Трофимов В.Т., Зилинг Д.Г. Экологическая геология

Подождите немного. Документ загружается.

МИНИСТЕРСТВО ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова

В.Т.Трофимов,

Д.Г.Зилинг

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ГЕОЛОГИЯ

Допущено Министерством образования Российской Федерации

в качестве учебника для студентов геологических специальностей

высших учебных заведений

Геоинформмарк

Москва * 2002

УДК55;504;574

ББК

20.1+26.3

Т76

Трофимов В.Т., Зилинг Д.Г. Экологическая геология. Учебник. -

М.:

ЗАО

Теоинформмарк",

2002.-415 с. ISBN 5-900357-58-9.

Рассмотрены теоретические положения экологической геологии, ее научный метод,

критерии оценки состояния эколого-геологических условий, положение экологической

геологии в системе геологических наук; систематически охарактеризованы ресурсная, гео-

динамическая, геохимическая и геофизическая экологические функции литосферы, методы

получения эколого-геологической информации, методика инженерно-экологических изыс-

каний и составления эколого-геологических карт, методы управления состоянием эколо-

го-геологических систем.

Для студентов геологических, географических и биологических специальностей, а так-

же геологов, географов, биологов, почвоведов, медиков и других специалистов, связанных

с решением проблем окружающей среды.

Рецензенты:

кафедра

экологической

геологии Санкт-Петербургского государственного

университета (зав. кафедрой д-р

геол.-минер.

наук, проф.

В.В.Куриленко);

д-р техн. паук, проф., акад. РАЕН

О.Л.Кузнецов;

д-р геол.-минер.

паук,

проф.,

акад. РАЕН

В.К.Хмелевской

ISBN5-900357-58-9 © В.Т.Трофимов, Д.Г.Зилинг, 2002

ВВЕДЕНИЕ

Взаимодействие человека с окружающей средой и литосферой

как ее составной частью - проблема не новая, уходящая своими корня-

ми в каменный век, когда пещеры стали использоваться первобытны-

ми людьми в качестве жилища, а одним из первых орудий труда стал

каменный топор. Этим исчерпывалось использование ресурсных функ-

ций литосферы, и только природные катастрофические геологические

процессы оказывали негативное воздействие на развитие человече-

ской популяции. Определяющими в этом взаимодействии были при-

родные, в том числе и геологические, факторы, а человек вынужден

был приспосабливаться к ним, имея полную свободу для миграции и

выбора оптимального места обитания. Лимита геологического про-

странства как такового тогда еще не существовало.

В последующие века в процессе эволюционного развития человек

расселился по всей планете за

исключением

ее полярных частей и вы-

сокогорий. Произошла концентрация населения в городских поселе-

ниях и взаимодействие человека со средой обитания стало более тес-

ным, приобретая черты своеобразного

"партнерства"

без существен-

ного изменения экологических свойств литосферы и других геосфер-

ных оболочек Земли. Относительную гармонию того периода наруша-

ли только катастрофические природные процессы

наводнения, зем-

летрясения и извержения вулканов (гибель Помпеи) и др. Однако уже

тогда люди стали задумываться над экологическими вопросами. Фи-

лософы Древней Греции и Китая еще до наступления новой эры при-

зывали жить в единении и согласии с природой.

Такие условно гармонические связи между человеком и природой

сохранились до момента, пока человек не стал декларировать идею

о покорении природы и неисчерпаемости природных ресурсов. Оча-

говая интенсификация животноводства (выпаса животных) и полив-

ного земледелия приводила к опустыниванию и засолению земель, де-

лая их непригодными для обитания. Многие города Средней Азии бы-

ли погребены песками из-за природной и антропогенной активизации

эолового процесса. Все это приводило к тяжелым экологическим по-

следствиям локального характера. Погибали или переселялись племе-

на и даже народы, но экологический кризис охватывал отдельные тер-

ритории и не имел глобального распространения. И только с конца

семнадцатого—начала

восемнадцатого веков воздействие человека

на среду обитания стало всеобщим и, как правило, разрушительным.

Началась эпоха техногенеза.

На этом этапе воздействие человечества на природную среду вы-

ражается в сработке энергетических ресурсов, загрязнении геосфер-

ных оболочек Земли. Процесс техногенеза стал явлением грандиозным

по масштабам и опасным по своим последствиям. Так, объем твердых

отходов промышленности и быта оценивается в 20-30 млрд т веще-

ства, из которых около половины составляют органические соедине-

ния; выпускается до 1 млн различных веществ, отсутствующих в при-

родной среде; вносится в почву порядка

100

млн т минеральных удоб-

рений и более 500 000 т различных токсикантов, за один год извлекает-

ся из недр до 100 млрд т минерального сырья, освоено 56% поверхно-

сти суши; ежегодно в водоемы сбрасывается около 600 млрд т про-

мышленных стоков, требующих 12-15-кратного разбавления для их

нейтрализации. На фоне все ускоряющегося роста народонаселения

это породило современный глобальный экологический кризис, при-

знаваемый практически всеми учеными.

По этой причине, наверное, нет отраслей общественных и есте-

ственных наук, которые остались бы в стороне от решения экологиче-

ских проблем. Особое место они занимают в системе наук о Земле и

распространяются на все виды взаимодействия человеческого сооб-

щества с природой. Ныне экология возводится в ранг обобщающей на-

уки, которая включает в себя экологические направления геологиче-

ских, географических, биологических, медицинских и социальных на-

учных дисциплин. Чрезвычайно актуальным стал вопрос: "Что прои-

зойдет с человечеством при потере биосферой способности поддер-

живать свои биохимические циклы с распадом экологических сис-

тем?" По мнению ряда специалистов, настало время разработки исто-

рико-геоэкологической основы для долгосрочного прогнозирования

будущего земной экосистемы. Другими словами, назрела необходи-

мость разработки теоретических и методических основ решения гло-

бальных экологических проблем. Наряду с этим не менее актуальным

стало практическое решение локальных экологических вопросов, обус-

ловленных особенностями развития природных процессов и техно-

генным освоением той или иной территории.

Реалии жизни дали стимул к экологизации социальных и есте-

ственных наук. Она отчетливо проявилась и в геологии: сформирова-

лось новое направление - экологическая геология, изучающая верхние

горизонты литосферы как одну из основных абиотических компо-

нент экосистем высокого уровня организации. Теоретико-методоло-

гические основы этого нового направления в геологии рассмотрены

в монографиях "Теория и методология экологической геологии" (1997)

"Экологические

функции литосферы" (2000), опубликованных под

редакцией В.Т.Трофимова. В этих работах показано, что если тради-

ционно, с момента зарождения геологических наук, литосфера иссле-

довалась с позиций поиска полезных ископаемых, а затем и в связи

с инженерно-хозяйственной деятельностью человека, то в последние

годы возникла необходимость оценить литосферу как вещественную

и энергетическую основу существования биоты и в первую очередь —

человеческого сообщества. Исчезновение мифов о неисчерпаемости

минеральных ресурсов и геологического пространства, обусловлен-

ное реалиями современного развития общества, объективно застави-

ло оценить роль литосферы с точки зрения комфортности проживания

человека и самой возможности его существования. Возникла необхо-

димость рассмотреть в неразрывной связи атрибутивные экологиче-

ские качества литосферы и их современное состояние с экологиче-

ским состоянием биоты и условиями развития человеческого обще-

ства. По нашему представлению, теоретической и методической осно-

вой такого исследования и должно

стать

учение об экологических функ-

циях литосферы -ресурсной, геодинамической, геохимической и гео-

физической.

Настоящий учебник "Экологическая геология" - первый учебник

по этой учебной дисциплине. В его основу положен материал про-

граммы курса "Экологическая геология", читаемый студентам геоло-

гического факультета Московского государственного университета

им. М.В.Ломоносова. В нем рассмотрены теоретические положения

экологической геологии и ее место в системе геологических наук, сис-

тематически описаны экологические функции литосферы и их транс-

формация под воздействием

техногенеза,

а также методические во-

просы нового научного направления. Последние включают характери-

стику методов получения эколого-геологической информации, осо-

бенностей ее получения в ходе инженерно-экологических изысканий

для строительства, методики создания эколого-геологических карт -

геологических карт нового типа.

Авторы понимают, что эта пионерная по своему содержанию раз-

работка затрагивает целый ряд новых дискуссионных позиций, не да-

ет в равной степени исчерпывающие ответы на все поставленные во-

просы. Однако в ней намечен принципиальный подход к изучению

взаимоотношений "неживого и живого" через критериальные оценки

в системе

"литосфера-биота",

"литотехническая

система-биота

(че-

ловечество)",

а также между теоретическими разработками и их

практическим использованием при инженерно-экологических изыс-

каниях для строительства, в практике эколого-геологического карто-

графирования.

Несмотря на возможные спорные моменты и недочеты, которые

могут встретиться в учебнике, авторы уверены, что он будет полезен

не только для студентов геологических и экологических специально-

стей, но и для специалистов, работающих в этом направлении геоло-

гии и смежных с ним областях. Он будет интересен всем тем, кто зани-

мается проблемами окружающей среды.

Авторы признательны своим коллегам Т.А.Барабошкиной,

В.А.Богословскому, А.Д.Жигалину, Н.А.Касьяновой,

Н.С.Красило-

вой, М.А.Харькиной, Т.В.Андреевой, Л.А.Цукановой и Н.Д.Хачин-

ской, материалы которых использованы в учебнике, за обсуждение его

структуры и содержания. Они также считают приятным долгом побла-

годарить Н.П.Романову, Н.Д.Хачинскую и Л.А.Цуканову за помощь

в подготовке работы к изданию. Они признательны рецензентам ака-

демикам РАЕН О.Л.Кузнецову и В.К.Хмелевскому и коллективу ка-

федры экологической геологии Санкт-Петербургского государствен-

ного университета, ее заведующему, профессору В.В.Куриленко за по-

лезные советы, сделанные после знакомства с рукописью настоящего

учебника, а также В.Н.Михину - редактору настоящей книги, много

сделавшего для ее появления на столе читателя в настоящем виде.

Критические замечания, пожелания и отзывы авторы просят на-

правлять по адресу; г.Москва,

119899,

ГСП, Воробьевы горы, МГУ, гео-

логический факультет, кафедра инженерной и экологической геологии.

ЧАСТЬ I

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ГЕОЛОГИЯ И ЕЕ ПОЛОЖЕНИЕ

В СИСТЕМЕ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ НАУК

ГЛАВА 1

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ГЕОЛОГИЯ И ЕЕ СТРУКТУРА

1.1. История взглядов на содержание, структуру и задачи

экологической геологии

Относительно спокойное сосуществование человека и природы закончилось

к началу XVIII в., когда началась промышленная эпоха, обусловившая постоянно

возрастающее техногенное воздействие на природную среду. При этом четко обо-

значились две полярные точки зрения - технофобия, постулирующая неисчерпа-

емость природных ресурсов и господство человека над природой, и алармизм, про-

пагандирующий невмешательство в природные процессы. К этому следует доба-

вить, что в соответствии с глобальной моделью развития нашей цивилизации Д.Ме-

доуза и

Дж.Ферресбера

оба эти подхода являются тупиковыми и приводят к эколо-

гической катастрофе. Надо искать другие пути решения сложившейся ситуации.

В истории развития геологии четко обособились три этапа, связанных с реше-

нием экологических проблем

человечеством.

Первый из них можно назвать созерца-

тельным. Геологи, за исключением, пожалуй, гидрогеологов и инженеров-геологов,

считали, что экологические проблемы - это сфера деятельности и изучения исклю-

чительно медико-биологических наук. Да и инженеры-геологи занимались этими

проблемами опосредованно, решая, главным образом, вопросы геологического обос-

нования создания и надежного, безаварийного функционирования инженерных соо-

ружений и схем инженерной защиты сооружений, объектов и территорий.

Второй этап (семидесятые - первая половина восьмидесятых годов нашего

века) - период признания огромной роли техногенного воздействия на литосферу

и биоту и становления представлений о геологической среде, геологии окружа-

ющей среды. В этот период представители инженерной геологии, гидрогеологии,

геохимии и геокриологии начали разработку теоретических и практических геоло-

гических вопросов, направленных на решение проблем окружающей среды.

Третий этап начался с широкомасштабного выполнения так называемых

"геоэкологических" исследований представителями если не всех, то многих гео-

логических наук. Можно его начало определить так:

"все

мгновенно осознали

роль геологического знания в решении экологических проблем и приступили к

ре-

ализации этого тезиса". Действительное же осознание содержания этой проблемы

пришло позже - в 90-х годах ушедшего столетия.

Оценивая с современных позиций развитие описываемого процесса в геоло-

гии, можно констатировать, что в первое время он шел по пути дезинтеграции эко-

лого-геологических исследований. Каждая геологическая наука искала свою эко-

логическую нишу либо на уровне решения частных задач, либо путем выделения

своего научного направления: экологической минералогии (Гавриленко, 1993),

экологической гидрогеологии (Плотников и др., 1992), экологической геохимии

(Иванов, 1994-1997; Янин, 1999), экологической геофизики (Вахромеев, 1995)

и т.д. Однако в середине девяностых годов стало ясно, что эти исследования, на-

правленные главным образом на оценку изменения и измененности верхних гори-

зонтов литосферы под влиянием техногенеза, не отвечают в полном объеме содер-

жанию задачи геологического обоснования устойчивого функционирования эко-

систем. В связи с этим в последние годы из многообразия экологически ориенти-

рованных исследований в геологии выделилось новое научное направление - эко-

логическая геология.

Становление ее в системе геологических наук насчитывает менее двух десяти-

летий. Термин экологическая геология в специальной литературе впервые был ис-

пользован Е.А.Козловским, А.И.Жамойдой и В.Б.Кушевым в 1984 г., определив-

шими ее как принципиально новое направление геологических наук, задачей кото-

рого является сохранение природной среды на основе специального изучения гео-

логических процессов, связанных с развитием биосферы и техногенного воздей-

ствия человека на природу, включая рациональное использование минерально-

сырьевых ресурсов, в том числе сохранение их в недрах (особенно энергетическо-

го сырья). Затем он был забыт, а точнее подменен терминами геоэкология и охрана

геологической среды, хотя и существенно отличается от них не только по форме,

но и по содержанию.

Второй раз этот термин появился в геологической литературе в 1992 г.

Н.И.Плотников, А.А.Карцев и И.И.Рогинец под термином экологическая геология

предложили понимать "комплексную и очень сложную по содержанию науку,

охватывающую геологические аспекты (гидрогеологические, инженерно-геологи-

ческие, геохимические, геокриологические и др.) общей проблемы охраны био-

сферы и, прежде всего, человека от негативного влияния техногенеза".

В 1994 г. В.Т.Трофимовым и Д.Г.Зилингом было предложено несколько иное

определение

термина экологическая геология. В первой редакции он определялся

как новое научное направление в геологии, изучающее верхние горизонты лито-

сферы как абиотическую компонен-

ту природных и антропогенно изме-

ненных экосистем высокого уровня

организации. В 1997 г. было дано

уточненное определение экологиче-

ской геологии, приводимое далее.

Следует сказать, что почти одновре-

менно и независимо от них этот тер-

мин был предложен в 1995 г. акаде-

миком Б.С.Соколовым, который пи-

сал, что экологическая геология —

раздел геологии, который должен

отражать защитный характер горно-

геологической деятельности на ос-

нове разработки новых подходов и

понятий. Несмотря на некоторые

различия содержания всех этих оп-

ределений понятия (термина) эколо-

гическая геология, можно отметить

общее - предметом исследования

стали знания о литосфере как среде

обитания

биоты.

Экологическая геология зароди-

лась на стыке геологических и био-

логических наук и изучает воздей-

ствие "неживого" в виде компонен-

тов литосферы, в том числе техно-

генно

измененных, на "живое",

представленное биотой, включая че-

ловека (как биологический вид и со-

циальную структуру). Как следствие

предметное поле экологической гео-

логии формируется на пересечении предметных полей биологии и геологии (рис. 1).

Правомерно говорить, что с появлением экологической геологии начался новый

этап в изучении литосферы науками геологического цикла, принципиально отли-

чающийся по своей ориентации от традиционных - собственно геологического

в самом широком его понимании и инженерно-геологического.

1.2. Определение экологической геологии.

Объект и предмет экологической геологии

Экологическая геология — новое направление в геологии, изучающее верхние го-

ризонты литосферы (включая подземные воды

газы) как одну из основных абио-

тических компонент экосистем высокого уровня организации (от биогеоценоза

до экосферы). В более привычных геологу терминах ее содержание можно опреде-

лить так: экологическая геология - новое направление геологических наук, изуча-

ющее экологические функции литосферы, закономерности их формирования и про-

странственно-временного изменения под влиянием природных и техногенных при-

чин в связи с жизнью и деятельностью биоты и прежде всего — человека. В такой

трактовке экологическая геология является, с одной стороны, новым научным на-

правлением в геологии, а с другой стороны - составной частью геоэкологии, кото-

рая также включает в свою структуру экологическое почвоведение и экологиче-

скую географию (см. рис. 1).

Во втором определении содержание понятия экологическая геология опреде-

ляется через понятие "экологические функции литосферы". Его содержание по-

дробно раскрывается в разделе 1.4.

Объект исследования экологической геологии - традиционный для наук гео-

логического цикла: теоретически - это литосфера со всеми ее

компонентами,

в прикладном плане - ее приповерхностная часть, расположенная преимуще-

ственно в зоне возможного природного и техногенного воздействия. Она исследу-

ется как многокомпонентная динамическая система, включающая породы, под-

земные воды и газы, и влияющая на существование и развитие биоты, в том числе

и человеческого сообщества.

При таком определении объекта экологическая геология исследует системы

"литосфера-биота", "техногенно измененная литосфера-биота", либо "литосфе-

ра-инженерное

сооружение-биота",

прямые и обратные связи между абиотиче-

скими и биотическими подсистемами, а в конечном счете - чаще всего воздей-

ствие "неживого" на

"живое",

хотя, если говорить шире, - взаимодействие лито-

сферы и

живого.

Все эти названные системы с содержательной точки зрения являются система-

ми эколого-геологическими (термин введен

МБ.Куриновым*).

Главное их отличие -

наличие живого и неживого компонентов. Биота как живое живет и функциониру-

ет в литосфере или непосредственно на ее поверхности.

С практических позиций нижняя граница этих систем не является стабильной.

Для природно-технических эколого-геологических систем она большинством ис-

следователей проводится на глубинах от первых сотен метров до 10-12 км и соот-

ветствует глубине проникновения в литосферу техногенного воздействия. Для

природной эколого-геологической системы положение нижней границы варьиру-

ет в еще большем диапазоне - от глубины залегания грунтовых вод до мантийного

уровня, если оцениваются причины

неоднородностей

геофизических полей в ли-

* Под такой системой М.Б.Куринов совместно с

Г.А.Голодковской

предложили понимать

открытую динамическую систему, в которой в качестве подсистемных элементов выступают

источник воздействия (техногенный, природный), геологический компонент природной среды и

экологическая мишень, тесно связанные прямыми и обратными причинно-следственными связями,

обусловливающими ее структурно-функциональное единство (Теория и методология экологической

геологии, 1997).