Шувалов Ю.В., Азимов Р.А. Горное дело, окружающая среда и человечество

Подождите немного. Документ загружается.

2. ГЕОДИНАМИЧЕСКАЯ ЭКОЛОГИЯ

В литературе достаточно часто встречается понятие об

экосистеме, в которой своеобразно протекают физико-химические

процессы и круговороты вещества, как большой, так и малый,

обусловленные добычей полезных ископаемых. Область

экологической науки, предметом которой являются эти процессы,

называют горной экологией [13], или геоэкологией [14]. В рамках

последней следует выделить геодинамическую экологию (рис.2.1),

изучающую процессы и устанавливающую закономерности

формирования экосистем в ходе извлечения и использования

ресурсов недр Земли с целью минимизации ущерба окружающей

Рис.2.1. Алгоритм процесса исследования в геодинамической экологии

Атмосфера

Гидросфера

Почва

Литосфера

Растительный

мир

Человек

Начальное состояние

системы в ноосфере

(«человек потребляющий»)

Развитие системы

в ноосфере

(«человек производящий»)

Развитие системы

в ноосфере

(«человек потребляющий»)

Управлением состоянием

системы в ноосфере

Базовое состояние

естественной экосистемы

Животный

мир

среде и человеку, сохранения природной экосистемы или

целенаправленного формирования новой с заданными свойствами.

Основные системообразующие процессы, знание которых

необходимо для оценки состояния системы, можно разделить на

гелиофизические (внешние) и геофизические (внутренние) по

отношению к изучаемому материальному объекту, который является

источником ресурсов (недра) (табл.2.1).

Таблица 2.1

Системоформирующие процессы 13, 14

Среда

Процессы

Элементы среды, способные

претерпевать изменения

гелиофизические геофизические

Атмосфера

Термодинамические,

радиационные,

магнитные,

электрические,

гравитационные

Термодинамические,

массообменные,

акустические,

газодинамические

Физические свойства,

химический состав,

механические примеси,

энергетика, климат

(облачность,

туманообразование,

осадковыпадение,

влагосодержание,

температура, да-вление,

скорость воздуха)

Гидросфера

Термодинамические,

гидродинамические,

термохимические,

фотосинтез

Термодинамические,

гидродинамические,

газодинамические,

акустические,

массообменные,

термохимические,

фотосинтез

Физические свойства,

химический состав,

энергетика, фитология,

зоология, рельеф

геометрия

Почва

Термодинамические,

массообменные,

фотосинтез,

термохимические

Термодинамические,

гидродинамические,

газодинамические,

акустические,

массообменные,

термохимические,

фотосинтез

Физические свойства,

химический состав, рельеф,

геометрия, фитология,

зоология

Термодинамические,

радиационные,

Термодинамические,

гравитационные,

Напряженное состояние,

температурное поле, газовый

Литосфера

магнито-

электрические,

гравитационные

газодинамические,

гидродинамические,

акустические,

термохимические,

массообменные,

термохимические,

фотосинтез

режим, гидрологический

режим, стратиграфия,

тектоника, физико-

химические свойства,

микробиология

Для растительных форм и экосистем качественные изменения,

или сукцессии, начинаются с нарушения баланса потребления и

продуцирования энергии и массы вещества (автотрофная и

гетеротрофная сукцессии).

Нарушение баланса потребления и расхода энергии и массы

человеком также ведет к перестройке его организма, проявляющейся

как во внешних формах (дистрофия, тучность), так и во внутренних

признаках опасности (генетические изменения, усталость, утомление,

стресс, заболевание, травма, смерть).

Системоформирующие (базовые) характеристики

(параметры) среды могут быть определены как параметры процессов,

протекающих в элементах биосферы и ноосферы (табл.2.1):

термодинамические (р – давление, Т – температура, υ – удельный

объем), массообменные (р

– парциальное давление и др.),

акустические, электрические, магнитные и т.д. Интенсивность развития

процессов и возможность реализации состояния сукцессии также

зависит от свойств среды (физических, химических и др.).

В сфере интересов геодинамической экологии лежат изменения

состояния геологической среды, в которой осуществляется

технологический процесс (доступ к объекту практического

использования, вовлечение его в хозяйственную деятельность,

консервация его после завершения деятельности). Интенсивность

воздействия определяется способом и технологией производства, его

масштабами и геометрией и почти всегда усиливается дополнительным

нарушением и загрязнением окружающей среды размещаемыми на

поверхности Земли вспомогательными технологическими объектами.

Круговороты массы и энергии в биосфере и ноосфере с вовлечением в

процесс всех ее элементов (литосфера, почва, гидросфера, атмосфера)

ведет к существенным изменениям гидрологического, газового,

теплового режима литосферы, напряженного состояния массива, его

силовых характеристик (гравитационное, электрическое, магнитное

поля) и т.д. [13, 15, 16].

Классификационными характеристиками природной

среды по основополагающему климатическому признаку являются

биомы, или макросистемы, определяемые климатом, энергетическими

потоками, круговоротом вещества, жизнедеятельностью организмов,

типом растительности и т.д. Наземные биомы, в пределах которых

преимущественно осуществляется жизнедеятельность человека, имеют

в качестве основного признака растительность, которая, в свою

очередь, зависит от двух основных абиотических характеристик среды:

температуры Т и влагосодержания d [17]. Последний параметр часто

заменяется количеством осадков (рис.2.2) 18. Температура является

главным климатообразующим фактором, характеризующим условия

протекания биотических процессов в природной среде. Различают

среднегодовую температуру воздуха в приземном слое атмосферы

амплитуду изменения температуры А

. Среднее значение текущей

температуры (в градусах Цельсия)

Т%=%

%+%А

sin2τ/8760,

где τ – время от начала периода колебаний, ч. Текущее время

изменяется от нуля (в июле) до 8760%ч (годовой цикл), с переходом к

минимуму температуры Т%=%

%–%А

в январе (τ%=%4380%ч).

Для различных регионов Земли и горно-промышленных

регионов России, в частности, значения

, Т

max

и Т

min

зависят от

географического положения (широты), близости крупных акваторий и

горных систем, высоты местности над уровнем моря и т.д. (табл.2.2).

Влагосодержание характеризует массу влаги, отнесенную к

единице сухой части среды, в которой оно определяется. Так,

влагосодержание воздуха связано с барометрическим давлением р,

относительной влажностью воздуха φ и парциальным давлением

насыщенного пара в воздухе Р

н.п

, зависящем от его температуры Т:

d = 622φ Р

н.п

/(р – φ Р

н.п

Рис.2.2. Климаграммы шести основных биомов по среднегодовым температурам

и среднегодовому количеству осадков

Листопадный лес

Тропический лес

Хвойный лес

Пустыня

Арктическая и горная тундра

0 100 200 300 400

Среднегодовое количество осадков, см

Среднегодовая температура, С

Степь

Изменение влагосодержания атмосферного воздуха в приземном слое

аналогично средней температуре подчиняется гармоническому закону.

Таблица 2.2

Температурные условия регионов

Город, район

Средняя температура воздуха,

Относительна

я влажность

воздуха за

год, %

Температура

пород на

глубине

нейтрального

слоя, С

за год в январе в июле

Баку 14,6 3,8 25,9 72 17

Ташкент 13,2 –6,3 26,8 60 15

Тбилиси 12,6 0,6 24,1 64 13

Ставрополь 10,7 –4,6 20,6 76 11

Белозерск 9 –4,7 22,3 72 12,5

Кривой Рог 8,7 –5 22,5 61 8

Владикавказ 8,4 –4,4 20,4 80 9

Алма–Ата 7,3 –8,6 22,1 69 8,5

Садон

(Северная Осетия) 7,1 –4,2 20,2 69 8

Окончание табл.2.2

Город, район

Средняя температура воздуха,

Относительна

я влажность

воздуха за

год, %

Температура

пород на

глубине

нейтрального

слоя, С

за год в январе в июле

Владивосток 4,6 –13,7 20,6 74 6

Усть–Каменогорск 2,7 –15,4 20,5 75 4

Петрозаводск 2,4 –9,9 16,5 77 5

Екатеринбург 1 –15,6 17,3 74 3

Улан–Удэ –2,2 –26,7 19,2 64 –1

Чита –3 –27,4 18,7 – –1

Хибины –3 –17,1 10,9 76 –1

Алдан –6,2 –27 16,8 – –5

Анадырь –7,7 –22,7 10,5 82 –5

Норильск –8,4 –32 22 75 –5

Якутск –10,4 –43,5 19 74 –8

Температура воздуха Т определяет распределение температуры

в почвенном слое и верхней части литосферы, изменяясь в течение года

по сложной гармонической зависимости от Т на поверхности до

+%2(3) на глубине нейтрального слоя (15-30%м от поверхности). При

%0%С территория, как правило, имеет слой многолетнемерзлых пород,

глубина которого может достигать нескольких сотен метров (например,

в Якутии), а температуру на глубине нейтрального слоя до –10%С и

ниже. Более 60%% территории России относятся к зоне распространения

многолетней мерзлоты.

Влагосодержание почвенного слоя d

определяет, наряду с

температурой, тип наземной биомы и даже вид ее группы (наземная

или пресноводная). Так, при одинаковой температуре воздуха в

регионе (рис.2.2) там может сформироваться пустыня, оазис с

вечнозеленой растительностью, заболоченная территория,

пресноводная или засоленная акватория (табл.2.3). В связи с наличием

субпоясов и геологических вариаций земной поверхности эта таблица

не исчерпывает всех возможных вариаций экологических условий, но

демонл.2.3 –

Таблица

2.3

Удельны

тепловой

поток,

ккал/

(см

год)

Тепловые

пояса

Природные зоны и ландшафты при степени увлажнения (отношение количества осадков к испарению)

0,2 0,4 0,75 1,0 1,3 1,8 3,0

7 Полярный

Полярные

каменные

пустыни

Накипно-

лишайников

ые

Сухие мохово-

лишайниковые

Мохово-

травяные

Влажные

мохово-

водорослевые

Снежно-

водорослевые

Ледяные

пустыни

15-44

Субпо-

лярный

Холодные

пустыни

Холодные

полупустын

Сухие

тундры

Кустарниковые

тундры

Влажные

тундры

Мокрые

тундры

Тундровые

болота

44-55

Умерен-

ный

Пустыни

Полупустын

Степи Лесостепь

Сухие светло-

хвойно-

лиственные

леса

Влажные

темно-

лиственные

леса

Переувлажненн

ые луга и

пустыни

55-70

Субтро-

пический

Пустыни

Полупустын

Степи с

кустарниками

Жестколиствен

ные леса и

кустарники

Светлые

леса

Влажные

леса

Субтропически

е болота

70-75

Тропи-

ческий

Пустыни

Полупустын

Степные

саванны

Лесные

саванны

Светлые

экваториально-

тропические

леса

Влажные

экваториально-

тропические

леса

Экваториально-

тропические

болота

Периодическая система экологических условий суши (по Ю.Н. Куражковскому, 1976)

стрирует общую закономерность их изменений. Примером может

служить территория нынешней пустыни Сахара, имевшая в своей

истории период тропического климата с высокой обводненностью,

пышной растительностью и животным миром (слоны, бегемоты и т.д.),

о чем свидетельствуют наскальные изображения, выбитые жившими на

этой территории людьми, и исследования археологов.

Повышение температуры атмосферного воздуха и его

влагосодержания способствует увеличению видового разнообразия и

продуктивности растительного и животного мира. Диапазон этих

биотообразующих признаков (

min

max

, d

min

и d

max

) огромен: от –

60%С в Антарктиде и –10%С на северных территориях до 40%С на

экваторе, при влагосодержании воздуха от десятых долей до граммов

на килограмм при отрицательной температуре и от нескольких граммов

на килограмм до нескольких десятков при положительной (рис.2.2).

Для перехода от тундры к заболоченной или заводненной территории

на Севере достаточно небольшого изменения среднегодового

влагосодержания воздуха, а переход от пустыни к тропическому лесу,

заболоченной или заводненной территории характеризуется весьма

значительным диапазоном изменения влагосодержания (несколько

десятков граммов на килограмм). Это подтверждает известный тезис о

высокой ранимости территорий Севера (Печорский угольный бассейн),

изменение биомы которой происходит весьма быстро, а

восстановление в десятки раз медленнее, чем в южных областях.

Добыча полезных ископаемых на территории России в

настоящее время ведется преимущественно в регионах со сложными и

суровыми климатическими условиями, все больше тяготея к

последним. По данным [13], в результате антропогенного воздействия

все климатические показатели в регионе (облачность, туманы, осадки,

солнечное излучение, скорость ветра) ухудшаются на 10-30%% при

повышении температуры на 0,5-1,0%С. Осушение почвенного слоя при

подработке горными выработками, его засоление и загрязнение

отходами производства ведут к изменению плодородия и сокращению

видового состава растительного и животного мира (например, при

разработке горючих сланцев в Ленинградской области).