СПОСОБ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА С ИНТЕГРАЛЬНО-КОМПЛЕКСНОЙ ОЦЕНКОЙ ИНДЕКСА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ СРЕДЫ
METHOD FOR GEO-ECOLOGICAL MONITORING WITH INTEGRAL-COMPLEX ESTIMATION OF ENVIRONMENTAL HAZARD INDEX

Изобретение относится к экологической геофизике, в честности к методам обнаружения техногенного загрязнения почв и донных осадков в зонах промышленного производства и косвенного определения степени загрязнения и выявления его конкретных источников.
Одновременно изобретение относится к области технологии геоэкологического мониторинга шельфа, с интегрально-комплексной оценкой (ИКО) индекса Io экологической опасности, на основе совместного, а в определенных условиях суммарного использования и обработки измерений данных компонент, составляющих обобщенный индекс Io.
Известно изобретение "Способ определения техногенного загрязнения почв и донных осадков металлами", заявка RU 93030153, опубл. 1995.12.27, МПК G01N 33/24, G01R 33/16, включающее измерение, характеризующее степень загрязнения параметра на фоновом и исследуемом участках, по которому судят о загрязнении по соотношению. Однако решает узкую задачу определения наличия тяжелых металлов, и не осуществляет на основе проведения геоэкологического мониторинга с интегрально-комплексной оценкой индекса Io экологической опасности для каждой «составляющей» среды шельфа.
Известно изобретение "Оценка интенсивности загрязнения почв тяжелыми металлами по результатам мониторинга снежного покрова", заявка RU 2005136412, опубл. 2007.06.10, МПК G01N 33/24, включающее допущение в качестве нормирования по новому показателю, с отражением поступления тяжелых металлов на выделенной площади территории и с определением индекса интенсивности, получения количественной информации, связывающей в одном показателе массу поступлений тяжелых металлов на контролируемую территорию и их общей санитарной характеристики (ПДК). Изобретние решает узкую задачу определения количественной информации, связывающей в одном показателе массу поступлений тяжелых металлов на контролируемую территорию и их общие санитарные характеристики (ПДК). Однако не позволяет осуществить геоэкологический мониторинг с интегрально-комплексной оценкой (ИКО) индекса Io, проводимый с целью долговременного и автоматического наблюдения отдельно для каждой составляющей среды в одних и тех же точках шельфа.
Известно изобретение "Способ электромагнитного зондирования поверхности земли", патент RU 2298210, опубл. 2007.04.27, МПК G01V 3/08, включающий возбуждение электромагнитным полем путем введения электрического тока в Землю с последующим измерением сигнала, с последующим измерением сигнала вторичного электромагнитного поля, по которому определяют состояние среды и фиксируют ее полученными временными разрезами. Оно относится к геоэлектроразведке и может быть использовано при изучении геоэлектрического разреза, прямого поиска месторождений полезных ископаемых, мониторинга напряженного состояния среды. Однако не позволяет осуществить геоэкологический мониторинг с интегрально-комплексной оценкой индекса Io, проводимый с целью долговременного и автоматического наблюдения отдельно для каждой составляющей среды (воздух, вода и донные отложения), в одних и тех же точках шельфа, и контроля состава донных отложений и выходящих водно-газовых смесей.
Известно изобретение «Способ определения эффективности природоохранных мероприятий», патент RU 2313129, Опубл. 2007.05.27, МПК G06Q 50/00, G01N 33/00, применяемый в экологических менеджменте и аудите. В соответствии с ним сопоставляют полученный результат с затратами на его достижение. При этом результат выражают в натуральных показателях, а затраты - любым экономическим показателем в денежном выражении. До начала выполнения мероприятий выявляют загрязнители, к которым относят вещества, фактическая концентрация которых в источниках загрязнения превышает ПДК, и определяют объемы их поступления в окружающую среду. По полученным данным рассчитывают токсические опасности i-x веществ во всех источниках загрязнения, подпадающих под действие намечаемого мероприятия, рассчитанные величины суммируют, причем за сумму токсических опасностей принимают безразмерную, т.е. критериальную, величину. Однако решает узкую задачу определения экономической эффективности, и не осуществляет на основе проведения геоэкологического мониторинга с интегрально-комплексной оценкой индекса Io экологической опасности для каждой «составляющей» среды шельфа.
Оценка индекса экологической опасности загрязнения многокомпонентной среды морских акваторий осуществляется на основе определения степени отрицательного воздействия параметров геологической среды на состояние биоты и здоровье человека. Согласно документа «Критерии оценки экологической обстановки территорий для выявления зон чрезвычайной экологической ситуации и зон экологического бедствия", утвержденным: в 1992 г. министром охраны окружающей среды и природных ресурсов В.И.Данилов-Данильяном, отрицательное воздействие загрязнения геологической среды определяется по 5-ти балльной шкале, как: 1 - очень слабое или фон, 2 - слабое, 3 - средней силы или умеренное, 4 - сильное, 5 - очень сильное. Соответствующая степень экологического неблагополучия критериями оценки также классифицируется на основе 5-ти балльной шкалы, как: 1 - удовлетворительная, 2 - напряженная, 3 - критическая, 4 - кризисная (зона чрезвычайной экологической ситуации) и 5 - катастрофическая (зона экологического бедствия).
Ранее были известны линейная и квадратичная формы аппроксимации, только для компоненты загрязнения среды шельфа морских акваторий (работы В.И.Гуревича и др., Геоэкология Ладожского озера. Коллектив авторов, ВНИИ Океангеология. - СПб, 1995).
Согласно известным работам, в основном использовались относительно простые формы линейной аппроксимации индекса опасности загрязнения среды, основанные обычно в виде суммы безразмерных параметров, представленных отношением непосредственно измеряемых случайных величин к фоновому значению или к значению предельно-допустимых концентраций (ПДК). Пусть значение i-го параметра в j-ой точке (ячейке) в случае загрязнения среды определены случайной величиной Xij и равно Xij=Cij, где Cij - содержание i-го параметра в j-ой точке (ячейке) среды в размерных единицах - ppm, % и др. Тогда сумма безразмерных параметров, равных отношению величин Cij к их фоновому значению или к значению пдк i-го параметра, равна:
Σi(Cij,/Cij - фон), или Σi(Cij/Cij - пдк).
Несмотря на относительную простоту указанных способов линейной аппроксимации коэффициентов загрязнения среды, они применимы лишь для одной компоненты, а именно компоненты загрязнения среды, причем для некоторых составляющих элементов загрязнения, например для радиоактивного загрязнения, они не применимы из-за отсутствия разработанных величин пдк для радионуклидов. Кроме того, из-за большого удельного веса и, как следствие, большой диффузии, со временем на глубине 1 см их концентрация может оказаться даже больше, чем в поверхностном слое. Индекс Io экологической опасности, помимо компоненты Ii,s загрязнения, в значительной степени определяется также такими важными другими компонентами, как - биотестирование Ii,b; тектонические разломы Ii,r; сейсмические землетрясения Ii,с, которые в известных способах оценки совместно не учитываются.
До настоящего времени, для интегрально-комплексной оценки индекса Io экологической опасности чаще всего применяли широко известными и относительно простыми линейные формы аппроксимации. Кроме того, в основном оценивали индексы технического загрязнения Ii,s среды. Эти формы основаны обычно на использовании суммы безразмерных параметров, представленных отношением непосредственно измеряемых случайных величин к фоновому значению или к значению ПДК. Поэтому, в случае геоэкологии требуется при интегрально-комплексной оценке индекса Io геоэкологической опасности, помимо загрязнения среды шельфа, учитывать происходящие эндогенные и экзогенные геологические процессы.
В предлагаемом способе геоэкологического мониторинга, на основании разработанной авторами физико-математической модели с использованием как линейных, так и квадратичных аппроксимаций, удалось совместно оценить для индекса Io, величину значимости составляющих его компонент, которые характеризуются следующим:
- компонента Ii,s, характеризующая отвечающих разломам и местам их пересечений по даннтоксичное загрязнение (s) отдельно для воды и донных отложений шельфа, вызванное как природными, так и негативными техногенными процессами деятельности человека;
- компоненты Ii,b, характеризующей реакцию выбранного i-метода биотестирования (b), в частности метода белковой индикации по содержанию в пробах белков;
- компоненты Ii,r, характеризующей, для учета эндогенных геологических процессов шельфа, частоту, структуру (ширину) и степень фильтрации градиентных полос, отвечающих разломам и местам их пересечений по даннтоксичное загрязнение (s) отдельно для воды и донных отложений шельфа, вызванное как природными, так и негативными техногенными процессами деятельности человека,
- компоненты Ii,с, характеризующего, для учета экзогенных и эндогенных геологических процессов, форму и временные особенности гидрогеодеформационного поля (ГГД-поля или поля сейсмоактивности) литосферных блоков шельфа. Компоненты используют как каждого в отдельности поля, так и объединенного градиентных геофизических i-полей (магнитного, гравиметрического, сейсмического и другие поля).
Техническим результатом заявленного изобретения является то, что предложенный способ позволяет:
- учитывать эндогенно-экзогенные геологические процессы и природно-техногенное токсичное загрязнение;
- использовать линейную и среднеквадратичную форму аппроксимации индекса Io и его компонент;
- выделить экологически опасные 4-5 баллов по 5-ти балльной шкале зоны критические и зоны чрезвычайной ситуации;
- выделить экологически опасные токсично-загрязненные участки шельфа морских акваторий и других водоемов (реки, озера, др.) с решением проблемы по возможности добычи природной морской фауны и флоры (рыба, крабы, водоросли и др.) и определения объектов первоочередного проведения очистных работ, а также выявления зон интенсивных тектонических разломов и сейсмоактивных зон с учетом временной цикличности их активности, являющиеся опасными для строительства технических сооружений (трубопроводы, буровые платформы, портовые пункты на береговой линии и др.);
- осуществить геоэкологический мониторинг с интегрально-комплексной оценкой (ИКО) индекса Io, проводимый с целью долговременного и автоматического наблюдения отдельно для каждой составляющей среды (воздух, вода и донные отложения), в одних и тех же точках (ячейках) шельфа, и контроля состава донных отложений и выходящих водно-газовых смесей (радон, гелий, аргон, водород, метан и др.), интенсивности выхода, цикличности и угловой скорости вихреобразного вращения, а в воздухе над морской поверхностью - наличие тех же газов и высоты волны над морской поверхностью, геоэкологический мониторинг, наряду со съемкой и профилированием.
А также на основе предлагаемого способа возможна оценка степени токсичного загрязнения и место сбросов отравляющих веществ (люизит) по росту в пробах донных отложений концентрации мышьяка и уменьшения содержания белков, а также аварийного сброса радиоактивных отходов - на основе убыли белков и роста содержания радиоизотопа цезий-137. Возможно также выявление сейсмоактивных зон с учетом временной цикличности их активности и степени разломных деформаций блоков пород, которые являются опасными для строительства ряда технических газонефтянных сооружений (буровые платформы, трубопроводы на дне шельфа, причалы, портовые и населенные пункты побережья). Способ позволяет также выявить на площади шельфе расположение и опасность тектонических разломов, места вихревых зон-каналов.
Заявленный технический результат можно получить за счет того, что в способе геоэкологического мониторинга, на основании физико-математической модели с использованием как линейных, так и квадратичных аппроксимаций, удалось совместно оценить для индекса Io величину значимости составляющих его компонент: - токсичное загрязнение Ii,s; биотестирование Ii,b; тектонические разломы Ii,r; сейсмические землетрясения Ii,с), на основе произведения (RiΩi) показателя степени риска Ri - на частоту (размах) Ωi его проявления, определяемого на основе безразмерного среднеквадратического параметра распределений. Количество используемых компонент Ii индекса Io строго не регламентируется, их число может быть больше либо меньше, в зависимости от наличия банков необходимых данных для морских шельфов по геофизитческим полям и данных прошедших сейсмических землетрясений.
Ri
2
2
Так способ геоэкологического мониторинга включает выделение экологически опасных токсично-загрязненных и сейсмоопасных участков среды, проведение геоэкологического мониторинга с интегрально-комплексной оценкой индекса Io экологической опасности среды с использованием линейной и/или среднеквадратичной форм аппроксимации компонент индекса экологической опасности, используя результаты химического анализа проб донных отложений и воды, отобранных по выбранной сетке исследования площади исследуемой среды и нормальные и градиентные геофизические i-поля на площади среды, делают вывод о результатах мониторинга по интегрально-комплексной оценке (ИКО) индекса Io экологической опасности, на основе: безразмерного среднеквадратического параметра распределений Ii, равного произведению показателей степени риска Ri, и частоты (размах) Ωi его проявления, определенных отдельно для каждой компоненты Ii индекса Io, причем Ii=Σi(Ωi), где Ωi=ΔXi/σi, и ΔXi=(Xi-Xi,cp) - отклонение от среднего, Xi,cp - среднее значение Xi,σi=(1/(n-1)Σi(Xi-Xi,cp) - стандартное отклонение, σi - квадратичное отклонение случайной величины Xi, и оценки значимости каждой компоненты Ii, при этом баллы шкалы m рассчитывают для каждого i-го параметра компоненты Ii, где m(Io)=(1/k)Σm(Ii)Iii, и k - число учитываемых компонент Ii индекса Io.
При этом, в частности, выделение экологически опасных токсично-загрязненых участков среды осуществляют с определением объектов первоочередного проведения очистных работ. Либо, в частности, выделение экологически опасных токсично-загрязненых участков среды осуществляют с выявлением зоны интенсивных тектонических разломов и сейсмоактивных зон с учетом временной цикличности их активности, являющиеся опасными для строительства технических сооружений. Кроме того, выделение экологически опасных токсично-загрязненых участков среды осуществляют с выявлением токсично-загрязненных зон, зон интенсивных тектонических разломов и сейсмоактивных зон с учетом временной цикличности их активности, являющихся опасными для строительства технических сооружений. Также выделение экологически опасных токсично-загрязненых участков среды осуществляют с выявлением объектов проведения очистных работ. Например, проведение геоэкологического мониторинга осуществляют с учетом интегрально-комплексной оценки индекса Io экологической опасности для компонент индекса Io - компоненты Ii,s, компоненты Ii,b; компоненты Ii,r; компоненты Ii,r; компоненты Ii,c, где:
компонента Ii,s - компонента, характеризующая токсичное загрязнение i-элементов донных отложений, компонента Ii,b - компонента, характеризующая реакцию на загрязнение используемого (или донных отложений, компонента Ii,b - компонента, характеризующая реакцию на загрязнение используемых) i-методов биотестирования, компонента Ii,r - компонента, характеризующая вероятность и свойства тектонических разломов. Либо, например, измеряют магнитное и/или гравитационное и/или сейсмическое поля. В частности, используют данные банка данных геофизических i-полей - магнитного, гравитационного, сейсмического полей. Также могут использовать данные ранее фиксируемых землетрясений и других параметров поля сейсмоактивности. Например, баллы шкалы рассчитывают по формуле
m(Io)=(1/k){m(Ii,s)+m(Ii,b)+m(Ii,r)+m(Ii,c)}.
В частности, число учитываемых компонент индекса для условий шельфа Баренцева и Белого морей принимают k=4. Для безразмерного среднеквадратического параметра распределений Iii, принимают, например, компоненты Ii индекса Io в виде: загрязнение Ii,s; биотестирование Ii,b; тектонические разломы Ii,r; сейсмические землетрясения Ii,с. Проведение геоэкологического мониторинга с учетом интегрально-комплексной оценки индекса Io экологической опасности осуществляют для каждой «составляющей» среды отдельно для каждого i-ого параметра компоненты Ii индекса Io, и/или для каждой «составляющей» среды совместно. Для интегрально-комплексной оценки (ико) индекса Io экологической опасности среды применяют оценочную 5-ти балльную шкалу со значениями баллов m=1, 2, 3, 4 и 5 для индекса Io и его составляющих компонент Ii, и осуществляют мониторинг на основе экспоненциальных функций, при этом применяют как линейную форму аппроксимации, так и квадратичную форму аппроксимации. Например, осуществляют мониторинг на основе экспоненциальной функции с изменением параметров m шкалы, при этом используют шкалу со значениями баллов m=1, 2, 3, 4 и 5, а для экспоненциальной функции применяют как линейную форму аппроксимации, так и квадратичную форму аппроксимации.
При этом для линейной формы аппроксимации делают вывод о результатах мониторинга на основе значения величин концентраций или числа элементов:
- для случая их увеличения относительно фона, по содержанию Ci,s элементов токсичного загрязнения и вероятности градиента Ψi,r, и числу градиентных полос-разломов, принимая значения величин концентраций или чисел элементов с учетом их аппроксимации на основе линейной формы в виде экспоненциальной функции ехр(+m-1), принимающей при m=1, 2, 3, 4 и 5 значения 1,0; 2,7; 7,4; 20 и 55;
- а для случая их уменьшения относительно фона - по содержанию белков (биомассы) Ci,b, определенных методом биотестирования и числу землетрясений с ростом его магнитуды Ni,c, принимая значения величин концентраций или чисел элементов с учетом их аппроксимации на основе линейной формы в виде экспоненциальной функции вида ехр(-m+1), при m=1, 2, 3, 4 и 5, имеющей значения 1,0; 0,37; 0,13; 0,05 и 0,018, при этом балл m=1 соответствует нормированному фону, со значением экспоненты ехр(0)=1).
Ri
Для квадратичной формы аппроксимации делают вывод о результатах мониторинга на основе компонент Ii для безразмерных среднеквадратических параметров статистических распределений (Ωi), представленных в виде (Ωi)/15, где 15 - сумма баллов шкалы:
Ri
- для случая увеличения параметра Ii компонент Ii,s и Ii,r с увеличением балла m, принимая значения компонент Ii с учетом квадратичной формы их аппроксимации, используя в виде экспоненциальной функции Ωi(ϕ)~{[exp(+m-2)]-1}, имеющей для m=1, 2, 3, 4 и 5 средние значения -0,63 и менее; 0; +1,7; +6,4; +20 и более, при этом найденные данные (Ωi)/15 осредняют, и по графику зависимости Ωi(ϕ) от значения m, находят среднее m(Ii) значение балла для каждой компоненты индекса. При этом могут учитывать соответствующие «окна» диапазона: (-2÷-1) и менее; (-1÷+1); (+1÷+3); (+3÷+10); (+10÷+30) и более;
Ri
- для случая уменьшения параметра Ii компонент Ii,s и Ii,r с увеличением балла m, принимая значения компонент Ii с учетом квадратичной формы их аппроксимации в виде экспоненциальной функции Ωi(ϕ)~{1-[ехр(+m-2)]}, имеющей для m=1, 2, 3, 4 и 5 средние значения +0,63 и более; 0; -1,7; -6,4; -20 и менее, при этом найденные данные (Ωi)/15 осредняют, и по графику зависимости Ωi(ϕ) от значения m, находят среднее m (Ii) значение балла для каждой компоненты индекса. При этом могут учитывать соответствующие «окна» диапазона: (+2÷+1) и более; (+1÷-1); (-1÷-3); (-3÷-10); (-10÷-30) и менее.
Также дополнительно в пробах для компоненты Ii,s могут учитывать относительную долю содержания пеллитовой фракции Cip, учитывая величины токсичности qi отдельных пi-элементов загрязнения среды, по формуле Ii,s=(1/пi)Σi(qiΩi/Ci,p).
Для компоненты загрязнения Ii,s-пдк могут применять известные предельно-допустимые Ci,s-пдк и для безразмерного параметра Ci,s/Ci,s-пдк применять линейную форму аппроксимации в виде функции ехр(+m-1), а в качестве степени риска используют величину Ri-пдк, рассчитанную по формуле Ri-пдк=(Ci,s/Ci,s-пдк), после чего осуществляют определение компоненты загрязнения Ii,s-пдк по формуле Ii,s-пдк=(1/пi)Σi(Ri-пдкΩi/ΣiCi,р).
Вывод о результатах мониторинга могут делать на основе дополнительной оценки токсичного загрязнения на сброс отравляющего вещества, которую осуществляют после определения содержания белков методом белковой индикации и содержания мышьяка, при этом оценку аварийного сброса радиоактивного загрязнения осуществляют после определения содержания белков и содержания радиоизотопа цезий-137.
Например, компоненты биотестирования Ii,b индекса Io, характеризующие реакцию на суммарное токсичное загрязнение, определяют для метода белковой индикации по содержанию белков Сb в пробах донных отложений. При этом учет долевого содержания пеллитовой фракции Ci,p могут осуществлять по формуле Ii,b~Ωi,b/Ci,p.
2
n
2
1
Например, компоненты Ii,r индекса Io, связанной с вероятностью и свойствами тектонических разломов и мест их пересечений, определяют с использованием безразмерных градиентных величин магнитного геофизического поля и/или объединенного магнито-гравиметрического поля, при этом величины градиента Ψi для каждого i-геофизического поля равно Ωi,r=(Ψi-Ψ,cp)/σi, а величины градиента Ψi для каждого i-объединенного магнито-гравиметрического поля равны Ii,r=ΣiΩi,r=Σi{Ψi-Ψi,cp)/σi}, где σi - стандартное отклонение, рассчитанное по формуле σi=(1/(n-1))Σ (Ψi-Ψi,cp); причем вывод о результатах мониторинга осуществляют с учетом числа и ширины контактирующих полос-разломов и того, что компоненты Ii,r индекса Io за счет фильтрации близнулевых значений градиента принимают вид двойной градиентной полосы с максимальным и минимальным значениями, а для мест пересечения разломов компоненты Ii,r индекса Io принимают вид круговых градиентных полос-разломов.
Например, осуществляют дополнительно местонахождение зон седиментационных ловушек шельфа для участков площади, имеющих круговые или овальные градиентные полосы геофизических полей, соответствующие пересечению разломов, и вывод о наличии зон осуществляют по результатам мониторинга в совокупности с учетом сильного токсичного загрязнения донных отложений, мощности голоценовых отложений и данных биотестирования - степени реакции на загрязнение.
Например, применяя данные биотестирования - степени реакции на загрязнение принимают в виде убыли содержания белков в пробах донных отложений. Например, осуществляют дополнительно поиск на шельфе компоненты Ii,r в виде вертикальных "вихревых зон-каналов", характеризующих связь водной и воздушной среды, глубинные пустоты и воздушно-газовые прослои газонефтяных залежей, и вывод о результатах мониторинга осуществляют на основе безразмерных градиентных величин (Ψi) магнитного и/или объединенного магнито-гравиметрического геофизических i-полей с выделением вихревых газовых зон-каналов.
Например, вывод о результатах мониторинга осуществляют на основе вихревых газовых зон-каналов, имеющих для градиентного магнитного поля (Ψi,м) вид «вихревого винта».
Например, геоэкологический мониторинг осуществляют одновременно со съемкой и профилированием долговременно с автоматическим наблюдением каждой составляющей среды в одних и тех же точках (ячейках) шельфа, причем интенсивность их выхода, цикличность и угловую скорость вихреобразного вращения, а для составляющих воздуха над морской поверхностью контролируют наличие тех же газов и высоты волны над морской поверхностью.
Например, осуществляют долговременный геоэкологический мониторинг с автоматическим наблюдением для воздуха, воды и донных отложений, для состава донных отложений и выходящих в них водно-газовых смесей с автоматическим наблюдением для радона, гелия, аргона, водорода, метана или осуществляют долговременный геоэкологический мониторинг с автоматическим наблюдением для радона, гелия, аргона, водорода, метана.
Например, геоэкологический мониторинг осуществляют с использованием «опорных автономных надводно-подводных станций» наблюдения, расположенных в местах «вихревых каналов - кратеров» с учетом данных наблюдения за интенсивностью и цикличностью аномальных эффектов, вывод о результатах мониторинга осуществляют с учетом того, что они являются предвестниками землетрясений и других возможных внезапных катастрофических явлений. Например, компоненту Ii,с поля сейсмоактивности определяют на основе числа и интенсивности произошедших землетрясений с учетом геофизических предвестников очаговых землетрясений. Например, вывод о результатах мониторинга осуществляют с учетом того, что они связаны с глобальным потеплением климата,
В частности, компоненту Ii,с поля сейсмоактивности индекса Io определяют на основе числа и интенсивности произошедших землетрясений с учетом данных мониторинга геофизических предвестников очаговых землетрясений. Например, используют данные мониторинга, полученные по результатам измерений магнитометрами и/или газоанализаторами, и/или сейсмографами, и/или локаторами бокового обзора. В качестве данных мониторинга структур, учитывающих циклы замедления и ускорения вращения Земли вокруг Солнца, принимают, например, данные мониторинга структур сжатия и растяжения на основе вероятности и свойств тектонических разломов, которые характеризуются аномалией аэромагнитного поля для мониторинга, и данные мониторинга состояния горячих кратеров-очагов, которые характеризуются степенью колебаний интенсивности деформационного поля рельефа дна, подъема или опускания отдельных краев кратера, фильтрации вихревых газов, разделения (за счет вспучивания) геоморфологических и геофизических аномалий и градиентных магнитных полос-разломов, происходящих на «фоне» годичного периода изменения графика уравнения времени.
0
Например, для компоненты Ii,c сейсмоактивности и напряженно-деформационного состояния разломной системы литосферных плит в качестве данных мониторинга учитывают поправки Kt для месячных периодов годичной и полугодичной цикличности во времени, рассчитываемые на основе уравнения времени, отображающего разность между средним и истинным солнечным временем и изменяющегося в пределах от -14 мин 27 с до +16 мин 24 с, при этом поправка Kt в безразмерном виде равна Kt=[(m, мин)/(m=+16 мин)], которая и учитывается в основном уравнении мониторинга в виде: ((RiΩi)Kt≈(RiΩi)(1±Rt), где Kt≈(1±Rt), где Rt≈(Rt1+Rt2) - поправка на временную цикличность, равная сумме поправок Rt1 и Rt2, где поправка Rt1 связана с годичным временным периодом вращения Земли вокруг Солнца и Rt2 связана с полугодичным временным периодом вследствие наклона эклиптики к экватору, являющемуся максимальным в феврале и августе каждого года, и в течение года в сумме приближающаяся к нулевому значению. Или, например, в качестве данных мониторинга по структурам, учитывающим месячные временные циклы замедления и ускорения вращения Земли вокруг Солнца, принимают данные мониторинга структур сжатия и растяжения тектонических разломов, которые характеризуются: - разделением геоморфологических и геофизических аномалий, и данные мониторинга градиентных магнитных полос-разломов, которые характеризуются состоянием горячих кратеров-очагов и фильтрацией вихревых потоков газов, а также данные мониторинга по изменению рельефа дна, происходящего за счет подъема или опускания краев кратера на «фоне» годичного периода по месяцам изменения синусоид уравнения времени.
Техническое решение иллюстрируется следующими чертежами и графиками.
На Фиг.1 показан безразмерный квадратический комплекс RiΩi в зависимости от балла m линейной 5-ти балльной шкалы и способ нахождения среднего балла m шкалы для значений комплекса RiΩi/15 отдельных компонент Ii: 1 - загрязнение по шельфу Ii,s=+0,45; m=2,28; 2 - разломы-градиентные полосы, по шельфу Ii,r=+1,2; m=2,8; 4 - "мертвая" зона сбросов ОВ, Южно-земельный регион Io=(1/2)(Ii,s+Ii,b)=3,9; m=4,0; 5 - землетрясения, среднее по шельфу Ii,с=-0,3 m=2,6; 6 - землетрясения магнитудой, равной Mi=6; Ii,c=-0,6; m=2,7.
На Фиг.2 показаны результаты интегрально-комплексной оценки (ИКО) компоненты Ii,s загрязнения для всех суммированных (указанных в тексте) 20-ти составляющих элементов шельфа Баренцева и Белого морей.
На Фиг.3 показаны карты интегрально-комплексной оценки (ИКО)) компоненты Ii,р и значения фiΩi,p для шельфа Баренцева и Белого морей: а, б) -нормальные и размерные - магнитометрическое и гравиметрическое i-поля; в) - вертикальная и горизонтальная составляющие градиента гравиметрического поля от точечного источника; г) - безразмерное обобщенное градиентное поле ΣΩi,p и градиентные полосы при фильтре фi=(-0,75÷+0,75); д) - разломы, выделенные на основе градиентных полей; ж) - гистограммы вероятности безразмерного параметра Ωi,p для магнитного, гравитационного и обобщенного градиентных i-полей.
На Фиг.4 показана структура и свойства градиентного магнитного и объединенного магнито-гравитационного полей южной части шельфа Баренцева моря; а, б) - локальные объединенные градиентные зоны (лог-зоны) без фильтрации (а) и с фильтрацией (б) градиента (1-6 - лог-зоны Штокмановского ГКМ - расшифровка в тексте); в, г) - кольцевая структура пересечений разломов для условий нормального магнитного поля (номера 12 и 13), так и на градиентного магнитного (номера 10 и 11) и градиентного объединенного магнито-гравитационного (номера 7, 8 и 9) полей.
0
На Фиг.5 показана компонента Ii,с сейсмоактивности индекса Io экологической опасности обрамления шельфа Баренцева моря, а) - структурно-тектоническая схема и эпицентры землетрясений обрамления шельфа Баренцева моря с магнитудой: (1) М>6; (2) 5<М>5,9; (3) 4<М>4,9; (4) 3<М>3,9; (5) 3<М (данные ВНИИОкеангеология). На врезке фигуры - трубка-кратер («гидротермальное отверстие») для контроля предвестников землетрясений; б) - синусоиды уравнения времени в размерных (m, минуты) и в безразмерном [(m, мин) / (m=+8 мин)] виде: 1 - синусоида учета неравномерного движения Земли по орбите вокруг Солнца; 2 - синусоида учета наклона эклиптики к экватору; 3 - сумма синусоид для общего учета движения Земли..
Способ реализуется следующим образом.
Используемая физико-математическая модель предлагаемого способа геоэкологического мониторинга, по итогам которого производится интегрально-комплексная оценка индекса Io экологической опасности, рассматривается на основе совокупного (совместного) действия отдельных его составляющих компонент: - загрязнения Ii,s, биотестирования Ii,b, тектонических разломов Ii,r и сейсмоактивности Ii,c, - с учетом показателя степени риска Ri, - каждой компоненты Ii (токсичности qi загрязнения, число полос градиентов ΔΨi полей, связанных с разломами, число и магнитуда мi землетрясений), при квадратичной форме аппроксимации (Ωi) и определения балла индекса Io, предусматривает последовательность следующих операций.
1. Создание банка первичных данных по измерению (и/или ранее измеренным) случайных величин Xij.
2. Разбивка площади на систему ячеек, выбранного масштаба для определения значения i-го параметра в j-ой точке (ячейке) случайной величины Xij.
i
j=1
2
n
2
3. Нахождение статистических распределений измеренных случайных величин Xij в размерном виде для некоторой сети j-ячеек: среднее распределения Xicp=(1/n)ΣiXij, отклонение от среднего ΔXij=(Xij-Xij,cp) и стандартное отклонение σ =(1/(n-l))Σ (Xij-Xij,ср) случайной величины Xij и ее квадратичного отклонения σi.
4. Нахождение безразмерного среднеквадратического параметра статистических распределений, как комплекса размерных параметров статистических распределений, как Ωj=ΔXij/σi и сортировка найденных значений Ωi по соответствующим «окнам» его диапазона: для компонент Ii,s и Ii,r как: (+2÷+1) и более; (+1÷-1); (-1÷-3); (-3÷-10); (-10÷-30) и менее; и для компонент Ii,b и Ii,с как: (+2÷+1) и более; (+1÷-1); (-1÷-3); (-3÷-10); (-10÷-30) и менее;
5. Учет содержания пелитовой фракции Cip, как безразмерной доли весового содержания пробы, для компоненты загрязнения Iis и компоненты биотестирования Iib, осуществляемый как: Ii=Ωi/Cip.
6. Учет показателя_степени риска Ri компоненты Ii, имеющей среднеквадратический параметр Ωi, на основе произведения величин (RiΩi), где свойство Ri определяется как: - в случае токсичности (qi) элементов загрязнения, числа полос-разломов и диапазона (Δ) фильтрациии градиентов (-ΔΨi) геофизических i-полей, и магнитуды (Mi) числа прошедших в сейсмической зоне землетрясений.
7. Введение нормировочной функции. Нормировочная функция равна: (Xij,cp/Xij0,cp), где Xij,cp - среднее значение случайной величины распределения; и Xij0,cp - тот же параметр для некоторого «опорного» или эталонировочного распределения.
8. Общее выражение для интегрально-комплексной оценки компонент Ii индекса Io с учетом степени риска Ri компоненты Ii, при квадратичной форме аппроксимации (Ωi), тлеет вид:
Расшифровка и особенности каждой из компоненты IiΣ будет дана при детальном описании сущности предлагаемого способа на примере условий шельфа Баренцева и Белого морей.
9. Создание экспоненциальной 5-ти балльной шкалы оценки индекса Io экологической опасности и его составляющих компонент Ii среды шельфа Оценочная 5-ти балльная шкала для индекса Io и его составляющих компонент Ii, предусматривает использование шкалы со значениями баллов m=1, 2, 3, 4 и 5, и ее осуществляют на основе экспоненциальной функции изменения параметров шкалы в виде как линейной, так и квадратичной формы аппроксимации. Так, в случае увеличения, относительно фона, содержания Ci,s элементов токсичного загрязнения и вероятности градиента Ψi,r, т.е. числа градиентных полос-разломов, значения этих величин аппроксимируются на основе линейной формы в виде экспоненциальной функции ехр(+m-1), принимающей при m=1, 2, 3, 4 и 5 значения 1,0; 2,7; 7,4; 20 и 55; а в случае уменьшения, относительно фона, содержания белков (биомассы) в методах биотестирования, и числа землетрясений с ростом его магнитуды, т.е. содержания Ci,b и числа Ni,c, значения аппроксимируются на основе линейной формы в виде экспоненциальной функции ехр(-m+1), принимающей значения 1,0; 0,37; 0,13; 0,05 и 0,018ю. При данной линейной форме аппроксимации, балл m=1 соответствует нормированному фону, со значением экспоненты ехр(0)=1. При оценке токсичного загрязнения, когда применяют предельно-допустимые Ci,пдк значения загрязнения, функция ехр(+m-1) для безразмерного параметра Ci/Ci,пдк шкалы для m=1, 2, 3,4 и 5 принимает также значения: 1; 2,7; 7,4; 20; 55. Квадратичную форму аппроксимации, для используемого безразмерного среднеквадратического параметра статистических распределений (Ωi) осуществляют: в случае роста свойств компонент Ii(Ii,s и Ii,r) - на основе аппроксимирующей экспоненциальной функции вида Ωi~{[ехр(+m-2)]-1}, имеющей для баллов шкалы m=1, 2, 3, 4 и 5 значения: -0,63; 0; +1,7; +6,4; +20; а в случае убыли свойств компонент Ii (компоненты Ii,b и Ii,с) - на основе аппроксимирующей экспоненциальной функции вида Ωi~{1-[exp(+m-2)}}, имеющей для укаазанных баллов шкалы m=1, 2, 3, 4 и 5 значения +0,63; 0; -1,7; -6,4; -20.
10. Построение однокомпонентных карт и карт интегрально-комплексных оценок данных мониторинга и ИКО индекса Io авторами осуществлена на основе пакета программ ER Mapper.
Оценка индекса Io экологической опасности загрязнения многокомпонентной среды морских акваторий осуществляется на основе определения степени отрицательного воздействия параметров геологической среды на состояние биоты и здоровье человека. Индекс экологической опасности определяет соответствующую степень экологического неблагополучия; отрицательное воздействие загрязнения геологической среды до последнего времени обычно определялось «качественными» показателями: 1 - очень слабое или фон, 2 - слабое, 3 - средней силы или умеренное, 4 - сильное, 5 - очень сильное. Соответствующая степень экологического неблагополучия, как видно из табл.1, также классифицируется 5-ти балльной шкалой: 1 - фоновая или благоприятная, 2 - удовлетворительная, 3 - напряженная, 4 - критическая, 5 - кризисная или зона чрезвычайной экологической ситуации.
Установленные для компонент индекса Io положительное и отрицательное значения безразмерного среднеквадратического комплекса RiΩi, представленные в табл.1, переводят в величину балла m (1, 2, 3, 4 и 5) линейной 5-ти шкалы с помощью фиг.1, где показаны зависимости величины балла m (ось абцисс) от значений (ось ординат) параметра (+RiΩi/15)~{[ехр(+m-2)]-1} для компонент Ii,s и Ii,r (кривая: +RiΩi/15) и параметра (-RiΩi/15)~{1-[exp(+m-2)}} ддя_компонент Ii,b и Ii,c (кривая: -RiΩi/15). На фиг.1 показан также принцип нахождения соответствующего среднего балла m шкалы по значениям среднеквадратичного параметра отдельных компонент индекса Ii, представленным в табл.1 а также аномальных, экологически опасных участков (полигонов) по двум основным составляющим компонентам Ii,s и Ii,b индекса Io, К аномальным, экологически опасных ям, как будет более подробно рассмотрено далее (фиг.4), относится, в частности, "мертвая зона" Южно-Новоземельного региона (фиг.4б), для которого индекс Io экологической опасности по токсичному загрязнению, как видно из графика фиг.1 (позиция 4), соответствует баллу m=4,0 оценочной шкалы (индекс экологической опасности - критический), а двум компонентам балл равен: m(Io)=(1/2)(Ii,s+Ii,b)=(1/2)(4,0+4,5)=4,25 (индекс экологической опасности между критической и чрезвычайной ситуации) Экологически опасен также Беломорский полигон в районе Северо-Двинская губы (фиг.2), который содержит по данным 85 станций наблюдений (в том числе 12 аномальных) загрязнения, представленных РН и ТМ. Так два аномальных пятна по Cs-137 с превышением над фоном в 20-30 раз, по РЬ с превышением в 10-15 раз и по As с превышением в 7-10 раз, соответствуют аварийным отвалам радиоактивного топлива и свинцово-мышьяковым загрязнением устья Северной Двины, что по графику фиг.1 (позиция 3) балл токсичного загрязнения составляет m(Ii,s)=3,3 (индекс экологической опасности между напряженной и критической ситуации).
Пример применения предлагаемого способа геоэкологического мониторинга в условиях шельфа Баренцева и Белого морей с оценкой (ико) индекса Iо на основе учета его четырех компонент: Ii,s - загрязнения, Ii,b - биотестирования, Ii,r - разломы-градиентные полосы и Ii,c-сейсмические землетрясения.
Компонента Ii,s, определяющая токсичное загрязнение среды шельфа Баренцева моря и интегрально-комплексная оценка значения Ii,s. В процессе государственного мониторинга геологической среды шельфа (ГМГСШ) морских акваторий измеряют многочисленные размерные параметры, характеризующие состояние и степень загрязнения донных отложений и воды, используя как линейную, так и квадратичную аппроксимацию статистических распределений параметров среды.
Линейная форма аппроксимации, несмотря на свою относительную простоту, не использует параметры статистического анализа распределений случайных величин и отсутствует критерий (закон) изменения параметров загрязнения среды для построения оценочных балльных шкал. Указанные недостатки устранены в предлагаемой
квадратичной форме аппроксимации обобщенной оценки экологической опасности многокомпонентных геологических сред морских акваторий.
Квадратичная форма аппроксимации для оценки индекса Io экологической опасности среды связана с отысканием безразмерных параметров, использующих безразмерные среднеквадратические параметры статистических распределений измеряемые величины Xij с учетом индекса экологической опасности каждого i-го параметра. На основании формулы (1), для компоненты Ii,s токсичного загрязнения индекса Io, особенности среднеквадратичной аппроксимации параметра статистических распределений заключаются в учете в качестве степени риска Ri - класса qi токсической опасности i-го параметра загрязнения (табл.2) и долевого (относительное общей массы пробы) содержания Cpi пелитовой фракции пробы донных отложений в безразмерных единицах. В этом случае, оценка i-го параметра загрязнения может быть определена на основе безразмерного параметра, равного комплексу безразмерных величин (qiΩi/Cpi). Тогда, общее выражение для интегрально-комплексной оценки компоненты Ii,s токсичного загрязнения индекса Io определяется как:
Шкала ИКО для роста относительно фоновых, содержания элементов токсичного загрязнения аппроксимируется на основе линейной формы в виде экпоненциальной функции ехр(+m-1), принимающей при m=1, 2, 3, 4 и 5 значения 1,0; 2,7; 7,5; 20,4 и 55,5. При оценке токсичного загрязнения, когда применяют предельно-допустимые Ci,пдк значения загрязнения, функция ехр(+m-1) для безразмерного параметра Ci/Ci,пдк шкалы для m=1, 2, 3, 4 и 5 принимает также значения: 1; 2,7; 7,5; 20,4; 55,5. Квадратичная форма аппроксимации, для используемого безразмерного среднеквадратического параметра статистических распределений (Ωi), осуществляется на основе предлагаемой аппроксимирующей экспоненциальной функции вида Ωi~{[ехр(m-2)]-1}, имеющей для шкалы m=1, 2, 3, 4 и 5 значения: -0,7; 0; +1,7; +6,3; +19.
2
2
Результаты применения способа геоэкологического мониторинга с интегрально-комплексной оценкой компоненты Ii,s для установления площадного распределения природно-техногенного загрязнения среды шельфа Баренцева и Белого морей. Государственный мониторинг геологической среды шельфа (ГМГСШ) Баренцева моря ограничен на севере широтой 73° N и на западе долготой 30° Е. Общая площадь данного региона Баренцева моря составляет 273 тыс.км и региона акватории Белого моря 58 тыс.км. Для построения карт использована база данных ГМГСШ (порядка 700 точек наблюдения), Анализ отобранных в рейсах проб донных отложений проведен в лаборатории морской геоэкологии Севморгео. Информация систематизирована и представлена в виде базы данных в формате СУБД PARADOX. В качестве основной компьюторно-технологической базы обработки данных, реализации статистических операций и построения интегрально-комплексных карт применен пакет программ ER Mapper.
Таким образом, средний интегрально-комплексный оценочный балл в условиях 5-ти балльной для шельфа Баренцева моря находим в предлагаемом способе следующим образом. Нормируя площадь, характеризуемую данным баллом шкалы, на всю площадь шельфа, принятой за 100% и умножая на соответствующий балл шкалы находим средний балл для компоненты Ii,s как: m(Ii,s)=(0,278×1)+(0,273×2)+(0,301×3)+(0,08×4)+(0,0059×5)=2,36. Для площади Белого моря соответствующий средний балл установлен величиной m(Ii,s)=2,41. В обоих случаях, индекса Iо экологической опасности, определяемый средним баллом токсичного загрязнения Ii,s находится между «удовлетворительной» (балл m=2) и «напряженной» (балл m=3), что в основном связано с наличием участков повышенных концентраций мышьяка и со сбросами отравляющих и радиоактивных веществ. Установленные данные позволяют сделать вывод об относительно умеренно-напряженной степени загрязнения и возможности «самовосстановления» биоты на основной площади экосистемы Баренцева и Белого морей. Территория проявления интенсивного и жизненоопасного для биоты загрязнения, с учетом степени токсичности присутствующих компонентов загрязнения, и соответствующая баллу 4 шкалы, составляет около 6% для региона шельфа Баренцева моря и 4,3% для территории Белого моря. Основной вклад в общее загрязнение донных отложений с учетом токсичности компонент вносят группа тяжелых металлов As Cu Zn Ni, радионуклиды Cs-137, Ra-226, а из органических загрязнителей - ПАУ и фенолы.
Таблица 2.
Класс токсической опасности и значение ПДК в единицах мГ/л.
Категории воздействия
Класс (q) токсической опасности по воздействию на человека и значение ПДК в единицах мГ/л (параметр / ПДК).
Вид параметров загрязнения
q=1 очень слабое
q=2 слабое
q=3 умеренно
q=4 опасное
q=5 очень опасное
Тяжелые металлы
Cu /0,001 Ni /0,01 Zn /0,01 Fe /0,005 Mn /0,01 Cr /0,001
Cd /0,005 Со /0,01 Pb /0,1
As/0,05
Радиоактивные нуклиды
Cs-136 Th-232 K-40
Cs-137
Sr-90
Ra-226 Pu-238
Углеводороды
Толуол /0,5 Нефть /0.05 Керосин /0,1 СПАВ /0,5 Фенолы (0,001)
Ксилол /0,05 Бензин /0,1
Бензол /0,5
Хлор-органические пестициды
ГХЦГ (0,02)
Нитраты /40 Фосфор /0,0001 Аммиак /0,05
ДДТ /0,1
Нитриты /0,08
Ионный состав
К /50 Са /180 Mq /40 Na /120
Сульфаты /100 хлориды /300
На фиг.2. для шельфа Баренцева и Белого морей показаны результаты интегрально-комплексной оценки величины загрязнения донных отложений (в безразмерных единицах Ωi) по результатам суммирования i-параметров для 3-х групп компонент: углеводороды (нефть, фенолы, ПАУ); радионуклиды (Ra-226, U-235, Cs-237, Th-232 и др.) и тяжелые металлы (As, Pb, Cu, Zn, Ni). с экспоненциальной 5-ти балльной оценочной шкалой: балл 1 - фон (ΣiqiΩi=-0,7 и менее); балл 2 - удовлетворительная (-0,7+0,7); балл 3 - напряженная (0,7-2,7); балл 4 - критическая (2.7-8); балл 5 - кризисная, зона чрезвычайной ситуации (8-30).
По результатам обобщенной оценки экологической опасности природно-техногенного загрязнения выделяется ряд интенсивно загрязненных полигонов шельфа с разным долевым вкладом в донных отложениях тяжелых металлов, радионуклиды и нефтяных углеродов. Полигон Кольско-Мурманского прибрежного шельфа имеет состав загрязнения по данным 41 ст. наблюдений, представленный радионуклидами (РН), нефтяными углеродами (НУ), фенолами и тяжелыми металлами (ТМ). Их интегральное воздействие определено в основном 3-мя баллами оценочной шкалы. Район «Горло Белого моря-Мезенская губа» по данным 15 станций наблюдений содержит 2 пятна загрязнения, представленных в основном радионуклидами (U-235); что, возможно, является результатом аварийной ситуации (6-10 Бк/кГ при фоне менее 0,1 Бк/кГ). Беломорский полигон (в районе Северо-Двинская губа-Варзуга) содержит по данным 85 станций наблюдений (в том числе 12 аномальных) загрязнения, представленных РН и ТМ. Так два аномальных пятна по Cs-137 с превышением над фоном в 20-30 раз, по Рb с превышением в 10-15 раз и по As с превышением в 7-10 раз, соответствуют, по-видимому, отвалам радиоактивных и ядовитых веществ). Колгуево-Новоземельный полигон по своему составу, пятна загрязнения, оцениваемого в основном 4-мя баллами шкалы, представлены хлорорганическими соединениями полихлорбифенилов (ПХБ) - до 1,5-2,0 нг/г при фоне 0,05-0,1 нг/г, гамма - ГЦХГ на уровне 0,1-0,5 нг/г при фоне 0,03-0,05 нг/г, суммарных нефтяными углеводородами 50-70 мкг/г при фоне 15-30 мкг/г. В Южно-Печерском полигоне (Губа р. Печера-Варандей), по данным 120 ст. наблюдений отмечено значительное загрязнение нефтяными углеводородами (до 100-150 мкг/т при фоне порядка 5-10 мкг/т), радиоактивными элементами (по Cs-137 до 20 Бк/кг при фоне 1-2 Бк/кг и по суммарной бета-активности 60-70 ед. при фоне 1-2 ед.) и тяжелыми металлами (свинец до 80 г/т при фоне 10-15 г/т, мышьяк, медь, цинк и др.). В Западно-Новоземельный полигоне природно-техногенное загрязнение 4-5 баллов, в основном представлено тяжелыми металлами с явно выраженным преобладанием свинца (при фоне значений 15-25 г/т до аномальных 2000-2500 г/т), цинка никеля, меди мышьяка, кобальта. Природа формирования загрязнения может быть связано с наличием полиметаллического проявления в русле р. Безыманная и сносом компонент рудопроявления. В Центрально-Баренцевый полигоне природно-техногенное загрязнение донных отложений, оцениваемое по шкале баллами 4 и 5, геоморфологически приурочено к Северо-Печерской возвышенности (морфоструктура 3-го порядка), а более конкретно - к ее следующим составляющим 4-го порядка: Северо-Канинское плато и Гусиное плато, разделенных между собой Гусиным желобом. Состав загрязнения представлен тяжелыми металлами, нефтяными углеводородами и радионуклидами. Долевое содержание определенных ТМ составляет: 4,8% As, 18,9% Cu, 14,5% Ni, 16,1% Pb и 45,8% Zn. Содержания этих элементов в единицах ррm (г/т) в донных отложениях составило: As до 20, Сu до 200, Ni до 80, и Zn до 350. Местоположение аномального загрязнения, представленное радионуклидами по площади, полностью не совпадает с загрязнением тяжелыми металлами; оно сдвинуто на северо-восток на расстояние 50-70 км также в виде двух изолированных пятен и соответствует местам максимального сброса радиоактивных отходов. В эти же места попадает загрязнение нефтеуглеродами, фоновые значения которых соответствуют 2-20 мкг/г, а аномальные значения соответствуют концентрациям 130-200 мкг/г.
Компонента Ii,b биотестирования, отражающая интегральную реакцию микробных биоценозов на загрязнение и интегрально-комплексная оценка значения Ii,b для шельфа Баренцева и Белого морей. Наряду с определением содержания загрязняющих веществ, используют также тестовые биологические методы (биотестирование), которые фиксируют степень реакции биоты на присутствие загрязняющих веществ в среде. Методы биотестирования реагируют на загрязняющие вещества среды не однозначно. В частности, органические углеводороды с малым молекулярным весом являются продуктами метаболизма микробов и, как следствие, увеличение содержания таких углеводородов вызывает рост количества микробов. Поэтому применение методов биотестирования должно проводится в комплексе с геохимическими и инструментальными (рентгенофлуоресцентный, радиометрический, атомноабсорбционный и др.) методами, в частности с оценкой нефтяного загрязнения среды, суммарной оценкой тяжелых токсичных (ртуть, кадмий, мышьяк, свиней и др.) и радиоактивных (цезий-137). Среди методов для оценки качества водной среды и донных отложений шельфа морских акваторий используются в частности: биотестирование воды культурой простейших, санитарно-биологическое тестирование, биотестирование по концентрации токсиканта в воде, биотестирование по концентрации битумоида на нефтяное загрязнение, биотестирование по концентрации вредных элементов в органах пищеварительного тракта придонных организмах (например, рак-отшельник) и биотестирование по концентрации в донных отложениях белков (метод белковой индикации). В качестве основного рабочего метода биотестирования использовался метод биотестирования по концентрации белков (метод белковой индикации или вариант метода Бредфорда), аналитическое обеспечение которого разработано в СПбУ (проф. Т.Н.Нижарадзэ).
На основании формулы (1), для компоненты Ii, b биотестирования индекса Iо, особенности среднеквадратичной аппроксимации Ωib параметра статистических распределений содержания белков заключаются в учете долевого (относительное общей массы пробы) содержания Cpi пелитовой фракции пробы в безразмерных единицах, т.е. (Ωib/Cpi)=(Cib-Cib,cp)/σi, а общее выражение для интегрально-комплексной оценки компоненты Ii,b биотестирования индекса Io определяется как:
В отличие от традиционных геохимических исследований, контролирующих лишь присутствие загрязняющих вредных веществ, метод белковой индикации фиксирует степень реакции биоты на присутствие этих загрязняющих веществ. Существенное преимущество над традиционными методами биотестирования заключается в том, что фиксируется не реакция тестовых организмов, которые не обязательно адекватны реакции биоцинозов в целом, а интегральный отклик на загрязнение всей микробиоты объекта. Микроорганизмы, представляющие собой живую компоненту грунтов и донных отложений, остро реагируют на присутствие загрязняющих веществ. Токсичные полютанты вызывают снижение численности микроорганизмов, а подверженные биодеградации вещества способствуют ее увеличению. Микроорганизмы являются наиболее чувствительными и универсальными из всех известных биоиндикаторов. Это объясняется быстротой их реакции на изменение внешних условий из-за жесткой зависимости микроорганизмов от окружающей среды, как источника энергии, и необходимых веществ для синтеза клеток. Скорость метаболизма у микроорганизмов, особенно у бактерий, необычайно высока по сравнению с макроорганизмами. Так время удвоения их биомассы измеряется часами, поэтому изменение уровня микробной биомассы быстро отражает реакцию биоты на загрязнение среды и может рассматриваться как объективный количественный сигнал об изменении геохимических условий окружающей среды, выходящих за пределы обычных колебаний. Суммарный белок в геологических объектах интегрирует белок микробных клеток и продуктов их метаболизма, т.е. является эффективным показателем микробиологической активности.
Процесс пробоподготовки предусматривает ультрозвуковое воздействие на вещество пробы, «стряхивание» алевролито-глинистого чехла зерен пробы, перевода этой фракции в эмульсию или раствор. Практическая реализация этой технологии пробоподготовки осуществляется при использовании метода белковой индикации для перевода белковой компоненты и тонкой пеллитовой фракции из пробы донных отложений и грунтов в эмульсионную пробу. При этом достигается «концентрирование» загрязнителя, а не его разубоживание, как в случае растирания всей пробы. Аналитическая часть белкового биотестирования предусматривает окрашивание отделенного супернатанта красителем, избирательным на белок и снектрофотометрическое определение концентрации окрашенного комплекса белок-краситель.
Результаты применения способа геоэкологического мониторинга шельфа Баренцева и Белого морей на основе биотестирования методом белковой индикации по содержанию белков в донных отложениях приведены в табл.1. Как видно, среднеквадратичный комплекс Ωib,ср определен значением Ωib,ср=-0,06, что по графику зависимости фиг.1, балл компоненты биотестирования соответствует величине m(Ii,b)=2,0.
2
Способ выявления токсичных сбросов отравляющих веществ предусматривает определение содержания белков методом белковой индикации и концентрации мышьяка рентгенофлуоресцентным методом; на радиоактивное загрязнение - также определение содержания белков совместно с радиометрическим анализом содержания радиоизотопа цезий-137. Способ выделения сбросов токсичных отравляющих веществ рассмотрена на примере «мертвой» зоны Южно-Новоземельного района шельфа Баренцева моря, имеющей степень загрязнения балл m=4,25 по 5-ти балльной оценочной шкалы. Основные компоненты загрязнения зоны представлены тяжелыми металлами, прежде всего, наиболее токсичным элементом As. Его содержание в донных отложениях аномального района доходит до 250-300 г/т при фоне 3-5 г/т, т.е. превосходит фоновые содержания почти на два порядка. Долевое содержание мышьяка в среднем по пятну составляет 22,8% (в отдельных случаях до 50%), что является самым высоким содержанием мышьяка по шельфу Баренцева моря. Из других тяжелых металлов установлены превышения в 2-3 раза над фоновым содержанием таких элементов как свинец (15,4%), медь (5,1%), никель (17.4%), цинк (20%). Из других компонентов загрязнения выявлены углеводороды в виде наиболее вредного ПХБ (до 0,7 нг/г при фоне 0,1-0,2 нг/г). Содержание белков на территории зоны минимально и составляет всего 15-20 при среднем фоновом его содержании около 50 ед. Повышенных над фоном концентраций суммарных нефтепродуктов и радионуклидов в донных отложениях этой зоны не обнаружено. Специфический состав загрязнения с преобладанием в сотни раз мышьяка и в несколько раз ПХБ дают основание утверждать о техногенном характере формирования этого загрязнения, - возможном захоронении химических отравляющих веществ (преобладает люизит ClCH=CHASCl). Гибельные концентрации люизита составляют всего 0,02-0,2 мг/л (кг), в то время как концентрации мышьяка как элемента, в минеральных водах может достигать до 1 мг/л.
Среди радиоизотопов, определяющих общую радиационную обстановку шельфа, выделяют первичные природные радиоизотопы (элементы рядов U-238, Th-232 и К-40), радиоизотопы, возникающие от космического излучения (С-14, Н-3, Ar-30 и др.) и искусственно-техногенные (Ra-226, Cs-134, Cs-137, Sr-90, U-235, Pu-238 и др.). Процесс накопления и переноса радиоизотопов осуществлялся: за счет испытания ядерного оружия на Новой Земле в середине 60-х годов; за счет сброса радиоактивных отходов в определенных зонах дампинга (Ra-226, Cs-134, Cs-137, Sr-90 и др.); за счет аварийных ситуаций установок с ядерным горючим (U-235, Pu-238 и др.); за счет переноса течением Гольфстрима.
Экологически опасен Беломорский район Северо-Двинской губы, который содержит два аномальных пятна по Cs-137 с превышением над фоном в 20-30 раз, по Рb с превышением в 10-15 раз и по As с превышением в 7-10 раз. Это токсичное загрязнение, балл которого составляет около m (Ii,s)=3,3 (индекс экологической опасности между напряженной и критической ситуации), соответствуют аварийным отвалам радиоактивного топлива и свинцово-мышьяковым загрязнением устья Северной Двины. Аварийные радиоактивные отвалы в этом районе выделяются по данным биотестирования минимальными (5-10 при фоне 50-60) концентрациям белка, что связано с распадом белков за счет действия радиоактивного излучения, а по данным радиометрического анализа измельченных проб, существенно повышенными (на один-два порядка) концентрации радиоактивного элемента цезия-137 (или плутония-238).
Компонента Ii,r индекса Io, отображающая вероятность и структуру тектонических разломов и зон их пересечений с интегрально-комплексной оценкой ее величины для условий шельфа Баренцева моря. На основе физического явления краевых объемно-заряженных градиентных зон геофизических i-полей, линейно-протяженные и дугообразные градиентные зоны контролируют тектонические разломы, которые, в свою очередь, связаны с эндогенными геологическими процессами среды шельфа и с напряженно-деформационным состоянием литосферных блоков Земной Коры.
2
2
Технология мониторинга компоненты Ii,r индекса Io, контролирующей вероятностью оценку прошедших и действующих воздействий изменения приливных сил, связанного с активностью эндогенных и экзогенных геологических процессов и предусматривает определение места, площади и свойств (структуры и степени риска) протяженных тектонических разломов и мест их, как правило, круговых пересечений, что предлагается осуществить по данным безразмерных градиентных магнитного и объединенного (магнито-гравиметрического) геофизических полей. Величина градиента Ψi для каждого геофизического i-поля определяется как: Ωi,r=ΔΨi/σi, где среднеквадратичная аппроксимация в отличие от других компонент Ii осуществляется не для величины Xi, а для значения градиента Ψi, причем, как правило, с некоторой долей (fi) фильтрации его значения, т.е. Ωi,r=fi(Ψi-Ψi,cp)/σi; σi - определяют исходя σi=(1/(n-1)Σi(Ψi-Ψi,cp). Для группы (суммы Σi) геофизических полей компонента Ii,r индекса Io, определяется как:
имеющих в частности, для «жесткой» (за счет фильтрации) составляющей градиентного магнитного поля для протяженных тектонических разломов - вид (признак) двойной градиентной полосы с максимальным и минимальным значениями градиента и определенной шириной полосы, с чередованием участков сжатий и растяжений, а для мест пересечения разломов - то же, но в виде круговых (эллипсовидных) полос.
Система разнообразных геофизических полей, как особой формы материи, представляет собой общее физическое поле Земли и околоземного пространства. К основным геофизическим полям относятся: магнитное силовое поле, действующее на тела, обладающие магнитным моментом; гравитационное поле силы тяжести; электрическое силовое поле взаимодействующих зарядов; геотермическое поле теплового потока, идущего из недр Земли; геодинамическое поле сил сжатия и растяжения; сейсмическое поле упругих колебаний горных пород земной коры.
На фиг.3 показаны результаты интегрально-комплексной оценки компоненты Ii,r индекса Io для условий шельфа Баренцева и Белого морей; в том числе - карты нормальных и размерных магнитного и гравитационного i-полей (а, б), и полученные на их основе: - карта (г) безразмерного обобщенного градиентного поля и карта (д), выделенных тектонических разломов на основе максимальных и минимальных значений градиентных полос, регистрируемых при фильтре (-0,75÷+0,75) безразмерного параметра Ωi,r. На фиг.3в показаны данные расчета [Гридин В.И., Гак Е.З. Физико-геологическое моделирование природных явлений. РАН. Москва «Наука», 1994] значений вертикальной и горизонтальной составляющих градиента гравиметрического поля от точечного источника, иллюстрирующих принцип формирования градиентных разнозарядовых полос для выявления тектонических разломов. Гистограммы вероятности безразмерного параметра ΩI, r для магнитного, гравитационного и обобщенного градиентных i-полей показаны на фиг.3ж. Данные средних значений безразмерного параметра Ωi,r и среднего балла компонента Ii,r индекса Io для магнитного градиентного поля приведены в табл.1. Из данных фиг.3 видно, что технология мониторинга позволяет выделить структуру и свойства тектонических разломов шельфа. Краевые зоны в этих случаях могут быть представлены узкими гранями и ребрами, а действующие объемные силы приводят к смене направления потока течения воды и к «принудительному» осаждению частиц вещества.
Использование градиентных Ψi - полей, связано с тем, что наряду с четким изображением двойных разнозаряженных градиентных полос, отвечающим разломам, при суммировании градиентов полей отсутствует эффект взаимной компенсации градиентов, что однако возможно при суммировании нормальных геофизических i-полей. Это иллюстрирует фиг.4а,б, лог-зоны под номерами 3 и 4, центральные участки которых имеют противоположные знаки, компенсируемые при суммировании. В предлагаемом способе устанавливается «энергетический ранг» таких зон с помощью фильтрации некоторой близнулевой области значений градиентного поля. На фиг.4а,б (верхний рисунок) показан регион Штокмановского ГКМ с лог-зонами и одним из разломов по данным градиентно-магнитного поля без фильтрации (слева) и с фильтрацией (справа). Представленный разлом разделяет поднятие Федынского и западную границу Южно-Баренцевой впадины, имеет сложную структуру с шириной фиксируемого магнитного градиентного поля порядка 3-5 км. Протяженные боковые «высокоэнергетические» полосы разломов соединяются поперечными участками. Сравнение градиентных полей без фильтрации и с фильтрацией указывает, что фильтрация «низкоэнергетической» части градиентного поля позволяет разделить разломные структуры и локальные объединенные градиентные зоны (лог-зоны), связанные с газонефтяными зонами - трубками шельфа. Как видно из фиг.4а,б, за счет фильтрации устраняются все лог-зоны, связанные с Штокмановским ГКМ. Структура и размеры основной лог-зона Штокмановским ГКМ показаны на фиг.4а,б, под номером 1. Лог-зона под номером 2 в регионе Штокмановским ГКМ показывает на возможную сложную, градиентную конфигурацию лог-зон, когда в окружении основной лог-зоны могут присутствовать более мелкие «сателлитные» каналы-трубки.
На основе интегрально-комплексной оценки геофизических полей на шельфе Баренцева моря выделены «вертикальных вихревых зон-каналы». На фиг.4а,б (номера-5, 6), показано, что для диапазона измерения в области малых значений безразмерного градиента магнитного поля фиксируемые лог-зоны имеют вид «вихревого винта». Как известно, движение газа или жидкости называется вихревым, когда частицы среды перемещаются не только поступательно, но и вращаются вокруг некоторой оси с нарушением однородности и потенциальности поля и проявлением нелинейных законов векторного поля. Неравномерное вращение и движение по орбите Земли и другие факторы могут создать условия образования в субвертикальных каналах ослабленных и раздробленных пород «вихревых трубок». Возможно, что с вихревыми трубками, образованными в Земной Коре, связаны ряд природных явлений, происходящих как в водной среде шельфа, так и в атмосфере (тайфуны, цунами, световые эффекты солнечно-земных связей).
Геофизические поля, в сочетании с вредным действием выходящих наружу газов и их растворов (гелий, радон, метан, двуокись углерода, ртуть и др.) могут оказать отрицательное воздействие на человека и объекты флоры и фауны. Эти зоны выделяются обычно круговыми (или элипсовидными) градиентными полосами геофизических полей, имеют большую мощность голоценовых отложений (до десятков метров), «втянутых» зарядами краевых зон электромагнитного поля, сильное токсичное загрязнение донных отложений этих участков и имеют повышенную степень реакции биотестирования, т.е. убыли биологических видов флоры и фауны, а по данным метода белковой индикации - убыли в пробах содержания белков. Этим условиям, в частности, отвечает пример (фиг.4в) «природной геофизико-седиментационной ловушки» южной части шельфа Баренцева моря. Здесь, близширотная серия из 3-х разломов, простирающая от юго-восточной части Кольского полуострова до западного побережья Новой Земли, которая четко контролируется узкими линейно-вытянутыми градиентными полосами. Данная серия разломов прервана в районе Гусиного плато серией мелких разломов северо-западного простирания, место их пересечения образуют кольцевые градиентные зоны (фиг.4в,г), с накоплением голоценовых отложений (мощностью 10 и более метров), с их интенсивным природно-техногенным загрязнением тяжелыми и радиоактивными металлами.
Кольцевая структура пересечений разломов (фиг 4в,г) четко просматривается как на картах нормального магнитного поля (номера 12 и 13), так и на градиентного магнитного (номера 10 и 11) и градиентного объединенного магнито-гравитационного (номера 7, 8 и 9) полей.
Природно-техногенное загрязнение донных отложений, геоморфологически приуроченное к Северо-Печерской возвышенности и плато Моллера, являющееся северо-восточным более приподнятым продолжением Гусиного плато. Для указанных плато характерны вершинные поверхности с батиметрическими отметками от 50 до 110 метров. Склоны Гусиного плато расчленены глубинными долинами до 100-120 метров; углы наклона склонов составляют первые градусы. Склоны Гусиного жолоба также расчленены глубокими долинами (до 100 метров); днище желоба состоит из нескольких ванн и врезов с глубинами 300-350 метров. Северо-Печерская возвышенность на юго-востоке граничит с Куренцовской структурной террасой, а на северо-западе - с центральной впадиной Баренцевского синеклиза. Таким образом, Северо-Печерская возвышенность является как бы последним высотным рубежом для центральной Баренцевой впадины и служит, таким образом «природной седиментационной ловушкой» для южной части застойного природного водоворота, медленно вращающегося против движения часовой стрелки в южной части центральной впадины. Состав этого загрязнения представлен элементами группы тяжелых металлов. Долевое содержание определенных элементов составляет: 4,8% As, 18,9% Cu, 14,5% Ni, 16,1% Pb и 45,8% Zn. Содержания этих элементов в единицах ррm (г/т) в донных отложениях составило: As до 20, Cu до 200, Ni до 80, и Zn до 350.
Компонента Ii,с индекса Io геоэкологической опасности сейсмоактивности и напряженно-деформацмонного состояния разломной системы литосферных плит контакта шельфа Баренцева и шельфа Норвежского морей. Компонента Ii,с связана с геологическими процессами, обуславливающими площадные размеры и временные особенности поля сейсмоактивности, имеющих характер как экзогенных (замедление и ускорение вращения Земли, солнечная термическая и корпускулярно-ветровая радиация и др.), так и эндогенных (шельфовые тектонические разломы, горячие подводные кратеры, ледники и др.). Компонента Ii,с связана с цикличным воздействием приливных сил на происходящие геологические эндогенные и экзогенные процессы и прежде всего, на район поля сейсмоактивности. Циклический характер проявления основных планетарных факторов (положение центра масс межпланетной системы, замедление и ускорение вращения Земли, приливные силы Луны и Солнца на Землю, изменение солнечного времени и др.), протекающие в реальном времени, измеряемом десятками лет, годами, месяцами, неделями, воздействуют на крупные литосферные блоки, определяя цикличность напряженно-деформационного состояния этих блоков, их структур сжатия и растяжения. Объемные деформации верхних слоев литосферы, связанные, как известно, приливными силами гравитационного воздействия на нее Луны и Солнца, вызывают смещение поверхности Земли, как по вертикали (десятки сантиметров), так и по горизонтали (до первых сантиметров). Главными долгопериодическими циклами, изменяющими силу сжатия Земли и ее угловую скорость вращения вокруг Солнца, являются периоды в 18,6 лет, 1 год, 0,5 года и месяц. Как следствие, при переходе через критическое состояние, происходят мощные, разрушительные разрядки упругой энергии литосферных блоков (землетрясения), образование новейших неотектонических структур, выдавливание глубинных флюидов в верхние этажи литосферных блоков и другие проявления глубинных эндогенных геологических процессов.
0,43М-2,73
0,33
-8
0,43М
Наличие возможных достаточно быстрых по времени изменений в напряженно-деформационном состоянии литосферных блоков приводит соответственно к быстрому нарастанию сейсмоактивности; этот очень важный для геоэкологического мониторинга период относится к периоду предвестника землетрясений, сопровождающегося целым рядом аномальных эффектов, происходящих перед землетрясением. Известно, что интенсивность относительной деформации (ε) горных пород и площадь аномальных эффектов связаны с магнитудой М землетрясения, а расстояние R от эпицентра, в пределах которого проявляются аномальные эффекты предвестников землетрясений определяются соотношением: R=(10)/ε. Фиксируемые возмущения (деформации), вызванные лунно-солнечными приливными силами, составляют порядка 10, тогда радиус проявления предвестников землетрясения составит приближенно Rmax≈10. Это при магнитуде шесть составит порядка тысячи километров, что может быть использовано в процессе сейсмического мониторинга.
В способе геоэкологического мониторинга, учитывая, что зарождение землетрясений приурочены обычно к небольшой площади вдоль мощных разломов литосферных плит, компонента Ii,c оценивается с использованием безразмерного квадратичного параметра аппроксимации Ωi статистических распределений случайной величины Xi по числу произошедших Ni землетрясений, со свойством риска, определяемым его магнитудой мi (табл.1), т.е.:
,
где ΔNi=(Ni-Ni,cp), - отклонения от среднего, Ni,ср - среднее значение Ni, где мi - степень риска, определяемая по мi=10-балльной шкале Рихтера (для условий 5-ти балльной шкалы предлагается использовать либо мi/2; либо, - как используется в статье, значениями степени риска для 5-ти балльной шкалы в виде: Mi<3; 3>Mi<3,9; 4>Mi<4,9; 5>Mi<5,9; Mi>6. Банк данных по эпицентрам землетрясений различной магнитуды обрамления шельфа Баренцева и Новежского морем показан на фиг.5а (данные ВНИИОкеангеология).
2
В процессе геоэкологического мониторинга необходимо оценивать наличие и степень изменения интенсивности измеряемых геофизических предвестников очаговых землетрясений, в том числе, для мониторинга структур сжатия и растяжения - по аномалиям аэромагнитного поля на основе вероятности и свойств тектонических разломов, а степень колебаний интенсивности деформационного поля - по данным мониторинга состояния кратеров-очагов (или гидротермальных отверстий), а также рельефа дна, подъема или опускания отдельных краев кратера, фильтрации вихревых газов, разделения (за счет вспучивания) геоморфологических и геофизических аномалий и градиентных магнитных полос-разломов. На врезке фиг.5а (данные ВНИИОкеангеология) показана трубка, являющаяся субвертикальной зоной деструкции горных пород на дне шельфа окраины Баренцева моря, выявленная в процессе профилирования локатором бокового обзора на площади южной части глобальной рифтовой разломной системы с координатами порядка 14 градусов В.Д. и 72 градусов 10 минут С.Ш. Трубка, диаметром поряка 600-700 метров, расположена на площади порядка 1 км, имеет неровные скальные края с обломками камней с вихреобразным вращательным выделением газов и возможно является аналогом светящего «горячего кратера» или «гидротермального отверстия», обнаруженных на дне шельфа Атлантического океана. Учитывая отмеченные свойства трубки, ее расположении непосредственно в зоне основных разломов контактирующих литосферных блоков и близость к береговой линии Кольского полуострова, позволяют использовать выявленную трубку (и аналогичные трубки, выявленные со временем на территории глобальной системы медленно дрейфующих литосферных плит) в качестве станции геоэкологического мониторинга, которая позволит осуществлять наблюдения за интенсивностью и цикличностью аномальных эффектов, являющиеся предвестниками землетрясений. Надводно-подводные наблюдения мониторинга такой станции, должны фиксировать интенсивность и угловую скорость вихреобразного вращения водно-газовых компонент (прежде всего радона, метана и др. газов), а надводные датчики станции - и наличие тех же газов в воздухе над морской поверхностью и высоту волн, как предветника цунами. Подобные станции мониторинга позволят фиксировать предвестники и других возможных внезапных катастрофических явлений, связанных, в частности, с глобальным потеплением климата и, как следствие, возможным скоротечным подъемом (или опусканием) преимущественно краев, контактирующих литосферных плит сейсмоопасной разломной системы. Известно, что усиливающее таяние ледников при общем потеплении климата, будет уменьшать нагрузку, что приведет к «выпрямлению» прогибов участков Земной Коры и возможным сопровождающим мощным землетрясением, взрывом подводных вулканов - горячих кратеров и цунами морских акваторий. Геоэкологический мониторинг степени возможного глобального потепления климата на северных широтах должен включать космические наблюдения на основе космических снимков уменьшения площади ледников по их краям, рост средней температуры и уменьшения средней солености воды проб, отобранных в полосе кромки льдов.
0
Периоды годичной и полугодичной цикличности во времени для компоненты Ii,с сейсмоактивности и компоненты Ii,r напряженно-деформационного состояния разломной системы литосферных плит, могут быть приближенно учтены на основе, так называемого, уравнения времени, отображающего разность между средним и истинным солнечным временем и изменяющегося в пределах от - 14 мин 27 с до +16 мин 24 с. Истинное солнечное время непрерывно изменяется из-за двух основных факторов: во-первых, - из-за неравномерности движения Земли по орбите вокруг Солнца с годичным временным периодом и, во-вторых, - из-за наклона эклиптики к экватору с полугодичным временным периодом. На фиг.5б показаны синусоиды уравнения времени в размерных виде (m, минуты) и в безразмерном виде, равном отношению [(m, мин)/m=+16 мин)]: где синусоида (1) учета неравномерного движения Земли по орбите вокруг Солнца; синусоида (2) учета наклона эклиптики к экватору и суммы синусоид (3) для общего учета неравномерного движения Земли.
Первый планетарный фактор, связанный с годичным временным периодом вращения по эллиптической, близкой к круговой орбите, происходит с изменением расстояния и угловой скорости вращения Земли в точке перигеи от 147 млн. км и 30,3 км/с, и в точке афелии до 152 млн. км и соответственно 29,3 км/с. В этом случае, разность между истинным и средним временем близка к нулевому значению примерно 1.01; 30.06 и 27.12 годичного цикла, максимальное значение (+8 минут) в период с 15.03 по 15.04 и минимальное (-8 минут) - в период с 15.09 по 15.10 ежегодно. Фактор неравномерности движения Земли по орбите вокруг Солнца с годичным временным периодом, по-видимому, больше влияет на динамику и разломы литосферных плит земной коры и возможно способствует запуску сейсмоактивности, приуроченной с склонам временного пика, т.е. преимущественно в периоды мая и конца декабря месяцев года.
Второй планетарный фактор, связанный с наклоном эклиптики к экватору и с полугодичным временным периодом, соответствует максимальным значениям в периоды с 01.02 по 15.03 и с 01.08 по 15.09, т.е. с максимумами в феврале и августе месяцах года. При этом солнечные и лунные затмения являющие, по-видимому, предвестниками усиления происходящих земных катаклизмов, происходят в периоды, когда луна находится в «лунных узлах», т.е. вблизи точек пересечения орбиты луны с эклиптикой. Планетарный фактор, связанный с наклоном эклиптики к экватору, по-видимому, больше влияет на усиление ураганов и тайфунов, происходящих преимущественно в августе и первой половине сентября года и развивающихся на перегретых океанических площадях во внутритропической зоне конвергенции в основном в полосе ±5 градусов от экватора, где отклоняющая сила наиболее велика. Основной источник энергии ураганов для движения ураганов с востока на запад - выделение огромных количеств скрытой теплоты при конденсации водного пара в восходящем потоке воздуха (ураганы «Ондрю» - август 1992 г., «Катрина» - конец августа 2005 г., «Густав» - конец августа 2008 г., «Айк» - начало сентября 2008 г. и др.).
На основе уравнения времени обоих планетарных факторов, возможно ввести поправку Kt≈(1±Rt) в формулы (4) и (5) за временную цикличность в виде:
где Kt≈1±Rt≈1±(Rt1+Rt2) - поправка за временную цикличность, равная сумме поправок Rt1, связанной с годичным временным периодом вращения Земли вокруг Солнца и Rt2, связанной с полугодичным временным периодом из-за наклона эклиптики к экватору. В безразмерных единицах примерные значения безразмерных поправок за временную годичную цикличность компонент Ii,с сейсмоактивности и Ii,r напряженно-деформационного состояния разломной системы литосферных плит представлены в табл.3. Как видно из табл.3, сумма поправок за временную цикличность за вращения Земли вокруг Солнца и наклона эклиптики к экватору в течение года равна в сумме нулевому значению, но является максимальна в феврале и августе месяцах года, составляя соответствено +1,75 и +1,45. Хотя в августе и в сентябре месяцах года значения поправок составляют порядка +1,45 и +1,10, их значения наблюдаются на фоне минимальных поправок в ноябре месяце (+0,2), т.е. равно превышению над ними в безразмерных единицах соответственно в 7,25 и 5,5 раз.
Табл.3
Месяц года
Kt≈(1±Rt)
Месяц года
Kt≈(1±Rt)
Rt1
Rt2
Rt=Rt1+Rt2
1±Rt
Rt1
Rt2
Rt=Rt1+Rt2
1±Rt
январь
0
0
0
1,0
июль
0
0
0
1,0
февраль
+0,25
+0,5
+0,75
1,75
август
-0,1
+0,55
+0,45
1,45
март
+0,3
+0,3
+0,6
1,60
сентябрь
-0,3
+0,4
+0,1
1,10
апрель
+0,45
-0,25
+0,20
1,20
октябрь
-0,35
-0,25
-0,6
0,40
Май
+0,4
-0,6
-0,2
0,80
ноябрь
-0,25
-0,55
-0,8
0,20
июнь
+0,2
-0,4
-0,2
0,80
декабрь
-0,1
+0,1
0
1,0
Таким образом, в основе предлагаемого способа геоэкологического мониторинга, для каждой компоненты Ii индекса Io экологической опасности используется произведение (RiΩi) показателя степени риска Ri, на частоту (размах) среднеквадратического параметра Ωi проявления этой компоненты. В результате применения способа в условиях шельфа Баренцева моря, полученные данные, позволяют сделать вывод об относительно умеренно-напряженной степени экологической опасности: балл 2,36 - для основной площади шельфа экосистемы Баренцева моря и 2,41 - для площади Белого морей. Территория проявления интенсивного и жизненоопасного для биоты загрязнения и соответствующая баллу 4 шкалы, составляет около 6% для региона шельфа Баренцева моря и 4,3% для территории Белого моря. Основной вклад в общее загрязнение донных отложений с учетом токсичности компонент вносят группа тяжелых металлов As Cu Zn Ni, радионуклиды Cs-137, Ra-226, а из органических загрязнителей - ПАУ и фенолы. Аналогичные принципы реализации предлагаемого способа геоэкологического мониторинга применимы в отдельности и для других, помимо литосферы, составляющих окружающей среды (воздушной и водной сферы). Периоды годичной и полугодичной цикличности во времени проявления компоненты Ii,с сейсмоактивности и компоненты Ii,r напряженно-деформацмонного состояния разломной системы литосферных плит, приближенно учитываются на основе, так называемого, уравнения времени на основе поправки Rt временной цикличности в безразмерных единицах в виде произведения сомножителей: (RiΩi)(1±Rt). В течение года, среднее значение поправки ±Rt в сумме примерно равно нулевому значению, и в этом случае, значение сомножителя временной цикличности в среднем за год близко к единице.
Результатом применения способа является выделение экологически опасных (4-5 баллов индекса экологической опасности по 5-ти балльной шкале: зона критическая и зона чрезвычайной ситуации) участков токсично-загрязненых, имеющих разломные деформации блоков пород и сейсмоопасных участков шельфа морских акваторий и поймы рек и территории других водоемов, на которых возможно ограничение добычи природной фауны и флоры (рыба, крабы, водоросли и др.). На основе предлагаемого способа возможна оценка степени токсичного загрязнения и место сбросов отравляющих веществ (люизит) по росту в пробах донных отложений концентрации мышьяка и уменьшения содержания белков, а также аварийного сброса радиоактивных отходов - на основе убыли белков и роста содержания радиоизотопа цезий-137. Возможно также выявление сейсмоактивных зон с учетом временной цикличности их активности и степени разломных деформаций блоков пород, которые являются опасными для строительства ряда технических газонефтянных сооружений (буровые платформы, трубопроводы на дне шельфа, причалы, портовые и населенные пункты побережья). Способ позволяет также выявить на площади шельфе расположение и опасность тектонических разломов, места вихревых зон-каналов.