Геоэлектрические эффекты техногенных изменений геологической среды

Вода является неотъемлемой частью процесса круговорота веществ на Земле и представляется в виде скоплений природных вод на земной поверхности и в верхних слоях земной коры, формируя гидросферу Земли. Гидросфера — это геосфера, включающая совокупность океанов, морей, водных объектов суши (реки, озера, болота, подземные воды) а также их взаимодействие в литосфере и атмосфере. 

Деятельность человека в окружающей природной среде привела к ее загрязнению, на поверхности Земли скапливается большое количество отходов. Источниками производства подавляющего количества отходов являются отрасли промышленности, энергетики, транспорта, коммунального и сельского хозяйства. 

Посредством процесса инфильтрации, загрязняющие вещества, содержащиеся в отходах, попадают в грунтовые и подземные воды с атмосферными осадками и сточными водами, ухудшая их качество. Источники техногенного воздействия образуют не единственный фактор, влияющий на качество поверхностных и подземных вод. На уровень загрязнения также влияют процессы, протекающие в поверхностных слоях гидросферы, атмосферы, литосферы и биосферы, являющиеся вторичными источниками загрязнения подземной гидросферы [16]. 

Тесная взаимосвязь поверхностных и подземных вод в районах расположения водозаборов в речных долинах и водозаборов, в случае загрязнения поверхностных вод, приводит к загрязнению подземного водоносного горизонта. Загрязнения из речных вод проникают в водоносные горизонты посредством боковых фильтраций со стороны береговой линии и вертикальных фильтраций с  поверхностного слоя земли при затоплении поймы и низких террас в период паводков.

 В свою очередь загрязненные подземные воды могут влиять на качество поверхностных вод в районах их разгрузки в речную сеть и поверхностные водоёмы, вынося содержащиеся в них загрязняющие вещества в поверхностные водоёмы. Следует отметить, что в совокупности с процессом химического загрязнения водного горизонта коммунальными и промышленными сточными водами происходит и тепловое загрязнение. Оно проявляется обычно в повышении температурного режима подземных вод и вызывает температурную аномалию почв, зоны аэрации и нарушение их теплового режима, сказывающееся на растительном и животном мире. Тепловая аномалия может стать причиной возникновения деструктивных процессов водовмещающих пород. В последствие данная аномалия способна распространяться в более глубокие слои водоносных горизонтов и водоупоров. 

Также причиной изменения геоэлектрических и геофизических свойств геологического разреза может быть вызвана геохимической деятельностью техногенных подземных вод. Вследствие загрязнения пресных подземных вод, применяемых для хозяйственно-питьевого водоснабжения, повышается уровень пагубного воздействия на здоровье людей и окружающую среду.

Причинами возникновения вышеуказанных проблем является малая изученность состояния загрязнения, обусловленная появлением многих видов загрязнений и неразвитостью методов их исследования, а также отсутствием методов учета влияния многих вредных компонентов на здоровье людей и животных. 

В настоящее время в связи с ухудшением экологической ситуации в городах и населенных пунктах всё большую актуальность приобретает вопрос оценки качества поверхностных и подземных вод, а также выявления антропогенного влияния на водные объекты, связанного с процессом хозяйственной деятельности человека. 

Изменения геологической среды урбанизированных территорий под действием антропогенной нагрузки приводит к деформациям естественных и формированию техногенных геофизических полей. Так, например, локальные вариации гравитационного поля, отражающие изменения напряженного состояния инженерно-геологических массивов, могут быть вызваны как уплотнением и разуплотнением грунтов при различных видах наземного и подземного строительства, так и активизацией карстово-суффозионных процессов (формированием полостей) в связи с техногенным изменением гидродинамического режима карстовых вод.

Аномалии геотемпературного поля (с амплитудой от единиц до десятков градусов) в условиях города возникают вследствие нарушения естественной транспирации и теплообмена с атмосферой, освоения подземного пространства и интенсивного использования подземных вод для водоснабжения. Движение подземных вод усиливает распространение так называемого "теплового загрязнения" геологической среды города. Так, например площадь московской геотермической аномалии составляет - 1000 кв.км.

Из-за наличия радиоактивных элементов в природных и искусственных строительных материалах, промышленных отходах и шлейфовых выбросах крупных энергетических комплексов изменяется специфическое поле радиоактивных излучений: наблюдается возрастание радиоактивности окружающей среды в целом.

В условиях урбанизации города формируются техногенные физические поля - вибрационное и электромагнитное. Строительные работы, движение транспорта, работа различного рода станков и механизмов на промышленных предприятиях приводят к возникновению виброакустического поля. Техногенные электромагнитные поля приурочены к линиям электропередач переменного тока (поля блуждающих токов); электромагнитные поля промышленной частоты создаются генераторами, радио- и телевизионными станциями, радиолокаторами.

Естественные и техногенные физические поля влияют на все компоненты геологической среды, в том числе на современные геодинамические процессы, течение которых во многом определяется эффектами взаимодействия физических полей с геологической средой. Однако при традиционном подходе к проблеме не могут быть объяснены все наблюдающиеся в природе явления. Для истинного понимания многих из них требуется создание нетрадиционных физических моделей на основе нелинейной геофизики - нового раздела наук о Земле. Объектами изучения нелинейной геофизики являются различного рода взаимодействия геофизических и геохимических полей, необратимые явления в геологических средах, нелинейные эффекты. Последние условно можно разделить на четыре основные группы.

К первой относится нелинейное изменение характеристик естественного или наведенного физического поля при его распространении в геологической среде. Для виброакустических полей - это возникновение высокочастотных гармоник при низкочастотном источнике поля: скачкообразное изменение энергии поля при его взаимодействии со слоистой средой, аномальная дисперсия скорости волны за счет ее поглощения.

Ко второй группе относятся эффекты трансформации одного вида физической энергии в другой, так называемые перекрестные эффекты -сейсмоэлектрический, сейсмомагнитный, термоакустический. Эти эффекты в отличие от реализуемых по тривиальной схеме прямого перехода любого вида энергии в тепловую являются результатом взаимодействия геофизических полей между собой, которое сопровождается изменением эффективных геофизических характеристик среды таких как температуропроводность, электропроводность, магнитная проницаемость.

За последние десятилетия теория электромагнитных зондирующих систем с контролируемым и естественным возбуждением поля, представленных чрезвычайно широким спектром конфигураций, достигла определенного совершенства. 

Теоретической основой служит классическая электродинамика сплошных сред, в которой электромагнитные явления описываются системой линейных уравнений Максвелла с коэффициентами, характеризующими макроскопические осредненные феноменологические параметры среды: электропроводность, диэлектрическая и магнитная проницаемости. Многие ее разделы развиты с достаточной полнотой, создан математический аппарат для решения прямых и обратных задач, существенно расширен класс физических моделей и уравнений, используемых для описания распространения электромагнитных возмущений в земной коре и вдоль границы раздела земля–воздух. 

Однако отдавая должное этой высокоформализованной теории и обширному эксперименту, важно обратить внимание на то, что некоторые ее положения сформулированы недостаточно полно, в ней все еще существуют заметные пробелы и нерешенные проблемы.

На основе идеи об активной роли геологической среды в процессах формирования электромагнитной информационной структуры на поверхности Земли рассмотрим некоторые методические вопросы геоэлектромагнитных исследований. 

Субвертикальные электронно-ионные потоки, формирующиеся в энергоактивных зонах геосреды, над экранированными окисляющимися объектами, электромагнитное излучение, обусловленное механоэлектромагнитными трансформациями различной физической природы, поля естественной поляризации неоднородностей в геосреде и другие факторы активно взаимодействуют с электрическими зарядами на нижней обкладке конденсатора Земля–магнитопауза, создавая на ней сложную пространственно-временную структуру естественного электромагнитного поля. 

Разность потенциалов в таком гигантском конденсаторе составляет порядка 300–400 кВ, что обусловливает в нижних слоях атмосферы напряженность вертикальной компоненты электрического поля при ясной погоде в среднем 100–150 В/м, которая имеет вариации суточного характера и изменяется в связи с метеорологическими факторами, солнечной активностью, загрязненностью воздуха.

Электрическое состояние приземного слоя атмосферы – тонкого пограничного участка Земля– атмосфера мощностью 1,5–2,0 м, формируется ионами разных знаков, образованными вследствие как ионизации атмосферы космическими лучами, так и естественной радиоактивности Земли. В нем регистрируются дополнительные экстремумы, повторяемость которых задается по местному времени.

Эти максимумы и минимумы получили название локальных и находят удовлетворительное объяснение локальными изменениями режима поступления в атмосферу радона-222 с субвертикальными потоками почвенных газов.

В итоге плотности потоков летучих компонентов из земных недр, а также объемного электрического заряда в рассматриваемом слое оказываются резко дифференцированными по площади, а большая часть суточной вариации атмосферного электрического поля (унитарной вариации) определяется локальной геологией и геодинамикой среды в окрестности пункта наблюдения.