CC BY
31
--------------------------------------- © А.Д. Сашурин, Г.В. Павлов,
Н.В. Никитина, 2006
УДК 622.83
А.Д. Сашурин, Г.В. Павлов, Н.В. Никитина
ДИАГНОСТИКА ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОГО РИСКА НА УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЯХ*
Семинар № 8
дна из особенностей современного этапа развития земной цивилизации связана с возрастанием риска возникновения катастроф, влекущих за собой значительные социально-экономические утраты и многочисленные человеческие жертвы. По данным ООН в 60-х годах прошлого столетия ущерб от природно-техно-генных катастроф составил 40 миллиардов долларов, а в 90-х годах он уже достиг 280 миллиардов долларов.
На рубеже раздела второго и третье-го тысячелетий результаты фундаментальных исследований наук о Земле всё с большей очевидностью убеждают, что, наряду с землетрясениями, торнадо, ураганами и наводнениями, перед которыми человечество остаётся всё ещё практически бессильно, существуют менее заметные, но отнюдь не менее опасные явления, связанные с современными геодинамиче-скими движениями массива горных пород и земной поверхности.
Специалисты Института горного дела УрО РАН, выполняя фундаментальные исследования по выявлению природы и истоков катастроф в сфере недропользования, установили, что широкий круг природно-техногенных катастроф возникает под воздействием открытого ими особого класса современных геодинамических движений, протекающих в массиве горных пород в основании сооружений. По этой причине происходят обрушения сложных большепролетных и высотных ответст-
венных сооружений, разрушения мостов и подземных транспортных объектов, разрывы магистральных нефтепроводов, газопроводов, теплотрасс, нарушения подземных инженерных коммуникаций городской инфраструктуры и других объектов, для которых массив горных пород и земная поверхность являются либо основанием, либо средой, в которой они созданы.
Круг катастроф этого вида столь обширен, что ущерб от них представляет серьезную угрозу экономике и национальной безопасности.
К сожалению, действующие нормативы на изыскания, проектирование и строительство не учитывают наличия современных геодинамических движений и их воздействия на создаваемые объекты, отстав от современных достижений фундаментальных исследований наук о Земле. По этой причине влияние геодинамиче-ских движений не оцениваются и в экспертизе прочности и надежности ответственных объектов, инициированной трагическими событиями на комплексе «Трансвааль».
В то же время, интенсивная урбанизация территорий, освоение подземного пространства, усложнение городских коммуникаций, создание уникальных зданий и сооружений с нахождением в них большого числа людей, создание скоростных железнодорожных магистралей -
*Работа выполнена при поддержке РФФИ и Совета по грантам Президента РФ.
всё это ведёт к более тесному взаимодействию техногенных объектов с природной средой, постоянному росту риска возникновения катастроф, а также к возрастанию частоты заболеваемости наиболее распространёнными болезнями среди проживающего там населения и возникновения хромосомных патологий у рождающихся детей.
Природно-техногенные катастрофы в сфере недропользования определяются двумя особенностями массива горных пород - блочностью строения и взаимной подвижностью этих блоков.
Массив горных пород, слагающих верхнюю часть литосферы и земную поверхность, имеет иерархически блочное строение. Тектонические нарушения различных рангов разбивают его на блоки разных размеров. Для примера на рисунке показана схема геологического строения территории г. Екатеринбурга. Вся она разбита
Схема геологического строения территории г. Екатеринбурга
крупными тектоническими нарушениями на 15-20 крупных блоков, которые, в свою очередь, разбиты более мелкими нарушениями на блоки следующих уровней. В любом массиве горных пород прослеживается несколько уровней таких блоков.
Тектонические нарушения, выполняющие роль швов между соседними блоками, всегда имеют определенную толщину (мощность), зависящую, как правило, от их ранга. Она может изменяться от нескольких сантиметров до нескольких метров, а у крупных разломов она может достигать десятков и сотен метров.
Структура, прочностные и деформационные свойства массива горных пород в тектонических нарушениях резко отличаются от пород в блоках. Они, как правило, сильно трещиноваты, часто перетёрты до дресвянно-песчано-
глинистого состояния, вследствие чего в массиве имеют низкие прочностные и деформационные характеристики, хотя отдельные образцы пород по этим показателям могут немногим отличаться от аналогичных пород в блоках.
Второй важной особенностью иерархически блочного массива горных пород является взаимная подвижность блоков. Истоки этой подвижности пока до конца неясны. Причиной ее может служить большое число факторов эндогенного и экзогенного характера. Для практических целей важен факт ее существования, параметры проявления и влияние на безопасность объектов.
Фундаментальными исследованиями выявлены два вида современных гео-динамических движений - трендовые и цикличные. Трендовые движения происходят в виде взаимных подвижек двух соседних блоков с относительно постоянными скоростью и направлением в течение продолжительного промежутка времени.
Цикличные движения имеют периодические знакопеременные изменения направления движения и характеризуются частотой циклов и максимальной амплитудой перемещения в цикле.
Современные геодинамические движения концентрируются на границах блоков в зонах тектонических нарушений.
Короткопериодные цикличные движения имеют широкий полигармоничный спектр частот с продолжительностью циклов от 30-60 сек до 1 часа, нескольких часов и более. Максимальные амплитуды вертикальных смещений достигают 85-100 мм, горизонтальных 50-65 мм, а максимальные деформации, вызванные смещениями, достигают по растяжению-сжатию 1,2-10-3, по наклону 2,5-10-3.
Тектонические нарушения, разбивающие массив горных пород на иерархически блочную среду, обладают разной степенью геодинамической активности. Каждому из них присущи свои параметры движений. Более того, они могут изменяться во времени.
Искусственные сооружения, оказавшиеся в зоне влияния тектонических нарушений с достаточным уровнем современных геодинамических движений, испытывают нештатные нагрузки и деформации, не предусмотренные их конструкцией. Наряду с негативным воздействием непосредственно на объекты, короткопериодные знакопеременные цикличные смешения переводят массив горных пород тектонических нарушений в тиксотропное состояние, резко ослабляя и без того его пониженные несущие способности и вызывая неравномерные оседания сооружений и их разрушение [1].
Зависимость геоэкологического риска заболеваемости на урбанизированных территориях от геодинамической активности и наличия тектонических нарушений исследовалась на основе распространения хромосомных болезней по исследуемой территории.
Достижения классической генетики в области медицины констатировали более 4500 моногенных заболеваний и более 100 так называемыми хромосомных болезней. Врожденные и наследственные заболевания, а точнее, наследуемые болезни, встречаются в популяции примерно у 5 % населения. Теоретически имеются возможности профилактики около половины хромосомных болезней. Однако практический опыт показывает, что эти возможности не реализованы даже в самых развитых странах мира. В частности, лишь около 20 % детей с трисомией 21 хромосомы (синдром Дауна, СД) предотвращаются в результате региональных программ. Анализ причин такого положения в профилактике хромосомных болезней показывает, что наряду с медицинскими и техническими ограничениями, большую роль играют организационные аспекты и особенности среды проживания.
Проблема хромосомных заболеваний имеет особую значимость в силу того, что эти генетически детерминированные заболевания в настоящее время встречаются достаточно часто: средняя популяционная частота хромосомных нарушений в нашей стране составляет в среднем 6—7 случаев на 1000 новорожденных детей. Большинство авторов считают, что уровень рождения с СД носит стабильный характер. Вместе с тем в некоторых регионах отмечены отклонения от данного показателя в ту или иную сторону.
Анализ регистра больных СД в г. Санкт-Петербурге, самого полного в России, показал на отклонение от средних частот появления больных в некоторых районах и домах города, при этом удалось уловить связь этого феномена с наличием разломов земной коры в данных местах.
Неравномерное распределение частоты СД отмечено на территории Башкортостана и так же связывается с геологическими особенностями, создающими биологический дискомфорт.
Данная гипотеза была подвергнута проверке на основе сопоставления частот рождения детей с хромосомными аберрациями с тектоническим строением территории г. Екатеринбурга.
Задачей работы явилось выявление особенности влияния геодинамически активных зон на возникновение модельных заболеваний у наиболее ранимой популяции: хромосомных и менделирующих с высокой степенью мутаций de novo, а также врожденных пороков развития и онкологических болезней. Детская популяция наиболее ранима, поскольку организм ребенка в большей степени подвержен неблагоприятному воздействию факторов внешней среды. С другой стороны, ребенок не является участником производственного процесса, на него меньшее влияние оказывают бытовые и прочие воздействия.
Выбор контингентов больных был определен тем, насколько известно влияние экологических факторов на ту или иную патологию. В связи с этим, были приняты следующие виды патологии:
• наследственная (хромосомная,
моногенная);
• врожденные пороки развития;
• онкологическая (лейкозы, солидные опухоли).
Проведена выборка больных с хромосомными болезнями (174 ребенка), с теми моногенными заболеваниями, при которых высока частота мутаций de novo (мышечная дистрофия Дюшенна, гемофилия, нейрофиброматоз Реклингаузена — 25 детей), с лейкозами (78 больных), с солидными опухолями (286 больных), с врожденными аномалиями развития (101 ребенок).
Планиметрическая оценка карты г. Екатеринбурга показала, что на площадь основных тектонических нарушений при-
ходится 22 %. Поэтому при проведении статистических расчетов обязательно учитывалось такое соотношение площадей: 22 % против 78 %.
Анализ синтетической карты, где тектонические нарушения совмещены с планом города и местами рождения больных детей, показал, что из 174 детей с хромосомными аномалиями 70 (40,2 %) пациентов родились в зонах разломов, а 104 в зонах отсутствия таковых (разница статистически достоверна р<0,001).
Как показал результат, из 174 зарегистрированных больных с хромосомными аберрациями (из них 149 больных с синдромом СД) на карте города было выявлено 29 локусов (кластеров), где в одном или в близлежащих домах (не далее 150 м) родилось два и более больных детей.
Таким образом, в данных кластерах всего родилось 69 (39,7 %) больных, часть из которых появилась и в геодинамически активных зонах и вне таковых.
В кластерах, расположенных в геопатогенных зонах, преобладали больные с СД и Патау (трисомия 13 хромосомы) (39 из 41 ребенка — 95,1 %), в отличие от сравниваемой территории (23 из 28 пациентов — 82,1 %); разница статистически достоверна, р<0,05.
Следовательно, кластеры больных из зон разломов земной коры составляли более монолитную группу. Это подтверждает и то, что в геологически активной зоне зарегистрировано только 2 случая аномалии половых хромосом, а в зоне отсутствия разломов — 4 случая аномалии половых хромосом и один больной с патологией аутосомы.
Было установлено, что в одном из микрорайонов г. Екатеринбурга сконцентрировались больные, входящие и не входящие в кластеры. Интересно от-метить, что в одном доме с интервалом 8 лет в разных семьях родилось два ребенка с СД, а в другом — один ре-бенок с простой трисо-мией 21 и другой с робертсоновской транслокацией.
Важно отметить, что обнаруженный феномен, заключающийся в проявлении 6 случаев транслокационных форм синдрома Дауна de novo, пришлись на зоны геологических аномалий в виде разломов земной коры.
Известно, что из всех моногенных заболеваний при прогрессирующей миоди-строфии Дюшенна, гемофилии и нейро-фиброматозе Реклингаузена доля мутаций de novo превышает 50 %, а скорость мутаций составляет примерно 10-4, что в десятки раз превосходит соответствующую величину для других генов. В связи с этим, анализ при-надлежности рождения больных с данными заболеваниями к зонам разломов земной коры показал, что 58,3 % детей родились в геопатогенных зонах. Статистический анализ с помощью преобразования Фишера и учетом соотношения площадей нормальных и геопатогенных зон показал весьма высокую степень достоверности различий (р<0,00001). Следовательно, геопатогенные зоны влияют не только на рождение детей с хромосомными, но и с мендели-рующими заболеваниями.
Аналогичную зависимость удалось обнаружить при анализе неравномерной частоты рождения детей с онкологической патологией (р<0,05). Из 78 больных детей с лейкозом 5 больных, родившихся в геодинамически активных зонах, образовали 4 кластера с больными с хромосомной патологией.
Изучение частоты детей/плодов с множественными ВПР (пороки цен-тральной нервной системы, сердца, легких и др.), родившимися/выяв-ленными в г. Екатеринбурге, обнаружило меньшую статистически значимую разницу между случаями МВПР, пришедшимися на геологически активные зоны и вне пределов таких зон. При этом обратная зависимость выявилась при анализе случаев МВПР, составляющих кластеры, объединенные по тем же критериям. На зоны разломов земной коры пришлось 3 кластера, в то время как в зонах отсутствия разломов — 12
кластеров. Поскольку каждый кластер составлял по 2 случая МВПР, разница составила 6 случаев против 24. Вероятно, это связано с характером происхождения хромосомных аномалий и МВПР. Появление той или иной врожденной аномалии развития определяется временем воздействия повреждающего фактора на плод. Отрезки времени, в течение которых возникают первичные нарушения органогенеза, ведущие к порокам развития, получили название тератогенетических термина-
ционных отделов. Как известно данные отделы длятся со 2 по 12 неделю беременности.
Статистический анализ суммарных данных показал, что частота фенотипических признаков у детей, родившихся в различных зонах, значительно не отличается друг от друга. Кроме того, расчет совокупности количественных изменений с использованием энтропии, свидетельствует о её высоком уровне у всех больных.
Следовательно, можно сделать вывод о том, что, несмотря на экологически разные этиологические факторы, у всех больных имеются общие патогенетические механизмы, проявляющиеся одинаковым фенотипом больных.
Нейтрализация геоэкологического риска от негативного воздействия современной геодинамики при освоении территорий возможна лишь на основе её диагностики и учёте при проектировании.
Диагностика территории включает:
- выявление наличия и местоположения тектонических нарушений;
- изучение состояния и свойств массива горных пород, слагающих структурные блоки и тектонические нарушения;
- определение численных значений параметров современных геодинамических движений в зонах тектонических нарушений и на участках структурных блоков.
Структура диагностируемого участка, состояние и свойства массива горных пород исследуются с применением комплекса геофизических методов:
- исследование эманации газов, в том числе радона;
- электрометрические исследования в различных вариантах;
- спектральное сейсмопрофилирование;
- георадарные исследования геологического разреза.
Определение численных значений параметров современных геодинамических движений осуществляются путем проведения геодезического мониторинга за движениями и деформациями на исследуемом участке в периодическом или непрерывном режимах наблюдений.
Периодические высокоточные геодезические наблюдения производятся с использованием современных цифровых электронных нивелиров и тахеометров, а также комплексов спутниковой геодезии GPS. Изучение короткопериодных современных геодинамических движений
осуществляется постановкой непрерывных наблюдений с применением технологий спутниковой геодезии GPS.
Таким образом, в результате диагностики создаются структурные и геомеха-нические модели территории и определяются численные значения движений и деформаций в массиве горных пород в основании объекта.
Создание сложных и ответственных сооружений на урбанизированной территории с учётом результатов диагностики позволяет снизить риск возникновения катастроф в процессе их эксплуатации за счёт выбора места их расположения или придания необходимых конструктивных особенностей.
Планирование жилищного строительства на основе выявленных взаимосвязей является одним из надёжных и реальных путей профилактики рождения детей с хромосомными аномалиями.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сашурин А.Д. Современная геодинамика и техногенные катастрофы /Геомеханика в горном деле: Доклады международной конференции 19-21 ноября 2002 г. - Екатеринбург ИГД УрО РАН, 2003. - С. 180-191.
— Коротко об авторах ----------------------------------------------------------------------
Сашурин А.Д. - доктор технических наук, заведующая лабораторией, Институт горного дела УрО РАН,
Павлов Г.В. - доктор медицинских наук, профессор, Уральская государственная медицинская академия,
Никитина Н.В. - Областной центр планирования семьи и ребёнка, руководитель отдела, кандидат медицинских наук.
