Современная экологическая обстановка в отдельных странах и регионах оставляет желать лучшего. Миссия нашего сайте — обеспечить русскоязычных жителей планеты Земля актуальной информацией о защите окружающей среды, экологической безопасности и экологии в целом.

Полезные ресурсы и публикации:
-

А.Н. Витченко
Геоэкология

Курс лекций. Минск, 2002.

Предыдущая

Лекция 10. Геоэкологические функции литосферы

Литосфера представляет собой верхнюю твердую оболочку планеты толщиной от 50 до 200 км, имеющую большую прочность и переходящую без определенной резкой границы в нижележащую астеносферу. Сверху литосфера ограничивается гидросферой и атмосферой, частично проникающими в нее. Литосфера является геологической основой ландшафта, почв, средой обмена веществом и энергией с атмосферой и поверхностной гидросферой, через нее осуществляется круговорот воды в природе. Она служит накопителем пресных вод, входящих в структуру наземной биоты, обеспечивая процессы ее жизнедеятельности. Литосфера – среда сосредоточения природных минеральных ресурсов, необходимых для функционирования и развития человечества как общественной социальной структуры. В связи с этим свойства литосферы требуют особого рассмотрения в первую очередь с позиции ее геоэкологических функций, как продукта природного и техногенного развития верхней части земной коры.

Под геоэкологическими функциями литосферы понимается все многообразие функций, определяющих ее роль и значение, в жизнеобеспечении биоты и человеческого общества. Все геоэкологические функциональные зависимости между природной и техногенно преобразованной литосферой, с одной стороны, и биотой и человечеством, с другой, можно свести к четырем основным группам: ресурсной, геодинамической, геофизической и геохимической.

При этом следует учитывать, что геоэкологические функции литосферы и их современная выраженность обусловлены эволюционным развитием Земли под воздействием природных и техногенных факторов. На фоне эволюции природных сред в геологической истории Земли с рассматриваемых нами позиций (тенденции в развитии геоэкологических функций литосферы) можно выделить два основных временных этапа. Первый этап – природный, охватывает временной период от зарождения жизни на Земле (около 3,5 млрд лет назад) до появления человеческой цивилизации и второй этап – природно-техногенный, охватывающий временной интервал порядка 200 лет и являющийся главным образом порождением техногенеза.

Ресурсы литосферы на первом из этих этапов характеризовались накопительной функцией, сделавшей возможным не только эволюционное развитие органического мира, но и создавшей материальный базис для появления человеческой цивилизации. Это период накопления минеральных ресурсов литосферы, ее топливно-энергетического потенциала. Со вторым, природно-техногенным этапом развития, связано коренное изменение сущности ресурсной функции. Период накопления многих ресурсов сменился периодом интенсивного и прогрессирующего их потребления, в том числе и ресурсов не возобновляемых. В настоящее время мировое сообщество уже ставит вопрос о приближении периода их полной сработки. Сказанное в равной мере касается и дефицита геологического пространства, наиболее ощутимого в малых по площади странах с большей численностью населения.

Геодинамическая функция литосферы более сжата в геологическом времени по сравнению с ресурсной и в качестве таковой рассматривается с момента альпийского орогенеза и особенно новейшего этапа его проявления, когда сформировался современный рельеф планеты, а в голоцене – и основные черты ее ландшафтно-климатической зональности. Более ранний период, когда этапы активизации геологических процессов сменялись этапами относительного покоя, не имеет четкого выражения в закономерностях пространственного развития современных геологических процессов. За рамками рассмотрения остается и оценка влияния прошлых геологических процессов на органический мир. И хотя сам факт такого влияния сомнений не вызывает, значимость этого фактора разными учеными трактуется далеко не однозначно и до сих пор остается предметом острых дискуссий. Это касается и крупномасштабных, и глобальных катастроф. Их связывают как с земными, так и с космическими причинами.

На втором, природно-техногенном этапе развития, ведущая роль в становлении геодинамической функции переходит к техногенному воздействию, с которым связана не только интенсификация деструктивных процессов, но и их динамика. Можно уверенно говорить о резком возрастании роли геодинамической функции литосферы на современном этапе развития и о принципиально новом, более интенсивном, уровне ее влияния на биоту и комфортность существования человека. Одновременно следует учитывать, что техногенез не только вызывает к жизни новые негативные процессы или активизирует природные, но в ряде случаев позволяет снижать их активность и осуществлять локализацию. Последнее можно рассматривать как отличительную, специфическую черту геодинамической функции, открывающей возможность управления экзогенными геологическими процессами с помощью мер инженерной защиты объектов, сооружений и территорий.

Геофизическая и геохимическая функции литосферы как продукт эволюции Земли занимают свою геоэкологическую нишу. Первый этап их становления охватывает весь период развития Земли до начала техногенеза и является временем формирования подавляющей части аномалий геохимических и геофизических полей, включая геопатогенные. Динамика и масштабы этого процесса тесно связаны с этапами эволюции Земли и определялись только природными факторами.

На природно-техногенном этапе развития эти функции получили четкую техногенную обусловленность и часто являются ведущими при оценке современного состояния геосистем. На урбанизированных территориях, в промышленных и горнодобывающих районах, в зонах интенсивного земледелия именно они стали во многом определять комфортность существования, а часто и медико-санитарные условия жизни человека. По сути, такое качество рассматриваемые функции приобрели только в эпоху техногенеза, когда стали формироваться техногенные геохимические и физические аномалии. По площади распространения и глубине воздействия на биоту, включая человека, они значительно опаснее многих природных аномалий.

Ресурсная геоэкологическая функция литосферы определяет роль минеральных, органических и органоминеральных ресурсов, геологического пространства литосферы для жизнедеятельности биоты и человеческого общества. Она включает в себя минеральные ресурсы литосферы, необходимые для жизни биоты; минеральные ресурсы, необходимые для человеческого общества как социальной структуры; ресурсы геологического пространства – площадные и объемные ресурсы литосферы, необходимые для расселения и существования биоты, включая человека как биологический вид и человечество как социальную структуру. Первые два аспекта связаны с изучением и оценкой минеральных, органических и органоминеральных ресурсов литосферы, в том числе подземные воды. Последний вид ресурсов обусловлен геоэкологической емкостью геологического пространства, охватывающего приповерхностную часть литосферы как в площадном, так и объемном измерении.

Ресурсы литосферы, необходимые для жизни биоты, включая человека как биологический вид, представлены четырьмя составляющими:

1) горными породами, включающими в себя элементы биофильного ряда – растворимые элементы, жизненно необходимые организмам и называемые биогенными элементами;

2) кудюритами – минеральными веществами кудюров, являющихся минеральной пищей животных – литофагов;

3) подземными водами.

Элементы и их соединения, составляющие основу биофильного ряда и требующиеся биоте в больших количествах, называют макробиогенными (углерод, кислород, азот, водород, кальций, фосфор, сера), а в малых количествах – микробиогенными. Для растений это Fe, Mn, Cu, Zn, B, Si, Mo, Cl, V, Ca, которые обеспечивают функции фотосинтеза, азотного обмена и метаболическую функцию. Для животных требуются как перечисленные элементы (кроме бора), так и дополнительно селен, хром, никель, фтор, йод и олово. Несмотря на малые количества все эти элементы необходимы для жизнедеятельности биосистем и выполнения живыми организмами биогеохимических функций.

Важным аспектом, связанным с пониманием жизнедеятельности биоты, являются биогеохимические циклы. Это в большей или меньшей степени замкнутые пути циркуляции химических элементов, входящих в состав клеточной протоплазмы из внешней среды в организм и опять поступающих во внешнюю среду. В таком круговороте вещества различают два фонда – резервный и обменный. Первый, как правило, небиологический компонент – большая масса медленно движущихся веществ, второй – быстрый обмен между организмами и их окружением.

На этой основе выделяются два типа биогеохимических циклов:

1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере и океане;

2) осадочный цикл с резервным фондом в земной коре, который является предметом изучения геологических наук. Он включает в себя такие элементы, как фосфор, железо, сера и др.

Минеральные вещества кудюров являются эпизодической пищей травоядных и всеядных животных, употребляемой ими два раза в год с целью регуляции солевого состава организма. В основном это минералы группы цеолитов. Эта группа минеральных ресурсов включает в себя так называемые «нетрадиционные» источники минерального сырья, к которым относятся цеолиты, бентониты, полыгорскиты, глаукониты, диатомит. Все они являются стимуляторами роста растений, животных и рыб.

Подземные воды как основа существования биоты пояснений не требуют. Как отмечал В. И. Вернадский, «живое вещество в течение всего 7–10 млн лет пропускает через себя такое количество воды, которое равно по объему и количеству Мировому океану».

Минеральные ресурсы, необходимые для жизни и деятельности человеческого общества относятся к категории исчерпаемых ресурсов и группе невозобновляемых, за исключением пресных подземных вод. Особенно важную роль они играют в социально-экономическом развитии человеческого общества. По сути, минеральные ресурсы являются базисом пирамиды, отражающей социально-экономические и геоэкологические проблемы развития материальной основы современного общества. Эти проблемы взаимосвязаны между собой и в сумме определяют роль ресурсной функции литосферы (состояние ее минерально-сырьевой базы) в функционировании геосистем высокого уровня организации.

В настоящее время из недр извлекается около 200 видов полезных ископаемых, включающих все элементы таблицы Менделеева, а годовой объем мировой добычи минерального сырья достигает порядка 17–18 млрд т. горной массы в год. По прогнозам некоторых экономистов запасы многих видов минерального сырья иссякнут к 2050 г., а свинца и цинка хватит лишь до начала XXI в.

Геоэкологическое значение подземных вод определяется объемами и направлениями их использования. Основными из них являются: хозяйственно-питьевое водоснабжение, техническое водоснабжение, орошение земель, обводнение пастбищ, лечебное (использование минеральных вод в бальнеологических целях), геотермальные (использование геотермальных вод для отопления и получения электроэнергии), промышленное (использование подземных вод для извлечения ряда полезных компонентов – йода, брома, бора, лития, стронция, поваренной соли и др.).

Рассматривая геологическое пространство как ресурс, необходимый для расселения и существования биоты, можно констатировать, что и здесь его резервы лимитированы. В настоящее время на нашей планете освоено 56 % поверхности суши. Интенсивно осваивается подземное пространство литосферы на урбанизированных территориях и в местах захоронения и складирования экологически опасных (токсичных и радиоактивных) отходов.

Геодинамическая геоэкологическая функция литосферы отражает свойства литосферы влиять на состояние биоты, безопасность и комфортность проживания человека через природные и антропогенные процессы и явления. Отличительной чертой геодинамической функции является возможность ее реализации как непосредственно, в виде негативного по отношению к биоте явления, так и опосредованно, через ресурсную, геофизическую или геохимическую функции.

Все катастрофические и неблагоприятные природные и антропогенные геологические процессы по негативному воздействию на биоту можно подразделить на две принципиально различные группы. Процессы и явления первой группы представляют непосредственную угрозу существованию биоты и в том числе человека. Они образуют следующий классификационный ряд (по убыванию негативного воздействия): землетрясение, извержение вулканов, цунами, оползни, сели, лавины, отвалы и провалы. Процессы и явления второй группы не несут непосредственной угрозы существованию биоты, но влияют на изменение условий ее жизнедеятельности, комфортность проживания человека: новообразования и деградация мерзлоты, дефляция и ветровая эрозия, заболачивание, термокарст, водная площадная эрозия, суффозия. Такие геологические процессы, как абразия, линейная водная эрозия, карст и некоторые другие, в зависимости от характера проявления могут быть отнесены как к первой, так и ко второй группам.

Рассматривая геодинамическую функцию литосферы, необходимо учитывать особенности ее развития во времени и пространстве. В отличие от атмосферы, где любые возмущения достаточно краткосрочны с быстрым восстановлением фонового состояния, литосфера характеризуется высокой инерционностью возмущающего фактора. В недрах складываются критические и надкритические состояния, которые воздействуют на окружающую среду в течение длительных отрезков времени. Учет адаптивности и инерционности литосферы расширяет понимание ее геодинамической функции и ставит вопрос не только об изучении геоэкологических последствий того или иного геологического процесса, но и процессов эволюции литосферы, влияющих на условия жизнеобитания человека.

При этом следует учитывать, что любые природные и техногенные возмущения в литосфере запускают цепочки наведенных процессов, которые могут развиваться во времени со все более возрастающей интенсивностью.

Следует отметить, что без знаний природы и характера проявления процессов, протекающих в недрах Земли, невозможно ни объективно оценить, ни обеспечить нормальное функционирование геосистем высокого уровня организации. Оценки дискомфортности жизни человечества в прямых количественных показателях пока не существует. На практике оценка геоэкологической обстановки с позиций комфортности и безопасности проживания человека осуществляется для каждого процесса или их парагенетического комплекса, ведущих для данной территории. В качестве косвенных показателей обычно используют оценку ущерба.

Геохимическая геоэкологическая функция литосферы отражает свойство геохимических полей (неоднородностей) литосферы природного и техногенного происхождения влиять на состояние биоты и человека.

Под геохимической аномалией понимается участок территории, в пределах которого хотя бы в одном из слагающих его природных тел статистические параметры распределения химических элементов отличаются от геохимического фона (средней величины природной вариации содержания химических элементов). По природным средам они могут быть литохимическими (в почвах, горных породах, донных осадках), сноухимическими (в снеговом покрове), гидрохимическими (в поверхностных и подземных водах), атмохимическими (в воздухе), биохимическими (в живых организмах). Кроме этого, различают аномалии избытка и аномалии дефицита.

Зона загрязнения – часть техногенной геохимической аномалии, в пределах которой загрязняющие вещества достигают концентрации, оказывающей неблагоприятное воздействие на живые организмы.

Все многообразие патогенных геохимических аномалий в зависимости от их генезиса можно разделить на две группы: «геопатогенные геохимические аномалии», связанные с природными процессами, и «технопатогенные геохимические аномалии», связанные с техногенезом.

Геопатогенные литогеохимические аномалии, как уже отмечалось выше, характеризуются аномально повышенным или сниженным содержанием ряда элементов в приповерхностной части литосферы и почвах. Их становление происходило в геологическом времени, что обусловило возможность развития на этих территориях специфических биоценозов. Большинство аномалий является одновременно местом, биологически дискомфортным для проживания людей, приводя к повышенной эндемической заболеваемости и снижению продолжительности жизни. Эти ореолы распространения в приповерхностной части литосферы токсичных металлов и их соединений связаны с месторождениями полезных ископаемых. Общим свойством этих аномалий является полиэлементность, включающая как рудообразующие минералы, так и элементы-спутники. Площадь ореолов отдельных месторождений изменяется от долей до первых квадратных километров. При блокировании они образуют поля оруденений, площадь которых достигает десятков и сотен квадратных километров. Как правило, средний уровень концентрации химических элементов в ореолах месторождений, за исключением центральных частей, не более чем в 10–15 раз превышает фоновые значения.

Аналогичные аномалии формируются и в почвах, но они менее интенсивны и характеризуются незначительным превышением фоновых значений ряда металлов (свинец, ртуть, реже мышьяк, медь, цинк и другие). Однако суммарные (аддитивные) концентрации химических элементов в почвах весьма велики.

Региональные геохимические поля (металлогенические зоны) с концентрацией нескольких элементов на уровне 2–3 кларков в меньшей мере, но тоже обусловливают некоторые эндемические заболевания человека и животных (медно-цинковая провинция Южного Урала, сурьмяные провинции Ферганской долины, молибденовые провинции Северной Америки) и требуют к себе внимания и оценки с геоэкологических позиций.

Недостаток ряда биогенных элементов в природной среде также может быть причиной эндемических заболеваний растений, животных и человека. Например, в Белоруссии отмечается полегание злаков (недостаток Cu), гнили корня (недостаток B), заболевания щитовидной железы (недостаток J), акобальтозы (недостаток Co).

Технопатогенные литогеохимические аномалии, обусловленные техногенезом, по силе и глубине воздействия на биоту и здоровье людей значительно превышают очаги загрязнения природного происхождения. Это связано не только с доминантом технопатогенных аномалий по площади, но и с более высокой концентрацией токсичных элементов. Кроме того, для техногенных очагов характерна высокая скорость протекания процесса загрязнения, опережающая возможность биоты адаптироваться к изменяющейся среде обитания, что не свойственно природным геохимическим аномалиям.

Зоны техногенного загрязнения чаще всего связаны с извлечением из недр Земли токсичных элементов; накоплением в процессе переработки и обогащения первичного минерального сырья высокотоксичных подвижных соединений. В ряде случаев зоны загрязнения связаны с низкой культурой производства: небрежным хранением и технологически необоснованным использованием в сельском хозяйстве химических соединений, ядохимикатов. Специфические многокомпонентные и высокотоксичные загрязнения территории формируются в местах захоронения промышленных и бытовых отходов. Особую опасность для биоты и здоровья людей представляют собой зоны загрязнения, связанные с авариями на промышленных объектах (прорывы ограждающих дамб со сбросом токсичных отходов в реки и водоемы, аварии на продуктопроводах и емкостях хранения и т. д.). Таким образом, зоны техногенного загрязнения имеют четкую социально-техническую обусловленность и территориальную привязку к районам интенсивного промышленного и сельскохозяйственного производства, транспортным артериям и населенным пунктам.

Кроме рассмотренных выше литогеохимических в составе геохимических аномалий выделяют гидрогеохимические и атмогеохимические (газовые) аномалии.

Геофизическая геоэкологическая функция литосферы отражает свойства геофизических полей (неоднородностей) литосферы природного и техногенного происхождения влиять на состояние биоты, включая человека.

Геофизическая аномалия – отклонение значений физического поля Земли от нормального, обусловленное различием физических свойств горных пород и неоднородностью ее состава и строения. Выделяются естественные физические поля – магнитное, гравитационное, геотермическое – и искусственно возбужденные – электрические поля постоянных токов.

Геопатогенные зоны – области аномального проявления свойств атмосферы, гидросферы, литосферы и глубинных недр планеты, негативным образом отражающегося на состоянии фито-, биоценозов и человеческого организма. Геопатогенез – совокупность геолого-геофизических условий, сопутствующих развитию патологических отклонений в живых организмах.

Аномалии геофизических полей связаны с зонами тектонических нарушений, повышенной трещиноватостью, погребенными речными долинами, рифтовыми структурами и другими неоднородностями литосферы, влияющими на биоту. К таким аномалиям относятся очаги повышенной заболеваемости и проявления функциональных расстройств живых организмов. По сути, это зоны с дисбалансом ряда геофизических полей, которые негативно воздействуют на человека в целом или его отдельные органы, являющиеся генераторами этих полей, что и приводит к заболеваниям или развитию «социоповеденческого» синдрома.

В составе рассматриваемых полей выделяются магнитное поле, электрическое поле, вибрационное поле, акустическое поле, гравитационное поле и радиационное. Магнитные поля относятся к сильным и специфическим раздражителям, действующим непосредственно на нервные клетки мозга.

Сильные электрические поля неблагоприятно влияют на человеческий организм, особенно на центральную нервную систему. В настоящее время доказано, что любой живой организм реагирует на электромагнитные поля, причем дозы воздействия последних даже в условиях совершенно нормального режима работы электротехнических и радиотехнических устройств негативны и проявляются в потере аппетита, головной боли, ослаблении памяти, быстрой утомляемости. Высказываются гипотезы о том, что акселерация молодежи обусловлена повышенным электромагнитным фоном планеты.

Вибрационные поля отрицательно сказываются на физиологическом состоянии человека, приводя к повышенной утомляемости, торможению двигательных реакций, нарушению координации движения. Длительное воздействие вибрации приводит к нарушению сердечно-сосудистой системы, опорно-двигательного аппарата, нервным расстройствам, поражению мышечных тканей и суставов. При землетрясениях и релаксации сейсмических напряжений возникают ультразвуковые и инфразвуковые волны (акустические поля). Человек, как биофизический объект, реагирует на них. Ультразвуковые волны вызывают у него галлюцинации, а инфразвуковые – страх и панику. Причем такие ситуации возможны не только в случае сильных землетрясений, но и при постоянном воздействии роев слабых землетрясений (2–3балла).

Воздействие гравитационного поля Земли на человека практически не изучено. Пока только можно предполагать, что переменная составляющая гравитационного поля Земли, связанная с солнечной активностью, вероятно, оказывает влияние на организм человека, его психику, в особенности в период формирования его органов.

Действие ионизирующей радиации радиационного поля на живые организмы изучается с конца прошлого века. Большие дозы радиации разрушают клетки, повреждают ткани органов и могут быть причиной лучевой болезни с быстрым летальным исходом. Малые дозы радиоактивного облучения приводят к раковым заболеваниям, проявляющимся чаще всего через одно-два десятилетия, и серьезным генетическим отклонениям, сказывающимся на потомках облученного индивидуума.

Таковы в общих чертах биологические последствия воздействия природных и техногенно обусловленных физических полей. Не вдаваясь в детали проблемы, выделим главное: человек, являясь биофизическим объектом, реагирует на изменение физических полей природного и техногенного происхождения. Медико-санитарная ориентированность геофизической и геохимической функций литосферы определяет их принципиальное отличие от ресурсной и геодинамической.

Основные причины и следствия нарушения геоэкологических функций литосферы. Под нарушением геоэкологических функций литосферы понимается их негативное изменение, оказывающее прямое или опосредованное влияние на комфортность существования растительного, животного мира и человеческого общества и в экстремальных случаях приводящее к их гибели (вымиранию). Исходя из представлений о формировании геоэкологических функций литосферы, как результата эволюционного развития Земли, под влиянием природных и техногенных факторов вычленяются две причины их нарушения (трансформации) – природная и антропогенная.

Первая, природная, причина связана с естественными катаклизмами: периодами активизации вулканической деятельности, тектонических движений и глубокими перестройками палеогеографических условий. Вызывается она целым рядом факторов как земного (проявление вулканизма), так и космического (столкновение Земли с астероидами и планетами) происхождения. С ними связывают проявления региональных и глобальных катастроф и катаклизмов в эволюции Земли. В качестве альтернативной гипотезы выдвигаются глобальные лесные пожары на рубеже позднего мела и палеогена.

Все перечисленные причины могли вызвать резкое увеличение содержания углекислоты в атмосфере, повышение температуры морской воды, что привело к массовому вымиранию организмов. Не менее глобальным могло быть и их прямое воздействие на биоту. Следствием природных катаклизмов в эволюции Земли (а значит, и геоэкологических функций литосферы) является массовое вымирание живых организмов и гибель растительности.

Вторая причина нарушения геоэкологических функций литосферы – техногенез, неразрывно связанный с развитием человеческого сообщества и приводящий к истощению минеральных и органических ресурсов, активизации опасных геологических процессов и загрязнению полютантами и радионуклидами мест обитания биоты. Следствием таких нарушений является снижение комфортности существования биоты, миграция отдельных видов, заболеваемость и вымирание.

Изложенное выше позволяет заключить, что исчерпание природных ресурсов и потеря возможности поддержания химического гомеостазиса в геосферных оболочках Земли – основные причины нарушения геоэкологических функций литосферы в эпоху техногенеза. Следствием являются геоэкологические кризисы, деградация и частичное вымирание биоты. Например, современный геоэкологический кризис, признаваемый многими учеными. Сделанные выводы указывают на необходимость разработки проблемы управления геоэкологическими функциями геосферных оболочек Земли, пока человеческая цивилизация не стала прошедшим эпизодом в эволюции Земли.

Предыдущая