Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние проблемы изучения влияния эколого-геологических факторов на биологические системы
Выводы по главе 1 24
Глава 2 Природные факторы, определяющие эколого-геологические условия Республики Алтай
2.1 Общие сведения 25
2.2 Характеристика рельефа 26
2.3 Геологическое строение 29
2.4 Современные геологические процессы 36
2.5 Особенности распространения многолетнемерзлых пород 39
2.6. Специфика гидрогеологического строения территории
2.7 Геофизические поля территории 48
2.8 Ландшафтная структура территории 54
2.9 Почвенно-геохимическая характеристика 57
Выводы по главе 2 60
Глава 3 Методика полевых работ, методы обработки и анализа данных
3.1 Методы изучения аномальных участков 62
3.2 Методика изучения разломных зон при помощи частоты сердечных сокращений
3.3 Методика и результаты оценки эколого-геологических и социально- экономических условий административных районов Республики Алтай и учета гелиогеофизических характеристик
3.4 О нормировании эколого-геологических характеристик 77
3.5 Методы обработки данных 81
Глава 4 Геодинамическая активизация территории Республики Алтай 84 (содержание, причины, выраженность)
4.1 Сейсмичность территории Республики Алтай и всей Алтае- 84 Саянской горной области
4.2 Геолого-тектоническая характеристика эпицентральной зоны 92 Чуйского землетрясения
4.3 Характеристика сейсмического процесса эпицентральной зоны до 96 Чуйского землетрясения
4.4 Характеристика Чуйского землетрясения (2003 г.) и афтершокового процесса
Выводы по главе 4 108
Глава 5 Влияние Чуйского землетрясения на абиотическую компоненту среды
5.1 Развитие сейсмодислокаций в эпицентральной зоне Чуйского землетрясения
5.2 Землетрясения и оползневая активность в эпицентральной зоне Чуйского землетрясения
5.3 Землетрясения и характеристики подземных вод 137
5.4 Землетрясения и наледные процессы 152
5.5 Землетрясения и динамика эманации радона и торона в г. Горно- Алтайске
5.6 Землетрясения и метеорологические процессы 175
5.7 Влияние сейсмической активизации на инфраструктуру населенных пунктов и автодорог
5.8 Комплексный анализ изменения геолого-геофизических характеристик при геодинамической активизации
Выводы по главе 5 210
Глава 6 Региональное влияние геодинамической активизации на биотические составляющие экогеосистем
6.1 Влияние сейсмических процессов на животный мир 214
6.2 Влияние Чуйского землетрясения на изменение заболеваемости населения
6.3 Многофакторный анализ влияния геологических факторов на здоровье населения
6.4 Комплексный анализ вызовов скорой помощи в г. Горно-Алтайске во время активизации Чуйского землетрясения
6.5 О влиянии событий, связанных с сейсмической активизацией, на биологические системы
Выводы по главе 6 271
Глава 7 Изучение влияния активных разломов на сердечно-сосудистую систему человека в различных геологических условиях
7.1 Характеристика участков исследования 274
7.2 Результаты исследования 279
7.3 Обсуждение результатов 290
Выводы по главе 7 292
Заключение 294
Список литературы 298
Приложения 338
Список сокращений
- Современные геологические процессы
- Методика и результаты оценки эколого-геологических и социально- экономических условий административных районов Республики Алтай и учета гелиогеофизических характеристик
- Характеристика сейсмического процесса эпицентральной зоны до 96 Чуйского землетрясения
- Землетрясения и метеорологические процессы
Современные геологические процессы
Эколого-геологическая система характеризуется эколого-геологическими условиями - обстановкой, создаваемой комплексом современных морфологически выраженных геологических факторов, оказывающих влияние на особенности функционирования биоты, включая человека [Трофимов, 2009]. Многообразие геологических особенностей, рассматриваемых при эколого-геологических исследованиях, не мешает выделить среди них комплекс самых важных, определяющих, которые в той или иной степени изучаются всегда. Этот комплекс включает в себя восемь составляющих, которые называются факторами (компонентами) эколого-геологических условий: 1) геологическое строение местности и характер слагающих ее пород; 2) рельеф; 3) гидрогеологические условия; 4) мерзлотные условия; 5) геохимические условия; 6) геофизические условия; 7) ландшафтные особенности; 8) современные геологические процессы [Трофимов, 2010]. Закономерное сочетание этих компонентов формирует эколого-геологический облик любого природного или техногенно измененного массива, региона, определяет его эколого-геологические условия. Именно эти компоненты формируют различные экологические свойства и функции литосферы.
Геологические процессы и сформированный в результате их активности геологический облик любого региона являются главными ландшафто-, почво- и климатообразующими факторами, которые в свою очередь определяют биологическое разнообразие и природную самобытность территории. Геохимические и геофизические поля горных пород, как продукты геологической эволюции, определяют эколого-геологическую среду биотопов. В ходе геологического развития формируются месторождения полезных ископаемых, которые также создают определенную обстановку, влияющую на органический мир через геохимические особенности ландшафтов и геофизические поля. Таким образом, обеспечивается геохимическая, геофизическая и ресурсная функции литосферы [Трофимов, Зилинг, 2002; Трофимов, 2008].
С этих позиций понимание геологической эволюции Алтая, его геолого-структурных особенностей и металлогенической специализации позволяет правильно оценить эколого-геологическую систему изучаемой территории и ее влияние на биотопы и здоровье населения.
Выбор региона исследования - территории Республики Алтай - связан с уникальностью региона - его природными, в том числе сейсмическими, тектоническими, ландшафтными и другими свойствами, особенностями задач геомониторинга, ограниченного границами региона, а также системой управления регионом для социально-экономического развития и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций.
Характеристики рельефа и связанные с ним особенности природных условий предъявляют особые требования при проведении эколого-инженерных исследований. В связи с этим рассмотрим некоторые природные закономерности, оказывающие влияние на подобные исследования [СП 11-102-97, 1997].
В высокогорной местности рельеф существенно затрудняет условия жизни населения, снижает уровень транспортной доступности, способствует удорожанию стоимости строительства объектов, в связи с характеристиками рельефа ухудшается водообеспечение населения (нередко реки, врезанные в горные ущелья, оказываются недоступными для водопотребления).
В связи с тем, что железных дорог на изучаемой территории нет, реки не судоходны, воздушный транспорт практически не работает, основным и единственным видом транспорта является автомобильный. Поэтому качество и количество автодорог играют главенствующую роль в развитии экономики Республики Алтай. Сеть территориальных дорог республики составляет около трех тысяч километров и только 14,5 % из них имеют усовершенствованное покрытие. В Алтайском крае этот показатель - 27 %, а в России - 57 %. Необходимо отметить, что 85 % дорог республики проходят в горной местности с сильно расчлененным рельефом. В связи со сложными природными условиями высоки затраты на дорожное строительство.
Особенностью горных территорий является и то, что население в процессе хозяйственной деятельности перемещается между вертикальными поясами. Если скотоводы равнинных степей или тундры кочуют в пределах одной или соседних природных зон, то скотоводы горных регионов в процессе перекочевок поднимаются на многие месяцы от мест своего проживания в горы через несколько природных поясов в гораздо более суровые природные условия. Также в течение рабочего дня вынуждены несколько раз подниматься и спускаться до 1000 м в условиях высокогорья, где атмосферное давление понижается на 1 мм рт. ст. при подъеме на 10 м, что оказывает отрицательное влияние на здоровье человека, вызывает серьезные заболевания.
Республика Алтай - регион России, расположенный на юге Западной Сибири на границе с Китаем и Казахстаном (рисунок 1). Он представляет собой сложную систему хребтов, глубоких речных долин и широких межгорных котловин. Выделяются три цепи горных хребтов - южная, центральная и северная. Южную цепь составляют хребты Тигерецкий, Коксуйский, Холзун, Листвяга, Катунский и Южно-Чуйский. В центральной цепи находятся хребты Северо-Чуйский, Теректинский, Бащелакский, Ануйский, Чергинский и Семинский. В северной цепи выделяются хребты Айгулакский, Сумультинский, Иолго. Отмечается увеличение высоты гор и их протяжённость с севера на юг. Абсолютные отметки территории колеблются в широких пределах - от 230 м (урез рек Катуни и Бии) до 4506 м (г. Белуха). Средняя высота территории оценивается в 2150 м при наиболее встречаемых высотах - 1500-2500 м. Низкогорный рельеф преобладает в северной части территории, в административном отношении соответствуя Майминскому, Чойскому и Турочакскому районам. Абсолютные отметки вырастают от 300 до 1000 м. Водоразделы обособлены широкими долинами рек Катуни, Бии и их притоков.
Методика и результаты оценки эколого-геологических и социально- экономических условий административных районов Республики Алтай и учета гелиогеофизических характеристик
Ландшафты Республики Алтай отличаются большим разнообразием, что связано с характером рельефа, климата, почвенного покрова, воздействием прошлой и современной хозяйственной деятельности человека и другими факторами.
Согласно карте районирования Азиатской части России, территория Республики Алтай располагается на территории Алтайской горной области, Алтае-Саянской физико-географической страны, в пределах которой выделяются 5 физико-географических провинций [Самойлова, 1973].
Физико-географические провинции соответствуют в пространственном отношении крупным географическим регионам, условно называемым Северо-Западный Алтай, Центральный Алтай, Южный и Юго-Восточный Алтай, Северо-Восточный Алтай, Восточный Алтай [Атлас..., 1978].
В соответствии с классификацией [Исаченко, 1989], на изучаемой территории выделены следующие типы ландшафтов (рисунок 10): гляциально-нивальные, тундровые, тундрово-степные, альпийско-субальпийско-луговые, подгольцово-редколесные, лесостепные, лесные [Самойлова, 1990].
В пределах морфологических категорий рельефа выделены ландшафтные зоны, расположенные согласно пространственной дифференциации рельефа, совокупности индивидуальных ландшафтных признаков, а также обладающих генетической общностью и однотипной структурой, отражающей биоклиматическую специфику района работ. Особенно велико влияние гор Алтая на циркуляцию атмосферы, атмосферное увлажнение и радиационный режим.
Основной закономерностью в распределении ландшафтов является высотная поясность. Отчетливо прослеживаются три основных вертикальных ландшафтных пояса: степной, лесной, высокогорный [Модина, Сухова, 2007]. Рисунок 10 - Карта типов ландшафтов Республики Алтай [Самойлова, 1973]
Особенностью зоны высотно-поясных ландшафтов является особый тип природной зональности, состоящий из системы предгорных барьерно-высотных поясов, что привело к формированию нескольких типов ландшафтов, сменяющихся по вертикальной поясности [Маринин, Самойлова, 1987].
Наиболее мозаична структура гор Центрального, Юго-Восточного и Восточного Алтая. Здесь представлены все виды лесных среднегорий, высокогорных тундровых и гляциально-нивальных высокогорных ландшафтов. Рельеф высокогорий сформировался в результате новейших поднятий древней поверхности выравнивания и воздействия на нее денудационных процессов [Сухова, 2009]. Результатом интенсивной экзарации являются альпийские формы рельефа с острыми гребнями, скалистыми пиками, трогами. Аккумулятивная деятельность ледников способствовала распространению моренно-холмистого рельефа [Алтай..., 2005].
Ландшафтами высокогорий являются субальпийские луга, альпийские луга, тундровые и гляциально-нивальные комплексы на горно-луговых и дерново 56 перегнойных почвах. Субальпийские комплексы представлены: высокотравными, низкотравными, злаково-осочковыми и кобрезиевыми лугами. Тундровые ландшафты представлены каменистой, лишайниковой, мохово-лишайниковой, кустарниковой, луговой тундрой. Высокотравные тундры занимают большую площадь территории Алтая.
Лесные ландшафты наиболее широко распространены на изучаемой территории. Подтаежные предгорные ландшафты характерны для Северо-Восточного Алтая. Ввиду длительной эксплуатации лесов в настоящее время здесь преобладают вторичные высокотравные осинники. Южнее их замещают лесо-луговые и лесостепные предгорья с березовыми лесами.
Черневые подтаежные южно-лесные низкогорные ландшафты характерны для пенепленизированного и эрозионного низкогорья. Экспозиционные различия в распределении почвенно-растительного покрова выражены крайне слабо, что связано со значительным увлажнением этой территории и небольшими абсолютными высотами. На нижнем пределе темнохвойных лесов мощная кора выветривания. Обильное атмосферное увлажнение, значительный снежный покров, который предохраняет почву от промерзания, способствуют большой интенсивности процессов химического выветривания.
На смену черневым лесам по крутым склонам среднегорий с высоты 1200-1300 м приходит елово-пихтово-кедровая тайга, сплошное распространение которой нарушается выходами скал, осыпями с зарослями кустарников.
Для горно-лесных ландшафтов характерны сосновые и березово-сосновые леса. Выше 700 м сосны обычно не встречаются. Выше преобладают кедрово-лиственничные, лиственничные и елово-лиственничные леса.
Субальпийское редколесье находится между лесными и высокогорными геосистемами. Здесь наблюдается чередование небольших участков леса с участками субальпийских лугов или горной тундры. Данный тип ландшафтов находится в границах 1600-2000 м над уровнем моря.
Зона остепненных ландшафтов Северного Алтая на полого-увалистом лессовом плато и лесостепных ландшафтов приурочена к предгорной части пролювиальной равнины, где развиты, в основном, черноземы обыкновенные и выщелоченные, интенсивно используемые в сельском хозяйстве.
На изучаемой территории широко распространены межгорные котловины. Котловины представляют собой участки аккумуляции древних и современных отложений, здесь преобладают аллювиально-делювиальные отложения. В высокоприподнятых межгорных котловинах выделяются тундрово-степные, степные, полупустынные и каменисто-степные ландшафты. Формирование степных ландшафтов связано с сухостью климата, бесснежностью зим, наличием сильных ветров. Травостой обогащен степными видами растительности.
Формирование горно-долинных ландшафтов связано с эрозионной деятельностью временных и постоянных водных потоков. Интенсивность эрозионного расчленения и его глубина возрастают вблизи долин крупных рек.
В настоящее время под влиянием антропогенной деятельности состояние горных ландшафтов ухудшается. Одним из антропогенных факторов является складирование бытовых и промышленных отходов. При этом в большинстве мест хранения твердых бытовых отходов отсутствуют какие-либо виды восстановления и защиты окружающей среды. В районах, где в настоящее время добываются полезные ископаемые (золоторудный рудник Веселая Сейка) или находятся отвалы горно-рудного производства (Акташский горно-рудный завод по переработке ртути) антропогенные факторы оказывают воздействие на все природные компоненты геосистем [Доклад..., 2004].
Характеристика сейсмического процесса эпицентральной зоны до 96 Чуйского землетрясения
Активизация оползневых процессов в Республике Алтай может быть связана с общим изменением вибрационного режима территории в косейсмический период. Известно, что виброчувствительность пород - это характеристика, определяющая свойства пород под воздействием вибрации. При этом, виброчувствительность насыщенной среды связана с особенностями среды и частотными характеристиками системы геологических пород и степенью их водонасыщенности, которые, в свою очередь, реагируют на существующие напряжения в массиве горных пород.
В форшоковый период подготовки землетрясения территория Юго-Восточного Алтая испытывала воздействие сейсмических событий малой амплитуды. Так называемый «рой» землетрясений представляет собой значительное количество мелкоамплитудных сейсмических событий за короткий промежуток времени. Реакцией геологической среды на данные события стала активизация склоновых процессов, в том числе активизация древних оползневых структур и образование новых покровных оползней. Активизация оползневых процессов вполне объяснима с точки зрения вибрационного воздействия малоамплитудных событий на склоновые отложения. Магнитуда сейсмических событий «роя» сравнительно мала и фиксируется только измерительными приборами. Но такое высокое по интенсивности и плотности сейсмическое воздействие (до нескольких событий в день) способно вызвать в суглинистых и глинистых грунтах на границах сезонно-талого слоя и вечномерзлых грунтов явление тиксотропности (разжижения грунтов). Именно такие явления наблюдались в первые дни после Чуйского землетрясения на участках поймы р. Чаган, покрытой суглинистыми осадками грифонов. Аналогичные процессы могли проявляться в форшоковый период на границах основных деформирующихся горизонтов, вовлеченных в оползание. О локальном разжижении грунтов свидетельствуют следующие явления: появление фрагментов вязкого течения суглинистых грунтов, мягкопластичные грунты в днищах раскрывающихся трещин растяжения, валы пластичного выдавливания. Отметим, что эффекты сейсмогенного разжижения грунтов очень опасны для строительства и требуют их изучения и учета при строительстве.
В афтершоковый период сейсмическую активность проявлял весь Курайский хребет. Высокая концентрация эпицентров наблюдалась в юго-западной части Курайской впадины и далее цепью окаймляла Чаган-Узунский блок с трех сторон. Именно в пределах этого блока отмечена максимальная активизация оползневых процессов (Чуйский наблюдательный участок). По результатам обследования оползневых структур выявлены следующие закономерности их формирования: наличие древних сейсмогенных оползней, приуроченных к структурно-тектоническим уступам Курайского тектонического шва; приуроченность современных оползней к тектоническим структурам Курайско-Саянской шовной зоны; приуроченность некоторых современных оползней к зонам разгрузки подземных вод, расположенных в структурно-тектонических уступах Курайского тектонического шва. Оползни в зоне разгрузки подземных вод приобретают сложный характер по морфологии тел, сочетая элементы сухого скольжения и течения (оползни-потоки, глетчерообразные оползни); элементы современного оползневого рельефа (трещины растяжения, сдвига, рвы растяжения и стенки отрыва) имеют азимуты простирания, близкие к ориентации структурных швов; основной деформирующийся горизонт - комплекс осадков кош-агачской свиты, расположенный в тектонических блоках, и четвертичные отложения, пространственно сопряженные с ними; «критические» уклоны поверхности, вызывающие образование оползней, соответствуют крутизне более 20 исключение из правил составляют оползни, приуроченные к Чаган-Узунскому блоку, где крутизна склонов менее 10; унаследованный характер образования современных оползней в пространственном отношении, по механизмам образования и морфологии тел; по морфологии оползневых тел преобладают циркообразные оползни, а по механизму смещения - сложные, что вполне характерно для горных стран.
Известно, что основной толчок приводит к возникновению мощных силовых полей в зоне очага, в результате действия которых приходят в движение плохо связанные со средой массы на горных склонах. Возникают вторичные обвалы, возбуждающие сейсмическое излучение, которое накладывается на излучение первичного толчка [Измайлов, Мишин, 1986; Непоп, Агатова, 2008].
В результате основного толчка Чуйского землетрясения образовался гигантский оползень. Площадь оползня 0,615 км . Объем перемещенных масс, учитывая среднюю глубину захвата пород 30 м, составляет 18,46 млн. м . По морфологии как по комплексному признаку - это циркообразный объект с ярко выраженным асимметричным дугообразным надоползневым уступом и овальным в плане оползневым телом. По фазе развития - это движущийся объект, развитие его происходит регрессивно, вверх по склону (рисунок 25).
Реакцией геологической среды на крупные сейсмические события явилось образование сейсмодислокаций первичного и вторичного характера. К вторичным деформациям относятся сейсмогенные оползни, осыпи, обвалы, камнепады, оплывины, трещины оседания на склонах.
По результатам данного обследования выделен еще один участок для наблюдений за вторичными деформациями поверхности гравитационного класса, а именно за оползневыми структурами и трещинами оседания, образовавшимися в момент землетрясения. Участок расположен в долине р. Талтура и охватывает в пространственном отношении поле с максимальным развитием вторичных сейсмодислокаций, в том числе гигантский оползень, возникший в момент основного толчка [Достовалова, 2004; Достовалова, Шитов, 2010].
Землетрясения и метеорологические процессы
В результате анализа графика было выявлено, что увеличение объемной активности радона связано с Чуйским землетрясением (сентябрь 2003 года), а также сейсмическими событиями в феврале 2004 г. в районе г. Горно-Алтайска. Высокий средний уровень радона в ноябре - декабре 2004 года, феврале - марте 2005 года, а также в марте 2006 года обусловлен афтершоковым процессом Чуйского землетрясения. С 2008 года средний уровень объемной активности радона в г. Горно-Алтайске, и по настоящее время понижается.
Горно-Алтайск находится под влиянием повышенной активности этого газа. При этом на содержание радона в городе влияет не один фактор. Так, превышение норм наблюдается либо вблизи разломов, либо в районах, возведенных на возвышенностях. Высокие показатели могут быть связаны с интрузиями, залегающими под этими возвышенностями. В центральной части города, перекрытой рыхлыми четвертичными отложениями, уровни активности радона относительно невысокие.
В период 2012-2014 гг. нами проводилось изучение динамики объемной активности радона в помещении. Объемная активность - отношение активности радионуклида в веществе к объему вещества. В период повышения сейсмической активности аномальные изменения ОА почвенного радона могут проявляться на значительных расстояниях от эпицентра землетрясения. С целью повышения чувствительности радонового метода мониторинг стараются производить на территориях с наличием глубинных высокоактивных источников радона (породы с высоким содержанием урана, зоны тектонических разломов в земной коре). На таких территориях наблюдается увеличение амплитуды аномальных всплесков.
В результате проведенного мониторинга зафиксированы резкие увеличения эксгаляции радона перед сейсмическими событиями с магнитудой порядка 3 (рисунок 38). На рисунке показаны реакции на сейсмическое событие, произошедшее 14.04.12 г. в 13:03 часов с эпицентром вблизи оз. Джулуколь Улаганского района Республики Алтай. Данные о землетрясении представлены Геофизической службой СО РАН.
Детальный суточный анализ объемной активности радона также показал, что существует влияние сейсмических процессов на его динамику (рисунок 38). За несколько часов перед землетрясением происходит активная эксгаляция радона при этом уровень радона повышается, достигая после основного толчка максимума, а спустя несколько часов после землетрясения уровень радона понижается, затем следует несколько пиков. Инициированное землетрясением повышение объемной активности радона снижается обычно на 3-4 сутки после землетрясения (рисунок 39).
Известно, что существует большое количество исследований об изменении радоновой активности перед землетрясением [Carraro; Giardino, 1992; Punnets et al, 1997; Беляев, 2001; Kerr, 2009; Fidani, 2010]. Для изучения влияния подготовки сейсмических событий на динамику объемной активности радона нами был применен метод наложенных эпох. За время мониторинга с 02.03.12 по 14.04.12 г. на территории Республики Алтай произошло 6 землетрясений, а именно: 06.03.12, 08.03.12, 28.03.12, 29.03.12, 04.04.12 и 14.04.12 г
В результате наших исследований было выявлено, что объемная активность радона значимо повышается за 13 и 8 дней перед землетрясением (рисунок 39). Затем - снижается, с минимумом за 6 дней до события, и вновь повышается, достигая максимального значения в день землетрясения, после чего объемная активность постепенно понижается на 3-9 день после землетрясения.
Временные вариации ОА радона зависят от сложности и разнообразия особенностей геологических структур, изменчивости фильтрационных свойств среды. Изменения метеорологических условий также значительно варьируют показатели радона. Поэтому в ряде случаев влияние сейсмических характеристик, на динамику объемной активности могут быть не замечено [Спивак, 2008].
Для анализа динамики радона нами проводились измерения ОА радона, торона, температуры, влажности и давления в период с 02.03.12 по 14.04.12 г. (рисунок 40).
Часто эманации радиоактивных газов и метеопараметры имеют взаимную зависимость. Так, коэффициент корреляции в ряде случаев имеет значимые показатели: между значениями температуры и влажности он составляет 0,93; между температурой и эманацией торона - 0,57; между влажностью и эманацией торона - 0,54; между эманацией торона и радона - 0,42 (при п=3456, р 0,001 гКр=0,135).
Необходимо отметить, что реагирование эманации радона и торона на сейсмические события имеет неоднозначный характер. Выявлено, что динамика радона увеличивается за период времени до сейсмического события, составляющий от 1 до 5 суток. Также эманации увеличиваются в день землетрясения. На графике (рисунок 40) выделяется период сейсмической активизации на территории Тывы (02.03.12-06.03.12 г.), удаленной на расстояние порядка тысячи км от места измерения. Этот период отмечается увеличением объемной активности радона. Также за данный период времени прослеживается определенная закономерность между энергией землетрясений и объемной активностью радона.
Для рассмотрения периодизации нами был использован спектрально-временной анализ, который позволил выявить переменную полиритмичность (изменчивость амплитуд или существование ритмов). В результате было обнаружено, что выявляется 10-дневная и суточная периодизация объемной активности радона (рисунок 41а). Также проявляется полусуточная и 8-часовая периодичность. Спектрально-временной анализ позволил показать, что в период с 15.03 по 30.03.12 г. изменялась периодичность ОА, что может быть связано с сезонными характеристиками.
