагрузки. Особое место при этом занимает геофизика как наука, иссле­дующая Землю, околоземное пространство и гидролитосферу путем изучения разнообразных естественных и искусственных физических полей. Они могут быть неуправляемыми, т.е. возника­ющими вследствие природных процессов или техногенной дея­тельности людей, и управляемыми. Последние специально созда­ются для изучения оболочек Земли, поисков и разведки полез­ных ископаемых, решения разнообразных задач геологии, гео­графии, экологии.

Экологические проблемы давно являются предметом исследова­ний общей, или фундаментальной, геофизики, состоящей из физи­ки Земли, геофизики атмосферы, литосферы, гидросферы. При­мером может служить изучение землетрясений, медленных подъ­емов и опусканий суши, имеющее важное значение в экологи­ческой геодинамике. Другой пример — изучение периодических изменений солнечной активности и магнитных бурь. Это при­водит к вариациям (изменению во времени и пространстве электромагнитных полей Земли), что оказывает влияние на тех­нические системы (ухудшение космической, радио- и кабельной связи, нагрев и самопроизвольное выключение энергетических сетей, увеличение коррозии трубопроводов) и ухудшает здоровье людей. Особенно высокая солнечная активность характерна для 23-го цикла (1998—2002 гг.) с начала наблюдений пятен на Солнце. В эти годы циклы солнечной активности разных пе­риодов (11-, 22-, 60-летний и др.) накладываются, что увеличива­ет общую интенсивность пространственно-временных вариаций естественного электромагнитного поля Земли как первичного, так и вторичного (атмосферного) космического и земного происхож­дения.

Среди направлений прикладной геофизики (регионального, разве­дочного, инженерного) наиболее близка к экологической инже­нерная геофизика. В ней давно разрабатываются проблемы эндо­генных (внутренних) и экзогенных (внешних), медленных и катастрофических природных геодинамических процессов (сейс­мичность, выветривание, оползни, обвалы и т.п.), антропогенно-техногенных проявлений, (взрывов, аварий, техногенного загряз­нения и т.д.), загрязнения геологической среды вещественного (химического), например отходами промышленного, городского и сельского хозяйства, или энергетического (физического), на­пример за счет роста интенсивности акустических (шумовых), электромагнитных, тепловых, ядерных полей, влияющих на здо­ровье людей.

Особенностью геофизических исследований является возмож­ность реализации принципов томографии, т.е. изучения пространственного строения массивов Земли по трем координатам и изменения состояния его во времени путем проведения периоди­чески повторяемых космических, атмосферных, наземных, ак-вальных и подземно-скважинных наблюдений. Это особенно ценно для организации геофизического мониторинга, т.е. слежения, оценки и прогнозирования природно-техногенных процессов по изменениям связанных с ними физических полей. В результате создается возможность предсказывать катастрофические или мед­ленные негативные процессы, что необходимо для принятия управленческих решений.

Экологическая геофизика отличается возможностью проведе­ния быстрого, точного, объективного, недорогого, часто косвен­ного изучения строения верхней части геологического разреза (ВЧР) в условиях сильного техногенного воздействия. Введенное геофизиками понятие ВЧР эквивалентно экологическому опреде­лению "природно-техногенная система" (ПТС). Элементами ПТС являются как природные геологические объекты (горные породы, подземные воды, газы, биота, отдельные геологические тела, элементы тектоники, естественные физические поля и др.), так и элементы, возникающие в результате техногенеза (искусствен­ные тела, техногенно измененные горные породы и воды, техно­генные физические поля и др.). Поэтому задачей геофизических исследований ВЧР в условиях техногенеза является изучение с помощью геофизических методов природных геологических эле­ментов, определяющих устойчивость к антропогенным воздей­ствиям; техногенных инженерно-геологических процессов; воз­действия природных и техногенных физических полей на геоло­гическую среду и биоту.

Следует отметить, что природные геофизические и техноген­ные физические поля могут или просто складываться по прин­ципу суперпозиции — линейная связь, или сложно взаимодейст­вовать — нелинейные связи. Последние могут возникнуть, когда техногенные физические поля сравнимы с природными геофи­зическими по интенсивности и охватывают значительные объе­мы пространства, а геолого-геофизическое строение района не­однородно, геофизически нестабильно. В этом случае суммарные природно-техногенные поля можно назвать геофизическими, под­черкивая этим то, что техногенные физические поля как-то пре­образованы литосферой, что приводит к усложнению суммарного поля.

Кстати, воздействие самих физических полей на биоту может оцениваться интенсивностью экофизических или экогеофизических аномалий. Под экофизическими аномалиями можно понимать ано­малии природного и техногенного происхождения, оказывающие значимое воздействие на экосистемы, биоту, здоровье людей. Под экогеофизическими аномалиями можно понимать лишь те геофизические аномалии, которые формируются с участием лито­сферы и трансформируются ею.

Особые трудности возникают при изучении ВЧР городских и промышленных (так называемых урбанизированных) территорий. К ним относятся резкая пространственная неоднородность гео­логической среды, изменение физических свойств горных пород, почв и грунтов в пространстве и во времени. Указанные труд­ности усугубляются неблагоприятными условиями измерений фи­зико-химических полей вследствие застройки территорий, нали­чия асфальтового покрытия, сильных промышленных помех и др. Практика геофизических исследований на урбанизированных тер­риториях показывает, что применение традиционных методик часто оказывается малоэффективным. Информативность изуче­ния ВЧР при решении геоэкологических задач может быть резко увеличена с помощью новых геофизических технологий, исполь­зующих приемы комплексирования дистанционных, наземных, аквальных и скважинных методов.

Формирование целевых экологических геофизических ком­плексов должно опираться на априорные представления об объек­тах и задачах исследований, реализованных в соответствующих физико-геологических моделях (ФГМ). Так, при решении задач геоэкологического картирования построение ФГМ сопряжено с необходимостью получения независимых данных о геологическом и инженерно-геологическом строении объекта, в том числе об изменчивости палеорельефа, фациального состава верхней части разреза, фильтрационных свойств пород, о наличии разрывных нарушений и ослабленных зон и др. Все указанные факторы в совокупности определяют устойчивость геологической среды по отношению к различным видам геодинамического, вещественного и энергетического загрязнений. Они обусловливают синергетичес-кое (совместное) воздействие разнородных природных и техно­генных факторов (напряженное состояние массивов пород; дина­мика подземных вод; приливные деформации литосферы; влия­ние удаленных очагов землетрясений, локальных вибрационных, гравитационных, электромагнитных и термических полей).

Для экологических целей может применяться множество мето­дов геофизики (гравимагнитные, электромагнитные, сейсмоакус-тические, тепловые, ядерные). При этом следует либо специально проводить экогеофизические работы, либо осуществлять экологи­ческую переинтерпретацию данных других направлений приклад­ной геофизики (глубинной, региональной, разведочной, инже­нерной).

Экологическая геофизика — новое, находящееся в стадии становления направление геофизики, по которому практически нет учебников. Предлагаемая работа является попыткой воспол­нить этот пробел. Вместе с тем авторы претендуют на известную универсальность своей работы, включив в нее краткие основы методов геофизических исследований, используемых в фундамен­тальной и прикладной геофизике. Поэтому книга может служить учебным пособием как по экологической геофизике, так и по основам прикладной геофизики для студентов вузов, обучаю­щихся по образовательным программам геологических, геофи­зических, почвенных, экологических и других естественно-науч­ных специальностей и специализаций, связанных с решением экологических проблем.

2. Химические, физические и геологические аспекты эколо­гии. Эволюция органической жизни на Земле — это история взаи­моотношений живых организмов с окружающей средой. На ран­них этапах эволюции существование праорганизмов и сама эво­люция всецело определялись существовавшими тогда геологичес­кими, геохимическими и геофизическими условиями нашей пла­неты, с которыми непосредственно были связаны особенности вещественного и энергетического обмена живых организмов с окружающей средой. В дальнейшем ход эволюции преобразовал характер этого обмена: изменился первичный круговорот вещест­ва, усилилась деятельность фотосинтезирующих организмов, ис­пользующих энергию Солнца. В результате повысилось содержа­ние кислорода в атмосфере и сформировался озоновый слой, защитивший наземную жизнь от жесткого ультрафиолетового излучения. Сфера жизни расширилась, из океана она вышла на сушу, сформировала литобиосферу, проникла в атмосферу. В ат­мосфере верхние границы жизни определяются положением озо­нового экрана — тонкого озонового слоя на высоте 16—20 км. Океан населен жизнью до самых глубоких впадин в 10—11 км. В твердую часть Земли — литосферу — жизнь в бактериальной форме проникает до глубины 4—7 км.

Таким образом, наша планета весьма гостеприимно предостав­ляет населяющим ее живым организмам пространство, обеспечив минерально-сырьевые, энергетические и водные богатства. Од­нако организмы, функционирующие в некоторой внешней по отношению к ним среде, постоянно подвергаются различному по направленности и силе воздействию множества факторов. Эти раздражители редко действуют на живые организмы изолиро­ванно друг от друга. Как правило, приходится сталкиваться с комбинированным (синергетическим) воздействием различных гео­логических, геодинамических, химических (вещественных) и физи­ческих (энергетических) факторов, проявляющихся на всех уров­нях — от молекулы до организма или даже биоты в целом. Энергетическое (полевое) воздействие окружающей среды на жи­вые организмы реализуется через геофизические поля различной природы — естественные геофизические (космического и земного происхождения) и техногенные физические поля.

Всякое заметное отклонение от "привычных" геологических, химических, физических условий может нести с собой опасность возникновения негативных для биоты последствий не только непосредственно при изменении этих условий, но и через значи­тельные промежутки времени (отдаленные последствия). Ответ­ной реакцией живых организмов на воздействия является либо адаптация, полная или частичная, кратковременная или устой­чивая, либо патологические изменения в них, представляющие собой своего рода "плату" за жизнь в неадекватных по своим параметрам условиях, отличающихся от нормальных для данной формы живой материи, либо даже гибель при критических (при­родных и антропогенно-техногенных) изменениях условий су­ществования. Картина, которую приходится при этом наблюдать на всех уровнях — от микробных популяций до человеческих социумов — и которая характеризует приспособительные реак­ции живых организмов на внешнее воздействие, выглядит при­близительно одинаково, различаясь скорее количественно, неже­ли качественно.

Учитывая основополагающую роль химии и физики в су­ществовании биосферы и реальную угрозу возможной экологи­ческой катастрофы, следует ожидать бурного развития экологи­ческой химии и экологической физики. Экологизация естествен­ных наук, и особенно геологии, — достаточно новое научное направление с неустановившейся терминологией. Успешные по­пытки обобщить и упорядочить терминологическую понятийную базу геологического направления экологии даны в таких работах, как "Геофизика ландшафтов" К.Н. Дьяконова (1988), "Геоэколо­гия" М.К. Бахтиева (1997), "Экологическая геофизика" Г.С. Вахромеева (1995), "Мониторинг геологической среды" В.А. Коро­лева (1995), "Теория и методология экологической геологии" под редакцией В.Т. Трофимова (1997).

3. Геоэкология и геофизическая экология. Термин геоэкология появился сначала в географии, затем в геологии и других науках, связанных с природоохранной деятель­ностью. Разные авторы вкладывают в него несколько различ­ный смысл. Так, В.Т. Трофимов и др. (Теория и методология..., 1997) считают геоэкологию междисциплинарной наукой, изучающей состав, структуру, закономерности функционирования и эволю­ции естественных (природных) и искусственных (антропоген­но преобразованных) экосистем высокого уровня организации. В таком понимании геоэкология должна объединять исследова­ния экологических проблем Земли, проводимые в биологии, геологии, географии, почвоведении, т.е. стать, видимо, "биологией окружающей среды". В.И. Осипов (1993) считает, что геоэколо­гия — это междисциплинарное направление, объединяющее только науки о Земле, занимающиеся экологией. В этом случае она подразделяется на экологию атмосферы (метеоэкология), гидро­сферы (гидроэкологию), почв (педоэкологию), литосферы (экогеологию).

Нам представляется, что целесообразно использовать первое определение: геоэкология — это фундаментальная междисципли­нарная наука, базирующаяся на комплексировании экологических проблем биологии, почвоведения, географии, геологии, гидрологии, геохимии и геофизики и позволяющая получать информацию об экологическом состоянии окружающей среды.

Объектом исследования геоэкологии являются окружающая сре­да и антропогенно нарушаемые системы высокого уровня орга­низации (ассоциации организмов и биоценозы), а предметом исследований — закономерности их функционирования и разви­тия. Основные решаемые задачи — изучение и прогнозирование изменений экосистем и их функций под влиянием природных и природно-техногенных процессов, разработка теории их устой­чивости, функционирования.

В геофизике также следует выделить фундаментальное науч­ное направление, которое можно назвать геофизической экологией или геофизикой биотехносферы (биогеотехносферы). Это направле­ние должно дополнить существующий ряд фундаментальных геофизических наук — физику атмосферы, гидросферы и литосфе­ры, которые вместе с физикой Земли и составляют геофизику {общую геофизику). Назвав это фундаментальное направление гео­физикой биотехносферы, мы хотели подчеркнуть значение природных и техногенных физических полей для биосферы в целом, а не только для жизни людей. При этом мы исходим из то­го, что для сохранения жизни на Земле следует переходить от еще господствующей парадигмы "антропоцентризма" к парадигме "биоцентризма" и "коэволюции".

Таким образом, можно дать следующее определение геофизи­ческой экологии: это научный фундаментальный раздел общей геофизики, изучающий влияние физических полей космического и земного происхождения на экосистемы, а также проблемы вещественного и энергетического взаимодействия объектов не­живой и живой природы между собой. В более развернутом определении геофизическая экология есть фундаментальный раздел общей геофизики, в котором изучаются структура, свойства, пространственно-временная изменчивость геофизических полей естественного и техногенного происхождения в аспекте их воз­действия на вещественный, энергетический и информационный об­мен в биосфере.

Предметом исследования геофизической экологии являются ес­тественные (космические и земные) и искусственные (антро­погенно-техногенные) физические поля, их свойства и характе­ристики, изменение в пространстве и во времени, воздействие этих полей на природную среду, биоту и человека.

Окончательное оформление геофизической экологии как фун­даментального раздела геофизики, связанного с изучением гло­бальных эколого-геофизических проблем, должно завершиться в начале нового столетия.

Экологическая геология (экогеология) представляет собой новое направление в геологии, изучающее верхние горизонты литосфе­ры (включая подземные воды и газы) как основные абиотичес­кие (неживые) компоненты экосистем высокого уровня органи­зации (Теория и методология..., 1997). Основываясь на таком определении, следует считать, что экогеология является частью геоэкологии (см. рис. 1.1).

Объектом исследований экогеологии являются верхние гори­зонты литосферы, точнее, гидролитосферы до глубин, на кото­рые распространяется производственно-техническая деятельность людей, например добыча нефти и газа с помощью скважин до глубины 6—7 км. Верхняя, или приповерхностная, часть лито­сферы называется иногда геологической средой. Под геологичес­кой средой, в соответствии с данным Е.М. Сергеевым определе­нием, понимается поверхностная оболочка литосферы, находящаяся под воздействием инженерно-хозяйственной деятельности че­ловека и, в свою очередь, в известной степени определяющая эту деятельность. Эта поверхностная оболочка мощностью в несколь­ко сотен метров иногда называется верхней частью разреза (ВЧР), геофизической средой (профессиональный геофизический термин). Она включает почвы, горные породы, поверхностные и под­земные воды, используется для размещения объектов челове­ческой деятельности, в ее пределах проявляются физико-геоло­гические процессы (оползни, карст и т.п.). ВЧР в наибольшей степени подвержена воздействию экзогенных (атмосферных и по­верхностных), техногенных (физико-химических и энергетичес­ких), меньше эндогенных (внутриземных) факторов. ВЧР харак­теризуется экстремальным проявлением как природных (рез­кой геологической, петрофизической и физической неоднород­ностью в пространстве и во времени), так и техногенных (макси­мальным проявлениям всевозможных искусственных полей) фак­торов.

Предметом исследований экологической геологии счита­ем знания об экологических функциях литосферы, т.е. выявление роли и значения литосферы, включая подземные воды, и протекаю­щих в ней природных и антропогенных геологических процессов, в жизнеобеспечении и эволюции биоты и, главным образом, человечес­кого общества.

Экологические функции литосферы могут изучаться на разных таксономических уровнях: а) элементарном, когда рассматривают­ся отдельные минералы или отдельные объекты исследований; б) локальном, с изучением массивов или комплексов горных пород; в) региональном, имеющем дело с геологическими форма­циями, геосистемами и т.п.; г) планетарном, рассматривающем геооболочки Земли.

В зависимости от изучаемых экологических функций лито­сферы и таксономических уровней в экогеологии используются методы разных наук геологического цикла. К этому следует добавить два замечания: во-первых, геофизические мето­ды можно использовать во всех перечисленных направлениях экологической геологии и, во-вторых, необходимо комплексиро-вать несколько методов, так как отдельные геолого-геофизичес­кие методы не всегда дают однозначный ответ.

Под действием природных и антропогенных факторов эколо­гические функции литосферы со временем меняются, чаще в негативном направлении, что сказывается на условиях существования и выживании биоты и человека.

Антропогенно-технические воздействия на верхние горизонты литосферы разнообразны по характеру и интенсивности. Среди методов изучения экологических функций литосферы на разных таксономических уровнях большая роль принадлежит геофизическим методам. Поэтому вполне оправданно существова­ние нового научно-прикладного направления в геофизике — экологической геофизики.

Экологическая геофизика — это раздел прикладной геофизики, изучающий экологически опасные природные, природно-техногенные и техногенные явления и процессы в литосфере, гидросфере и атмосфере в целях оценки их воздействия на состояние живых организмов путем исследования естественных и искусственных фи­зических полей.

Экологические задачи уже давно решаются средствами прикладной геофизики. Как известно, прикладная геофизика подраз­деляется на глубинную региональную ( структурную ), разведочную (нефтегазовую, рудную, нерудную и угольную), инженерную (ин­женерно-геологическую, гидрогеологическую, почвенно-мелиоративную, мерзлотно-гляциологическую, техническую), горную, скважинную геофизику. Дополнительным разделом прикладной геофизики следует считать экологическую геофизику. Экологическая геофизика изучает опасные с эколо­гических позиций процессы и явления, используя для этого традиционные и специально разработанные геофизические мето­ды. Она является прикладным разделом геофизической эколо­гии — фундаментального раздела геофизики.

У экологической геофизики и экологической геологии об­щий объект исследований — верхняя часть литосферы (или геолого-геофизическая среда), характеризующаяся нелинейностью свойств и изменчивостью во времени определяющих ее пара­метров. Нелинейность свойств литосферы проявляется в тензочувствительности — зависимости упругих свойств горных по­род от давления, флюидочувствителъности — зависимости упру­гих, электромагнитных и других свойств горных пород не толь­ко от геохимического состава твердой фазы, но и от состава флюидов (вода, нефть, газ), их перемещений — и в сложном характере реакции среды на внешнее воздействие. Вариации кос­мических полей во времени приводят как к ритмичным (упо­рядоченным), так и к хаотичным (случайным) изменениям па­раметров естественных и искусственных земных физических по­лей и характера протекания сопровождающих их процессов. Таким образом, геолого-геофизическая среда характеризуется фи­зическими и химическими свойствами, соотношениями твердой фазы и флюидов горных пород, геометрическими параметрами геологических тел, а также вариациями природных и все бо­лее возрастающих по интенсивности техногенных физических полей.

У экологической геофизики и экологической геологии еди­ный предмет исследований — экологические функции литосферы, в частности:

ресурсная (разведка органоминеральных ресурсов, необходи­мых для жизни биоты и человека);

геодинамическая (выявление нарушений верхних частей ли­тосферы вследствие эндогенных и экзогенных, естественных и искусственных процессов);

геохимическая (оценка вещественных загрязнений верхней части разреза);

геофизическая (изучение пространственно-временного рас­пределения физических полей).

Имеют определенное сходство и основные задачи экологической геофизики и экологической геологии, которые сводятся к следу­ющему.

1. Изучение изменений приповерхностных частей литосферы под влиянием природных и техногенных катастрофических и мед­ленно протекающих геодинамических процессов для оценки и прогнозирования их экологических последствий, геодинамичес­кой устойчивости литосферы и разработки способов контроля за сохранением ее экологических функций.

2. Медико-санитарное и социально-экологическое обеспечение деятельности людей в условиях тесной взаимосвязи с окружаю­щей средой и роста ее физико-химической загрязненности.

Различаются лишь методы исследований: они либо прямые геологические, в том числе литолого-петрографические, гидрогео­логические, геохимические и т.п., либо, чаще, косвенные — физические (геофизические). В качестве относительно самостоя­тельной геофизическая информация экологического плана может быть получена при решении лишь отдельных аспектов пере­численных задач. Наиболее же целесообразно сочетание различ­ных, дополняющих друг друга методов, используемых в экологи­ческой геофизике и экологической геологии.

Лекция № 14

Применение геофизических методов при решении геоэкологических задач (экологическая геофизика).

1. Геопатогенез.

2. Аппаратура для геофизических исследований.

3. Дистанционные аэрокосмические геофизические методы исследований.

1. Геопатогенез. Геопатогенезсовсем недавно стал предметом внимательного изучения. Поводом для этого послужило появление в средствах массовой информации и даже в научно-популярных журналах большого числа публикаций (часто спекулятивного характера) о повышенной заболеваемости людей, наблюдаемой в пределах некоторых определенных мест проживания. Такие участки и были названы геопатогенными зонами. Проблема геопатогенеза в настоящее время далека от разрешения, поскольку не изучен в достаточной мере механизм проявления этого феномена и не установлена безусловная связь тяжелых заболеваний с особен­ностями строения и состояния Земли и ее недр. Однако на не­которые вопросы уже получены ответы, что, по мнению авто­ров, может служить основанием для включения материала по проблемам геопатогенеза в учебное пособие. Делается это с един­ственной целью: подготовить будущих геофизиков-экологов к возможной работе в данном направлении.

Геопатогенез может быть определен как возникновение ус­тойчивых патологических изменений в живых организмах, обу­словленное геологическими, геофизическими, геохимическими и другими природными факторами. Такое определение геопатоге­неза указывает на материальность его происхождения и на связь с геолого-тектоническими и геолого-геофизическими особеннос­тями тех областей или участков земной поверхности, в пределах которых это явление может наблюдаться.

Материалистический подход к проблеме геопатогенеза предпо­лагает использование методологических приемов, базирующихся исключительно на физических, геологических, биологических и других знаниях.

Существуют различные гипотезы, касающиеся природы поля геопатогенных зон. Согласно некоторым из них, мы наблюдаем возможные эффекты взаимодействия электромагнитных, элект­ростатических, магнитных или гравитационных полей с биопо­лями, т.е. полями, генерируемыми живыми организмами и пред­ставляющими, в свою очередь, совокупность опять-таки электро­магнитного, магнитного и гравитационного полей. Другие ги­потезы предполагают наличие так называемого информационного поля, природа которого хотя и не выяснена, но считается также материальной. Есть и другие точки зрения, иногда весьма дале­кие от материализма.

Признавая возможность существования геопатогенеза, природу его следует постигать посредством изучения естественных гео­физических полей в их связи с геолого-тектоническими осо­бенностями строения верхней части нашей планеты — литосфе­ры. В частности, можно предположить, что принципиальной основой метода биолокации (многие считают, что это единст­венный метод выявления геопатогенных зон) может быть спо­собность людей воспринимать энергетические взаимодействия электрических неоднородностей в земной коре (это могут быть подземные воды, рудные тела, тектонические разломы и т.п.) с электромагнитным полем Земли и трансформировать их в био­электрические процессы, внешне регистрируемые по изменению положения металлической рамки или колебаниям маятника (индикационные устройства, используемые в биолокации). Такой способностью обладает значительное число людей, иногда даже об этом не подозревающих.

В материалистическом понимании геопатогенез имеет гео­лого-геофизическую природу. С позиций экологической геофи­зики геопатогенные зоны следует рассматривать как локализо­ванные в пространстве аномалии геофизических полей различной природы, совместное проявление которых усиливает их патологи­ческое воздействие на экосистемы и живые организмы.

Аномальные проявления, наблюдаемые в атмосфере, гидро­сфере, литосфере и подстилающих ее земных слоях, обусловле­ны, как правило, наличием вертикальных и латеральных струк­турно-вещественных неоднородностей в соответствующем объ­еме геологического пространства. В пределах литосферы и более глубоких "сфер" такие неоднородности ассоциируются либо с различиями вещественного состава и/или структуры блоков Зем­ли, либо с тектоническими нарушениями и зонами трещинова-тости, либо с местами внедрения в относительно однородную по физическим свойствам среду некоторых "инородных" тел(интрузий и т.п.). Проблема геопатоге­неза в научном плане тесно переплетается с проблемой эколо­гического эффекта воздействия геофизических полей на природные и природно-технические системы, что определяет ее значение приэколого-геофизических исследованиях.

Выявление и изучение геопатогенных зон проводится как бы по трем относительно самостоятельным направлениям.

В рамках одного из них, которое условно может быть оха­рактеризовано как энергетическое, рассмотрение проблемы геопа­тогенеза предполагает выявление прямой связи жизнедеятель­ности живых организмов с физическими полями земного про­исхождения и установление пространственной и временной за­висимости между аномальными проявлениями геофизических полей и патологаческими изменениями в функционировании живых систем различных иерархических уровней. Предметом исследования в данном контексте является энергетическое взаи­модействие косного вещества планеты в его геологическом раз­витии и живой природы, составляющей биосферу Земли. Вто­роенаправление, его можно условно назвать структурно-энер­гетическим, предполагает установление и определение характера связи различных известных иерархически структурированных эле­ментов земной коры и подстилающих ее слоев с гипотети­ческими энергетическими поясами или узлами, которые прояв­ляются как патогенные (геопатогенные) или предполагаются та­ковыми. Третье, наиболее противоречивое и неопределенное направление рассматривает вопросы генезиса геопатогенных зон, их местоположения, какими они представляются с позиций энергоинформационного подхода.

Рассмотрение проблемы геопатогенеза предполагает в первую очередь исследования прямых связей аномальных проявлений геофизических полей с патологией живых организмов, а также обнаружение и определение положения структурных элементов, которые потенциально могут быть носителями или проводника­ми геопатогенеза.

Геолого-тектонические особенности строения литосферы, т.е. особенности геологического разреза, выражающиеся в верти­кальном и горизонтальном чередовании и замещении различ­ных по физическим свойствам пород, и тектонические условия, включающие наличие разрывов в земной коре, трещиноватых зон, проявления сейсмичности, всегда — и это следует особо подчеркнуть — находят свое отражение в существовании геофи­зических аномалий. Необходимо заметить, что отображающие геолого-тектонические особенности аномалии существуют в гео­физических полях практически всех видов, хотя в некоторых полях они проявлены больше, тогда как в других — существенно слабее. Иными словами, речь может идти всего лишь о преоб­ладающей роли какого-либо вида геофизического поля, но ни­как не об исключительности. Из этого следует, что геологическое строение и напряженное состояние литосферы в конкретном регионе всегда закономерно отображаются в геофизических по­лях. Поэтому проявления этого состояния, и в том числе пато­генное воздействие на живые организмы, также предположи­тельно должны быть "осязаемы" посредством наблюдения гео­физических полей.

При рассмотрении проблемы геопатогенеза нельзя оставлять в стороне вопросы, связанные с так называемым техногенным патогенезом, проявляющимся в виде патологических реакций живых организмов на техногенные физические поля. К катего­рии техногенного патогенеза следует относить патогенные изме­нения в живых организмах, возникающие в связи с изменения­ми окружающей среды, обусловленными хозяйственной деятель­ностью. Иногда особенности геологического строения в пределах отдельных территорий способствуют формированию опасных в экологическом отношении зон (например, накопление в преде­лах некоторых геологических структур токсичных отходов про­мышленного и сельскохозяйственного производства; обусловлен­ное особенностями гравитационного поля и карстопроявления-ми пространственное распределение выпадающих радиоактивных осадков и т.п.), которые можно рассматривать как геопатогенные. На самом же деле эти зоны представляют собой типичный случай техногенного патогенеза, проявленного на фоне благопри­ятствующей геологической обстановки, который может квали­фицироваться как природно -техногенный патогенез. В качестве примера формирования зон природно-техногенного патогенеза на рис. 3.15 приведена схема распределения радионуклидного загрязнения на закарстованном участке. Карстовые воронки иг­рают роль накопителей избыточной, по сравнению с окружаю­щими участками, радиации, формируя, таким образом, зоны природно-техногенного патогенеза.

Техногенные физические поля и связанное с ними физичес­кое (энергетическое) загрязнение среды обитания являются не­избежной платой за успехи цивилизации. Конечно, фактор тех­ногенного физического загрязнения, наиболее интенсивного в районах промышленного освоения и в пределах территории мегаполисов, с большой натяжкой можно соотнести с геологи­ческими особенностями территории и тем самым представить его в качестве геопатогенного фактора. Однако даже беглое сопоставление уровня "паразитных" физических полей различных видов, который достигается при реализации современных тех­нологий, с уровнем, определенным действующими нормативными документами в качестве санитарно-гигиенического, что мож­но сделать, если обратиться к табл. 3.1, показывает, что прак­тически все виды техногенного физического загрязнения мож­но рассматривать как потенциально опасные для живых орга­низмов.

Опыт показывает, что геолого-тектонические структуры повсе­местно находят свое отображение в физических полях Земли в виде геофизических аномалий. Приуроченность геофизических аномалий к геологическим элементам делает их важным иден­тификационным признаком с точки зрения обнаружения и ло­кализации возможных зон проявления патогенеза.

Измерение тех или иных параметров естественных и искус­ственных физических полей стало технической основой геофи­зических исследований Земли.

2. Аппаратура для геофизических исследований. Изучение рассмотренных выше естественных геофизических и техногенных физических полей проводится методами грави-, магнито-, электро-, сейсмо- и терморазведки, а также ядерной геофизики. При этом используется аппаратура, предназначенная для работ с одним или несколькими метода­ми. Геофизическая аппаратура отличается разнообразием. Прин­ципы измерения тех или иных параметров физических полей регулярно обновляются через 5—10 лет. Ведущей тенденцией непрерывно обновляющейся техники является повышение поме­хоустойчивости, точности, компьютеризация процессов измерения и предварительной обработки полученных материалов в ходе про­ведения работ.

Рассмотрим назначение, принципы устройства и краткую ха­рактеристику некоторых геофизических приборов, используемых в России в конце XX в.

В гравиразведке основным методом является гравиметрическая (гравиметровая) съемка. Она проводится с помощью переносных гравиметров, предназначен­ных для измерения приращений (относительных значений) силы тя­жести Δg, т.е. разности между g_H в любой наблюдаемой точке и величиной g в некоторой исходной опорной точке. В качестве опорных точек выбираются пункты гравиметрической сети стра­ны, которые располагаются в городах и крупных населенных пунктах, а часто на базе экспедиций или партий. Величина Δ g является разностью отсчетов по прибору во всех точках по сравнению с опорной.

Чувствительным (измерительным) элементом гравиметров яв­ляется кварцевая пружина или кварцевая нить (иногда их ком­бинации), находящаяся в так называемом астазированном, или напряженно-неустойчивом упругом, состоянии.

Работа ядерно-прецессионных (протонных) магнитометров ос­нована на определении частоты прецессии протонов (ядер во­дорода) вокруг полного вектора напряженности геомагнитного поля, или магнитной индукции Т. Процесс измерения склады­вается из "подмагничивания" сосуда с водородосодержащей жид­костью (керосин, спирт), который помещается в обмотку ка­тушки, питаемой от батарейки. Ядра водорода, являясь элемен­тарными магнитиками, устанавливаются по полю, созданному электромагнитом. Если отключить батарейку, то протоны пре-цессируют, вращаясь, как юла,и устанавливаются вдоль вектора Т, индуцируя в катушке ЭДС, частота которой пропорциональ­на Т. Чувствительность протонных магнитометров составляет еди­ницы нанотесла.

Приборы другого типа действуют на основе квантовых эффек­тов, заключающихся в изменении частоты электромагнитного излучения, возникающего при переходе электронов атомов веще­ства с одного энергетического уровня на другой (так называе­мый эффект Зеемана). Если посредством определенного воздей­ствия "заставить" часть электронов в атомах подняться на верх­ний уровень, а затем убрать воздействие, то электроны синхрон­но опустятся на прежний уровень. В результате такого перехода возникают электромагнитные сигналы на частоте, определяемой квантовыми характеристиками вещества и напряженностью гео­магнитного поля Т. Воздействие ("оптическая накачка") осущест­вляется освещением вспышкой света газов (пары цезия, руби­дия). Магнитометры, основанные на этом принципе, называются квантовыми. Чувствительность подобных магнитометров при из­мерении Т около 1 нТл.

В аппаратуре для аэромагнитной и гидромагнитной съемок (феррозондовых, протонных, квантовых магнитометрах) ЭДС, получаемые на выходе датчиков, усиливаются и регистрируются на аналоговых (видимые ленты с измерениями параметров по­ля) или цифровых (сигналы записываются в цифровой форме, как в электронных вычислительных машинах) регистраторах.

Аппаратура для электроразведки и терморазведки. При глу­бинных и структурных исследованиях земной коры (глубина раз­ведки свыше 500—1000 м) используются различные электромаг­нитные зондирования (ЭМЗ). В качестве измерительной аппарату­ры при их постановке служат полевые лаборатории электроразве­дочных станций (ПЛ-ЭРС). Они предназначены для регистрации электриеских и магнитных компонентов естественного или искусственно созданного поля в широком диапазне сверхнизких и низких частот (от 0,01 до 100 гц).

При терморазведке кроме тепловизоров используются разно­го рода электрические и полупроводниковые термометры, обеспе­чивающие возможность изменения температур в шпурах, сква­жинах, донных осадках с точностью около О, ГС.

Сейсмическая и сейсмоакуетическая аппаратура. Сейсми­ческая аппаратура предназначена для регистрации упругих волн от естественных (землетрясения) или искусственных источников (взрывы, невзрывные источники).

Для круглосуточной регистрации упругих волн от землетрясе­ний на обсерваториях (их в мире свыше 200) используются сейсмо­графы. Конструктивно они состоят из инертной массы, подве­шенной на пружине в жестком массивном корпусе. Упругие волны вызывают колебания корпуса, тогда как инертная масса стремится сохранить свое положение. Если к инертной массе присоединить механическое записывающее устройство, например перо, легко касающееся бумаги, закрепленной на корпусе вра­щающегося барабана, то можно получить сейсмограмму. Кроме такого механического способа записи существуют оптические или электромагнитные способы автоматической регистрации сейсми­ческих волн от землетрясений.

В сейсморазведке возбуждение упругих волн иногда проводит­ся взрывным способом. Взрывчатое вещество массой от несколь­ких десятков килограмм до десятков тонн помещается в скважи­не и подрывается злектродетонатором. С увеличением массы глубинность возрастает от сотен метров до сотен километров.

В качестве альтернативных источников в сейсморазведке ис­пользуют: 1) удары по земной поверхности молотком, кувалдой или с помощью падающего груза (глубинность соответственно растет от десятков до сотен метров); 2) импульсные газовзрывные источники, представляющие собой цилиндр, в котором при под­рыве пропана в кислороде вследствие газовой детонации дви­жется поршень, ударяющий по земной поверхности; 3) импульс­ные возбудители от высоковольтных электроискровых источни­ков, разряд которых в воде создает упругую волну; 4) вибраци­онные пневматические или гидравлические датчики, действующие по принципу перфораторов или гидравлических домкратов, и др. Глубинность разведки с помощью источников последних трех типов меняется от нескольких сотен метров до нескольких километров.

В сейсморазведке улавливание упругих колебаний почвы и прев­ращение их в электрические сигналы производится сейсмоприемниками. Они похожи на сейсмографы, но построены на индук­ционном или пьезоэлектрическом принципе, т.е. электрические сиг­налы возникают в движущейся внутри магнита катушке или вследствие возникновения пьезоэлектрических зарядов на осо­бых кристаллах при изменении давления на них. Электричес­кие сигналы на выходе сейсмоприемников очень малы (порядка 1—10 мкВ), поэтому они усиливаются электронными усилителя­ми, осуществляющими также фильтрацию помех, и записываются оптическим ими магнитным регистратором.

Совокупность сейсмоприемников, усилителей и регистрирую­щих устройств носит название сейсмического канала или канала записи. В сейсмических (сейсморазведочных) станциях, монтируе­мых на автомашинах или кораблях, бывает от одного-двух до сотен идентичных каналов, а сейсмоприемники с выходящими от них проводами соединяются в сейсмические косы. Иногда сигналы от сейсмоприемников на регистрирующую станцию пе­редаются по радиоканалу.

Многоканальная запись необходима для того, чтобы непрерыв­но по площади прослеживать и разделять разные упругие вол­ны, приходящие от разных объектов. Она может быть либо прямой (запись ведется на электротермической или обычной рулонной фотобумаге регистратора), либо воспроизводимой (реги­страция осуществляется на широкой магнитной ленте специ­ального магнитофона). Прямая и воспроизводимая записи бы­вают аналоговыми, когда развертка сигналов во времени осу­ществляется в видимой форме, или цифровыми, когда сигналы кодируются в двоичном коде, как в ЭВМ, и записываются на магнитофон. С помощью графопостроителей (плоттеров) цифро­вые магнитограммы можно преобразовывать в аналоговые сейсмо­граммы. Частотный диапазон упругих колебаний при сейсмора­зведке меняется от долей герца до нескольких килогерц.

Таким образом, современная сейсмостанция для геофизической разведки — это сложный измерительный комплекс, фактически представляющий специализированную ЭВМ. Он содержит сле­дующие блоки: набор сейсмоприемников, усилителей, регистри­рующих головок по числу каналов в станции; коммутатор ка­налов; преобразователи аналоговой записи в цифровую и об­ратно; цифровой магнитный и аналоговый регистраторы; блоки питания и контроля работы станции. Существуют различные типы сейсмических станций, отличающихся интервалами изуче­ния глубин, числом каналов, технологией работ (наземные, мор­ские, скважинные).

Для некоторых морских и скважинных исследований, а также лабораторных измерений упругих свойств образцов горных пород используются различные сейсмоакустические станции, работаю­щие в диапазоне от десятков до сотен килогерц.

Аппаратура, используемая в ядерной геофизике и при комплексных аэрогеофизических исследованиях. Из альфа-, бета-и гамма-излучений наибольшей проникающей способностью обла­дают гамма-лучи. Для регистрации интенсивности гамма-излуче­ния служат радиометры (наземные, автомобильные, самолет­ные). В качестве детектора гамма-излучений в современных радиометрах используются сцинтилляционные счетчики. В них под действием радиации возникают вспышки света. С помощью специального фотоумножителя они преобразуются в поток электронов, а затем усиливаются и ре­гистрируются. В спектрометрических радиометрах имеется воз­можность определять энергию гамма-лучей, что обеспечивает раз­деление излучений на урановую, ториевую и калиевую составляю­щие, которые характеризуются своими средними значениями и спектром энергий излучений.

Гамма-спектрометрический канал является одним из основ­ных в комплексных аэрогеофизических станциях, предназначен­ных для разведки на глубинах до 100—200 м. В них имеется также квантовый магнитометр, тепловизор, иногда аппаратура для аэроэлектроразведки и устройства для забора воздуха с после­дующими лабораторными измерениями концентраций аэрозолей, например окиси азота, углекислого газа и др., специальными газоанализаторами. Носителями таких аэрокосмических станций могут быть легкие самолеты или вертолеты, снабженные иногда спутниковой системой навигации.

На измерении интенсивности альфа-излучения 1_а основана работа эманометров, предназначенных для изучения концент­рации радона в воздухе, который закачивается в специальную сцинтилляционную камеру эманометра из почвы или призем­ной части атмосферы.

Для поэлементного химического анализа горных пород в об­разцах или массиве (обнажение, горная выработка, скважина) используются разнообразные приборы, применяемые в ядерно-фи­зических (изотопных) методах, работа которых основана на изу­чении физических явлений, происходящих при искусственном облучении горных пород гамма-лучами и нейтронами разных энергий.

Особым разделом геофизики, предназначенным для изучения физических свойств горных по­род в околоскважинном пространстве, являются геофизические методы исследования скважин (ГИС), называемые также буровой, промысловой геофизикой или каротажем (Горбачев, 1990). Они обеспечивают изучение пород в радиусе до нескольких метров от оси скважины без отбора образцов пород (керна). Однако при от­боре керна из основных опорных горизонтов с последующими лабораторными анализами информативность ГИС резко возрас­тает.

Принципы устройства датчиков поля для скважинных изме­рений такие же, как и в рассмотренных выше методах при­кладной геофизики. Аппаратурой для ГИС служат автоматичес­кие каротажные станции (АКС или АГИС). В каротажной станции, смонтированной на одной-двух автомашинах, имеется следующее оборудование:

спуско-подъемные устройства, включающие лебедку, рабо­тающую от двигателя автомобиля, и блок-баланс для спус­ка и подъема скважинного прибора, соединяющегося мно­гожильным кабелем с регистрирующей аппаратурой;

скважинный прибор (каротажный зонд), имеющий питающие и измерительные электроды или устройства для создания того или иного физического поля и измерения его пара­метров;

усилительно-регистрирующая аппаратура, принимающая сиг­налы и записывающая их в виде каротажных диаграмм (графиков зависимости измеряемого параметра от глуби­ны). Записи бывают аналоговыми (на рулонной бумаге или
магнитной ленте) или цифровыми, предназначенными для обработки с помощью компьютеров, которыми обычно комплектуются АКС.

Меняя каротажные зонды, можно проводить геофизические исследования разными методами, т.е. в ГИС легко реализовать комплексирование методов.

К ГИС относят методы обследования пространств (целиков) горных пород между скважинами и горными выработками путем просвечивания массивов электромагнитными и акустическими вол­нами (подземная геофизика). Перемещая последовательно излу­чатели и приемники в соседних скважинах или выработках, можно оценить изменения электрических и упругих свойств по лучам между ними. Технические средства для просвечиваний и прозвучиваний, в принципе, отличаются от рассмотренных вы­ше приборов для полевых наземных и скважинных наблюдений лишь конструктивно. Сходна по устройству и аппаратура сейс­мической (СЭ) и электромагнитной (ЭМЭ) эмиссии, предназначен­ная для изучения естественных акустических и электромагнит­ных полей, обусловленных изменением геодинамических условий массивов горных пород под воздействием природных и техно­генных факторов. При изменении горного давления (нагрузок или разгрузок) в породах наблюдается "растрескивание", что и сопровождается появлением упругих и электромагнитных полей сейсмической, пьезоэлектрической и иной природы.

Аппаратура для лабораторных измерений физических свойств горных пород работает на основе тех же принципов, что и в прикладной и скважинной геофизике. Однако при сопоставле­нии полученных данных с измеренными в природных условиях (в массиве) следует учитывать коэффициенты физического подобия, известные в теории физических полей.

3. Дистанционные аэрокосмические геофизические методы. Основой для решения тех или иных экологических задач глобального, регионального и даже локального плана могут слу­жить дистанционные (аэрокосмические) съемки, с помощью кото­рых с той или иной детальностью картируются суша и аквато­рии Земли для военных и гражданских целей. Поскольку данные этих съемок можно приобрести, например, в организациях "При­рода", их применение для экологических целей становится не только необходимым, но и возможным.

Под дис­танционными аэрокосмическими методами понимается комплекс исследований физических полей Земли, выполняемых при по­мощи приборов, находящихся на космических и воздушных носителях. С их помощью можно шяушъ информацию о стро­ении земной поверхности, верхней части литосферы, о природ­ных и техногенных объектах и процессах, проведать повторные наблюдения для организации мониторинга.

В большинстве дистанционных методов автоматически реги­стрируются параметры собственного или отраженного электро­магнитного излучения природных ландшафтов и искусственных (техногенных) объектов. В зависимости от используемых полей, а также длины электромагнитных волн выделяются сле­дующие виды дистанционных съемок: космофотосъемка (КФС) и аэрофотосъемка (АФС); телевизионная (ТС), инфракрасная (И К) и радиотепловая (РТ), радиолокационная (РЛ), многоспектральная (МС), ультрафиолетовая (УФ), лазерная (лидарная) (ЛС).

К дистанционным относятся также аэромагнитные и аэрора­диометрические съемки.

Важнейшей особенностью дистанционных съемок является возможность различной степени генерализации объектов и измене­ния обзорности (ширины полосы исследований), которые зависят от высоты орбиты космического носителя (от 180 до 1000 км) или от высоты полета воздушного носителя (0,5—10 км), а также от типа аппаратуры, ее разрешающей способности, масштаба съем­ки Во многих видах съемок уровень генерализации и разрешаю­щая способность исследований взаимно обратны: чем больше генерализация, тем меньше разрешение на местности.

Таким образом, при интерпретации данных дистанционных съемок имеется возможность направленно генерализовать изучае­мую эколого-геологическую ситуацию, выделять региональные или даже локальные объекты, видеть их пространственное соот­ношение, трудно фиксируемое обычными наземными съемками. При дистанционных исследованиях удается реализовать "эффект прозрачности": как бы заглянуть внутрь литосферного простран­ства, получив структурные планы объектов, фрагменты которых только частично выделяются наземными съемками.

Съемки в видимом диапазоне частот. Фотосъемки АФС, КФС (λ ~ 0,35—1,0 мкм) и многоспектральные съемки МС (X = = 0,41—12,5 мкм) в одном или нескольких диапазонах спект­ра расширяют возможности проведения дистанционных иссле­дований, делают их более надежными и позволяют выявлять закономерности строения ландшафтов земной поверхности, которые ускользают из поля зрения исследователя при использовании только наземных методов. Одним из главных достоинств космо- и аэрофотоснимков является их документальность, т.е. точное и объективное отображение естественных и искусствен­ных объектов на земной поверхности. Физической основой фотосьемок является изучение отраженного электромагнитного излучения. Информация о строении ландшафтов и земной поверх­ности зависит от отражающей способности (альбедо), характера поглощения и рассеяния электромагнитного излучения, вида при­родных и техногенных объектов, растительности, типов горных пород, их электромагнитных и тепловых свойств. Для оценки указанных характеристик используются фотоматериалы с различной чувствительностью и фотофильтры, позволяющие про­водить съемку в различных диапазонах светового спектра час­тот. Аэрокосмические фотосъемки имеют самую высокую раз­решающую способность на местности; снимок КФС миллион­ного масштаба имеет разрешение от 30 до 2 м. При обработке подобные снимки можно увеличить в 10 и более раз. Разреше­ние меняется в зависимости от оптических свойств объектива, технических характеристик фотопленки, масштаба съемки, яр­кости освещения ландшафта, отражающих характеристик мест­ности и объектов.

Многоспектральное фотографирование на разных длинах элект­ромагнитных волн открывает дополнительные возможности при так называемых отраслевых исследованиях, т. е. использовании аэрокосмоснимков для целей топографического, геоботаническо­го, геологического, гидрогеологическою, эколо го-геологического и других видов картирования.

Фотоизображения отличаются друг от друга по сумме приз­наков. К прямым дешифровочным признакам относятся раз­мер, форма, структура (преобладающий характер рисунка), цвет, фототон (цветовая насыщенность) изображения. На них не ока­зывает существенного влияния степень освещенности земной поверхности солнцем. Внутри контуров отдельных объектов особенности строения рельефа определяются микрорисунком (текстурой) изображения, который также является устойчивым де­шифровочным признаком и не зависит от времени проведения j съемки.

Все перечисленные, а также дополнительные интерпретацион­ные признаки (форма, размеры и взаимное расположение объе­ктов) позволяют изучать как структурные особенности местнос­ти, так и современные физико-геологические явления и про­цессы, в том числе и техногенные, вызванные хозяйственной деятельностью человека.

Телевизионная съемка (ТС) (λ = 0,32—0,75 мкм) служит для изучения солнечного электромагнитного излучения, отраженного от земных ландшафтов. Она выполняется с помощью специаль­ного приемника с электронным сканированием телевизионного изображения местности. Получаемый растровый снимок боль­шой обзорности или цифровую информацию можно визуализи­ровать на экране дисплея. ТС имеет более низкое разрешение на местности, чем КФС или АФС, обычно не превышающее (при миллионном масштабе) 200—80 м. По сравнению с КФС телевизионная съемка обладает более высокой обзорностью и большей генерализацией объектов. Поэтому ТС используется как фоновая основа для выявления крупных региональных структур или объектов, определение которых затруднено по данным КФС.

Всем дистанционным методам, в которых фиксируется изоб­ражение местности в видимом диапазоне спектра, присущ ряд ограничений. Они могут использоваться только в дневное время и в ясную погоду. Кроме того, давая информацию исключительно о земной поверхности, они характеризуют подстилающую ее толщу горных пород только по опосредствованным признакам, находящим отражение в морфологии, цвете, растительности и других особенностях, формирующих ландшафт. Таким образом, сведения о пространственном строении и свойствах верхней час­ти литосферы оказываются весьма условными.

Инфракрасная съемка (ИК), в аэроварианте тепловая аэросъемка (ТАС) (λ = 1,5—14 мкм), обычно осуществляется при помощи сканирую­щей аппаратуры (тепловизоров), т.е. информация об особеннос­тях земной поверхности складывается из характеристик, полу­чаемых по отдельным участкам, на которые в данный момент времени направлено регистрирующее устройство.

Инфракрасное излучение как носитель информации близко к световому изображению. Поскольку тепловое излучение тел непо­средственно связано с их энергетическим состоянием, оно ука­зывает на температуру и размеры источника. Интенсивность и спектральный состав излучения зависят не только от темпера­туры, но и от электромагнитных и тепловых свойств почв, грунтов и горных пород, на которые направлен объектив тепло­визора. Эти особенности ИК-излучения позволяют выявлять природу источников, в том числе обусловленных глубинными процессами, что не удается при дешифрировании фото- и теле­изображений земной поверхности, полученных в видимом диа­пазоне спектра.

Наблюдения в инфракрасной области спектра ведутся в трех диапазонах: ближнем (λ = 0,7—2,5 мкм), среднем (λ = 3—5,5 мкм), дальнем (λ = 8—14 мкм). Эти диапазоны соответствуют "окнам" прозрачности атмосферы. В ближнем диапазоне регистрируется главным образом длинноволновое отражение солнечного излуче­ния, в дальнем основную роль играет собственное излучение земной поверхности, в среднем излучение носит смешанный ха­рактер.

Выделяют две группы задач, решаемых при помощи тепловой съемки. Первая группа связана с изучением аномального темпе­ратурного поля областей современного вулканизма, зон распрост­ранения термальных вод и термального (естественного или тех­ногенного) загрязнения геологической и водной среды. Ко вто­рой группе относится изучение теплового поля, формирующегося за счет солнечной радиации, результат которого можно использовать для региональных геологических и эколого-геологических исследований. Особенно эффективна совокупность съемок в раз­ные сезоны года, ночных и дневных, т.е. когда меняется темпе­ратура земной поверхности.

Радиолокационная съемка (РЛ) основана на использовании ра­диоволнового диапазона электромагнитного спектра. Она подраз­деляется на пассивную (радиотепловую) с λ = 0,3—10 см и ак­тивную (радиолокационную), в которой используются электромаг­нитные излучения с длиной волны λ = 1,0—100 см. Радиотепло­вая съемка во многом аналогична ИК-съемке, но отличается существенно меньшей разрешающей способностью. С ее помо­щью выделяются термические аномалии, охватывающие большие площади, по которым удается получать усредненные показатели температурного поля.

При радиолокационных (радарных) съемках изучается различ­ная способность объектов земной поверхности отражать радио­импульсы. Интенсивность отраженного сигнала определяется электромагнитными свойствами поверхностных от­ложений, к которым относятся их диэлектрическая проницае­мость и электропроводность, в свою очередь зависящие от влаж­ности. Разрешающая способность радарного изображения зависит от длины волны используемого сигнала. Характер изображения определяется шероховатостью растительного покрова, микроре­льефом и рельефом. В реальных условиях отражение оказывает­ся полурассеянным, что обусловлено множеством хаотично рас­положенных неровностей земной поверхности с размерами, со­измеримыми с длиной волны.

Радиолокационные съемки позволяют обнаруживать разрыв­ные нарушения, определять состав пород, характеризовать сте­пень их увлажненности, картировать участки развития и дегра­дации мерзлоты. Эти и другие задачи имеют большое значение для экологической геологии. В условиях развития пород низкой электропроводности (высокого сопротивления) радиолокацион­ное зондирование может осуществляться на глубину в несколь­ко десятков метров.

Ультрафиолетовая и лазерная (лидарная) съемки используются преимущественно для контроля загрязняющих компонентов при­земных частей атмосферы, для оценки воздействия промыш­ленных объектов, территорий урбанизации и сельскохозяйст­венной деятельности на окружающую среду. Чаще всего в ка­честве индикаторов применяются датчики, использующие лазер ное излучение, так называемые лидеры (лазерные сенсоры).

С помощью лазерного луча, усиливающего эффект люми­несценции аэрозольного и газового загрязнения атмосферы, осуществляется спектральный анализ загрязняющих веществ. При этом лидары позволяют обнаруживать излучение, создавае­мое "мишенью", в диапазоне частот, отличном от частоты лазера. Спектральный анализ "мишени" выполняется с практи­чески абсолютной точностью, т.е. он способен обнаруживать отдельные атомы загрязняющих веществ.

В настоящее время созданы лидарные станции (комплексы), которые могут устанавливаться на воздушных носителях, на вы­сотных зданиях и мачтах, на передвижных наземных носителях. Так, например, для контроля аэрозольных и газовых компонен­тов атмосферы урбанизированных территорий используется трех-канальная лидарная станция. В видимом диапазоне частот конт­ролируется аэрозольный компонент; ультрафиолетовый канал пред­назначен для контроля загрязняющих газов SO₂, NO₂, O₃; ИК-канал обеспечивает контроль концентрации NH₃, C₂H₄ и О₃.

Лазерный мониторинг позволяет следить за эволюцией и раз­рушением озонового слоя, контролировать кислородно-азотный баланс в атмосфере, оценивать содержание вредных аэрозольных и газовых компонентов в ее приземной части. По данным ли-дарных исследований можно определять вклад конкретных ис­точников техногенного воздействия в загрязнение атмосферы, выявлять роль воздушного канала в переносе загрязняющих ве­ществ на исследуемой территории, устанавливать влияние этих веществ на экологическое состояние верхней части литосферы и гидросферы.

К дистанционным методам можно отнести спутниковую альтиметрию, т.е. определение общей картины гравитационного поля суши и океанов по наблюдениям за орбитами спутников.

Аэромагнитные съемки выполня­ются в крупных масштабах по системе параллельных профи­лей, удаленных друг от друга на десятки или сотни метров. Съемки позволяют получать информацию о региональных и ло­кальных магнитных аномалиях, которые могут быть связаны с зонами тектонических нарушений, трещиноватости, с выходами сильномагнитных пород и руд. Эти данные представляют инте­рес с точки зрения геоэкологического картирования территорий, выявления геопатогенных зон,выделения участков синтенси

Дата добавления: 2014-01-11