Ретроспективный и современный анализ техноморфогенеза староосвоенного региона с использованием материалов дистанционного зондирования земной поверхности

УДК 551.43

РЕТРОСПЕКТИВНЫЙ И СОВРЕМЕННЫЙ АНАЛИЗ ТЕХНОМОРФОГЕНЕЗА СТАРООСВОЕННОГО РЕГИОНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МАТЕРИАЛОВ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

В.И. Петина Н.И. Гайворонская Л.И. Белоусова

Белгородский

государственный

университет

Россия, 308015, г. Белгород, ул. Победы 85

В статье дан ретроспективный и современный анализ трансформации земной поверхности Белгородской области с использованием материалов дистанционного зондирования.

Ключевые слова: техноморфогенез, карьеры, гидроотвалы, шламохрани-лища, насыпь, кювет.

В условиях интенсивно нарастающего и усложняющегося индустриального освоения человечеством земной поверхности изучение ее трансформации (техноморфогенез) в целях охраны окружающей среды и рационального природопользования приобретает все большую научную значимость, т.к. изменения форм земной поверхности приводят к новым взаимосвязям природы и общества, к возникновению непредвиденных и опасных последствий. Технолитоморфогенная трансформация земной поверхности приводит к образованию сложной системы потоков вещества, энергии, информации, влияет на структуру ландшафтов, на соотношение процессов в географической оболочке. Последний аспект наиболее существенный в рассматриваемой проблеме, так как происходящие изменения географической среды носят необратимый характер, то есть ведут к коренной перестройке естественных земных ландшафтов. Исследование техноморфогенеза является актуальным для территории Белгородской области как ста-роосвоенного и интенсивно развивающегося региона.

Многочисленные археологические находки свидетельствуют о том, что человек издавна осваивал пространства междуречья Дона и Днепра, где сейчас располагается современная территория Белгородской области. По-видимому, Белгородчину можно считать одним из очагов зарождения геотехноморфогенеза. Нами была составлена классификация антропогенного воздействия на рельеф Белгородчины, в которой весь процесс геотехноморфогенеза был разбит на два этапа, включающих эволюционные стадии. Принципом выделения каждой стадии явились переломные моменты в эволюции материальной деятельности человека, отразившиеся на формировании антропогенных и природно-антропогенных форм рельефа (табл. 1).

Начальная стадия домашнего этапа геотехноморфогенеза свидетельствует о слабом воздействии древнего человека (охотника, собирателя, рыболова) на естественное состояние рельефа.

Ранняя стадия домашнего этапа привела к усилению антропогенизации рельефа, т.к. в это время расширяются пахотные земли за счет освоения новых пространств (склонов), строятся и укрепляются древние городища; распространение плужного земледелия привело к усилению эрозионных процессов, к заиливанию русел рек. В это же время в связи с добычей глин, шедшей на производство керамики, появились первые карьеры. С конца VIII в. н.э. территория области стала интенсивно заселяться, возникали древние крепости. С XIII и до конца XVI веков в связи с татаромонгольским игом в Белогорье наступил период запустения. Степень антропогенного воздействия на рельеф в целом снизилась, однако на главных шляхах, площадь которых составляла первые десятки квадратных километров, она еще более усилилась. В начале XVII в. территория Белгородской области стала интенсивно осваиваться русскими и украинцами. Появились первые деревни, которые в основном сосредоточи-

лись на территории современных Яковлевского, Корочанского, Новооскольского районов, началось строительство «Белгородской засечной черты» (сплошной оборонительной линии). К середине XVII в. на ней возникло 9 новых городов, окруженных деревнями, а к концу XVII века вся современная территория Белгородской области была почти равномерно покрыта селами.

Таблица 1

Влияние человека на рельеф Белгородской области на разных этапах и стадиях геотехноморфогенеза

Этапы Стадии, их содержание и время Примеры антропогенного влияния на рельеф области

Домашний Начальная стадия (каменно-мотыжная, 8-3 тыс. лет до н.э.) остатки поселений и могильники у хутора Александрия на левобережье р. Оскол; древнеямские погребения (курганы высотой около 1 м); культурные слои; ямы для загона диких животных; понижение поверхности от уплотнений почвы в поселениях

Ранняя стадия (бронзово-железная земледельческо-строительная, 3 тыс. лет до н.э. — XVIII в.) курганы у села Лукьяновки, металлургическая мастерская у с. Ютановки, создание оборонительных рвов и валов вокруг поселений, усиление эрозии в начале н.э. вследствие распашки склонов и заиливания русел рек; прокладка к середине XVI века через территорию области шляхов и сакм, создание городов-крепостей, строительство Белгородской оборонительной линии

Машинный Средняя стадия (промышленная, вторая половина XVШ-XIX вв.) заводы (винокуренные, известковые, кирпичные); добыча мела; оврагообразование и смыв почв; гидротехнические сооружения (водяные мельницы, гидростанция на реке Короча).

Современная стадия (урбанистическая, ХХ-ХХІ вв.) освоение КМА; рост городов и развитие урбанизированного рельефа

Средняя стадия машинного этапа еще более усилила антропогенный пресс. С функционированием известковых и кирпичных заводов стали возникать малые карьеры. Процесс деградации природной среды особенно возрос после отмены крепостного права. Резко усилилась нагрузка на пашню. В итоге усилилась ускоренная эрозия. Мелкие реки и ручьи, ключи забивались илом. Образование оврагов в области началось в ХУШ веке, а в последней четверти XIX — начале XX веков приняло катастрофические размеры. Линейная и плоскостная эрозия за короткое время перевела распахиваемые склоны в неудобные земли.

Современная стадия машинного этапа характеризуется интенсивным развитием горнодобывающей промышленности и, соответственно, большими масштабами распространения горнопромышленного рельефа (осваивается КМА). Строительство карьеров по добыче железной руды началось с 1950 года. Кроме горнопромышленного влияния на рельеф, стоит отметить интенсивное строительство населенных пунктов, автомобильных и железных дорог, создание водохранилищ и прудов и т. д.

Исследования современного геотехноморфогенеза свидетельствуют о том, что Белгородская область относится к регионам с интенсивными и дифференцированными по площади техногенными воздействиями на литогенную основу и рельеф.

Проведенный анализ техноморфогенеза Белгородской области позволил выделить в ее пределах следующие типы антропогенного рельефа:

- горнопромышленный (карьеры, шахты, отвалы, хвостохранилища и т.д.);

- урбанизированный (города, крупные населенные пункты);

- водохозяйственный (пруды, водохранилища, каналы);

- агрогенный (пашня, сады, поля орошения, пастбища, террасы на склонах и т.д.);

- линейно-транспортный (автомобильные и железные дороги, трубопроводы, ЛЭП);

- техногенно-накопительный (свалки промышленных и бытовых отходов, пруды-испарители, отстойники);

- антропогенно-реликтовый (курганы, земляные валы, оборонительные сооружения).

Горнопромышленный тип техноморфогенеза является ведущим, т.к. горнодобывающая промышленность, составляющая основу индустрии области, получает всё более широкое развитие.

Масштабные преобразования природного рельефа и наиболее крупные формы антропогенного рельефа связаны с добычей железной руды. Они максимально концентрируются в пределах Старооскольско-Губкинского горнодобывающего комплекса. Это позволило нам взять данную территорию за ключевой участок для оценки современного состояния и динамики техноморфогенеза в Белгородской области с использованием материалов дистанционного зондирования земной поверхности. Анализ разновременных космических снимков (1980, 1993, 2000 г.г.) позволил составить схему пространственного распространения объектов Старооскольско-Губкинского горнопромышленного комплекса (рис.). Возникшие техногенные формы рельефа дополнили природный рельеф. В пределах плоских водоразделов, террас, оврагов (глубиной расчленения до 50-70 м) правого берега реки Осколец были сформированы отрицательные формы рельефа при разработке полезных ископаемых: карьеры, разрезы, разрезные траншеи; шахты, штольни; технологические скважины, пруды — накопители сточных вод, пруды — отстойники. Размеры крупных форм техногенного морфогенеза здесь велики, так, например, глубина Лебединского карьера превышает 300 м, Стойленского — 190 м, размах крыльев — около 2.5 км. Сами карьеры достигают 3-5 км в диаметре. Склоны карьеров террасированы. Рельеф дна имеет сложное строение.

»(кульишЕфшшаш

\г и.чр гнгталл Г р доеный Лнтг

‘

р. Осколец -

У 1

г Ш <

'г***/ Щ

ЗиЙ«ЯСОЩ№ ; Яиаяяр V. СТО!'

Рис. Схема размещения объектов горнопромышленного комплекса Губкин-Старооскольского полигона, составленная на основе дешифрирования материалов дистанционного зондирования земной поверхности

Площадь зоны прямого нарушения земной поверхности, занятая под карьеры и промышленные объекты достигает 16 тыс. га. К положительным техногенным формам рельефа относятся: отвалы вскрышных пород, гидроотвалы, склады полезных ископаемых; шламохранилища и т. д. Крупные положительные формы рельефа имеют высоту от 6о до 100 м. Некоторая часть вскрышных пород заскладирована в селективных отвалах. Смешанные породы в общих отвалах по своему качеству практически непригодны для дальнейшего использования. Селективные отвалы представляют собой техногенные месторождения, где сосредоточено более 60.0 млн м3 мела и 3.0 млн м3 песка и т. д.

Техноморфогенез также привел к изменению морфологии природного рельефа. Так, ряд оврагов был засыпан вскрышными породами, в результате чего на месте отрицательных форм образовались положительные формы рельефа высотой до 50-80 м. Накопление в оврагах и балках хвостов обогащения железной руды привело к нивелированию отрицательных форм рельефа. В ходе разработок на дневную поверхность были выведены геологические техногенные перемещенные отложения с новым химическим составом, также были созданы техногенные отложения в шламохранилищах.

Горные работы, проводимые в этом регионе, способствовали активизации экзогенных и геодинамических (эрозионных, оползневых, обвально-осыпных, просадочных, дефляционных и т.д.) рельефообразующих процессов и в значительной степени усилили их агрессивность. На имеющихся материалах легко фиксируются склоны с овражнобалочной сетью, отдельные овраги, участки развития эрозии с выходами мергельномеловых пород по бровкам и обрывистым склонам. Наличие конусов выноса с выходами мергельно-меловых пород позволили отличить растущие овраги от стабилизировавшихся. На распаханных склонах наблюдается интенсивная плоскостная эрозия. Особенно интенсивно она развивается на участках склонов с уклоном более 3°. В результате смыва обнажились и выходят на поверхность мергельно-меловые породы.

Использование метода дистанционного зондирования дало возможность выявить общую тенденцию развития техноморфогенеза в пределах Старооскольско-Губкинского горнодобывающего комплекса: определить существенные изменения площадей объектов техногенного рельефа; получить информацию о направленности развития экзогенных геологических процессов [3]. Анализ космоснимков некоторых форм техногенного рельефа показал, что направленность в изменении площадей объектов ГДК носит поступательный характер. Так, например, площади Лебединского и Стойленского карьеров увеличились за 18 лет соответственно в 1.3 и 1.7 раза.

Для оценки изменения состояния шламохранилища Лебединского ГОКа были проанализированы три разновременных космических снимка за периоды июнь 1982 года, июнь 1993 года и октябрь 2000 года. Дешифрирование КС позволило провести анализ структуры самого шламохранилища, выделить участки развития экзогенных геологических процессов и выявить их связь с загрязнением подземных вод. Совмещение схем дешифрирования шламохранилища ЛГОКа с топографической картой дало возможность выявить динамику формирования шламохранилища и определить прирост его площади с 8,4 км2 в 1982 г. до 18,8 км2 в 2000 г. На космоснимке 1982 в пределах шламохранилища хорошо дешифрируются сильно эродированные склоны балки, где вскрываются трещиноватые мергельно-меловые породы, являющиеся зонами фильтрации воды и шлама в подземные воды, загрязняя их. Вдоль зон трещин-новатости располагаются карстово-суффозионные западины и воронки. Сравнение разновременных снимков показывает, что заполнение шламохранилища происходило поэтапно. Уже на космоснимке 1993 года прослеживаются участки подтопления заповедника «Ямская степь» водами шламохранилища по днищам оврагов, которые сохраняются и в 2000 году. В системах балок, где базис эрозии значительно повышен за счет намыва шлама в шламохранилища было выявлено затухание эрозии. К таким балкам относится «Чуфичева» балка, в которой сформированы шламохранилища Лебединского и Стойленского ГОКов. Общая площадь горнодобывающих объектов к 2000 г., по данным дешифрирования, составила 72.5 км2 [1].

Таким образом, проведенные исследования позволили заключить, что воздействие изменившейся геологической среды на другие компоненты ландшафта увеличиваются по площади и по глубине проникновения. Природный ландшафт в зоне влияния ГДК преобразован в техногенный.

Хотя добыча общераспространенных полезных ископаемых (ОПИ) по глубине техногенного воздействия на компоненты природной окружающей среды значительно уступает железорудным карьерам, но они распространены по всей территории области. По данным (НИИ) КМА, в Белгородской области насчитывается 450 карьеров по добыче ОПИ, из них карьеров по добыче мела — 81, песка — 81, глины — 82 .Четверть карьеров располагаются в поймах рек и около пятой части их количества — в оврагах и балках. Наибольшее число карьеров ОПИ располагается в Красногвардейском районе (87), а наибольшие площади земель, занятых под карьерами, сосредоточены в Белгородском районе (371,5 га).

В ряде случаев при производстве горных работ на карьерах по добыче ОПИ допускаются нарушения поверхности пологих склонов проходами плугов бульдозеров вдоль и поперёк склонов с образованием длинных борозд, узких траншей, являющихся источником последующего процесса оврагообразования. На многих карьерах ОПИ области в процессе горных работ интенсивно уничтожается лес, лесопосадки и кустарниковые насаждения, большинство из них располагаются на пахотных землях, некоторые карьеры в процессе разработки сырья загрязняют близлежащие водоёмы взмученными водами, маслами, отходами, образующимися в результате работы техники.

К урбанизированному типу рельефа относятся территории городов, крупных населённых пунктов. В Белгородской области насчитывается 11 городов областного и районного подчинения , 20 посёлков городского типа и 1592 сельских населенных пункта.

Изменения рельефа в городах области сводятся в основном к уничтожению микроформ и мезоформ рельефа, переводу некоторых форм (особенно отрицательных) в погребённое состояние, созданию новых форм антропогенного рельефа и общему нивелированию поверхности. В процессе вертикальной планировки города часто срезаются возвышенности, выполаживаются террасированные уступы, выравниваются береговые валы. Искусственно расширяются или сужаются русла рек, террасируются склоны, создаются искусственные повышения. В пределах города степень изменения рельефа различна. Так в центральных и давно обжитых частях городов Белгородской области рельеф изменяется в большей степени, чем на окраинах, поэтому в пределах каждого города можно выделить зоны по степени освоенности: производственные (наиболее освоенные); селитебные зоны (средне освоенные); лесопарковые зоны (незначительно освоенные).

Антропогенезация рельефа на урбанизированных территориях часто приводит к изменениям экологического состояния ландшафтов: асфальтирование ведёт к уменьшению инфильтрации вод и, следовательно, ослабляет эрозионные, суффозион-ные и карстовые процессы.

Водохозяйственный тип антропогенного рельефа включает в себя пруды и водохранилища. В Белгородской области насчитывается 1100 прудов. Располагаются они, как правило, в верховьях балок и используются для водопоя скота и как противо-эрозионные объекты. В настоящее время в Белгородской области преобладают малые пруды, площадь которых обычно не превышает 1-2 га. Их доля составляет 72% от всех прудов региона; 20% занимают средние по объему пруды, на долю крупных прудов приходится соответственно 8%. Плотины и дамбы, удерживающие воду в прудах, грунтовые, реже — с каменной отмосткой или бетонным покрытием. Ширина их 6-8 м, высота 3-4 м. Протяженность плотин обычно около 50 м.

В области имеется четыре крупных водохранилища: Солдатское (Ракитянский район), Моравинское (Чернянский район), Старооскольское (Старооскольский район) и Белгородское. Два последних являются самыми крупными искусственными водоемами. В береговой полосе этих водохранилищ, сложенной преимущественно рыхлыми, легкоразмываемыми породами, после строительства плотин и подъема уровня воды резко активизировались различные геоморфологические процессы: абразия, эрозия, гравитация, оползни, просадка лессовых пород, суффозия и другие, обуславливающие интенсивную переработку берегов водохранилищ и образование новых форм рельефа. Особенно активны оползневые и гравитационные процессы весной, когда устойчивость береговых обрывов вследствие впитывания талых вод снижается. В пределах крупных водохранилищ выделяются следующие типы берегов: абразионные, на долю которых приходится половина береговой линии, нейтральные, составляющие

более трети длины береговой линии, и аккумулятивные, распространенные в меньшей степени и защищенные, занимающие около 1 %.

Волновые процессы на водохранилищах приводят к обрушениям и осыпаниям материалов со склонов, активизируя оползни, в которые вовлекаются большие массы грунта, к небольшой деформации и разрушению бетонных плит. Из-за интенсивного освоения и применения нерациональных приемов защиты берегов на некоторых участках побережья происходит интенсивный размыв аккумулятивных образований.

К агрогенному типу антропогенного рельефа относятся: пашня, сады, сенокосы и пастбища. Одно из следствий распашки земель — планировка земельных участков и уничтожение ранее существовавших здесь естественных микро- и наноформ рельефа. В процессе земледельческого освоения территории области произошла активизация эрозионных процессов, что привело к интенсивному распространению овражнобалочной сети. В настоящее время густота балочной сети в области колеблется от

0,9 до 1,9 км/км2, а общая ее протяженность составляет около 50 тыс. км.

Нерациональнные приемы обработки посевных площадей могут активизировать и другие ЭГП — суффозию, оползни и т.д. Выпас скота также активизирует эрозионные процессы. На территории области единственное место выпаса скота — это овражно-балочные образования, на склонах и днищах которых обычно изобилует параллельные и перекрещивающие скотогонные тропы, где растительность вытоптана и поверхность подвергается размыву.

Линейно -транспортный тип рельефа включает в себя автомобильные и железные дороги, трубопроводы, линии электропередач. Средняя густота дорожной сети в области составляет 0,44 км/км2. На отдельных участках этот показатель может меняться от 0,1 до 1,9 км/км2. Наиболее сгущена дорожная сеть на участках, тяготеющих к транспортным и промышленным узлам области. По территории области проходят магистральные газопроводы: Шебелинка — Белгород — Курск — Брянск; Шебелинка — Купянск — Валуйки — Алексеевка — Острогожск; Ставрополь — Москва.

Этот тип рельефа представлен положительными (насыпи) и отрицательными (выемки, кюветы) формами рельефа. Высота дорожных насыпей и глубина выемок меняется в зависимости от их геоморфологического положения, типа подстилающих грунтов, глубины залегания вод и колеблется в пределах 1,5 до 10 м. Строительство и эксплуатация дорог не только создает новые формы рельефа, но и существенно осложняет экологическую обстановку: меняется гидротермический режим подстилающих грунтов, развиваются просадочные явления, приводящие к деформациям поверхности покрытия автомобильных дорог, происходит активизация эрозионных и оползневых процессов.

Техногенно -накопительный тип включает свалки промышленных и бытовых отходов; пруды испарители, отстойники. В Белгородской области ежегодно возникает более 3 млн. тонн отходов производства и потребления. Для захоронения твердых бытовых отходов (ТБО) имеется 34 официально зарегистрированных полигона общей площадью 160 га. Крупнейшие в области — 5 городских свалок: г. Белгорода, Старый Оскол, г.Шебекино, г.Алексеевка, г. Новый Оскол. Они эксплуатируются коммунальными службами. Их эксплуатация ведется с нарушением технологии, так как участки выбраны без учета особенностей местности. Они стали загрязнять окружающую среду (ОС) и подземные воды. В области зарегистрировано 447 несанкционированных свалок, в том числе в водоохранных зонах, 300 из них подлежат ликвидации. Полигоны твердых бытовых отходов или свалки мусора стали частью современного ландшафта вблизи городов и сел. Они приносят дискомфорт и опасны для окружающей природной среды. Отходами захламляются лесопарковые части зеленых зон у населенных пунктов; леса, к которым примыкают садовые участки.

Отстойники и пруды испарители также являются потенциальным источником загрязнения подземных вод. Наиболее концентрировано они расположены в Губкин-ском, Старооскольском, Чернянском и других районах.

К антропогенно -реликтовому типу рельефа относятся курганы, земляные валы, оборонительные сооружения. Одними из самых древних реликтовых форм являются курганы, на территории области их было создано не менее 3000. К сожалению, в настоящее время курганов становится все меньше: большинство из них распахивается, а высота насыпей снижается со скоростью 1-3 см в год. Во время строительства Белго-

родской черты (1635—1658 гг.) было сооружено около 100 км земляных валов, из которых 21,2 км сохранилось до нашего времени.

Более поздний этап связан с формированием беллигеративных ландшафтов в 1941-1943 гг. Тогда на территории области только с советской стороны в 1943 г. было вырыто 970 км траншей и ходов сообщения и более 8500 окопов.Огромные массы почво-грунтов были выброшены взрывами бомб, снарядов и мин, расход которых начисляется миллионами штук.

Таким образом, приведенные материалы иллюстрируют пространственную неоднородность техноморфогенеза, качественные и количественные стороны которого сильно разнятся на территории Белгородской области. В целом, наблюдается нарастание антропогенной морфоскульптуры по исследуемой территории. Различия заключаются в площади и густоте искусственных форм, их морфологии, в интенсивности проявления экзогенных геологических процессов, вызванных техноморфогенезом. Можно отметить, что область относится к регионам с интенсивными и дифференцированными по площади техногенными воздействиями на литогенную основу и рельеф, поэтому техногенный фактор играет весьма существенную роль в современном рельефооб-разовании.

Работа выполнена при поддержке госконтракта П-536 Проведение поисковых научно-исследовательских работ по направлению «География и гидрология суши» в рамках мероприятия 1.2.2. Программы.

1. Азаркина Н.И., Мирнова А.В., Петин А.Н. Выявление и оценка изменений геологической среды в Старооскольском железорудном районе с использованием материалов дистанционного зондирования // Актуальные географические проблемы регионов : материалы межре-гион. науч.-практ. конф. - Чебоксары, 2000. - С. 139-143.

2. Азаркина Н.Н., Мирнова А.В., Петрова Н.В., Баслеров С.В. Опытно-методические работы по разработке методики ведения мониторинга геологической среды на основе использования МДЗ для районов добычи твердых полезных ископаемых. — М.: Аэрогеология. — Рукопись. - 154 с.

3. Петин А.Н. Ретроспективный анализ изменения площадей нарушенных земель в Старооскольско-Губкинском горнопромышленном районе КМА (по материалам дистанционного зондирования земли) // Проблемы древнего земледелия и эволюции почв в лесных и степных ландшафтах Европы : материалы Междунар. научн. семинара: — Белгород, 2006. —

RETROSPECTIVE AND CONTEMPORARY ANALYSIS OF THE EXHAUSTED REGION TECHNOMORPHOGENESIS WITH USING OF THE EARTH REMOTE SENSING MATERIALS

Список литературы

С. 136-141.

V.I. Petina

N.I. Gaivoronskaya

L.I. Belousova

Belgorod State University

Pobedy Str., 85, Belgorod, 308015, Russia

The article presents the retrospective and modern analysis of terrestrial surface transformation with the use of remote probing materials in the Belgorod region.

Key words: techno morphogenesis, open-cast mines, sludge pond, mud col lector, embankment, ditch.