Оценка пораженности территории Московской области карьерами открытой добычи строительных материалов

Полный текст

Введение Добыча полезных ископаемых составляет важную часть экономики многих государств, включая Россию. Кроме подземной добычи нередка разработка открытым способом, если залежи располагаются сравнительно неглубоко. Наряду с экономической эффективностью карьеры отличаются сильным негативным влиянием на все компоненты окружающей среды. Проблема оценки влияния карьеров на территорию интернациональна. Изучению карьеров и связанных с ними проблем воздействия на окружающую среду посвящены работы многих авторов [1-7]. Почти все эксплуатируемые в Подмосковье месторождения разрабатываются открытым способом (с помощью карьеров). Техногенные изменения геологической среды при разработке месторождений захватывают значительные территории, превосходящие площадь горных отводов, и вызывают развитие экзогенных геологических процессов, часто несвойственных данной территории, а также специфических горногеологических процессов: пучение пород в выработках, развитие трещиноватости в скальных породах (известняках, доломитах) [8-10]. Для снижения водопритоков в карьеры во время экскавации полезных ископаемых часто используют законтуренное водопонижение. Откаченные воды вливаются на поверхность в понижения рельефа. При этом могут заболачиваться прилегающие территории. Увеличение гидравлического уклона между бортом и днищем карьера вызывают усиление эрозии поверхностным смывом и нарушение естественного гидрологического равновесия. Уменьшение гидравлического уклона русловых потоков приводит к их подпору, образованию затопленных территорий и паводку на окружающей местности. Изменения гидрогеологических условий влияет и на другие параметры геологической среды [11-13]. В бортах карьеров развиваются осыпи, оползни, эрозия, появляются трещины бокового отпора. Дно карьеров часто затапливается, образуя иногда большие озера, в которых происходит подмыв берегов [1; 14]. Эти процессы представлены на примере карьера Дзержинский (рис. 1). Рис. 1. Дзержинский карьер. Процессы в бортах карьера: затопление, эрозия, осыпи, оползни Figure 1. The Dzerzhinsky open cut. Processes on the open cut: flooding, erosion, scree, landslides В песчаных карьерах получила широкое распространение суффозия, которая приводит к неустойчивости бортов карьеров и возникновению опасности для работающих в них людей и механизмов [1; 15; 16]. Образование отвалов различных форм, размеров и состава преобразует поверхность и формирует элементы техногенного рельефа [14; 16]. Земли, нарушенные карьерами и сопутствующими отвалами, становятся часто непригодными для дальнейшего использования в качестве строительных площадок. Нарушенные горные породы, перемещенный грунт, отвалы представляют из себя техногенно измененные грунты с новыми физико-механическими и физико-химическими свойствами. Это приводит к накоплению техногенных грунтов с новыми неблагоприятными инженерно-геологическими свойствами и загрязнению гидрогеологических горизонтов. В выработанных пространствах карьеров и отвалов образуются несанкционированные свалки [17; 18]. Кроме того, не только сами карьеры, но и их инфраструктура оказывают негативное влияние на экологическую ситуацию территории: разрушается почвенный покров, угнетается и уничтожается растительность. Шумовая нагрузка от взрывов и работающей техники распугивает животных, негативно влияет на здоровье населения [19]. В свете вышесказанного оценка распространенности карьеров в Московской области (МО) является необходимой и важной задачей. Однако восстановление первичного природного окружения неосуществимо в реальном времени. Материалы и методы В качестве источника информации для проведения оценки карьерной нагрузки на территорию МО использованы данные из официальных источников: реестра первичной и интерпретированной информации Единого фонда геологической информации о недрах, Государственного кадастра месторождений и проявлений полезных ископаемых, информационных докладов Министерства природных ресурсов о состоянии окружающей среды в Московском регионе. Отсюда были получены данные о названии и расположении объектов учета, основных и попутных полезных ископаемых, количестве учтенных на балансе и в разработке полезных ископаемых, структуре минерально-сырьевой базы. В Государственном балансе по Московской области числится порядка 720 месторождений общераспространенных полезных ископаемых с общими запасами промышленных категорий более 2 млрд м3 [20]. Из сводного государственного реестра участков недр Единого фонда геологической информации были выбраны месторождения общепринятых полезных ископаемых (ОПИ). Московская область обладает мощной минерально-сырьевой базой, включающей месторождения 18 видов полезных ископаемых, с преобладанием в структуре песков строительных и песчано-гравийных пород, общие запасы которых составляют 1 млрд 296 млн (51,4 % от общего количества запасов), и торфа с балансовыми запасами в 728,3 млн м (29,0 %); далее в порядке убывания следуют: кирпичное сырье - 180,0 млн м (7,2 %), карбонатные породы - 177,0 млн м (7,0 %), керамзитовое и термолитовое сырье - 72,7 млн м (2,9 %), тугоплавкие глины - 58,0 млн м (2,3 %) [20]. Процентное соотношение полезных ископаемых, добываемых на территории Московской области, представлено на рис. 2. На основе данных Единого фонда геологической информации была составлена карта-схема распространенности карьеров по добыче полезных ископаемых Московской области, представленная на рис. 3. Для построения карт применялась геоинформационная система ArcGis, которая использует спутниковые данные Landsat и MODIS и высокодетальную космическую съемку. Обработка данных выделения районов с различной карьерной нагрузкой выполнялась статистическими методами обработки. Рис. 2. Структура минерально-сырьевой базы общераспространенных полезных ископаемых: другие - керамзитовое и термолитовое сырье (2,9 %), тугоплавкие глины (2,3 %) [19] Figure 2. The structure of the mineral resource base of common minerals: others - expanded clay and thermolite raw materials (2.9%), refractory clays (2.3%) [19] Рис. 3. Карта-схема Московской области с расположением карьеров по добыче полезных ископаемых Figure 3. The schematic map of Moscow region with the distribution of open cuts Для расчетов плотности карьеров и удельной плотности использовались следующие формулы: - коэффициент распространенности D: D = N / S, где S - площадь территории; N - количество карьеров; - удельная плотность карьеров: 1 / D = N / S. Для расчета карьерной нагрузки на территорию вся площадь Московского региона была разбита на 257 квадратов со стороной 15 км2 и площадью 225 км2. Для каждого единичного квадрата было подсчитано количество карьеров, оказавшихся внутри него. Расположение карьеров в пределах Московской региона представлено на картосхеме (рис. 4), созданной при помощи геоинформационных систем на основе геологической карты [21]. Рис. 4. Геологическая карта исследуемой территории с карьерами: отложения неоген-четвертичной системы: 1 -пески и глины; неогеновой системы: 2 - пески и глины; меловой системы: 3 - верхний отдел: трепелы, глины, пески, песчаники; 4 - нижний отдел: пески с фосфоритами, песчаники, глины; юрской системы: 5 - верхний отдел: темные глины и пески с фосфоритами; 6 - средний-верхний отдел: глины, пески, песчаники; пермской системы: 7 - верхний отдел: глины; 8 - нижний отдел: доломиты, известняки; каменноугольной системы: 9 - верхний отдел: известняки, доломиты, пестрые глины и мергели; 10 - средний отдел: известняки и доломиты с прослоями глин и мергелей; 11 - нижний отдел: известняки, глины, пески Figure 4. Geological map of the study area with distribution of open cuts: deposits of the Neogene-Quaternary system: 1 - sand and clay; Neogene system: 2 - sands and clay; Cretaceous system: 3 - upper section: tripoli, clays, sands, sandstones; 4 - lower section: sands with phosphorites, sandstones, clay; Jurassic system: 5 - upper section: dark clays and sands with phosphorites; 6 - middle-upper section: clays, sands, sandstones; Permian system: 7 - upper section: clay; 8 - lower section: dolomites, limestone; Coal system: 9 - upper section: limestones, dolomites, mottled clays and marls; 10 - middle section: limestones and dolomites with interlayers of clays and marls; 11 - lower section: limestones, clays, sands К слоям четвертичной системы приурочены следующие полезные ископаемые: легкоплавкие глины, балластные, строительные и формовочные пески, пески для силикатного кирпича, гравий, валуны, известковые туфы и минеральные краски. В слоях меловой системы залегают трепел, формовочные пески, реже стекольные пески и песчаники. В слоях юрской системы встречаются тугоплавкие глины, формовочные и стекольные пески, пески для силикатного кирпича, песчаники и фосфориты. К слоям каменноугольной системы принадлежат известняки, доломиты и мергели. Основные месторождения известняков распространены в центральной части Московской области, будучи расположенными по дуге с запада и юга. Месторождение доломитов распространены в северо-восточной части региона. Известковые туфы встречаются часто, но заслуживают внимания только в северной части зоны. Легкоплавкие глины распространены повсеместно на севере, западе и юге зоны. Гравий встречается почти исключительно на севере и северо-западе региона [22]. Результаты и их обсуждение Для оценки распространенности карьеров была рассчитана плотность карьеров на 1 км2 (D). Всего в московском регионе находятся в разработке 722 карьера N. С учетом того что площадь Московского региона S составляет 44 300 км2, на 61,4 км2 приходится один карьер. Рис. 5. Схематическая карта плотности карьеров в пределах Московской области: карьерная нагрузка: 0 - отсутствует; 1 - слабая; 2 - умеренная; 3 - повышенная; 4 - высокая Figure 5. The schematic map of the open cuts density distribution in the Moscow region: career load: 0 - absent; 1 - light; 2 - moderate; 3 - increased; 4 - high Рис. 6. Геологическая карта Московской области с зонами карьерной нагрузки: отложения неоген-четвертичной системы: 1 -пески и глины; неогеновой системы: 2 - пески и глины; меловой системы: 3 - верхний отдел: трепелы, глины, пески, песчаники; 4 - нижний отдел: пески с фосфоритами, песчаники, глины; юрской системы: 5 - верхний отдел: темные глины и пески с фосфоритами; 6 - средний-верхний отдел: глины, пески, песчаники; пермской системы: 7 - верхний отдел: глины; 8 - нижний отдел: доломиты, известняки; каменноугольной системы: 9 - верхний отдел: известняки, доломиты, пестрые глины и мергели; 10 - средний отдел: известняки и доломиты с прослоями глин и мергелей; 11 - нижний отдел: известняки, глины, пески; карьерная нагрузка: 12 - умеренная; 13 - повышенная; 14 - высокая Figure 6. Geological map of the study area with zones of open cuts density distribution: deposits of the Neogene-Quaternary system: 1 - sand and clay; Neogene system: 2 - sands and clay; Cretaceous system: 3 - upper section: tripoli, clays, sands, sandstones; 4 - lower section: sands with phosphorites, sandstones, clay; Jurassic system: 5 - upper section: dark clays and sands with phosphorites; 6 - middle-upper section: clays, sands, sandstones; Permian system: 7 - upper section: clay; 8 - lower section: dolomites, limestone; Coal system: 9 - upper section: limestones, dolomites, mottled clays and marls; 10 - middle section: limestones and dolomites with interlayers of clays and marls; 11 - lower section: limestones, clays, sands; zones of open cuts density distributions: 12 - moderate load; 13 - increased load; 14 - high load Распространенность карьеров, полученная в результате исследований, показала следующее. Средняя величина удельной плотности для Московского региона составляет 0,016 карьеров на 1 км2, величина варьирует от 0 при отсутствии карьеров до 0,084 км2 на тех участках, где находится 19 карьеров. Дальнейшая оценка распределения плотности карьеров по территории проводилась с использованием статистических методов. Наибольшее количество карьеров, приходящихся на единичный квадрат, составило 19, а наименьшее - 1. На части территории в единичных квадратах карьеры отсутствуют (в 96 общей площадью 21 600 км2). Таким образом, реальная плотность D карьеров на оставшейся площади Московского региона (площадь 22 700 км2) составит 1 карьер на 31,44 км2, что в 2 раза выше средней. Для построения визуальной модели плотности принято следующее предположение: отсутствие карьерной нагрузки - 0 карьеров; слабая нагрузка - 1-5; умеренная - 6-10; повышенная - 11-15; высокая - больше 15. Число карьеров в единичном квадрате было отнесено к центру квадрата и соответственно выбранным интервалам составлена карта-схема плотности карьеров, построенная на основе данных из Единого фонда геологической информации и по рассчитанной авторами величине плотности (рис. 5). На рис. 6 представлена совмещенная карта-схема карьерной нагрузки и геологической карты, построенная на основе геологической карты [20] и по рассчитанной авторами величине плотности. На рис. 6 видно, что наибольшая нагрузка приходится на отложения среднего и верхнего отделов каменноугольной системы, к которым принадлежат известняки, доломиты и мергели. Зона повышенной нагрузки приурочена к верхнему отделу каменноугольной системы, где добывают известняки и доломиты, а также к отложениям юрской системы, где расположены месторождения тугоплавких глин, стекольных песков и фосфоритов. Зона умеренной нагрузки приходится на отложения юрской, каменноугольной и неоген-четвертичной систем. К слоям четвертичной системы приурочены легкоплавкие глины, балластные, строительные и формовочные пески, пески для силикатного кирпича, гравий, валуны, известковые туфы. Заключение Проведена оценка распространенности карьеров в Московском регионе и составлена карта плотности их распределения. Установлено, что максимальное распространение карьеров приурочено к добыче известняков, доломитов и мергелей каменноугольной системы.

Об авторах

Ксения Олеговна Наумова

Российский университет дружбы народов

Автор, ответственный за переписку.
Email: shunenkova-ko@rudn.ru

аспирант, кафедра геоэкологии, экологический факультет

Российская Федерация, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6

Елена Владимировна Станис

Российский университет дружбы народов

Email: stanis-ev@rudn.ru
SPIN-код: 3964-3144

кандидат технических наук, доцент, заведующая, кафедра геоэкологии, экологический факультет

Российская Федерация, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6

Список литературы