Геоэкологическая оценка экзогенных геологических процессов с использованием гис-технологий (на примере территории Новой Москвы)

Глава 1. Состояние изученности проблемы
В первой главе рассмотрены результаты проведенных ранее исследований территории Новой Москвы и существующие приемы геоэкологической оценки территории.
Вопросы геоэкологического состояния территорий, находящихся под влиянием антропогенной деятельности, и их районирование рассматривались в работах Шеко А.И., Осипова В.И., Трофимова В.Т., Зилинга Д.Г. Рагозина А.Л. и др.
В настоящее время вопрос комплексного подхода к геоэкологической оценке состояния окружающей среды разработан недостаточно: отсутствует единый, основанный на физических принципах, подход к определению степени опасности отдельного природного процесса или их совокупности, а также и методологии в целом, позволяющей разрабатывать геоинформационные модели и методы представления данных, пространственного анализа геоинформации в целях оценки степени подверженности геосистем совокупности опасных природных процессов (Шакирова, 2007; Марченко, 2010).
Платэ А.Н.,
В инструкции по составлению и подготовке к изданию листов Государственной геологической карты Российской Федерации масштаба 1:200 000 впервые использован термин «схема районирования территории по эколого-геологическим опасностям (СЭГО)». СЭГО отображает экспертную оценку геоэкологической ситуации на изучаемой территории в зависимости от эндо- и экзодинамических процессов, возможности возникновения катастроф, от степени ее геохимического, радиоактивного загрязнения и т.д. (Инструкция по составлению и подготовке…, 1995).
Сотрудниками Всероссийского научно-исследовательского института гидрогеологии и инженерной геологии (ВСЕГИНГЕО) предложена шкала оценок состояния поверхности литосферы по развитию геологических процессов (табл. 1) (Трофимов, Зилинг, 2002).
Таблица 1. Оценка состояния поверхности литосферы по развитию геологических процессов (Трофимов, Зилинг, 2002)
Критерий оценки Состояния эколого-геологических условий Удовлетворитель Условно Неудовлетво Катастроф
ное удовлетворительное рительное ическое
Часто проводят районирование территории по интенсивности проявления экзогенных геологических процессов (ЭГП). В качестве количественного показателя оценки интенсивности проявления ЭГП принимается пораженность территории процессом, которая рассчитывается по формуле:
Kp = Fp/F,
где Fp – суммарная площадь всех форм проявления процесса в пределах участка, F –
площадь всего участка (Экзогенные геологические процессы, 2002; Бондарик и др., 2006; Круподеров, Крестин, 2006).
До 2012 г. исследования территории Новой Москвы были незначительны и проводились только в рамках изучения Московской области. С 2012 года стали проводить геоморфологическое районирование территории (Макарова, Григорьева, 2018), изучать овражную сеть (Дайковская, 2014), распространение экзогенных геологических процессов (Аникина и др., 2012), радиоэкологическое состояние территории1.
За последние 10 лет выпущено несколько работ, посвященных геоэкологическим проблемам Новой Москвы (Геоэкологические проблемы Новой Москвы, 2013; Старая и Новая Москва: тенденции и проблемы развития, 2018; Богданов, 2015; Лурье и др., 2015), однако, геоэкологической оценки геологических процессов не проводилось.
Глава 2. Физико-географическая и геологическая характеристика района
исследования
Во второй главе рассмотрены основные физико-географические характеристики и геологическое строение района исследования.
Территория Новой Москвы занимает юго-западную часть прежней площади Московской области, граничит с Калужской и Московской областями; расположена в пределах Московорецко-Окской равнины, рельеф которой сложился под действием трёх оледенений. Реки территории (наиболее крупные – Моча, Пахра, Десна, Незнайка) принадлежат бассейнам
1 Российское атомное сообщество / Цейтин К. Ф. – URL: http://www.atomic-energy.ru/technology/55260. Режим доступа: свободный. Дата обращения: 11. 03. 2017
Площадная пораженность геологическими процессами (катастрофическим и и опасными), %
До 5
5 – 25
25 – 50
Более 50
7

рек Москвы и Оки. В пределах территории Новой Москвы в основном распространены подзолистые почвы разного подтипа.
Исследуемая площадь характеризуется развитием экзогенных геологических процессов2, таких как оползни, карстово-суффозионные процессы, подтопление. Этому способствуют такие особенности геологического строения территории, как наличие в геологическом разрезе мощной толщи растворимых карбонатных пород каменноугольного возраста, перекрытых песчано-глинистыми отложениями переменной мощности; наличие залегающих относительно близко к поверхности слабопроницаемых юрских глин и четвертичных ледниковых суглинков (Козлякова и др., 2018; Закон города Москвы от 15 марта 2017 г. No 10 «О внесении изменений…»). С ростом прогнозируемых климатических изменений рассматриваемые неблагоприятные процессы могут усиливаться.
Территория Новой Москвы расположена в пределах Московской палеозойской синеклизы – крупнейшей платформенной структуры, в осадочном чехле которой тектонические разломы отсутствуют. Разломы кристаллического фундамента находят своё отражение в виде флексур, прогибов и зон линеаментов. Активная разломная тектоника отсутствует, но территория продолжает испытывать эпейрогенетические колебания на современном этапе (Кузьмин и др., 2015; Вагнер, Манучарянц, 2003).
Глава 3. Методические основы исследования
Геоэкологические исследования проводились в три этапа: подготовительный, полевой и камеральный.
Подготовительный этап включал в себя сбор, обобщение и анализ имеющейся информации по геологии, гидрогеологии, географии, характеру почвенного покрова, проявлению экзогенных геологических процессов, радиационному состоянию изучаемой площади, расположению антропогенных объектов в пределах описываемой территории и их влияния на состояние окружающей среды. Эти данные составили базу ГИС-проекта «Новая Москва».
В результате обработки собранных данных были сделаны первоначальные выводы, на основе которых выделены тестовые участки для проведения дальнейших исследований и полевых работ.
Полевой этап состоял из пробоотбора почвы на предварительно выбранных участках в соответствии с установленными ГОСТами и методическими указаниями. Пробы почв отбирались на сельскохозяйственных полях (д. Рогово, д. Голохвастово, д. Исаково), в Троицком лесопарке, в 1 км от завода Мосрентген, в 200 м от полигона промышленных отходов «Летово». Десять проб взяты в пределах города Троицка.
Часть точек отбора проб предназначена для верификации данных аэрогамма-съемки (АГС) – в местах максимального или минимального содержания радионуклидов в соответствии с картами АГС. Всего было отобрано 49 проб, местоположение которых отражено на рис. 1.
2 Экзогенные геологические процессы – это многообразие геологических процессов, которые происходят в приповерхностных частях литосферы преимущественно под воздействием внешних факторов, хотя эндогенные факторы в развитии этих процессов играют большую роль (Опасные экзогенные процессы, 1999)
Рис. 1. Положение точек отбора проб почв.
Камеральный этап исследования включал в себя анализ отобранных проб, обработку полученных результатов, построение карт и формирование выводов о геоэкологическом состоянии территории Новой Москвы.
Для решения поставленных задач и обработки полученных результатов применялось геоэкологическое картографирование с использованием ГИС-технологий. Для анализа имеющегося материала применялось следующее программное обеспечение: Adobe Photoshop CS3, Quantum GIS (QGIS), Golden Software Surfer 9. Схема геоинформационного проектирования представлена на рис. 2.
Рис. 2. Схема геоинформационного проектирования.
На начальном этапе исследования автором был создан ГИС-проект (в QGIS), в который была загружена и переведена в векторный вид хранения данных вся необходимая информация. На дальнейшем этапе работы была выбрана сеть наблюдений 200*200 м, представленная в QGIS векторным файлом, содержащим точки, размещённые в вершинах квадратов сети. Полученная точечная сетка с помощью стандартных инструментов QGIS последовательно накладывалась на созданные ранее векторные слои, отражающие геологические процессы. В зависимости от того, попадают ли точки сети в область распространения процессов, каждая точка автоматически принимала определённое значение. Если точка оказывалась вне площади
действия проявленных геологических процессов, значение оказывалось равным нулю. Все полученные значения автоматически записывались в атрибутивную таблицу, на основе которой в Surfer были сформированы сеточные файлы GRID и построены карты, отображающие районы с обстановкой различной степени благоприятности.
Кроме этого, на основе создания цифровой модели рельефа (ЦМР), построенной по данным спутниковой съёмки SRTM, был проведен линеаментный анализ территории, так как зоны тектонических нарушений (линеаменты) имеют большое геоэкологическое значение (Анисимова, 2007; Дорожко и др.; 2015, Караковский, 2014; Караковский, 2017; Ramli et al., 2010).
Линейные структуры отчетливо обособляются на ЦМР за счёт прямолинейности простирания отдельных элементов и подчеркиваются спрямленными участками глубоко врезанных долин рек и эрозионно-тектонических уступов. В результате анализа модели рельефа с учетом расположения автодорог получена карта линеаментной сети территории Новой Москвы (рис. 3).
Рис. 3. Схема линеаментной сети территории Новой Москвы.
Пробы почвы были проанализированы гамма-спектрометрическим методом на значение удельной активности радионуклидов (232Th, 238U, 40K, 226Ra, 137Cs), а также потенциометрическим методом на значение кислотности и методом Тюрина на содержание органического углерода. На основе полученных результатов сформированы выводы о радиоэкологическом состоянии территории Новой Москвы.
Глава 4. Радиационная обстановка в пределах территории
В главе дана характеристика естественных и искусственных радионуклидов (232Th, 238U, 40K, 226Ra, 137Cs) и радиационной обстановки территории Новой Москвы на основе литературных данных.
В соответствии с (Гос. доклад «О санитарно-эпидемиологической…», 2012; Цейтин и др., 2017; Распоряжение Правительства РФ от 14.09.2009 No 1311-р «Об утверждении…»; Цейтин и др., 2017) завод «Мосрентген», Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований (ТРИНИТИ), Институт ядерных исследований РАН (ИЯИ РАН), Институт физики высоких давлений им. Л.Ф. Верещагина (ИФВД), Институт спектроскопии РАН относятся к опасным радиационным объектам.
Значения мощности экспозиционной дозы распределены по территории достаточно равномерно и составляют от 13 до 23,3 мкР/ч (уровень от 20 до 60 мкР/ч считается допустимым) (Александров, 2007).
В отношении загрязнения радиоактивным цезием на территории Новой Москвы складывается благоприятная ситуация, плотность загрязнения не превышает 0,2 Ки/км2 (норма – 1 Ки/км2) (Нормы радиационной безопасности, 1999).
В результате анализа карт АГС выявлено, что на некоторых участках изучаемой площади максимальные содержания 238U, 232Th, 40K превышают фоновые значения этих радионуклидов, характерные для территории Европейской части России (ЕЧР) (табл. 2).
Таблица 2. Содержания радионуклидов в почвах в пределах территории Новой Москвы по картам АГС
Параметр 137Cs, K, % 232Th, ×10-4 % 238U, ×10-4 % Ки/км2
Фоновые 1** 1,2 6,5×10-4 1,5×10-4 содержания*
Примечание: * – фоновое содержание для почв европейской части России по (Титаева, 2000); ** – по СанПиН 2.6.1.2523-09 «Нормы радиационной безопасности (НРБ-99/2009)
Автором проведена попытка выявления причин распределения естественных радионуклидов.
Удельная активность естественных радионуклидов варьирует в зависимости от минералогического состава почвообразующих пород (Цветнова, Новиков, 2005; Егорова и др., 2012; Рачкова и др., 2010; Арбузов, Рихванов, 2010). Известно, что уран плохо поглощается известняком, а геохимическими барьерами для 238U выступают окислительные условия, наличие фосфора, глинистое и органическое вещество (Перельман, 1979; Перельман, Касимов, 1999; Рачков и др., 2010; Егорова и др., 2012).
Максимальные значения этого радионуклида в пределах Новой Москвы в большинстве случаев приурочены к юрским отложениям, которые представлены глинами. Повышенные значения содержания урана-238 практически не встречаются на отложениях карбона, представленных известняками (рис. 4).
Кроме этого, было отмечено, что максимальные значения тория-232 в большинстве случаев совпадают с выявленными линеаментами (рис. 5). Однако делать однозначный вывод о влиянии неотектонических структур не представляется возможным, так как обогащение структур торием связано с комплексом процессов, изучение которых не являлось задачей в рамках диссертации.
Содержания в почвах Новой Москвы по данным АГС
0 – 0,2
0,5 – 2,3
1,4 – 11,9
0,3 – 2
Рис. 4. Геологическая карта территории и участки с максимальными значениями 238U.
Рис. 5. Связь неотектонических структур с распределением 232Th.
1 – граница Новой Москвы, 2 – реки, 3 – линеаменты, 4 – региональная линеаментная зона, 5 – населённые пункты
Анализ имеющихся карт АГС и проведенных ранее исследований территории Новой Москвы показал, что в пределах изучаемого региона складывается благоприятная радиоэкологическая обстановка.
Для подтверждения полученной информации была проведена верификация данных АГС путем натурных наблюдений (отбор проб почв и их анализ гамма-спектрометрическим методом на определение значений удельной активности радионуклидов).
Глава 5. Радиогеоэкологическая и геоэкологическая оценка территории
Новой Москвы
В отобранных пробах значение удельной активности (УА) цезия-137 колеблется от 1,3 до 14 Бк/кг при среднем значении 4,8 Бк/кг, удельная активность калия-40 – от 420 до 670 Бк/кг при среднем 598,7 Бк/кг. Максимальная удельная активность радия-226 — 30 Бк/кг, минимальная — 23 Бк/кг, среднее значение — 26,9 Бк/кг; минимальная величина УА для тория- 232 — 27 Бк/кг, максимальное значение — 46 Бк/кг при среднем — 39 Бк/кг. Значение удельной активности урана-238 колеблется от 27,25 до 57,8 Бк/кг, в среднем 43,5 Бк/кг (табл. 3). Полученные данные сравнивались с фоновыми региональными значениями.
Таблица 3. Статистические параметры распределения удельной активности радионуклидов (Бк/кг) в пробах почв (49 проб) территории Новой Москвы
Параметр 137Cs
Минимум 1,3 Максимум 14 Среднее 4,8 Стандартное отклонение 3,1 Ошибка среднего значения 0,4 Фоновое значение 9 (Московский регион)*
40K 226Ra
420 23
670 30 598,7 26,9 38,4 1,9
5,5 0,3 560 20
232Th 228U Аэф
27 27,25 94,1 46 57,8 143,3 39 43,5 129,1
3 8,4 8,1 0,4 1,2 1,2 40  90
* Фоновое содержание (Московский регион) по (Лащенова, Зозуль, 2006)
Средние значения удельной активности естественных радионуклидов (ЕРН) (торий-232, калий-40, уран-238, радий-226) находятся на уровне регионального фона или незначительно его превышают (см. табл. 3), что говорит об относительно благоприятной радиоэкологической обстановке территории Новой Москвы.
Из всех рассматриваемых радионуклидов только цезий-137 полностью связан с деятельностью человека. В России предельно допустимые концентрации радиоцезия в почвах не установлены и нормируемыми показателями загрязнения являются плотность выпадения или запас 137Сs (мКи/км2).
На гистограмме значений УА цезия-137 в почвах Новой Москвы выделяются три
максимума: 1–2 Бк/кг, 2–3 Бк/кг и 7–8 Бк/кг (рис. 6).
Рис. 6. Распределение значений удельной активности 137Cs в почвах Новой Москвы по частоте встречаемости.
В загрязнение окружающей среды каким-либо веществом могут вносить вклад три источника: глобальный, региональный и локальный. Предположительно первые максимумы на рис. 6 (1-2 Бк/кг и 2-3 Бк/кг) связан с чернобыльскими и глобальными выпадениями, но их разделение невозможно (Петрова и др., 2004). Второй максимум активности со значением 7-8
Бк/кг характерен для лесных территорий, что может быть связано с отсутствием механической обработки почв и открытостью территории, что способствует фиксации радионуклида в результате сорбции (Капустина, Кузьменкова, 2018).
Один из параметров, используемый для оценки радиационной обстановки окружающей среды, – удельная эффективная активность (Аэф):
Аэф АRa 1,31ATh 0,85AK,
где ARa, ATh, AK – удельные активности в Бк/кг 226Ra, 232Th и 40K (Грицко, 2018; Нормы радиационной безопасности, 1999).
Значение эффективной удельной активности почв территории Новой Москвы составляет 129,1 Бк/кг.
В соответствии с (Нормы радиационной безопасности, 1999) в строительных материалах значение Аэф не должно превышать 370 Бк/кг.
В работе (Грицко, 2018) приводится следующая градация: компонента среды считается особо опасной, если Аэф > 3500 Бк/кг; опасной, если Аэф = 1000-3500 Бк/кг; потенциально опасной, если Аэф = 100-1000 Бк/кг и безопасной при значении Аэф < 100 Бк/кг. Рассчитанное значение удельной активности почвенных образцов исследуемой территории находится в пределах 100 – 1000 Бк/кг, ближе к нижнему значению, что позволяет отнести почву Новой Москвы к категории безопасной – реже потенциально опасной с точки зрения радиоэкологии. Кроме Аэф для оценки радиоэкологического состояния почвенного покрова используются и другие показатели: Raeq, Dr, Hex (табл. 4). Таблица 4. Радиоэкологические параметры почв (49 проб) территории Новой Москвы Параметр Минимум Максимум Среднее Стандартное отклонение Ошибка среднего значения Допустимые значения* Raeq, Бк/кг 91 138,9 124,8 7,9 1,1 370 Dr, нГр/ч 44,6 68 61,2 3,8 0,5 55 Hex, мЗв/год 0,25 0,4 0,3 0,02 0,003 1 *Допустимые значения даны по (Yakovlev, Zykova et al., 2020) Radium equivalent activity (Raeq) является аналогом Аэф, учитывает биологические эффекты радионуклидов (Yakovlev, Zykova et al., 2020; Al-Zahrani, El-Taher, 2017; Xinwei, 2004) и рассчитывается по формуле: Raeq CRa 1,43CTh 0,07CK, где CRa, CTh и CK − удельные активности 226Ra, 232Th и 40K в Бк/кг. Поглощенная доза гамма-излучения (DR) является фундаментальной дозиметрической величиной и рассчитывается по формуле: Dr 0,462CRa 0,604CTh 0,041CK, где DR − мощность поглощенной дозы ионизирующего излучения в нГр/ч, а CRa, CTh и CK – удельная активность 226Ra, 232Th и 40K в Бк/кг (Yakovlev, Zykova et al., 2020; Al-Zahrani, El- Taher, 2017). Для выражения эквивалентной дозы облучения населения используют такой показатель, как External hazard index (Hex), его предельно-допустимое значение –1 мЗв/год. Hex CRa CTh  CK 1, 370 259 4810 CRa, CTh и CK – удельная активность 226Ra, 232Th и 40K в Бк/кг (Yakovlev, Zykova et al., 2020; Xinwei, 2004). Средние значения всех параметров не превышают допустимые значения (кроме Dr), что говорит о благоприятном радиоэкологическом состоянии Новой Москвы (табл. 4). Средние значения удельной активности рассматриваемых радионуклидов в почвенном покрове Новой Москвы в непосредственной близости от техногенных объектов незначительно превышают фоновые региональные значения, что не является критичным (табл. 5), радиационные аномалии отсутствуют. Таблица 5. Статистические параметры распределения удельной активности радионуклидов (Бк/кг) в почвах (17 проб) вблизи техногенных объектов Параметр 137Cs Минимум 1,3 Максимум 8,5 Среднее 4,3 40K 226Ra 530 23 640 29 601,8 26,9 28,8 1,8 7 0,4 560 20 232Th 228U Аэф 34 27,3 112,6 46 57,6 142,8 40,4 41,1 131 2,9 10,7 7,1 0,7 2,6 1,7 40  90 Стандартное отклонение Ошибка среднего значения Фоновое значение (Московский регион)* 2,8 0,7 9 * Фоновое содержание (Московский регион) по (Лащенова, Зозуль, 2006) Благодаря проведению геоэкологической оценки геологических процессов на территории Новой Москвы построено семь карт проявления геологических процессов, как по отдельности, так и комплексно. Наибольший интерес представляет карта совокупного проявления карста, суффозии, оползневых процессов и подтопления (рис. 7). На карте выделены четыре участка, которые характеризуются одновременным проявлением всех рассматриваемых процессов, и, как следствие, являются наименее благоприятными зонами геоэкологического районирования. Это долина реки Моча (включая д. Ворсино, д. Давыдово, д. Троицкое, с. Ознобишино), долина реки Пахра и исток р. Пахра (запад описываемой территории, включая х. Талызино) и долина реки Десна (включая д. Лаптево). В ряде таких участков расположены жилая застройка, сельскохозяйственные угодья, фермы, садовые товарищества и промышленные объекты. Рис. 7. Карта совокупного проявления карста, суффозии, оползневых процессов и подтопления, включая территории, потенциально опасные по развитию карстово-суффозионных процессов, на территории Новой Москвы. 1 – границы Новой Москвы, 2 – водотоки, 3 – населённые пункты. Белым цветом показано отсутствие проявления экзогенных геологических процессов Линеаменты являются природными зонами повышенной макро- и микротрещиноватости, проницаемости и представляют собой зоны потенциальной опасности развития неблагоприятных геологических процессов, а также миграции и загрязнения подземных вод при техногенном воздействии. Для более детального изучения геоэкологического значения линеаментов выбраны три участка (см. рис. 1). Для каждого участка строился геоморфологический профиль, изучалось геологическое строение (по геологическим картам) и накладывались линеаменты, выделенные по ЦМР. Выявлено, что линеаменты могут являться триггерами ухудшения геоэкологической обстановки Новой Москвы. На примере участка 2 показано геоэкологическое значение выявленных линеаментов (рис. 8). А) Б) Рис. 8. А – Геоморфологический профиль по линии А5 – А6. 1 – граница исследуемого участка, 2 – изолинии рельефа по ЦМР, 3 – выделенные линеаменты, 4 – линия геоморфологического профиля Б – геологический разрез по линии А5 – А6 В пределах рассматриваемого участка проявлены карстово-суффозионные процессы и подтопление территории в совокупности с неглубоким залеганием карбонатных пород и песчаными отложениями. Поэтому выявленные линеаменты / зоны трещиноватости имеют геоэкологическое значение, которое проявляется в потенциальной активизации экзогенных геологических процессов с негативным влиянием на хозяйственную деятельность и жизнь людей. Геоэкологическая значимость выделенных линеаментов возрастает в связи с расположением здесь жилой застройки и садовых товариществ. Выделяется «эрозионное окно», что способствует ухудшению геоэкологической обстановки территории и развитию не только карстово-суффозионных процессов, но и возможного загрязнения подземных вод. Выводы: Результаты проведённого исследования позволяют сделать следующие выводы: 1. На территории Новой Москвы имеются участки с неблагоприятной геоэкологической обстановкой, на которых одновременно проявлено четыре геологических процесса (карст, суффозия, оползневые явления, подтопления): долина р. Десна (д. Андреевское, д. Лаптево, д. Городище), долина р. Пахра (х. Талызино), долина р. Моча (д. Ознобишино, д. Давыдово, вблизи д. Сатино-Татарское); 2. В целом, в пределах исследованных участков Новой Москвы геоэкологическая обстановка условно благоприятная, что подтверждается выполненным районированием на основе геологических и радиоэкологических факторов; 3. Содержания радионуклидов в почве, определенные методами лабораторных анализов, не всегда коррелируют с данными аэрогамма-спектрометрической съемки. Последние можно использовать лишь в качестве предварительной оценки состояния территории. Для формирования более корректных выводов необходимо включать в план работ полевые исследования для отбора фактического материала и его лабораторного анализа; 4. Антропогенные объекты оказывают слабое негативное влияние на радиоэкологическое состояние почвенного покрова территории Новой Москвы; 5. Радиоэкологическое состояние почвенного покрова территории Новой Москвы характеризуется низкими значениями удельной активности радионуклидов. Незначительные превышения содержаний радионуклидов над фоновыми значениями обусловлены естественными причинами (геохимический, геологический фактор).