Изучение геодинамических активных зон (ГАЗ) является фундаментальной проблемой наук о Земле, которая рассматривается новым научно-прикладным направлением геологии – учением о ГАЗ, в рамках геологических наук (современной и новейшей геодинамики, неотектоники, структурной геологии, геоморфологии, геоэкологии, инженерной геологии, гидрогеологии, геохимии, геофизики) на стыке с географией, биологией, экологией и другими науками. Геодинамические активные зоны (ГАЗ) представляют собой участки земной коры, различные по объему, конфигурации и площади, активные на современном этапе неотектонического развития, характеризующиеся пониженной прочностью, повышенной трещиноватостью, проницаемостью и, как следствие, проявлениями разрывной тектоники, сейсмичности и других процессов [3, 18, 32, 35].
Материалы и методы исследования
В структуре учения о ГАЗ выделяется две основные части – теоретико-методологическая и прикладная. Концептуальная модель разработки учения о ГАЗ базируется на принципах: фундаментальности, системности, комплексности, объективности, критериальности, результативности, многофункциональности (рис. 1).
Основными методами изучения ГАЗ являются: геофизические; аэрокосмогеологические (АКГИ), структурно-геоморфологические, гидрогеологические, геохимические, биологические методы. Разработанные специальные методики для оценки геодинамической активности территорий – морфонеотектонический и линеаментно-геодинамический анализы на основе АКГИ позволяют достаточно надежно устанавливать ГАЗ различных уровней – от региональных до локальных, особенно при комплексировании с другими методами. Критериями оценки геодинамической активности являются различные расчетные показатели. Одним их важнейших показателей является плотность разломов и линеаментов [18]. Результаты многолетних исследований автора использованы при выполнении НИР (ЕНИ ПГНИУ, 2010-2015 гг.), где сложились основные фундаментальные и прикладные направления в изучении ГАЗ – их ведущей роли в формировании геоэкологических, инженерно-геологических, гидрогеологических, минерагенических условий.
Основные направления изучения геодинамических активных зон
Результаты исследования и их обсуждение
Изучение минерагенической роли ГАЗ. В формировании многих месторождений полезных ископаемых ГАЗ играют активную роль и определяют минерагенические закономерности. Во многих регионах мира отмечена концентрация зон нефтегазонакопления и крупных месторождений нефти и газа в местах пересечений и сгущений разрывных тектонических нарушений. Разработана геодинамическая модель нафтидогенеза [25, 26], отражающая эволюцию нафтидогенеза (а также и рудогенеза), которая позволяет после увязки наблюдаемых фактов и выделения определяющих показателей, выйти на прогноз нефтегазоносности локальных участков. Прогнозное значение данной модели в пространственно-временном диапазоне изучено на примере месторождений нефти и газа Пермского края. Проведен линеаментно-геодинамический анализ с применением методов АКГИ с учетом данных по нефтегазоносности. Построена карта ГАЗ (с выделением 60 мезозон), установлено их проявление в геофизических, геохимических, гидрогеологических полях [8, 23]. Сделан локальный прогноз месторождений нефти и газа, алмазов, урана, подземных вод и других полезных ископаемых [7, 12, 21, 27, 36, 37].
Изучение гидрогеологической роли ГАЗ. В формировании гидрогеологической обстановки в зоне активного водообмена участвуют многочисленные процессы; ведущую роль при этом играют структурно-геологические условия и геодинамическая активность. Действия этой закономерности установлено для многих регионов мира и подтверждено нами во многих районах Сибири, Урала, Приуралья [11, 35, 39]. Основным методом исследований является структурно-гидрогеологический анализ. В качестве основных расчетных показателей применяются модули подземного стока, подземного химического стока, подземного углеводородного стока. В западной части Сибирской платформы установлена геопространственная связь зон повышенной геодинамической активности с участками повышенной концентрации подземного и подземного химического стока. Большинство локальных положительных структур в ГАЗ характеризуются повышенными гидрогеологическими показателями [13]. На основании многочисленных фактов, можно определить основную гидрогеологическую роль ГАЗ в следующем: распределение подземного стока; миграция химических элементов в подземных водах; формирование гидрогеологических и гидрогеохимических аномалий, водообильных зон и как следствие из этого – формирование специфических гидрогеологических условий территорий в зонах повышенной геодинамической активности [15].
Изучение инженерно-геологической роли ГАЗ. Геодинамическая активность является мощным фактором формирования инженерно-геологических условий территорий недропользования, который часто играет ведущую роль среди многих природных факторов. Морфонеотектонический и линеаментно-геодинамический анализы применялись во многих регионах – Урале и Приуралье, Восточной и Западной Сибири, Дальнем Востоке, Севере, Средней Азии в различных инженерно-геологических целях.
В районах развития многолетнемерзлых пород Восточной Сибири комплексный инженерно-геокриологический анализ показал на закономерное изменение состояния геологической среды и ее параметров в пределах локальных ГАЗ по сравнению с другими участками. В пределах этих зон отмечается увеличение размеров таликов среди мерзлых пород; ухудшение физико-механических свойств грунтов (увеличение площади и мощности рыхлых грунтов – торфов, мягко- и текучепластичных суглинков, водонасыщенных песков, увеличение трещиноватости скальных грунтов); увеличение интенсивности проявления заболачивания, пучения грунтов, термокарста, эрозионных процессов. [6, 13].
При изучении карстовой опасности на закарстованных территориях установлено закономерное влияние степени геодинамической активности на развитие карста. В районе г. Дзержинска Нижегородской области детальный линеаментно-геодинамический анализ показал наиболее высокую концентрацию карстовых воронок на участках с чрезвычайно и очень высокой степенью плотности линеаментов. То же самое установлено в городах и районах Приуралья – гг. Кунгур, Чусовой, Кизел, п. Полазна и др. [16].
При разработке месторождений калийных солей изучение геодинамической опасности имеет чрезвычайно важное значение для безопасности горного производства. На территории крупнейшего в мире Верхнекамского месторождения калийно-магниевых солей проведено сопоставление локальных ГАЗ и линеаментов с данными инженерно-геологических изысканий. Анализ показал на приуроченность к этим зонам карстовых и суффозионных процессов, оврагообразования, оползней, береговой и склоновой эрозии. В пределах ГАЗ отмечается наибольшая мощность рыхлых образований, значительное ухудшение физико-механических свойств грунтов [5, 30]. Все известные техногенно-карстовые провалы в Соликамско-Березниковском промузле в т.ч. – участки аварий на калийных рудниках располагаются в пределах ГАЗ с чрезвычайно высокой степенью плотности линеаментов. Данный факт (о связи аварийности на рудниках и тектонической трещиноватости) известен для большинства калийных месторождений мира. Поэтому проведенные АКГИ на Жилянском (Казахстан) и Тюбегатанском (Узбекистане) месторождениях калийных солей позволили построить карты ГАЗ этих районов, где выделены опасные участки для их разработки [1, 18, 20, 28].
На трассах нефтегазопроводов установлено, что практически все чрезвычайные ситуации природного и природно-техногенного характера происходят в пределах зон повышенной геодинамической активности, что четко подтверждает факт влияния геодинамического фактора на условия эксплуатации нефтегазопроводов на территории Урала и Приуралья. Аналогичный вывод сделан многими исследователями практически во всех нефтегазоносных регионах России. Поэтому проведенные нами АКГИ (Западная и Восточная Сибирь, Европейский Север, Алтай, Дальний Восток и др.) с целью оценки геологической безопасности при проектировании, строительстве и эксплуатации нефтегазопроводов имеют важное значение для обеспечения их надежного функционирования [7, 18, 24].
На урбанизированных территориях, особенно в городах оценка геодинамической активности играет исключительно важное значение при изучении инженерно-геологических условий. Пермский мегаполис имеет сложные инженерно-геологические условия, обусловленные развитием различных геологических процессов, специфическими грунтами, подработанными пространствами и др. При этом многие неблагоприятные техноприродные процессы значительно усиливаются в зонах повышенной геодинамической активности, серьезно влияют на условия строительства и эксплуатацию инженерных сооружений [18, 19, 31]. Основной методический комплекс их изучения – крупномасштабное инженерно-геологическое картирование, мониторинг геологической среды, АКГИ. Разработана концепция геологической безопасности городов на примере г. Перми. [2, 41, 42].
Изучение геоэкологической роли ГАЗ. Основные закономерности формирования геоэкологических условий различных территорий определяются природными и техногенными факторами. При этом ведущая роль принадлежит геодинамическому фактору. ГАЗ тесно связаны с так называемыми геопатогенными зонами – т.е. литосферно обусловленными зонами биологического дискомфорта (по В.Т.Трофимову и др. [38]), разделяющихся на геопатогенные (геопатогенные геохимические и геофизические аномалии) и техногенные зоны. Рассмотрено влияние ГАЗ на формирование геохимических аномалий как важнейшей составляющей части геоэкологических условий на многих примерах Урала и Сибири [4, 9, 18, 22, 33, 34, 40, 44]. При проведении региональных геоэкологических, геолого-геохимических, гидрогеологических и исследований, многоцелевого геохимического картирования на Западном Урале и в Приуралье выявлено большое количество геохимических аномалий со значительным превышением ПДК. Подавляющее большинство их находится в пределах закартированных 21 комплексных литогеохимических аномальных зон (Pb, Zn, Cd, Be, P, As, Ni, Co, Cr, Mo, Cu, Sb, Mn, V, Ba, Sr, Sn, Ti, Zr, Ga) [10] и 13 гидрогеохимических аномальных зон (Br, B, Ba, Mn, Ti, Sb, Be, Cd, V, Cr, Ni, Pb, Sr, Zn, Co, Mo) с площадями 1-9 тыс. км2 [17]. Их положение обнаруживает хорошую пространственную сходимость с региональными ГАЗ. При этом большинство локальных геохимических и гидрогеохимических аномалий характеризуются повышенными значениями геодинамических показателей. Участки в контурах геохимических аномалий характеризуются значительной современной геодинамической активностью. Все это доказывает о весьма существенной роли современной геодинамики в формировании геохимических аномалий, а вместе с тем – геоэкологических условий.
Геопространственный анализ территории Пермского края, включающий изучение ГАЗ (с очень высокой плотностью тектонических нарушений), зон экологической опасности (по комплексу показателей – химическому, радиоактивному и др. загрязнению почв, подземных и поверхностных вод, воздуха; степени нарушения ландшафтов; пораженности территории геологическими и др. процессами и участков заболеваемости населения (по данным медицинской статистики) показывает, что подавляющее большинство площади, занимающими всеми ГАЗ на территории края (87 %) находятся в пределах неблагоприятного и весьма неблагоприятного экологического состояния, характеризующегося также самым высоким процентом общей заболеваемости населения (особенно – детей). Можно вполне определенно отнести все площади ГАЗ к зонам экологического риска [14, 29, 43].
На основании приведенных и других аналогичных фактов, можно определить основную геоэкологическую роль ГАЗ в следующем: выявление и прогнозирование перемещений вещества Земли; формирование геохимических аномалий; оценка загрязнения земных оболочек и территорий; выявление геопатогенных зон; активное формирование геоэкологических условий регионов и, следовательно – рассмотрение в качестве одного из ведущих критериев для комплексной геоэкологической оценки и районирования территорий; выявление геоэкологических особенностей природных и урбанизированных территорий, городов, различных объектов в целях оценки геологической и экологической безопасности планируемой хозяйственной деятельности, в т.ч. – недропользования.
Заключение
Таким образом, сформированы основные фундаментальные и прикладные направления в изучении геодинамических активных зон. Показана геоэкологическая, инженерно-геологическая, гидрогеологическая и минерагеническая роль ГАЗ, изучение которых имеет важное значение для развития общей теории Земли и решения многих практических задач экологии и экономики.