Горнодобывающая промышленность оказывает огромное воздействие на окружающую среду. Руководитель геоинформационного центра Института геологии КарНЦ РАН Наталья Крутских разработала и апробировала систему анализа степени этого влияния с помощью методов дистанционного зондирования. Изучение спутниковых снимков позволило оценить, как изменялся ландшафт, в том числе лесные и водные объекты, на территории Костомукшского железорудного месторождения.

Добыча полезных ископаемых играет большую роль в экономике регионов. При этом горнодобывающая промышленность коренным образом изменяет окружающие ландшафты и оказывает огромное влияние на местные экосистемы. Наиболее уязвимы арктические и субарктические регионы.

В окрестностях Костомукши

Как правило, при изучении воздействия на окружающую среду исследуется состояние почвы, воды, растительности. Однако значительная часть динамики экосистемы происходит в масштабах ландшафта в целом. Изучить её в ретроспективе на примере Костомукшского железнорудного месторождения позволили данные дистанционного зондирования. Руководитель геоинформационного центра Института геологии КарНЦ РАН Наталья Крутских проанализировала космоснимки за период с 1978 по 2019 год. Результаты её исследования опубликованы в международном журнале Physics and Chemistry of the Earth.

Для работы использовались космоснимки программы Landsat. Учёный по спектральным данным спутниковых изображений провела классификацию поверхности земли и выделила пять классов:

1. Горный или карьер;
2. Открытая поверхность, земля;
3. Вода;
4. Лес, густая растительность;
5. Болота, скудная растительность.

Изменения классов землепользования и земельного покрова с 1978 по 2019 год

При сравнении полученных изображений отчётливо виден масштаб изменений. Например, в 70-х годах — в самом начале разработки карьера — первый класс отмечен минимально. К 1990 году он занимает площадь 17,4 тыс. кв. км, а к 2019 году его размеры увеличиваются втрое до 55,5 тыс. кв. км. Наиболее интенсивно площадь карьеров увеличивается в 2006—2014 гг., темпы прироста составляют 2,2 тыс. кв. км в год.

Параллельно с этим меняется площадь класса «открытая поверхность», который включает в себя вырубки. Во многом она образовалась в связи с расчисткой территории под карьер. И если в первые годы эта площадь уменьшается из-за перехода в класс «горный» и класс «водный» (начинаются разработки, а Костомукшское озеро увеличивается в связи с созданием водохранилища), то затем снова начинает активно расти. Это происходит из-за освоения территории и развития лесозаготовок. В результате максимальный прирост класса наступает в период 1996—2000 гг. в основном за счёт вырубки лесов.

Пропорционально меняется и площадь класса «лес». Максимальной она была в начальный период. В 1978 году лесные массивы занимали здесь 500,4 кв. км. К 2006 году площадь леса составляла уже 340,9 кв. км. К 2019 году часть вырубок заросла и размер класса вновь увеличился.

Дешифрирование космоснимков ярко демонстрирует изменения водных объектов. Образование водохранилища на Костомукшском озере приводит к более чем двукратному увеличению площади класса «вода»: с 29,3 кв. км в 1978 году до 62,6 — в 1990 г. Затем озеро начинают использовать для хранилища «хвостов» — отходов обогащения полезных ископаемых, состоящих из пустой породы. В результате постоянного их намывания доля класса «вода» снизилась, и в 2019 году его площадь составила 53,8 кв. км.

Руководитель геоинформационного центра Института геологии КарНЦ РАН Наталья Крутских

Наталья Крутских также проанализировала изменение геосистемы в пространстве и времени с помощью специальных ландшафтных метрик. Это позволило составить картину пространственной нарушенности территории в различные годы. Так, в доиндустриальный период наблюдаются преимущественно ненарушенные территории, зона низкой пространственной нарушенности занимает 93 % от общей площади. Для 2006 года характерно увеличение площади высоконарушенных территорий (68 %). К 2019 году за счёт восстановления ландшафтов, в том числе зарастания вырубок и уменьшения общей фрагментации, этот показатель снижается до среднего значения.

Ещё одно применение методы дистанционного зондирования нашли при изучении динамики грунтовых вод в горнодобывающих районах. По словам ученых, добыча полезных ископаемых приводит к нарушению режима подземных вод и появлению вокруг карьера депрессионной воронки, которая увеличивается в размерах по мере роста и осушения карьера. Конус депрессии формируется при откачке воды из скважины — котлована, горной выработки. Если смотреть в разрезе, уровень поверхности подземных вод приобретает воронкообразную форму с уклоном к месту откачки.

«Спектральные характеристики поверхности при спутниковой съемке дают представление о влажности растительности. Если воды недостаточно, это зафиксируется. В результате по состоянию растительности мы можем понять, что происходит с подземными водами на изучаемой территории», — отметила Наталья Крутских.

Исследование показало, что наибольшие отрицательные изменения проявляются для всех классов растительности в пределах конуса депрессии. При этом травы и кустарники меньше реагируют на изменение уровня грунтовых вод, а древесный ярус, особенно лиственные, сильнее. Наиболее чувствительна к антропогенному влиянию растительность водно-болотных угодий. Также отмечено, что на участках, ранее вовлечённых в зону депрессии, наблюдается адаптация растительности к водному стрессу.

В исследовании отмечается, что изучаемый район относится к зоне влажного климата с высоким среднегодовым количеством осадков, что компенсирует водный стресс от воздействия карьера и он заметен здесь в меньшей степени.

«Оценка трансформации ландшафтов необходима для принятия мер по защите экосистемы. Наше исследование показывает поведение геосистем, находящихся в сходных природных условиях, и позволяет лучше понять адаптивные механизмы, которые помогают системе проявлять устойчивость под воздействием внешних нагрузок. Эти методы могут стать частью экологического мониторинга территории», — добавила Наталья Крутских.

На примере Костомукшского месторождения Наталья Крутских отработала методику исследования, в дальнейших планах апробировать её на других схожих объектах в северном регионе.

Источник: КарНЦ РАН.