Геоэкологический мониторинг состояния бронзовых памятников в городской среде

Актуальность исследования. Действующий Федеральный закон Российской Федерации от 10.01.2002 № 7-ФЗ «Об охране окружающей среды» рассматривает материальное культурное наследие народов Российской Федерации в качестве важного компонента среды и непременного объекта охраны от проявления факторов риска, связанного с воздействием агрессивных по отношению к памятникам истории и культуры факторов воздействия на них.

Памятники культурного наследия, выполняют важные социальные функции, служат целям развития образования и культуры, формирования чувства патриотизма, идейно-нравственного и эстетического воспитания молодежи. В другом действующем федеральном законе от 25.06.2002 N 73-ФЗ «Об объектах культурного наследия (памятниках истории и культуры) народов Российской Федерации» отмечается, что памятники истории и культуры России «составляют неотъемлемую часть мирового культурного наследия, свидетельствуют об огромном вкладе народов нашей страны в развитие мировой цивилизации». В этом законе, так же, как и в Конституции России, констатируется, что охрана памятников, культурного наследия в целом — это важная задача государственных органов управления и общественных организаций.

В последние годы памятники культурного наследия все чаще становится жертвой «экологической агрессии» современного индустриального производства, урбанизации и других антропогенных и естественных природных факторов. Их состояние стало в современных условиях одним из характерных индикаторов экологической ситуации. По этой причине изучение изменения состояния объектов культурного наследия, влияния на него разрушающих факторов необходимо не только для спасения памятников, но и для совершенствования управления окружающей средой.

Среди мировых промышленных мегаполисов Санкт-Петербургуникальный по масштабу памятник, сохранивший в основных чертах грандиозный исторический центр. Высокая степень сохранности и подлинности исторических территорий послужила основанием для включения в Список Всемирного наследия ЮНЕСКО исторического центра Санкт-Петербурга вместе с группами памятников пригородов. Угрозы физической утраты (разрушения) уникальных памятников Санкт-Петербурга связаны с процессами естественного старения, которые ускоряют неблагоприятные климатические, геологические и экологические условия, а так же вандализм и интенсивный туризм. Большую роль в этих процессах играют атмосферные загрязнители из-за воздействия которых многие уникальные объекты находятся в активной фазе разрушения [22]. Следует отметить, что нормирование загрязнителей для сохранения объектов, окружающих человека, в том числе и памятников культуры, является актуальной задачей государственного значения [79].

Правительством Санкт-Петербурга принято Постановление от 1.11.2005 года N 1681 «О Петербургской стратегии сохранения культурного наследия», в котором определены основные приоритеты, критерии и направления охраны памятников Санкт-Петербурга. Стратегия призвана обеспечить смысловые, правовые и процедурные аспекты преобразования и совершенствования городского ландшафта, сущность которых определяется формулой «сохранение через развитие, развитие через сохранение». В постановление отмечается необходимость проведения междисциплинарных исследований процессов разрушения исторических памятников, а также воздействий на них различных деструктивных факторов на основе постоянного мониторинга и создание на его основе прогноза развития.

Много лет ученые Российского государственного университета им. А. И. Герцена и Санкт-Петербургского государственного университета совместно со студентами изучают камень в памятниках Санкт-Петербурга и особенности его разрушения [5, 6, 7, 15, 93]. За это время совместно с Музеем городской скульптуры была разработана методика мониторинга состояния каменных памятников [46, 61, 83, 93, 104], которая успешно применяется при экспертизе состояния памятников Санкт-Петербурга, начиная с 2003 года.

Уникальная коллекция бронзовых памятников Санкт-Петербурга, мониторингу состояния которых посвящена настоящая работа, находится в настоящее время в критической ситуации. В условиях загрязненной воздушной атмосферы процессы коррозии металлов и сплавов активизируются. На поверхности памятников происходит образование «дикой» рыхлой патины, часто фиксируются очаги «бронзовой болезни», обусловленной проникновением коррозии вглубь сплава. Закономерности разрушения памятников из меди и медных сплавов в городской среде [32, 99, 113] к настоящему времени исследованы недостаточно. Методика квалиметрической экспертизы их состояния не разработана.

Объект исследования — воздушная среда и бронзовые памятники С анкт-Петербурга.

Предмет исследования — состояние воздушной среды и бронзовых памятников в городской среде.

Цель работы — разработка комплексного методологического подхода к исследованию и прогнозированию состояния бронзовых памятников в городской среде.

Основные задачи:

1 .Разработать базовую оценочную модель по влиянию широкого комплекса деструктивных факторов на состояние объектов культурного наследия, находящихся на открытом воздухе и квалиметрическую расчетную модель по оценке воздействия факторов риска на памятники Санкт-Петербурга.

2.Провести мониторинг состояния воздушной среды в Некрополях музея городской скульптуры и проанализировать особенности воздействия загрязнителей воздуха на бронзовые памятники.

3.Разработать методику геоэкологического мониторинга состояния бронзовых памятников в городской среде:

— предложить квалиметрическую модель для оценки состояния медного сплава;

— разработать неразрушающую спектрофотометрическую методику определения фазового состава патины на поверхности бронзовых памятников;

— создать и разместить в Интернете базу данных по состоянию бронзовых памятников Санкт-Петербурга.

4.Провести экспертизу состояния представительной выборки бронзовых памятников Санкт-Петербурга, изучить закономерности их разрушения и дать рекомендации по комплексу реставрационных и профилактических мероприятий на обследованных памятниках и окружающих их территориях.

Защищаемые положения:

1 .Базовая универсальная оценочная модель, полученная по результатам анализа влияния широкого комплекса деструктивных факторов на состояние объектов из различных материалов, позволяет проводить сравнительный квалиметрический анализ степени воздействия биотических, абиотических, антропогенных и конструкционных факторов на памятники культурно наследия, находящихся в различных географических и экологических условиях.

2.Загрязнители воздушной среды (сернистый и угарный газы, озон и аэрозоли твердых частиц) являются основными компонентами синергетической химической атаки на бронзовые памятники Санкт-Петербурга. Интенсивность деструктивных процессов зависит от места бытования памятника и максимальна в осенне-весенний период.

3. Разработанная методика геоэкологического мониторинга, включающая оригинальную квалиметрическую модель по оценке состояния медного сплава, новый способ определения фазового состава патины in situ и базу данных, является эффективным инструментом при экспертизе состояния бронзовых памятников в городской среде.

4.Патина на бронзовых памятниках Санкт-Петербурга представляет собой композитную биогеохимическую систему, формирующуюся под действием экологических и климатических факторов. Минеральный состав патины представлен соединениями меди и требует постоянного контроля из-за присутствия хлоридов (атакамита, нантакита и кальюметита), являющихся индикаторами бронзовой болезни памятников.

Фактический материал, подходы и методы исследования.

Фактическую основу диссертации составляют результаты трехлетнего мониторинга загрязнителей воздушной среды в Некрополях музея городской скульптуры и состояния представительной выборки бронзовых памятников Санкт-Петербурга, существенно отличающихся по времени нахождения в условиях городской среды (от 20 до 180 лет): Николаю I на Исаакиевской площади, Героям Краснодона в парке Екатерингоф и 40 памятников в Некрополях Музея городской скульптуры.

Измерения содержания загрязнителей воздушной среды (SO2, СО и О3) в Некрополях Музея городской скульптуры с июня 2006 по май 2009 были произведены сертифицированным и аттестованным комплексом «СКАТ» (версия ПАК8816), установленным научно-производственным предприятием «ОПТЭК» в техническом помещении Лазаревской усыпальницы. Анализ проб автоматически выполнялся каждые 20 минут, результаты поступали в базу данных центрального сервера.

Экспертиза состояния бронзовых памятников была проведена по разработанной методике, включающей оригинальную квалиметрическую модель по оценке состояния медного сплава, новый способ определения фазового состава патины in situ и специализированную базу данных.

Для оценки влияния деструктивных факторов, в том числе загрязнителей воздушной среды, на состояние памятников культурного наследия из различных материалов была разработана универсальная базовая модель и квалиметрическая расчетная модель для памятников Санкт-Петербурга.

Работа выполнена на кафедре геологии и геоэкологии РГПУ им. А. И. Герцена. Часть экспериментальных исследований была проведена в лабораториях геологического и биологического факультетов СПбГУ, а также в Институте геологии и геохронологии Докембрия РАН.

Научная новизна. Разработана методика геоэкологического мониторинга состояния бронзовых памятников в городской среде. Предложена неразрушающая спектрофотометрическая методика определения фазового состава патины на поверхности памятников. Разработаны и опробированы квалиметрические расчетные модели по оценке состояния медного сплава в городской среде и воздействию факторов риска на памятники Санкт-Петербурга Создана база данных по состоянию бронзовых памятников Санкт-Петербурга. Впервые проведено детальное эколого-геохимическое исследование патины на поверхности бронзовых памятников Санкт-Петербурга, выявлены закономерности ее изменений.

Теоретическая значимость. Выявлены особенности влияния загрязнителей воздуха на патинообразование и закономерности эволюции патины на поверхности бронзовых памятников Санкт-Петербурга.

Практическая значимость. Разработка методики мониторинга состояния бронзовых памятников и экспертиза состояния 42 памятников Санкт-Петербурга выполнены по контракту с Комитетом по культуре правительства Санкт-Петербурга и Государственным Музеем городской скульптуры. Полученные результаты используются при планировании и проведении реставрационных и консервационных работ на бронзовых памятниках, а также при прогнозировании динамики изменения их состояния.

Результаты проведенных исследований также внедрены в учебный процесс и используются в учебных курсах «Эколого-геологические проблемы и экспертиза памятников культурного наследия» (РГПУ им. А.И. Герцена), а также «Экология памятников культурного наследия» ,.

Кристаллогенетические процессы и биокосные взаимодействия на поверхности памятников в городской среде" (СПбГУ).

Обоснованность и достоверность результатов работы базируется на большом объеме выполненных полевых и лабораторных исследований с применением широкого комплекса современных сертифицированных инструментальных методов и компьютерных технологий, а также анализе отечественных и зарубежных литературных источников по исследуемой проблеме.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты работы докладывались и обсуждались на международных и российских конференциях: VIII — X Международные семинары «Геология, геоэкология и эволюционная география» (Санкт-Петербург, 2008;2010), IX Всероссийская научная конференция «Проектирование инженерных и научных приложений в среде MatLab» (Астрахань, 2009), XI Съезд Российского Минералогического общества (Санкт-Петербург, 2010), XXXVIII — XXXIX научные и учебно-методические конференции СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2009;2010), семинары «Проблемы реставрации и обеспечения сохранности памятников культуры и истории» (Санкт-Петербург, 2010), «Скульптура XVIII — XIX веков на открытом воздухе. Проблемы сохранения и экспонированиия» (Сергиевка, Старый Петергоф, 2010), VII Международная конференция «Геология в школе и вузе: геология и цивилизация» (Санкт-Петербург, 2011).

По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 9 статей (из них 2 в журнале из списка ВАК) и одна коллективная монография, выполнено два отчета по контракту с Комитетом по культуре правительства Санкт-Петербурга и Государственным Музеем городской скульптуры.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы, приложения. Объем диссертации составляет 197 страниц, включая 88 рисунков, 35 таблиц, 114.

Основные результаты работы сводятся к следующему:

1. Подготовлен обзор литературы, в котором рассмотрены коррозия металлов и сплавов, минералы, цвет, структура и стадийность образования патины, а также влияние окружающей среды и внутренних факторов на механизмы патинообразования.

2. Разработана квалиметрическая модель интегральной оценки влияния широкого комплекса внешних и внутренних факторов на состояние скульптурных памятников из различных материалов, которая может быть успешно использована для оценки влияния биотических, абиотических, антропогенных и конструкционных факторов, а также стихийных бедствий на конкретные памятники в различных экологических условиях.

3. Изучены закономерности загрязнения атмосферы в центральном районе Санкт-Петербурга за период июнь 2006 — май 2009 гг. и его воздействие на бронзовые памятники Некрополей музея городской скульптуры. Проанализированы суточные, недельные и сезонные изменения.

Показано, что влияние S02, СО, 03 на состояние памятников Санкт-Петербурга происходит на уровне их концентрации, являющейся нормой для жилой зоны человека. Наиболее интенсивное влияние наблюдается в осенне-зимний период (вблизи 0°С). Концентрация загрязнителей воздушной среды в Некрополях Музея государственной скульптуры существенно отличается показателей Василеостровского района, что указывает на необходимость локальных измерений.

4. Разработана и успешно апробирована на памятниках Санкт-Петербурга методика геоэкологического мониторинга бронзовых памятников в городской среде, включающая следующие этапы:

— Визуальное обследование объекта. Фотодокументация его состояния. Взятие проб патины.

— Получение ЗО-модели памятника по результатам лазерного сканирования.

— Квалиметрическую оценку состояния материала.

— Определение состава патины комплексом инструментальных методов.

— Работу в архиве Музея городской скульптуры.

— Создание и наполнение базы данных по состоянию бронзовых памятников.

3. Для квалиметрической оценки состояния медного сплава памятников предложена двухуровневая расчетная модель, морфологические показатели которой соответствуют характеристикам, используемым реставраторами при предреставрационной экспертизе состояния памятника. Весовые коэффициенты показателей определены на основе их ранжирования квалифицированными экспертами.

Апробация модели произведена на 40 медных и бронзовых памятниках Некрополей Музея городской скульптуры.

4. Для хранения и структуризации получаемых в результате мониторинга фактических данных создана и размещена в интернете специализированная база данных по состоянию бронзовых памятников Санкт-Петербурга. База состоит из трех главных разделов: «Материалы», «Общие сведения», «Результаты экспертиз».

В справочнике «Материалы» приводятся данные по архитектурным и скульптурным памятникам Санкт-Петербурга.

В разделе «Общие сведения» для каждого памятника приведена историческая справка, имена скульптора/архитектора, детальное описание каменных и других материалов, даты и содержание реставрационных и консервационных работ.

В разделе «Результаты экспертизы» для каждого памятника представлены данные датированных материаловедческих экспертиз.

5. Разработана спектрофотометрическая методика определения фазового состава патины на поверхности памятников in situ. Измерены и проанализированы спектры диффузного отражения природных аналогов основных минералов патины и выявлены их отличительные параметры.

Показана возможность определения фазового состава патины с поверхности бронзовых памятников путем моделирования — подгонки МНК экспериментального и рассчитанного спектров: 8 = £(11эксп — Красч)2/ИК2ЭКСп, где Яэксп — экспериментальные коэффициенты отражения от патины, КраСчкоэффициенты отражения от патины.

6. С использованием разработанных приемов проведена экспертиза состояния 42 бронзовых памятников Санкт-Петербурга и даны рекомендации по комплексу соответствующих реставрационных и профилактических мероприятий.

7. Впервые проведено детальное экологогеохимическое исследование патины на бронзовых памятниках Санкт-Петербурга. Проанализирован ее минеральный и элементный состав, его изменения во времени, диагностированы очаги «бронзовой болезни» .

Показано, что патина представляет собой сложную композитную биогеохимическую систему. Минеральный состав представлен оксидами, сульфатами и карбонатами меди, образование которых происходит при реакции сплава с кислородом воздуха и загрязнителями воздушной среды (802, СО). Кроме того, присутствуют хлориды меди, образование которых связано с наличием ионов хлора, попадающих на поверхность памятника преимущественно из-за посыпания в зимнее время окружающей территории солью. Основные изменения во времени связаны с вариациями соотношения оксидов и солей меди, которые постоянно подвергаются гидратации и дегидратации. Время превращения однослойной патины в двухслойную существенно варьирует (от нескольких лет до десятков лет), что связано с сохранностью барьерного слоя и конструкционными факторами (однородность сплава и поверхности).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.