Формирование новой науки - экологической геологии

До 80-х годов прошлого столетия об экологических проблемах литосферы не упоминалось. Однако вскоре глобальный экологический кризис все более стал проявляться в верхних слоях земной коры. По этой причине в геологии постепенно стали акцентировать внимание на экологических проблемах. Экологическая геология зародилась в недрах инженерной геологии, изучающей свойства и динамику верхних горизонтов земной коры в связи с инженерно-хозяйственной деятельностью человека (по определению И.В. Попова). Задачи инженерной геологии первоначально охватывали достаточно узкий спектр вопросов, например, в сфере строительства, в т.ч. геологическое обоснование проектов зданий, дорог, карьеров, плотин, ГЭС, и т.д. Поэтому инженерная геология была чрезмерно антропоцентричной, учитывала только экономическую прибыльность того или иного хозяйственного проекта, оставляя без внимания экологическую составляющую вопроса.

Со временем такое положение стало меняться, т.к. все более осознавалась связь между геологической средой и человеческим обществом. Благодаря этому фактору впоследствии в инженерной геологии стало разрабатываться направление, исключающее негативные последствия инженерной деятельности человека в литосфере.

Перед инженерной геологией были поставлены задачи защиты геологической среды и вопросы рационального использования ресурсов литосферы. В это время зародилось новое направление в инженерной геологии - инженерная геоэкология, наука, занимающаяся практическими и теоретическими вопросами экологии верхних горизонтов литосферы. Так инженерная геоэкология передала эстафету более универсальной науке — экологической геологии, изучающей вопросы экологии литосферы и различных геосфер Земли в их взаимосвязи.

Большой вклад в формирование экологической геологии внесли работы В.И. Вернадского по геохимии биосферы. Учение Вернадского о геосферах Земли привнесло серьезный стимул для дальнейших исследований в развитии новой науки.

И, наконец, только к концу 20-века появилось осознание того, что методами инженерной геологии нельзя решить глобальных экологических проблем литосферы. Появилась необходимость в разработке следующих наук:

• экологической геохимии: для изучения вопросов загрязнения литосферы и миграции в ней элементов с точки зрения их влияния на экосистемы;
• экологической геофизики: для изучения физических полей литосферы Земли с точки зрения их влияния на экосистемы;
• экологической гидрогеологии: для изучения вопросов загрязнения подземных вод.

Все вышеперечисленные науки объединились сегодня в одну большую науку - экологическую геологию.

Взаимосвязь экологической геологии с естественными науками

Экологическая геология находится на стыке экологических и геологических дисциплин

Рис.1 Место экологической геологии в системе наук (По А.Д. Абалакову)

Экологическая геология - это синтез двух взаимосвязанных наук: геологических и экологических, куда входят также естественные, точные, медицинские и социально-экономические дисциплины. Центральную часть в ней занимает геоэкология – междисциплинарное научное направление, изучающее экологические аспекты взаимодействия природы и общества (Ясаманов, 2003)

Структура экологической геологии

Экологическая геология развивается по принципу «экологизации» основных разделов геологии и включает дисциплины, с экологических позиций изучающие:

• состав и свойства Земли (экологическая петрология, геохимия, гидрогеология, геофизика);
• геологические процессы (экологическая геодинамика);
• роль органической жизни в формировании литосферы и месторождений полезных ископаемых (экология литогенеза и экология полезных ископаемых);
• геологическую среду (инженерная экологическая геология);
• дисциплины методического содержания (экологическая картография и геоинформатика).

Основными разделами экологической геологии являются:

• экологическая петрология;
• экологическая геодинамика;
• экологическая геоморфология;
• экологическая геохимия;
• экологическая геофизика;
• экологическая гидрогеология;
• специальная экологическая геология, включающая эколого-геологические аспекты проектирования и строительства. В ее состав можно включить рекреационную экологическую геологию.

Рис. 2. Структура экологической геологии (По А.Д. Абалакову)

Экологические функции литосферы

Объект изучения экологической геологии - верхние горизонты литосферы как абиотическая компонента природных и антропогенно измененных экосистем высокого уровня организации. Она изучается биотопы экосистем, их экологическую роль и эколо¬гические функции литосферы. Тесно связанные основные функции литосферы - ресурсная, геодинамическая, геофизическая и геохимическая.

Классификация экологических функций литосферы

Классификация экологических функций литосферы включает:

• Геодинамическую экологическую функцию литосферы - отражает свойство литосферы влиять на состояние биоты, безопасность и комфортность проживания человека через природные и антропогенные геологические процессы и явления. Она изучается экологической геодинамикой _[3].

• Геохимическую экологическую функцию литосферы - отражает свойство геохимических полей (неоднородностей) природного и техногенного происхождения влиять на состояние биоты в целом и здоровье человека в частности. Она изучается экологической геохимией _[3].

• Геофизическую экологическую функцию литосферы - отражает совокупность свойств геофизических полей полей (неоднородностей) литосферы влиять на состояние биоты и человека. Она изучается экологической геофизикой _[3].

• Ресурсную экологическую функцию литосферы - определяет роль минеральных органических и органоминеральных ресурсов литосферы, а также ресурсов геологического пространства, необходимых для жизни и деятельности биоты как в качестве биогеоценоза, так и социальной структуры (человеческое сообщество). Она изучается экологическим ресурсоведением _[3].

Можно выделить четыре класса состояния литосферы:

• удовлетворительное или благоприятное;

• условно удовлетворительного или неблагоприятное;

• неудовлетворительное или весьма неблагоприятное;

• катастрофическое - ему соответствует четыре зоны нарушения экосистемы – нормы, риска, кризиса и бедствий.

Геодинамическая функция

Геодинамическая экологическая функция литосферы - это функция, отражающая способность литосферы влиять на состояние биоты, безопасность и комфортность проживания человека через природные и антропогенные (техногенные) геологические процессы и явления. _[1]

Объект изучения эколого-геодинамических исследований - геологические процессы и геодинамические зоны и аномалии.

Предмет изучения – знания о воздействии этих компонентов литосферы на биоту. Их проявление связано как с факторами извне (космическими), так и с разрядкой напряжений в геофизических полях Земли, а влияние геологических процессов на биоту – с преобразованием рельефа.

Реализация геодинамической функции проявляется как непосредственно -через негативное по отношению к биоте явления, так и опосредованно - через геофизическую, ресурсную, или геохимическую функции. Например, оценку эрозии можно рассматривать через интенсивность процесса и количественную охват ею определенной территории (геодинамический критерий оценки), или через потерю или сокращение земельных ресурсов и запасов гумуса (ресурсный критерий оценки).

Существует два подхода к оценке воздействия геодинамического фактора литосферы на биоту. Первый подход связан с анализом и оценкой воздействия отдельных геологических процессов на человека и проявляет экологические последствия этих процессов. Второй связан с изучением современных геодинамических зон и аномалий литосферы и их воздействием на биоту. Эти факторы определяют состояние массивов горных пород, участков повышенной трещиноватости, проницаемости, влияющих на особенности циркуляции подземных вод, увеличение количества геологических и экологически опасных техногенных процессов.

Геодинамические аномалии влияют на процесс проникновения физических и химических загрязнителей в литосферу, окружающий ландшафт, биологические объекты, на здоровье человека и снижают ценность почвенных ресурсов.

Иерархия структуры геодинамической экологической функции литосферы:

Первый уровень - все геологические процессы и геодинамические зоны.

Второй уровень - группы геологических, других природных и техногенных процессов, различающихся по характеру проявления и воздействия на экосистему и человека, и геодинамические аномалии.

Рис. 3 Структура геодинамической экологической функции литосферы (По А.Д. Абалакову)

Особенностью эколого-геодинамической функции литосферы является проявление негативных и позитивных свойств к развитию и пространственному распространению биоты. Некоторые геодинамические процессы не проявляют прямого воздействия на биоту, а другие оказывают катастрофическое воздействие на растительный покров, животный мир и человека.

Геофизические функции

Геофизическая экологическая функция литосферы – это влияние геофизических полей литосферы на состояние биосферы.

Объект изучения - геофизические поля, их аномальные проявления вплоть до образования геопатогенных зон.

Предмет исследования – взаимодействие полей с биотой и их влияние на состояние биоты.

Любое отклонение от естественных условий несет с собой опасность возникновения негативных для биоты последствий. В ответ на такое воздействие живые организмы могут адаптироваться или патологически измениться.

Геофизические поля – естественные физические поля космического и земного (ионосферного, атмосферного, гидросферного, литосферного, глубинного) происхождения, а также техногенные поля, действующие в пределах литосферы, преобразованные и распределенные ею. _[1]

Геофизические поля делятся на:

-гравитационное (поле силы тяжести); - магнитное; -электрического тока (постоянного, переменного и медленно меняющегося); -температурное; -сейсмическое (поле упругих механических колебаний); -радиационное (поле ионизирующего излучения).

Наиболее экологически значимые - гравитационное, температурное, геомагнитное, электрическое и радиационное поля.

Геофизические поля (естественные и техногенные), накладываясь друг на друга, создают вблизи земной поверхности (по обе стороны от нее по вертикали) энергосферу (область существования избыточного энергетического потенциала). В пределах этой сферы происходит энергообмен между Землей и космическим пространством, объектами живой и неживой природы. Естественные и техногенные геофизические поля не существуют раздельно, они накладываются друг на друга в соответствии с принципом суперпозиции (наложения).

Проблемы геофизической экологической функции литосферы:

1. экологическое воздействие геофизических полей на природные и природно-технические экосистемы;
2. техногенное физическое загрязнение литосферы;
3. геопатогенез.

Геохимические функции

Геохимическая экологическая функция литосферы – это влияние геохимических полей литосферы на состояние биоты в целом.

Объект исследований - вещественный, химический состав компонентов литосферы (горные породы, минералы, донные осадки, почвы, подземные воды, нефть, газы) и формируемые ими поля природного и техногенного происхождения.

Предмет исследований – знания о геохимической экологической функции и геохимических свойствах литосферы.

Геохимические неоднородности литосферы – это геохимические зоны, геохимические провинции и геохимические аномалии, являющиеся функциональными территориальными (точнее объемными) единицами эколого-геохимических исследований.

Геохимические неоднородности литосферы делятся на:

• литохимические, обусловленные составом горных пород, почв, донных осадков, техногенных грунтов;
• гидрохимические – подземных вод;
• атмохимические – газовым составом почв, горных пород, подземных вод;
• сноухимические – снегового покрова;
• биохимические – биоты.

По генезису среди геохимических неоднородностей литосферы следует выделять:

• природные (естественно-исторические), сформировавшиеся в ходе геологической жизни планеты;
• природно-техногенные (новообразованные), формирование которых произошло в эпоху техногенеза вследствие использования высокоотходных технологий при низком уровне внедрения средозащитных мероприятий.

Выделяются три пути воздействия химических элементов литосферы на биоту и человека _[2]:

– воздушный – через попадание токсикантов в виде газа или аэрозолей в организм человека; – водный – через подземные воды, употребляемые для

питьевого водоснабжения;

– пищевой – через трофическую цепь от загрязненных растений к животным и человеку.

Чаще всего они проявляются совместно, усугубляя негативное воздействие на население, проживающее в зоне воздействия геохимических факторов. Принятие природоохранных мер не может быть основано лишь исключительно на оценке загрязнения местности через медико-статистические показатели (заболеваемость, смертность населения и т. д.), а требует установления среды и источников загрязнения и путей попадания токсикантов в организм человека.

Ресурсные функции

Ресурсная функция – это способность литосферы обеспечивать потребности биоты минеральными органическими и органоминеральными ресурсами.

Потребности человека при этом не должны вступать в противоречие с потребностями биоты. В современном мире отмечается ресурсная напряженность, обусловливающая необходимость перехода человечества к системному ресурсному мышлению. Этот переход должен совершиться в ближайшие годы, поскольку человечество для этого имеет, по оценкам экспертов, всего 3—4 десятилетия. Важнейшая проблема экологической геологии - выработка теоретического фундамента, описывающего ресурсы литосферы.

Антропогенное воздействие на литосферу

Широко распространено заблуждение, что в отличие от живых организмов, чутко реагирующих на техногенные воздействия, сама Земля может выдержать техногенные загрязнения и катастрофы (подземные ядерные взрывы, захоронение токсичных отходов, хищническую эксплуатацию недр и т.д.). Это глубоко ошибочное мнение приводит к бесконтрольному превышению предельно допустимых уровней техногенных воздействий на литосферу. Невзирая на запреты подземных ядерных испытаний, некоторые страны (Франция, Китай) все еще продолжают их проводить, тем самым совершая экологические преступления против всего человечества.

К стрессовым факторам литосферы еще относится создание свалок твердых бытовых отходов, загрязнение промышленными стоками подземных вод и вследствие этого сокращение запасов на Земле питьевой воды, а также механическое, термическое, электромагнитное и другие виды воздействий на верхние слои литосферы.

Количество коммунальных отходов, приходящихся за год на одного человека, в некоторых странах достигает огромных величин (табл. 2), а их утилизация представляет серьезную проблему во всем мире. В результате антропогенного воздействия Земля превращается в гигантскую свалку, литосфера испытывает необратимые экологические изменения, последствия которых катастрофичны.

Таблица 2. Количество коммунальных отходов, образующихся за год в некоторых странах

Если к 1985 году суммарная площадь суши, покрываемая всеми видами инженерных сооружений (здания, дороги, водохранилища, каналы и т.п.), составляла около 8%, то к 1990 году она превысила 10%, а к 2000 году может возрасти до 15%, то есть приблизиться к величине 1/6 площади суши Земли. Если же сюда прибавить площади, используемые на Земле под сельское хозяйство, то получится, что этими видами деятельности затронуто около половины суши (без Антарктиды). При этом надо иметь в виду, что поверхность и подземное пространство литосферы "осваиваются" очень неравномерно.

Например, территория Московской области уже к 1985 году была застроена на 16%. В ряде мест, особенно в городах, концентрация различных инженер¬ных сооружений достигает очень большой величи¬ны. На урбанизированных территориях практически невозможно найти неизмененные участки литосферы или девственные, неизмененные участки рельефа. На рис. 5 показана карта техногенного изменения рельефа территории Москвы, из которой следует, что доля площадей города с практически неизмененным рельефом весьма мала.

Рис. 5. Степень техногенной измененности рельефа на территории Москвы: 1 - сильно измененный рельеф (изменены абсолютные отметки, глубина расчленения более 3 м/км2, засыпана гидросеть); 2 - частично измененный; 3 - практически неизмененный; 4 - утраченная гидросеть; 5 - границы долинного комплекса (по Л.В. Бахиревой и др.,1989).

"Освоение" литосферы идет не только вширь, но и вглубь _[3]. Полезные ископаемые добываются все с большей глубины. Растет число шахт и карьеров глубокого заложения, увеличивается глубина буровых скважин (достигших отметки 12 км). Из-за недостатка площадей в городах человек все в большей степени осваивает и использует подземное пространство (метро, переходы, тоннели, хранилища, архивы). Наибольшее по масштабам техногенное воздействие человека на литосферу обусловлено, прежде всего такими видами деятельности, как горнотехническая (добыча и переработка полезных ископаемых), инженерно-строительная, сельскохозяйственная и военная. Все они действуют как мощный геологический фактор, меняющий лик Земли, состав, состояние и свойства литосферы, а, следовательно, как фактор, влияющий на состояние экосистем _[3].

Можно привести много примеров, раскрывающих масштабы техногенных воздействий на литосферу. Ограничимся некоторыми:

В настоящее время общая протяженность железных дорог на Земле составляет более 1400 тыс. км., то есть в 3,5 раза больше, чем расстояние от Земли до Луны. И на всем этом протяжении нарушается почвенный покров, меняются геологические условия прилегающих к дороге территорий, возникают новые геологические процессы. Протяженность автомобильных дорог в мире еще больше. Вдоль автотрасс также происходит нарушение геологических условий. Подсчитано, что при прокладке 1 км. дороги нарушается около 2 га растительного и почвенного покрова.

Суммарная длина берегов только искусственных водохранилищ, построенных на территории бывшего СССР к середине 80-х годов, равнялась длине экватора Земли. На всем их протяжении продолжают развиваться различные геологические процессы (активизация склоновых процессов, переработка берегов, подтопление и т.д.). Протяженность магистральных оросительных и судоходных каналов на территории СНГ, также изменяющих геологическую обстановку, намного больше и составляет около 3/4 расстояния от Земли до Луны. Эти цифры для Земли в целом еще больше, а об объемах перемещаемых грунтов и темпах строительства лишь некоторых крупных каналов свидетельствуют данные, приведенные в табл. 2.

Таблица 2. Объемы и темпы строительства крупнейших каналов

Техногенная деятельность человека может приводить к воз¬никновению землетрясений. Это явление называется "наведенной сейсмичностью". Чаще всего такие землетрясения возникают в связи с созданием крупных и глубинных водохранилищ. Сейсмические колебания земной коры могут возникать также при подземных ядерных испытаниях, которые могут стать "спусковым крючком".

К опасным факторам относятся искусственные грунты, покрывающие уже более 55% площади суши Земли. Их распространение неравномерно, в ряде урбанизированных районов искусственные грунты покрывают 95 — 100% территории, а их мощность достигает нескольких десятков метров. Интенсивность образования искусственных грунтов на территории СНГ показана на рис. 6, из которого следует, что особенно сильно этот процесс идет в европейской части России, на Украине, в Молдавии, Закавказье и на юге Сибири. Среди техногенных грунтов самые опасные те, которые формируются из различных видов отходов.

Рис. 6 Интенсивность образования искусственных грунтов натерритории СНГ: 1 -очень высокая; 2-высокая; 3 - средняя; 4 - низкая; 5 - очень низкая; 6 - прирост искусственных грунтов не отмечается.

Например, при строительстве топливно-энергетических комплексов образуются огромные массы искусственных грунтов. При открытом способе разработки угольного разреза перемещается огромная масса угля и вскрышных пород. Сжигаемый уголь превращается в золу и шлаки, поступающие в отвалы, масштабы которых достигают гигантских размеров.

Утилизация шлаков — огромная экологическая проблема всей планеты. Если удаление золы из топок ТЭС происходит водным способом (гидроудаление), то зола по пульпопроводу сбрасывается в пруды-отстойники, на дне которых осаждаются огромные массы искусственных зологрунтов. В итоге намытыми зологрунтами покрываются значительные площади, происходит деградация природных ландшафтов и экосистем.

Таблица 3. Объемы отвалов искусственных грунтов на Земле, образующихся при горнотехнической деятельности, км3

Антропогенные воздействие на литосферу привело к изменению геофизических полей Земли — гравитационного, магнитного, электрического, радиационного, теплового. Они техногенно искажены в неблагоприятном для экологии человека и других организмов направлении.

Геологические характеристики экологического кризиса

Главнейшим фактором глобального экологического кризиса на Земле стала техногенная деятельность человека. Техногенное развитие цивилизации носит катастрофически быстрый, точнее взрывной характер. Индустриальная революция в мире привела к глобальному вмешательству человека в литосферу, прежде всего при добыче полезных ископаемых. Так, например, количество только механически извлекаемого человеком материала в литосфере Земли при добыче полезных ископаемых и строительстве превышает 100 миллиардов тонн в год, что примерно в четыре раза больше массы материала, сносимого водами рек в океаны в процессе денудации, размыва суши (рис. 4).

Рис.4. Объемы некоторых потоков минеральных веществ на Земле в млрд. т за один год (по Л.Г. Бондареву).

Ежегодный объем наносов, перемещаемых всеми текучими водами на земной поверхности, составляет не более 13 км3, то есть в 30 раз меньше, чем перемещается горных пород при строительстве и добыче полезных ископаемых. При этом надо иметь в виду, что суммарная мощность производства в мире удваивается каждые 14—15 лет. То есть антропогенная деятельность по своим масштабам и интенсивности стала не только соизмеримой с природными геологическими процессами, но существенно их превосходит, на что указывал еще В.И. Вернадский, не видя, однако, в этом никакой угрозы цивилизации.

На огромных площадях поверхности Земли и в ее недрах на наших глазах происходит активизация различных неблагоприятных геологических процессов и явлений (оползней, селей, подтоплений и заболачиваний территорий, засолений почв и т.п.), вызванных или активизированных человеком, его неразумной хозяйственной деятельностью. Такие процессы искусственного происхождения стали называть инженерно-геологическими. По мере углубления экологического кризиса масштабы их проявлений на Земле все более возрастают. Инженерно-геологические процессы происходят наряду с природными геологическими, но их интенсивность, концентрация и другие параметры существенно превышают аналогичные природные.

Заключение

Пока человек не в состоянии предотвратить многие опасные и катастрофические геологические процессы. Однако в арсенале методов инженерной геологии накоплен огромный научный опыт по прогнозу геологических и инженерно-геологических процессов, направленным на инженерную защиту территорий и снижение ущерба. Таким образом, в обостряющемся на Земле экологическом кризисе роль различных геологических и инженерно-геологических процессов, происходящих в литосфере, огромна, что необходимо иметь в виду при решении экологических проблем. В связи с этим в современных условиях значение инженерной и экологической геологии в жизни общества неизменно возрастает.

Список литературы: