9.5.1. Экологическая геофизика и геофизическая экология
Экологическая геофизика (экогеофизика) — это раздел геофизики, предназначенный для решения прикладных задач экологии, связанных с природными и техногенными изменениями состояния, а также вещественного и энергетического загрязнения отдельных частей биосферы (области обитания биоты и человека).
Объектом исследования экологической геофизики является пространство, где располагается биосфера, т. е. нижняя часть атмосферы, поверхностная гидросфера и верхняя часть литосферы, и техносфера, возникающая в связи с антропогенно-техногенной деятельностью людей. Предметом исследования экологической геофизики являются природные (естественные) и техногенные (искусственные) физические поля биотехносферы. Измеряя параметры этих полей и их динамику (вариации во времени), можно осуществлять мониторинг, т. е. слежение за отклонениями от нормального (устойчивого) состояния биотехносферы.
Следуя научной школе инженерной и экологической геологии МГУ, возглавляемой В. Т. Трофимовым, экологическую геофизику можно считать разделом экологической геологии.
Объектом исследований экологической геологии является литосфера.
Предметом исследований экологической геологии являются экологические функции литосферы, свойство литосферы поддерживать на земной поверхности условия, пригодные для существования жизни в прошлом, настоящем и будущем. К экологическим функциям литосферы относятся:
• ресурсные, обеспечивающие существование биоты и человека благодаря минеральным, водным и энергетическим ресурсам;
• геодинамические, т. е. способность литосферы влиять на биоту и человека через природные и техногенные процессы и явления (вулканизм, землетрясения, обвалы, карст, оползни, промышленные катастрофы и др.);
• вещественные, геохимические (химические) неоднородности распределения химических элементов в почвах, горных породах, подземных водах, снеге, дожде, воздухе и др., влияющие на биоту и являющиеся источниками загрязнения окружающей среды;
• энергетические, геофизические (физические) неоднородности полей или загрязнения окружающей среды, опасные для живых организмов.
Целью экологической геологии является изучение перечисленных экологических функций литосферы прямыми геолого-геохимическими и почвенно-биологическими методами.
Основные задачи, решаемые экологической геологией, следующие:
• изучение изменений приповерхностных частей литосферы под влиянием природных и техногенных катастрофических (быстрых) и эволюционных (медленных) процессов и оценка их экологических последствий;
• создание методов оценки экологической устойчивости литосферы и способов сохранения ее экологических функций;
• медико-биологическое и социально-экологическое обеспечение деятельности людей, связанное с геологической средой и геофизическими процессами.
Объекты и цели исследования экологической геологии и геофизики схожи, но предметы и методы исследований различаются. Поэтому совместное применение геологических и геофизических методов в экологии так же необходимо, как и при решении любых задач изучения недр Земли.
Разные части литосферы являются объектом применения различных методов прикладной геофизики (глубинной, региональной, разведочной и инженерной), а экологические задачи давно решаются этими методами. Однако возрастающая роль экологии в жизни людей и борьба за сохранение окружающей среды, как и сложность поставленных проблем, приводят к необходимости создания специальных целенаправленных научно-прикладных дисциплин — экологической геологии и экологической геофизики, так же тесно связанных между собой, как и фундаментальные науки — геология и геофизика.
Многие фундаментальные науки занимаются теми или иными аспектами экологии. Прежде всего, это общая, или биологическая экология (биоэкология), — наука (или система наук), изучающая общие связи биоты с условиями окружающей среды, законы функционирования экосистемы и воздействие человеческой (антропогенно-техногенной) деятельности на них. Экосистемой, геоэкосистемой, биосистемой или биогеоценозом называют сообщество живых организмов (растений, животных, микроорганизмов) и окружающей среды обитания, которое является единым функциональным целым с разными уровнями организации от отдельных особей до всей биосферы. Она, как отмечалось выше, состоит из естественной природной среды (части атмосферы, гидросферы, литосферы) и искусственной антропогенно-техногенной среды, или техносферы. Последняя включает объекты инженерно-хозяйственной деятельности людей (агломерации, сельхозугодья, а также водохозяйственные, транспортные, энергетические, промышленные и другие сооружения). С техносферой тесно связана ноосфера (сфера разума, по В. И. Вернадскому). Влияние техносферы на природную среду и биосферу настолько велико, что можно говорить о биотехносфере, геобиотехносфере, геобиотехносоциосфере или просто окружающей среде обитания человека и биоты. Таким образом, под окружающей средой (ее называют также географической оболочкой Земли) понимаются взаимосвязанные природные части атмосферы, гидросферы, литосферы, занимаемые биотехносферой. Благодаря высоким темпам роста населения Земли, интенсивному использованию природных ресурсов и увеличению выбросов разного рода загрязнений человечество вступило в противоречие с окружающей средой. Судьба цивилизации стоит под угрозой, если не будет сглажено нарушение естественного экологического равновесия. Поэтому разнообразные экологические исследования и экологическое воспитание населения становятся актуальным видом человеческой деятельности. Академик Н. Н. Моисеев отмечал, что только «коэволюция человека и биосферы, т. е. такое совместное развитие человеческого общества и биосферы, которое не выводит параметры биосферы из узкой области гомеостазиса человечества, обеспечит сохранение человеческого вида и условий для дальнейшего развития цивилизации».
Собственные экологические направления имеют математика, физика, химия, агрономия, почвоведение и другие науки. В науках о Земле существуют экологические география, океанология, геология, гидрогеология, геофизика и др., которые иногда объединяются термином геоэкология. Характерно то, что экологическая геофизика во всех перечисленных научных дисциплинах играет важную роль, так как геофизическая информация часто бывает дистанционной (бесконтактной), быстрой, переводимой в понятия соответствующих наук, позволяющей организовать мониторинг.
Наряду с геоэкологией должно возникнуть обобщающее фундаментальное направление общей (фундаментальной, планетарной) геофизики — геофизическая экология (ее можно назвать геофизикой биотехносферы). Объектом исследований геофизической экологии являются окружающие человека и биоту среды, включая:
• природную (части атмосферы, гидросферы, литосферы);
• геологическую (почвы, грунты, горные породы и подземные воды), а также верхнюю часть земной коры;
• географическую (географические системы или природно-территориальные комплексы разного уровня организации: фации, урочища, наборы урочищ, ландшафты);
• поверхностную гидросферу (акватории рек, озер, шельфы морей и океанов);
• биосферу и техносферу (биотехносферу);
• социосферу (техносферу и ноосферу).
Предметом исследования геофизической экологии являются естественные (космические и земные) и искусственные (антропогенно-техногенные) физические поля, их изменения в пространстве и во времени. Глобальный характер космических и земных физических полей (гравитационного, геомагнитного, электромагнитного, упругого, теплового, ядерного), их пространственно-временнАя дифференциация, косморитмичность и космокатастрофичность позволяют нам считать, что физические поля существенно влияют на развитие Земли, литосферы и биосферы. Изучением теории воздействий этих полей и должна заниматься геофизическая экология, наука того же ранга, что и физика Земли, геофизика литосферы, гидросферы, атмосферы в общей геофизике. Прикладная ветвь геофизической экологии — экологическая геофизика получила наибольшее развитие, поэтому ниже речь пойдет о ней.
Остановимся на особенностях физико-геологических моделей в экогеофизике (ФГМЭ), на которых базируется рациональная методика геофизических работ и экологическая интерпретация получаемых данных. Под ФГМЭ можно понимать абстрактное тело простой геометрической формы, которым можно аппроксимировать источник экоаномалий. Например, захороненный радиоактивный источник — это точечный источник, зона тектонического нарушения — вертикальный пласт, а пленка нефтепродуктов в грунтовом потоке — горизонтальная тонкая плоскость, отличающиеся по своим физическим свойствам от окружающей среды (см. 8.2.2).
Экогеофизическая информация отличается объективностью, достаточно высокой точностью, воспроизводимостью, экспрессностью съемок, возможностью проведения дистанционных и повторных измерений, наличием хорошо разработанных компьютерных технологий интерпретации, возможностью определять физические параметры полей прямыми способами расчета физических свойств горных пород или получать те или иные экологические, экогеохимические, экогеодинамические, экогидрогеологические и другие параметры путем установления корреляционных связей между ними и геофизическими параметрами или свойствами. Как и экологическая геология, экологическая геофизика делится на ресурсную, геодинамическую, а также геофизику химических и физических загрязнений окружающей среды. Поскольку ресурсным аспектам экогеофизики фактически посвящен раздел 9.3 книги, то ниже будут рассмотрены сущность, задачи и методы лишь геодинамического, химического (вещественного) и физического (энергетического) направлений экогеофизики.
9.5.2. Эколого-геофизические исследования и мониторинг геодинамических природных и техногенных процессов
Геодинамическими природными (естественными) процессами называют:
• извержения вулканов;
• изменения напряженного состояния массивов горных пород, приводящие к уплотнениям, разрушениям, обвалам, осыпям и другим гравитационным процессам;
• сейсмичность, связанную с удаленными и местными естественными землетрясениями;
• оползневые процессы и абразию берегов, вызываемые природными процессами и инженерно-технической деятельностью;
• карстовые явления и суффозию, связанные с растворением карбонатных пород и вымыванием рыхлых пород подземными водами, возрастающими под воздействием природно-техногенных факторов;
• криогенные процессы, сопровождающиеся переходом температуры пород от отрицательной к положительной и приводящие к деструкции мерзлоты, а значит, к изменению физико-механических и прочностных свойств горных пород.
Природные геодинамические процессы развиваются или в виде плавных ритмичных эволюционных изменений с периодами от секунд до миллионов лет, что является признаком «порядка» в литосфере и на Земле, или в виде быстрых (минуты и сутки) катастрофических проявлений — «хаоса». Результатом являются существования ритмов, вызванных космосом, Солнцем, планетами, Луной, фазовое сложение которых может привести к резонансам, вызывающим катастрофы. Поскольку геологическая среда и литосфера неоднородны и состоят из твердых частиц, пустот, флюидов, слоев, блоков и т. п. с разным напряженным состоянием, то ритмы и катастрофы передаются по-разному и фиксируются в породах неодинаково.
Геодинамические техногенные искусственные процессы вызываются:
• техногенными взрывами на предприятиях: энергетических, горнодобывающих, нефтегазовых, трубопроводного и железнодорожного транспорта;
• взрывами бытового и шахтного газа, возникшими в результате нарушения техники безопасности или организованных террористами;
• результатами военных действий, особенно массированных бомбардировок;
• подрезкой или перезагрузкой обвалоопасных и оползнеопасных склонов и другими причинами.
Результатами подобных техногенных геодинамических процессов могут быть наведенные землетрясения, для которых эти процессы являются или «спусковым крючком», или источником перераспределения накопившихся в недрах напряжений.
Устойчивость геологической среды (УГС) к геодинамическим природным и техногенным процессам зависит от интенсивности и скорости их развития, состояния геологической среды и геолого-геофизических свойств массивов горных пород. В целом на Земле наблюдается непрерывное усиление естественных и техногенных геодинамических процессов. Плавные эволюционные процессы приводят к отклонению состояния литосферы от оптимального, а катастрофические — к разрушению среды обитания и гибели людей.
Основными разделами геодинамической экогеофизики являются: экосейсмология, экогравитация, экогидрогеофизика, экокриология.
Экосейсмология служит для изучения сейсмологической устойчивости геологической среды и проведения сейсмомониторинга, которые определяются как природой землетрясений (места, глубины, балльности), так и тензочувствительностью и флюидочувствительностью блоков литосферы, контактирующих между собой, как правило, по тектоническим нарушениям, а также микросейсмическими условиями изучаемых участков.
Задачи и способы изучения землетрясений геофизическими методами рассмотрены в 9.2, а сейсмомониторинг сводится к изучению деформации оснований сооружений с помощью деформографов и наклономеров, а также к расчету изменений напряженного состояния, физико-механических, прочностных свойств среды и сейсмоакустических шумов полевыми, акваториальными, скважинными сейсмоакустическими методами.
Если сейсмическое и микросейсмическое районирование обеспечивает прогнозирование места и балльности ожидаемых землетрясений, то предсказание времени землетрясений — проблема более сложная. Она, являясь сердцевиной сейсмомониторинга, с той или иной степенью приближения решается комплексом режимных геофизических методов:
• изучением изменений упругих параметров среды и шумов (сейсмическая эмиссия или шумовая сейсмотомография);
• регистрацией естественных геомагнитных и электромагнитных полей космического, атмосферного и земного происхождения (электромагнитная эмиссия);
• анализом изменений концентрации газов (радон, гелий, аргон и др.);
• наблюдениями за изменением уровня, химизма и температуры подземных вод;
• наблюдением за поведением животных и другими методами.
Экогравитация изучает процессы механического перемещения горных пород под действием силы тяжести на склонах гор, берегах морей, озер, рек. Такие перемещения возникают в результате экзогенной геодинамики либо провоцируются эндогенными процессами (землетрясениями, вулканизмом и т. п.) и техногенной деятельностью людей (строительство, подрезка склонов и т. п.). Наибольшее применение геофизические методы нашли при изучении оползневых процессов (см. 9.4.3).
Экогидрогеофизика предназначена для изучения карстово-суффозионных явлений, изменения динамики и химизма подземных вод, приводящих к катастрофическим последствиям (просадки, провалы, оползни, деформации сооружений) (см. 9.4.3).
Экокриология служит для изучения мерзлотно-геологических процессов, существующих в районах распространения многолетнемерзлых пород: мониторинга изменений температуры мерзлых пород и исследования связанных с ними криогенных процессов (термокарст, бугры пучения, наледи, зоны течения мерзлых пород на склонах (солифлюкция), каменные потоки (курумы), деградация мерзлоты при природных и техногенных потеплениях и др.) (см. 9.4.4).
9.5.3. Эколого-геофизические исследования и мониторинг вещественного (химического или геохимического) загрязнения окружающей среды
Антропогенно-техногенное вещественное (или химическое, точнее, геохимическое) изменение и загрязнение окружающей cреды образуется за счет:
• захоронений радиоактивных отходов, а также последствий аварий и катастроф на ядерных объектах;
• отвалов горных пород вблизи шахт, рудников, называемых хвостохранилищами, где складируются продукты после выработки полезных руд;
• отходов крупных промышленных, строительных предприятий и городских агломераций (свалок);
• утечек нефтепродуктов на нефтегазовых промыслах и нефтеперегонных заводах, из трубопроводов, вблизи станций, перекачивающих нефть и газ, нефтехранилищ, складов горюче-смазочных материалов, бензоколонок и т. п.;
• сельскохозяйственной деятельности (разрыхления и засоления почв, растворения удобрений и ядохимикатов) и других источников.
Эти и другие загрязнения являются, как писал В. И. Вернадский, огромной геологообразующей силой, изменяющей на глазах условия существования биосферы.
В результате вещественного (механического, а в основном геохимического) загрязнения геологической среды меняются физические свойства ее верхней части. Поэтому искажаются существующие или создаются новые геофизические поля разной интенсивности и частоты. Аномалии геофизических полей часто не совпадают с местоположением источников загрязнения вследствие миграции поллюантов (загрязняющих веществ) воздушными массами, подземными водами, перемещением горных пород и т. п.
Изучение вещественных загрязнений геологической среды (ГС) геофизическими методами сводится к выявлению статических и динамических (изменяющихся во времени) геофизических аномалий. Основными геофизическими направлениями изучения вещественных загрязнений ГС являются следующие.
Экорадиометрия, которая служит для выявления и мониторинга радиоактивных аномалий природного и техногенного происхождения. Наибольшую опасность представляют радиоактивные заражения различными радионуклидами после аварий и катастроф. Например, после аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 г. площадь зараженных территорий составила около 10 000 км2. Для изучения распространения естественных и искусственных радионуклидов используются воздушные и наземные гамма-, гамма-спектрометрические съемки. С их помощью решаются различные радиоэкологические задачи, а главное — осуществляется проведение радиационного мониторинга (см. 9.3.3).
Экологическое загрязнение почв, грунтов, подземных вод нефтепродуктами в результате непрерывных или залповых их утечек из хранилищ, трубопроводов, заводов. Нефтепродукты скапливаются в коллекторах (пески, трещиноватые известняки), не проникая в водоупоры (глины, скальные породы). Удельное электрическое сопротивление (УЭС) нефтепродуктов высокое. При проникновении нефтепродуктов в сухие породы УЭС их повышается, а в водонасыщенные — понижается за счет химического и биологического окисления нефти и появления вторичных проводящих ток сульфидов. Диэлектрическая проницаемость нефтенасыщенных пород меньше, чем у водонасыщенных, а естественная и вызванная поляризуемости — больше. Поэтому основными методами выявления углеводородных загрязнений грунтов и пород являются электроразведочные методы: сопротивлений (ВЭЗ и ЭП), георадар, методы естественного поля (ЕП) и вызванной поляризации (ВП).
Экологическое вещественное геохимическое загрязнение почв, грунтов, коренных пород и подземных вод отходами, как твердыми, образующимися при разведке и эксплуатации скважин, шахт и рудников, в ходе промышленного и сельскохозяйственного производства или находящихся на бытовых свалках и т. п., так и жидкими, возникающими при разливах нефтепродуктов, стоков от горнопромышленных предприятий, накапливаемых в отстойниках, шлакохранилищах, хвостохранилищах и т. п., приводит к изменению физических пород и подземных вод. Возникающие подобные загрязнения изучаются прежде всего с помощью геохимических съемок — литогеохимических, атомохимических (газовых), гидрогеохимических (снегохимических, биогеохимических) с отбором проб горных пород почв, грунтов, воздуха, воды и снега, растительности. В лабораториях проводятся химические анализы проб с определением качественного и количественного состава элементов-загрязнителей (бериллий, фтор, хром, мышьяк, кадмий, ртуть, таллий, свинец и др.). Густоту сети отбора проб можно резко сократить, ограничившись лишь точечными отборами проб для химических анализов, если провести съемки методами рудной геофизики (см. 9.3.3). К специальным геофизическим методам эколого-геохимических исследований относятся: радиометрия и различные ядерно-геофизические методы (гамма-спектрометрические, нейтронно-активационные, радиоизотопные и др.), лазерная (лидарная) и ядерно-магнитно-резонансная спектрометрия и др. Сопоставляя результаты сплошных геофизических съемок с данными точечных экогеологических, экогидрогеологических и экогеохимических измерений, можно быстрее и дешевле дать прогноз антропогенно-техногенного загрязнения и определить предельно допустимые концентрации (ПДК) по тем или иным ингредиентам.
9.5.4. Техногенное физическое загрязнение
Техногенное физическое (его можно также называть технологическим энергетическим или пОлевым) загрязнение представляет собой присутствие в окружающей среде (атмосфере, литосфере и гидросфере) дополнительно к естественным геофизическим полям физических полей, создаваемых человеком в процессе реализации техногенной деятельности.
Жизнь на Земле возникла в условиях абсолютного преобладающего влияния естественных полей (гравитационного, геомагнитного, сейсмоакустического, температурного и др.), к непрерывному воздействию которых живые организмы хорошо приспособились за длительное (даже в геологическом понимании) время своего существования. В настоящее время благодаря влиянию человеческой деятельности наблюдается устойчивая тенденция к сдвигу энергетического баланса в сторону искусственных полей, к насыщению окружающей среды электромагнитными полями в широком частотном диапазоне, упругими полями наведенной микро- и макросейсмичности, тепловыми и другими искусственно создаваемыми физическими полями. Поэтому живым организмам, в том числе и человеку, приходится приспосабливаться к новым условиям, что не всегда согласуется с адаптационными возможностями представителей биосферы и в том числе человека.
Техногенное физическое загрязнение наиболее характерно для крупных городов, промышленных районов и других интенсивно используемых территорий. В пределах таких территорий, благодаря большому количеству производимой, преобразуемой и потребляемой энергии, возникает и устойчиво существует повышенный фон техногенных физических полей. Не будучи в состоянии воспринять полностью поступающую в избытке энергию техногенных физических полей, окружающая среда часть энергии «расходует» на изменение своих свойств, на подготовку, активизацию и поддержание экзогенных геологических процессов, которые становятся, таким образом, в значительной мере техногенными. Избыточная энергия техногенных физических полей может также оказывать повреждающее и разрушающее воздействие на инженерные сооружения и коммуникации.
Таким образом, техногенное физическое (энергетическое или пОлевое) загрязнение можно определить как суммарный энергетический потенциал искусственно создаваемых (техногенных) физических полей, значительно превосходящий по величине потенциал естественных геофизических полей и оказывающий в силу этого негативное воздействие на окружающую среду, инженерные сооружения, живые организмы и организм человека.
Основными видами техногенного физического загрязнения окружающей среды являются: шумовое (акустическое), вибрационное (механические колебания), тепловое, электрическое (блуждающие токи и атмосферное электричество), электромагнитное, а также радиационное.
Шумовое, или акустическое, загрязнение среды относится к категории чисто экологических факторов прямого экологического воздействия, поскольку оказывает непосредственное воздействие на живые организмы. Основным и повсеместным источником шума является наземный (автомобильный, железнодорожный), подземный и воздушный транспорт, промышленные предприятия, строительные машины, механизмы и др. Санитарный предел (≈50 дБ) может быть превышен в два и более раза.
Вибрация, или динамическое, механическое воздействие на среду создается многочисленными и разнообразными источниками, наиболее значимыми из которых являются движущиеся транспортные средства, оборудование промышленных предприятий, строительные машины и механизмы, техническое оборудование зданий и инженерных сооружений. Поле вибрации можно квалифицировать как экологический фактор двойного действия: прямого, например, при работе с ручными перфораторами, на транспорте, или косвенного, когда вибрация воспринимается через передающую среду, например, фундаменты зданий и сооружений, расположенных недалеко от железнодорожных путей, линий метрополитена неглубокого заложения, а также промышленных предприятий и стройплощадок. Вибрации иногда в несколько раз превышают санитарный предел (около 0,1 мм/с). Воздействие поля вибрации непосредственно на грунтовые массивы может приводить к изменению рельефа поверхности, снижению механической прочности пород или, наоборот, к их уплотнению и улучшению прочностных характеристик. Длительное вибрационное воздействие способно вызывать или активизировать экзогенные геологические процессы, такие, например, как оползни и обвалы на крутых склонах, карст, проседание поверхности, образование полостей в насыпях на железнодорожных магистралях и т. п.
Тепловое загрязнение нагреванием среды, вызываемое техногенным изменением температурного режима верхних слоев литосферы, в настоящее время представляет собой серьезную геоэкологическую проблему. Источниками теплового загрязнения могут служить горячие цеха и подземные газоходы металлургических предприятий, теплотрассы, сборные коллекторы, туннели коммуникационные и метрополитена, обогреваемые подземные сооружения, а также сбросы горячих технологических вод в реки и открытые водоемы и др. С другой стороны, в качестве охладителей грунтовой толщи могут рассматриваться установки, используемые для промораживания слабых и плывунных грунтов при строительстве, подземные хранилища сжиженного газа и др. Концентрация большого числа источников тепловой энергии в верхних частях литосферного пространства, например, под большими городами — мегаполисами, создает предпосылки формирования на глубинах 10–50 м так называемых тепловых куполов — прогретых до 6–10 °С объемов геологического пространства, частично или полностью охватывающих своими контурами территории мегаполисов во многих районах земного шара. В регионах с сезонно-промерзающими грунтами прогрев горных пород не оказывает существенного влияния на их прочностные свойства. В регионах, где распространены многолетнемерзлые породы, температура которых варьирует от –0,6 до –4,2 °С, даже небольшие флуктуации температуры (всего на 2–3 °С) в верхних частях грунтовой толщи могут приводить к заметным изменениям прочностных и деформационных свойств грунтов, ухудшению их несущей способности.
Тепловое воздействие холодом на грунтовую толщу способствует проявлению таких экзогенных геологических процессов, как термопросадки, термокарст, солифлюкция и деградация многолетней мерзлоты (при тепловом воздействии), а также образование наледей, морозное пучение (при воздействии холодом). В данном случае тепловое воздействие может квалифицироваться как экзогенный (и техногенный) геологический фактор.
Атмосферное статическое электричество связано с ионизацией воздуха, является важным природным и экологическим фактором. При ионизации воздуха некоторое, весьма незначительное, число молекул газов, входящих в состав воздуха, становится аэроионами и несет положительный или отрицательный электрический заряд. В естественных условиях ионизация воздуха происходит под действием газовых (радон, гелий и др.) излучений Земли, космического и ультрафиолетового солнечного излучения. При этом в 1 см3 воздуха содержится разное число пар ионов. Так, например, московский воздух в 1 см3 содержит приблизительно 1500 аэроионов обоих знаков, воздух в Сочи — около 1800, а воздух Кисловодска — примерно 3700 аэроионов. Соотношение количества положительных (+n) и отрицательных (–n) аэроионов называют коэффициентом униполярности (q = +n/–n). Экспериментально установлено, что легкие отрицательные аэроионы (в основном это ионы кислорода) благоприятно влияют на жизнедеятельность органического мира, тогда как положительные аэроионы в большинстве случаев оказывают негативное, угнетающее воздействие на биоту. В нормальных условиях коэффициент униполярности q < 1,20. Превышение этой величины свидетельствует об экологическом загрязнении атмосферы. Загрязнение воздуха пылью, копотью, дымом, а также увеличение влажности воздуха уменьшают подвижность отрицательных аэроионов при сохранении подвижности положительных. Наблюдения показывают, что в городском воздухе это особенно заметно. В пределах промышленных зон концентрация тяжелых положительных аэроионов значительно выше, чем в пригородных лесных массивах и на территориях парков и зон отдыха в пределах городской черты.
Электрическое загрязнение окружающей среды блуждающими токами создается разными источниками, например, электрифицированными железными дорогами, различными энергоустановками. Оно способствует электрохимической коррозии заземленных металлических и бетонных конструкций, потере их несущей способности, приводит к более быстрому выходу из строя подземных коммуникаций, в том числе различных трубопроводов.
Электромагнитное полевое (ЭМП) загрязнение создается источниками тока промышленной частоты (50 и 400 Гц), а также неионизирующими излучениями (радиорелейными, радиоволновыми и телевизионными в диапазоне 0,100 МГц — 300 ГГц), опасными с экологической точки зрения. Оно оказывает как прямое воздействие на атомы и ионы живых организмов, так и косвенное — посредством индуцированных токов, текущих через живые ткани, и за счет взаимодействия внешних полей с собственными электромагнитными полями, генерируемыми живыми организмами. Уровень воздействия определяется напряженностью поля, которая может меняться многократно, продолжительностью воздействия, расстоянием до источника и состоянием подвергающегося воздействию организма.
Реальная опасность облучения электромагнитным полем для людей еще недостаточно изучена. Однако в полосе шириной 60–90 м под высоковольтными линиями (ЛЭП) и в пределах прямой видимости радио- и телепередающих антенн и особенно антенн радиолокаторов возможно опасное электромагнитное облучение.
Радиационное загрязнение представляет собой довольно опасный с экологических позиций фактор прямого воздействия на живые организмы. Источниками естественного радиационного поля являются космические лучи и ионизирующее излучение природных радиоактивных веществ, содержащихся в почве, горных породах, воде, воздухе. К естественному радиационному фону добавляется техногенное ионизирующее излучение, поступающее в окружающую среду от новообразованных (создаваемых в процессе реализации промышленных технологий) радионуклидов, используемых строительных материалов с повышенной радиоактивностью, а также от складируемых отходов атомного производства и т. п.
Корпускулярное ионизирующее излучение (альфа- и бета-излучения) земного, естественного и искусственного происхождения имеет ограниченный радиус действия (от нескольких сантиметров в породах до нескольких метров в воздухе) и по этой причине играет меньшую, хотя и наиболее опасную роль в формировании радиоактивного загрязнения окружающей среды. Существенным фактором радиационного воздействия на все виды животного и растительного мира является гамма-излучение, распространяющееся на большие расстояния и обладающее высокой проникающей способностью. Действие гамма-излучений зависит от интенсивности источника излучения и от расстояния до него. Вблизи земной поверхности мощность дозы естественного ионизирующего излучения варьирует от 0,003 до 0,025 мР/ч (3–25 мкР/ч). В условиях промышленно-городских агломераций этот фон может несколько увеличиваться за счет излучения строительных материалов (бутового и облицовочного камня, гранитного щебня и т. п.), используемого бытового газа и водопроводной воды. Однако суммарная естественная и техногенная мощность дозы излучения, как правило, не превышает в обычных условиях (если не происходит аварийных выбросов или утечек радиоактивных материалов) санитарных норм (около 250 мкР/ч). При значительной интенсивности ионизирующее излучение оказывает на живые организмы вредное, а иногда и губительное воздействие. Так, при мощности дозы в 0,09–0,21 Р/ч происходит замедление роста растений и уменьшается видовое разнообразие животного мира. При увеличении мощности дозы до 0,42–1,67 Р/ч растительность угнетается, легко поражается насекомыми и возбудителями болезней. Симптомы лучевой болезни у людей начинают проявляться уже при дозах облучения 25–100 Р/ч.
Оценка геофизическими методами техногенного физического загрязнения окружающей среды и живых организмов сводится к определению параметров источников техногенного физического загрязнения и размеров зон их влияния.
При определении параметров источников для акустического, вибрационного и электромагнитного полей обычно измеряются частотные и амплитудные характеристики соответствующих полей, тогда как для температурного, электрического и радиационного полей проводится измерение лишь одного параметра — температуры (в термометрии), мощности дозы ионизирующего излучения (в радиометрии), напряженности поля (в электрометрии). Проведение многократных измерений в течение длительного времени позволяет получать пространственно-временнЫе характеристики источников техногенного физического загрязнения.
Определение характеристик техногенных физических полей и размеров зон влияния источников осуществляется проведением в окрестностях этих источников геофизических съемок. Конфигурация сети наблюдений в пределах обследуемых территорий определяется в первую очередь геометрической формой и размерами источников (если они известны). В случае точечного источника наблюдения следует проводить по радиальной системе профилей с центром схождения радиусов-профилей в предполагаемом месте расположения источника. В случае линейного источника измерения следует проводить вдоль профилей, ориентированных вкрест простирания источника и отстоящих друг от друга на равном расстоянии. Изометрические объекты изучаются по равномерной квадратной сети площадных наблюдений. Во всех случаях расстояния между отдельными профилями и точками наблюдений на них должны быть не меньше 1 см в масштабе представляемых графических материалов (графиков, карт, планов и схем), не превышать ожидаемой глубины поискового объекта и быть сравнимыми с ожидаемой глубиной поискового объекта.
Изучение характеристик техногенных физических полей проводится сейсмоакустическими, электромагнитными, термометрическими, радиометрическими методами как в наземном, так и в воздушном и скважинном вариантах.
Результаты геофизических наблюдений представляются в виде графиков, показывающих изменение измеряемых параметров техногенных физических полей вдоль профилей, или в виде карт, планов и схем, отображающих пространственное изменение параметров. Далее ведется разделение (зонирование) исследуемой территории на участки, различающиеся по уровню техногенного физического воздействия, по степени физического загрязнения и, соответственно, по сформировавшейся экологической ситуации.
Техногенное физическое воздействие, степень вызываемого им физического загрязнения, а также создавшуюся экологическую обстановку и условия жизнедеятельности людей можно оценивать посредством условного деления всего диапазона изменения условий на четыре категории: слабое, умеренное, сильное и опасное воздействие; низкая, средняя, высокая и очень высокая степень загрязнения; экологическая норма, экологический риск, экологический кризис и экологическое бедствие; комфортные, дискомфортные, очень дискомфортные и опасные условия для жизнедеятельности людей.
К первой категории (уровню) можно отнести такое воздействие, при котором не возникают ситуации, выходящие за рамки естественных вариаций состояния окружающей среды и условий существования живых организмов, включая человека. Ко второй категории относятся воздействия такого уровня, при котором могут возникать заметные изменения окружающей среды и условий существования живых организмов, не требующие, однако, специальных мероприятий для устранения последствий этих изменений. Третья категория предполагает воздействие такого уровня, при котором возникающие в окружающей среде и условиях существования живых организмов изменения требуют специальных мероприятий, направленных на предотвращение негативных последствий воздействия. Четвертая категория предполагает такой уровень воздействия, при котором возможны разрушительные и катастрофические изменения в окружающей среде, деградация и гибель представителей животного и растительного мира и в том числе патологические изменения в организме человека с самыми серьезными негативными последствиями.
В качестве граничных значений при разделении уровней воздействия или степени загрязнения окружающей среды на указанные четыре категории выбираются количественные показатели, регламентируемые действующими санитарными и техническими нормативными документами или определяемые опытным путем, которые отвечают определенному состоянию среды, совокупности условий существования живых организмов и в первую очередь людей.
Медицинская геофизика — это раздел экологической геофизики, в рамках которого проводится исследование влияния естественных (природных) и искусственных (техногенных) геофизических полей на здоровье людей. Эта область геофизики близка к медицинской физике, которая может быть определена как комплекс знаний об использовании физических полей для диагностики и лечения людей (в медицине) и животных (в ветеринарии).
Корни медицинской физики и геофизики уходят в отдаленное прошлое, а история использования физических методов врачевания насчитывает тысячи лет. Однако фактически медицинская физика и геофизика стали формироваться в ХХ в., когда были научно обоснованы представления о воздействии физических полей на сложные биогеохимические процессы в организме человека, на выработку организмом биологически активных веществ (эндогенные лекарства — интерфероны, антибиотики, эндорфины и др.), а с лечебными целями начали использоваться специально создаваемые управляемые физические поля. Изучение геопатогенной (вредной) и витагенной (полезной) роли геофизических и физических полей, используемых для диагностики и терапии, является целью и основной задачей медицинской физики и геофизики. Следует отметить, что геофизики опережали на годы и десятки лет врачей в использовании тех или иных физических полей, т. е. многие физические методы использовались сначала для изучения строения Земли, а затем для диагностики болезней людей и животных.
Характерна синхронная ритмичность естественных геофизических полей и биологических процессов у людей, т. е. изменения интенсивности (энергии или амплитуды) естественных физических полей и биологической активности происходят с определенной периодичностью в виде квазигармонических и квазиимпульсных изменений во времени. При этом средний уровень параметров остается достаточно постоянным на протяжении значительного времени. Имеются убедительные данные о том, что преобладающей формой существования природных геологических процессов и геофизических полей на Земле является спокойная, фоновая, штилевая, эволюционная форма, которую можно назвать нормальной. Лишь малая часть таких процессов (по времени около 5 %) является аномальной, неспокойной, катастрофической, синхронно проявляющейся в виде геодинамических процессов (землетрясения, вулканизм, обвалы и др.), вариаций физических полей (солнечной активности, геомагнитного, магнитотеллурического, радиационного, электростатического, инфразвуковых колебаний в атмосфере, корпускулярных излучений и др.), погодно-климатических явлений и факторов (циклоны, антициклоны, изменения освещенности, приземной температуры и др.).
Для разных физических полей Земли фоновая (нормальная) составляющая интенсивности меняется на земной поверхности по-разному. Так, например, полный вектор напряженности геомагнитного поля на полюсах Земли в два раза больше, чем на экваторе. В области расположения региональных аномалий типа Курской магнитной аномалии (КМА) напряженность магнитного поля в 5–10 раз больше, чем та, которая должна быть на данной широте. Ускорение силы тяжести с увеличением широты к северному и южному полюсам Земли растет примерно на 5 мГал/км, т. е. менее чем на 5 %. В целом интенсивность нормальных физических полей в разных районах суши и океанов остается устойчивой, по-разному меняясь в различных геолого-тектонических и геофизических регионах Земли. В результате аномальных гелиофизических и космических полей, т. е. изменений солнечной активности и движения звезд, других космических тел, земных (солнечно-лунные приливы, внутриземные геологические движения) и других процессов возникают квазигармонические (ритмичные) и импульсные (апериодические) аномалии физических полей.
Основными длиннопериодными природными ритмами в послеархейской геологической истории Земли являются глобальные геологические мегациклы длительностью (млрд лет): 2,5–1,6; 1,6–0,8; 0,8–0,24; 0,24 — настоящее время, а внутри них меньшей длительности: 300–150, 50–40, 5–3 млн лет и 400–100, 2–1 тыс. лет. Природа этих процессов космическая. Изменения солнечной активности характеризуются ритмическими процессами со следующими периодами: многолетними (8000, 600–500, 60, 22 и 11 лет), сезонными, кратными солнечным (24 ч) и лунным (24,8 ч) суткам, часовыми (12, 6, 3 ч), минутными (95–85, 45–40, 33–30, 24–21, 17–15 мин), секундными (0,5–0,3; 0,1; 0,05; 0,03 с). Примерно такими же периодами характеризуются пульсации гамма-квантов в атмосфере, колебательные процессы в магнитосфере, ядерном поясе Земли и других естественных физических полях.
Не являются ли эти ритмы (вибрации) энерго-информационной связью Вселенной с биосферой Земли? Во всяком случае, несомненно, что за миллионы лет существования биосферы эволюция «приспособила» биоту и человека к нормальной штилевой ритмичности, когда изменения (вариации) физических процессов и полей (гравиметрического, геомагнитного, электромагнитного, теплового, радиационного и, возможно, других, пока неизвестных классической науке) происходят в узких пределах, регулярно, длительное время. Поэтому в результате эволюции в организмах выработались автоколебательные процессы того же частотного спектра, что и природные. Практически у животных и человека наблюдается система взаимосвязанных многолетних, годовых, сезонных, месячных, солнечно- и лунно-суточных, часовых, минутных, секундных и меньших по времени биоритмов (биовибраций). Они соответствуют ритмичным физиологическим процессам на уровне организма, отдельных органов и клеток. Так, у человека на клеточном уровне наблюдаются биохимические колебания нейтральных молекул, ионов, ферментов, гормонов, элементов крови, молекул, атомов, электрических зарядов и др. Это в конечном итоге влияет на живую ткань организмов и их систем (нервную, эндокринную, кровеносную, кроветворную и др.). Ритмы (вибрации) являются механизмом целесообразной приспособляемости, а может быть, и информационной управляемости организмов Вселенной, а их нарушения приводят к болезням.
Таким образом, произошла синхронизация внутренних эндогенных биоритмических автоколебательных процессов (вибраций) в клетках, телах, организмах с внешними, природными геофизическими полями, их энергией, а может быть, и передаваемой информацией. Л. З. Бобровников среди биологически наиболее активных периодов (или интервалов периодов) отмечает следующие периоды: от 0,01 до 10 с, 1,5; 3; 6; 8; 12; 24 ч, — которые управляют биохимическими и биофизическими процессами в организмах людей. Особенно четкими являются колебательные процессы на Солнце с периодами, близкими к 90 мин и кратными этой величине. Видимо, этот 90-минутный биоритм является одним из главнейших для земных организмов. С периодом 90 мин изменяются: концентрация кортизона (гидрокортизона) в плазме крови и концентрации основных элементов крови, желудочные сокращения и секреторная функция почек, смены фаз сна, зрительной активности, работоспособности и т. д. Биоритм в 90 мин, как и другие биоритмы, указывает лишь на средний период, так как биологические процессы нестационарны, нелинейны и зависят от многих, достаточно случайных внешних и внутренних факторов.
В период катастроф, магнитных и ионосферных бурь, штормов и других резких изменений физических полей нормальные природные ритмы нарушаются и происходит десинхронизация внешних (природных) и внутренних (биологических) ритмов. У людей здоровых внутренние биоритмы управляются иммунной и другими системами организма таким образом, чтобы сохранить внутреннюю ритмичность до восстановления нормальной природной ритмики, т. е. у людей имеется запас прочности автоколебательных систем. У детей, пожилых и больных людей при десихронозе возникают хронические стойкие нарушения биоритмов, что приводит к болезням. Установлено, что нарушения синхронизации биоритмов, или десинхроноз физиологических процессов, могут быть восстановлены путем воздействия на людей низкочастотными магнитными и электрическими полями определенных амплитуд и спектров, т. е. за счет «навязывания» заболевающему организму таких же биоритмов, как у здоровых людей.
Медицинские аспекты и санитарные нормы воздействия естественных и техногенных геофизических полей на организм человека. В разных регионах Земли средняя интенсивность (амплитуда) полей определяется совокупностью нормальной и аномальной природных составляющих, которые зависят от геофизических координат (для гравитационных, геомагнитных, магнитотеллурических полей) или общих геолого-тектонических и геодинамических условий (для электромагнитных, сейсмоакустических, радиационных, тепловых полей). На них накладываются поля, обусловленные антропогенно-техногенной деятельностью. Кроме того, современный человек может попадать в геофизические поля разные уровней интенсивности и различные климатические условия при пользовании авиатранспортом и особенно при работе на космических кораблях. Перемещаясь из одного суточного времени в другое, из одного сезона года в другой, из одного среднего уровня геофизических и техногенных полей в другой, человек сталкивается с десинхронозом, т. е. с нарушением физиологических, биохимических и иных биоритмов, что приводит к ослаблению иммунной системы.
Накопленный опыт изучения источников физического воздействия разных полей на людей в зависимости от длительности и интенсивности воздействия позволил подойти к разработке санитарных норм или предельно допустимых доз (ПДД) воздействия физических полей, превышение которых может вызвать различные заболевания. ПДД рассчитываются для проживания или работы в условиях повышенных уровней полей. Так, для радонового загрязнения помещений или воздействия радиоактивных изотопов на предприятиях или в геодинамических активных зонах ПДД равно 1 мЗб (0,1 Бэр) в год. Санитарные нормы для электромагнитных полей всевозможных радиопередатчиков с частотой от 0,06 до 300 МГц по напряженности электрического поля не должны превышать соответственно 50–5 В/м, а от шумового воздействия — 50 дБ. Вариации геомагнитного, гравитационного и теплового полей вредны, если они превышают соответственно 1 нТл, 0,25 мГл, 10 °С (в интервале ±30 °С) в час.
Влияние геомагнитного поля. Магнитное поле Земли влияет на организмы животных и человека вследствие наличия магнетита органического происхождения в различных частях тела (у птиц — в передней части черепа, у человека, по-видимому, — в надпочечниках и коре головного мозга). В живых организмах могут возникать магнитные поля и за счет ионных биотоков. В целом напряженность магнитных полей организмов на 2–5 порядков меньше, чем геомагнитного поля. Тем не менее взаимодействия между ними существуют.
Геомагнитные вариации являются самыми интенсивными среди изменений естественных физических полей. Количественно они характеризуются числом Вольфа (W), пропорциональным общему числу пятен и групп пятен на Солнце, которые наблюдаются в телескоп. Изучение чисел Вольфа с первого со времени начала наблюдений 11-летнего цикла (1755–1766 гг.) до 23-го (1997–2008 гг.) выявило, что они объединяются в 22-летние циклы (10 и 12, в среднем 11 лет). В пределах каждого из них между вторым и четвертым годом числа Вольфа возрастают в 50–100 раз. В годы максимумов солнечной активности возрастает число и интенсивность магнитных бурь, особенно весной (март–апрель) и осенью (сентябрь–октябрь), увеличивается плотность потоков инфракрасного, видимого и ультрафиолетового излучения Солнца, повышается уровень радиационного фона и интенсивность потоков корпускулярного излучения, увеличивается вертикальная составляющая естественного электростатического поля атмосферы, возрастают вариации напряженности геомагнитного и электрических полей ионосферы, а также индуцированного ими магнитотеллурического поля в Земле, увеличиваются потоки радона, гелия и других газов в районах разломов и геоактивных зонах, возникают опасные инфранизкочастотные (0,03 Гц) упругие колебания и др. Подобные аномальные по интенсивности и частоте изменения практически всех геофизических полей, особенно в годы повышенной солнечной активности и в периоды магнитных бурь (в частности, весенних и осенних), сказываются на состоянии биосферы и здоровье людей.
О вариации остальных естественных физических полей речь шла выше (см. гл. 1, 2, 3, 5, 9).
Медицинская диагностика с помощью физических полей началась с открытием рентгеновских лучей в 1895 г. Это открытие положило начало рентгенодиагностике, основанной на использовании радиационных просвечиваний. В дальнейшем исследования в области ядерной физики обусловили развитие радиобиологии, изучающей действие ионизирующих излучений на живые организмы. Эти же исследования положили начало использованию радиоактивных изотопов в диагностике. Распознавание различных заболеваний стало возможным благодаря электрокардиографии, эхокардиографии, микрометровой и миллиметровой электромагнитной термографии, ультразвуковой и ядерно-магнитной резонансной томографии. Кстати, аналогичные методы давно используются в геофизической разведке недр.
Примером применения новых физических методов медицинской диагностики может служить метод электроакупунктурной компьютерной диагностики (по Р. Фоллю). Этот метод предназначен для распознавания заболеваний путем измерения проводимости точек акупунктуры (особых точек на теле человека, связанных с управляющими нервными центрами) и величины электрических потенциалов, возникающих в этих точках («потенциалов реакции»). Экспериментально доказано, что эти параметры через нервно-гуморальную систему связаны с функционированием различных органов, что дает возможность распознавать начало их патологического состояния. Обработка информации на компьютере позволяет сделать предварительный энергетический анализ состояния отдельных органов как в целом, так и на клеточном уровне. Полученные данные служат основой для биофизической диагностики и лечения.
Медицинское лечение с помощью физических полей называется физиотерапией. Оно основано на применении искусственно создаваемых физических полей:
• теплового (горячее водо- и грязелечение);
• электрического (электротерапия постоянным или низкочастотным током методами гальванизации, изменяющими движение ионов в теле и физико-химические процессы на клеточном уровне, и электрофорез, при котором с ионами в организм вводятся лекарственные препараты);
• магнитного (магнитотерапия постоянными или низкочастотными полями одной или нескольких меняющихся частот, способствующая расширению сосудов, уменьшению отечности, заживлению ран);
• электромагнитного разной частоты (ультравысокой (УВЧ) и сверхвысокой (СВЧ) частоты для противовоспалительного и антибактерицидного эффектов с глубиной проникновения в ткани соответственно от 3 до 0,3 см; миллиметровая (ММВ) и микроволновая (МКВ) резонансная терапия, основанные на явлении биологического резонанса внутренних органов и внешних полей инфракрасного, видимого и ультрафиолетового диапазонов частот);
• рентгеновских излучений для просвечиваний организма;
• ионизационных излучений (медицинская радиология) для диагностики и лечения с помощью источников радиоактивных излучений с меняющимся составом, энергией и длительностью облучений;
• звуковых вибраций (вибротерапия на звуковых частотах для лечения мышечных и нервных заболеваний и ультразвуковых для получения эхограмм мягких тканей и определения размеров внутренних органов);
• повышенного или пониженного давления в баротерапии, гипербарической оксигенации и др.
Геофизический мониторинг в медицине, т. е. организация специальной службы для прогнозирования гелиокосмической обстановки (уровня солнечной активности), слежения за патогенными вариациями других геофизических полей, является важным направлением медицинской геофизики. В настоящее время созданы специальные приборы и разработаны методики наблюдений для осуществления в клинических условиях медицински ориентированного мониторинга естественных и техногенных геофизических полей, а также для выявления превышающих санитарные нормы геофизических аномалий на локальных территориях, конкретных объектах, в жилых и производственных помещениях.
Так, например, для проведения электромагнитного мониторинга в клинических условиях успешно применяются диагностические магнитометры, индикаторы магнитной бури, индикаторы электромагнитной обстановки, регистраторы магнитной активности и другие приборы. Их использование в режиме мониторинга позволяет выявлять клинические особенности состояния кардиологических больных и магнитозависимых людей и давать рекомендации по их лечению.
Отдельно следует остановиться на медицинских аспектах мониторинга естественных импульсных электромагнитных полей Земли (ЕИЭМПЗ), которые создаются в литосферном пространстве при релаксации напряжения в горных породах, а также возникают при микродеформациях строительных материалов и несущих конструкций инженерных сооружений (в этом случае следует говорить о техногенной составляющей ЕИЭМПЗ). Различные уровни мониторинга ЕИЭМПЗ дают возможность решать разнообразные медико-экологические задачи. Так, глобальные возмущения импульсного поля позволяют оценить литосферный отклик на изменения космического излучения. Часто они бывают связаны с развитием массовых заболеваний и эпидемий в различных частях планеты. На региональном уровне наиболее четко проявляются солнечно- и лунно-суточные вариации ЕИЭМПЗ. По данным В. Н. Саломатина, сильное влияние на здоровье людей оказывают ночные максимумы ЕИЭМПЗ. Не менее опасны аномалии импульсного поля, связанные с активизацией крупных тектонических структур и разломов. У людей разных возрастных групп, проживающих в районах, подверженных этим процессам, могут проявляться нарушения иммунитета, новообразования, болезни крови.
Таким образом, экологическая геофизика как научно-прикладной раздел геофизической экологии предназначена выявлять физические условия, благоприятные для жизни и здоровья людей, может способствовать созданию нового направления в медицине — экологической медицины. Она должна базироваться на компьютерном подборе лекарств и методов лечения физическими полями, не приносящими вреда человеку, но способствующими его выздоровлению.