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

Подождите немного. Документ загружается.

тосфере. Следовательно, в каждом конкретном случае глубина залегания нижней

границы системы должна определяться и обосновываться индивидуально, в зави-

симости от решаемых экологических задач и специфики геологического строения

литосферного блока.

С верхней границей объекта исследования вопрос не менее сложный, так как

в понятие геологическая среда, многие исследователи включают не только поро-

ды, но также почвы, поверхностные воды и биоту. Поэтому авторы отказались от

употребления термина геологическая среда, а перешли на понятия приповерхност-

ная часть литосферы, верхние горизонты литосферы, исключив из нее поверхно-

стные воды и в целом ряде ситуаций и почвы.

Дело в том, что к педосфере как объекту исследования можно подходить с раз-

ных позиций. Если подходить к почве как к минерально-органогенной породе, вы-

полняющей роль первого геохимического барьера на пути миграции техногенных

загрязнений или среды развития экзогенных процессов, то она должна входить

в объект экологической геологии, а если как к разделяющей геосферной оболочке -

аккумулятору и источнику энергии для организмов, и в конечном счете носителю

почвенного плодородия, логичнее считать почвы объектом исследования почвове-

дов. В последней трактовке почвы, как правило, выпадают из объекта исследова-

ния экологической геологии или включаются в него только при решении эколо-

го-геохимических и эколого-геодинамических задач. Поверхностные воды, атмо-

сфера с позиций экологической геологии рассматриваются в ранге смежных сред,

информация по которым используется при решении функциональных эколого-гео-

логических задач.

Предмет исследования экологической геологии - знания (система данных)

об экологических функциях (свойствах) литосферы. При этом рассматриваются

функциональные связи в системе

"литосфера-биота"

или "природно-техническая

система-биота".

1.3.

Типы задач и систем,

исследуемых экологической геологией

Как и большинство геологических наук, экологическая геология исследует, по

В.Т.Трофимову и Д.Г.Зилингу (1999) задачи трех типов: морфологические, ретро-

спективные и прогнозные.

Морфологические задачи -это задачи, связанные с изучением состава, состоя-

ния, строения и свойств анализируемой системы, ее эколого-геологических усло-

вий в целом. Решение задач этого типа позволяет ответить на вопрос: "Что это

за система и какие качества ей присущи?", а также получить качественные и коли-

чественные показатели, характеризующие современные эколого-геологические

условия (обстановки) изучаемого объекта. Именно эти задачи решает специалист

в процессе натурных исследований и камеральной обработки материалов.

Следует подчеркнуть, что решение морфологических задач, по существу,

проблема диагноза с фиксированным временем. Следовательно, такие задачи рас-

сматриваются как статические, не фиксирующие изменения эколого-геологиче-

ских условий во времени, или изменения анализируемой системы и взаимоотно-

шений входящих в нее подсистемных элементов. По сути это фиксация современ-

ных эколого-геологических условий, их современного состояния на определен-

ную временную дату.

Ретроспективные задачи - задачи, обращенные в

прошлое

и связанные с изу-

чением (точнее, восстановлением) истории формирования объекта исследования,

формирования его современного качества. Решение задач этого типа позволяет от-

ветить на вопросы: "Почему объект такой? Каким путем он сформировался?"

Классическим примером задач такого типа является исследование истории форми-

рования эколого-геологических условий (обстановок) какой-либо территории, ли-

бо литосферного блока (массива). Методика решения ретроспективных эколого-

геологических задач основана на общегеологических методах.

Подчеркнем, что решение ретроспективных задач опирается на данные, полу-

ченные при исследовании морфометрических задач. Именно эта информация ис-

пользуется при восстановлении последовательности и характера событий во вре-

мени (исторические аспекты), и вскрытии причинно-следственных связей (гене-

тические аспекты). Эти задачи решаются в логической временной системе (геоло-

гическое время); но заключительные этапы рассматриваются в физическом време-

ни с точкой отсчета от начала эры техногенеза, т.е. начала XVIII столетия.

Прогнозные задачи - задачи, связанные с изучением поведения, тенденций

развития исследуемой системы в будущем под воздействием различных причин

природного н техногенного происхождения. Решение задач этого типа позволяет

ответить на вопрос: "Как будет вести себя объект в будущем при тех или иных воз-

действиях?" Как и в инженерной геологии, в экологической геологии приходится

решать задачи пространственного, временного и пространственно-временного

прогноза изменения эколого-геологической системы под влиянием причин есте-

ственных (природных), техногенных или их совместного действия. Методика ре-

шения прогнозных задач разработана значительно слабее, чем морфологических

и ретроспективных.

Ранее уже показано, что экологическая геология исследует эколого-геологи-

ческие системы. Выделяется четыре типа этих систем (Трофимов, Зилинг,

1999):

природная эколого-геологическая система реальная;

природная эколого-геологическая система идеальная;

природно-техническая эколого-геологическая система идеальная;

природно-техническая эколого-геологическая система реальная.

Природную эколого-геологическую систему реальную геолог исследует при

проведении эколого-геологических исследований на неосвоенной территории,

в пределах которой техногенно обусловленные изменения эколого-геологической

обстановки, строго говоря, отсутствуют. Все работы направлены на получение

данных о составе, состоянии и экологических свойствах литосферы и взаимодей-

ствующей с ней биоты.

Изученная эколого-геологическая система первого типа в дальнейшем может

быть использована при прогнозных исследованиях, при которых анализируются

возможные последствия природных воздействий. В этом случае изучается уже си-

стема второго типа - природная эколого-геологическая идеальная. При этом рас-

сматривают возможность изменения существующих эколого-геологических усло-

вий только под влиянием меняющихся природных воздействий.

Системы первого типа могут использоваться также и при изучении природ-

но-технической

эколого-геологической

системы идеальной, исследуемой в про-

цессе прогнозирования изменения эколого-геологической обстановки под влияни-

ем тех или иных видов техногенных (с учетом возможных природных) воздей-

ствий в процессе освоения данной территории.

Природно-техническая эколого-геологическая система реальная исследуется

геологом на освоенных территориях и включает в свой состав уже существующие

инженерные сооружения, а чаще - целый их комплекс и несет в себе последствия

и природных, и, главным образом, техногенных воздействий. На базе изучения та-

ких систем, определяется их современное состояние и разрабатываются, в случае

необходимости, методы управления эколого-геологическим состоянием с целью

сохранения или улучшения.

1.4.

Экологические функции и свойства литосферы

Понятие экологические функции литосферы было введено в 1994 г. В.Т.Тро-

фимовым и

Д.Г.Зилингом.

Его появление не случайно и обусловлено прежде всего

тем, что начало изучения взаимодействия между компонентами литосферы и био-

той, включая человеческое сообщество, свидетельствует о новом подходе к оценке

роли литосферы геологом. Если традиционно, с момента зарождения геологиче-

ских наук, литосфера исследовалась с позиций поиска полезных ископаемых,

а с первой четверти XX в. - и в связи с инженерно-хозяйственной, прежде всего

инженерно-строительной деятельностью человека, то в последние годы появилась

необходимость оценить литосферу как вещественную и энергетическую основу

существования биоты и, в первую очередь, человеческого сообщества. Возникла

необходимость рассмотреть в неразрывной связи атрибутивные экологические ка-

чества литосферы и их современное состояние с экологическим состоянием биоты

и условиями развития человеческого общества. По нашему представлению, теоре-

тической и методической основой такого исследования и

является

учение об эколо-

гических функциях литосферы.

С другой стороны, в последнее время все острее ощущается недостаток ин-

формации об экологической роли литосферы при рассмотрении экосистем разных

уровней организации, включая и экосферу Земли. Так, в публикациях и норматив-

ных материалах, посвященных экологической проблематике, основное внимание

уделяется вопросам загрязнения атмосферы, почв, поверхностных вод, трансфор-

мации природных и природно-техногенных ландшафтов. Литосфера в них практи-

чески не выделяется и не рассматривается, хотя и служит геологической (литоген-

ной) основой ландшафта, почв, средой обмена веществом и энергией с атмосфе-

рой и поверхностной гидросферой, через нее осуществляется круговорот воды

в природе. Именно литосфера (ее континентальная часть) 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 обще-

ственной социальной структуры. С казанное в равной мере касается и техногенно

измененной литосферы, и этот вопрос требует особого внимания и рассмотрения.

Наступил тот момент, когда к литосфере с экологических позиций уже нельзя от-

носиться только как к литогенной основе для расселения биоты. Пришло время

оценить роль литосферы как одного из ведущих факторов в становлении экоси-

стем, обеспечивающих существование жизни на Земле. Поставленная задача тре-

бует более детального рассмотрения природных и техногенно обусловленных

свойств литосферы, влияющих на функционирование биоты.

Литосфера представляет собой верхнюю твердую оболочку планеты толщи-

ной от 50 до 200 км, имеющую большую прочность и переходящую без определен-

ной резкой границы в нижележащую астеносферу. Она включает в себя земную ко-

ру и твердую часть верхней мантии, отделенную от земной коры границей Мохо-

ровичича (граница Мохо). Сверху литосфера ограничивается гидросферой и атмо-

сферой, частично в нее проникающими.

Литосфера как часть планеты не являет собой нечто "застывшее, раз и навсе-

гда созданное". В литосфере протекают весьма разнообразные геологические про-

цессы, результаты которых в виде подвижек земной коры, извержений вулканов и

других явлений можно наблюдать на поверхности планеты. На внутреннюю энер-

гию Земли как на фактор геологической эволюции, играющий весьма важную роль

в формировании земной коры, указывал М.В.Ломоносов, далеко по своим науч-

ным воззрениям опередивший современную ему эпоху. В своих трудах В.И.Вер-

надский также неоднократно отмечал, что Земля как планета претерпевает опреде-

ленную геофизическую и геохимическую эволюцию. При этом, как подчеркивал

В.И.Вернадский, эволюция Земли носит не беспорядочный, случайный характер,

а, напротив, подчиняется определенным закономерностям.

Доступная наблюдению поверхностная часть литосферы сложена частью

твердыми, а частью относительно рыхлыми горными породами. Основными фак-

торами, определяющими физическое состояние горных пород в объеме литосфе-

ры, являются температура, количество флюидов и давление. На земной поверхно-

сти господствуют "нормальные" условия, что означает пространственные и вре-

менные (сезонные) температурные изменения в диапазоне от -50 до +60°С при ат-

мосферном давлении 10

Па. Опыт горных работ, данные глубокого бурения и на-

блюдений за деятельностью горячих источников и активных вулканов показыва-

ют, что температура в литосфере повышается с глубиной. При этом возрастают

с глубиной также давление и плотность вещества, что обусловлено действием веса

перекрывающих горных пород. Так, на глубине 30 км температура составляет при-

близительно 900°С при давлении около 8 • 10

Па.

Неоднородность литосферы есть следствие всей геологической истории на-

шей планеты, энергетического взаимодействия главных противоположно направ-

ленных процессов, которые следует рассматривать как механизм обратной связи,

саморегулирования и поступательной эволюции Земли. Расходуемую на геологи-

ческие и биологические процессы энергию Земля получает в основном от Солнца.

Однако и в самой литосфере - в земной коре и в мантии - также существуют источ-

ники энергии, к которым следует относить, в первую очередь, реакции распада ра-

диоактивных элементов, протекающих с выделением большого количества тепла.

Непрерывное поступление энергии в литосферу обусловливает неравновес-

ность ее энергетического состояния, что выражается в работе рек, горообразова-

нии, трансгрессии и регрессии морей, землетрясениях и, наконец, в существова-

нии жизни. Указанные процессы поглощают и трансформируют ту избыточную

энергию, которая поступает в литосферу как извне, от Солнца и из космоса, так и

изнутри, из более глубоких недр планеты. Наряду с энергией (в основном тепло-

вой) литосфера поглощает большое количество вещества в виде газов, паров, жид-

кой магмы из мантии, метеоритов из космического пространства. С другой сторо-

ны, земная кора отдает свои вещество и энергию в космос и мантию. Непрерывно

протекающий массо- и энергообмен литосферы с гидросферой, атмосферой, кос-

мическим пространством и с внутренними глубинными сферами Земли, таким об-

разом, является тем механизмом, который лежит в основе всех наблюдаемых в ли-

тосфере и на ее поверхности геологических и биологических процессов. Взаимо-

отношение последних представляет собой своеобразную реализацию экологиче-

ских функций литосферы. В таком контексте литосфера предстает как один из ис-

точников энергии, дополнительный к солнечной радиации и космическому излу-

чению, как ее преобразователь, накопитель, поглотитель и как передающая среда.

Значительная часть этой энергии тратится на поддержание геологических процес-

сов, а также на создание условий, пригодных для жизнедеятельности представите-

лей растительного и животного мира, населяющих нашу планету. Эти качества ли-

тосферы проистекают из особенностей ее строения, состояния и происходящих

внутри нее и на ее поверхности геологических процессов и реализуются через ее

экологические функции.

Что же конкретно следует понимать под экологическими функциями литосфе-

ры? Каково их многообразие? Есть ли подходы к оценке их влияния на биоту?

С позиций экологической геологии экологические функции литосферы в пла-

нетарном плане в общем виде следует определить как роль и значение литосферы

в жизнеобеспечении и эволюции биоты. Конкретизируя, дадим следующее опре-

деление этого понятия: под экологическими функциями литосферы понимается

все многообразие функций, определяющих и отражающих роль и значение лито-

сферы, включая подземные воды, нефть, газы, геофизические поля и протека-

ющие в ней геологические процессы, в жизнеобеспечении биоты и, главным обра-

зом, человеческого сообщества.

Приоритетное выделение в экоси-

стеме человеческой популяции обу-

словлено ее активным воздействием

на среду обитания, причем на глуби-

ны, значительно превышающие вли-

яние остальной биоты. В таком каче-

стве литосфера не изучалась и не

изучается в рамках традиционной

биоэкологии, биогеографии и эколо-

гического почвоведения.

Научная концепция экологиче-

ских функций литосферы объединя- " *"" "

ет в единый круг рассматриваемых

проблем многоплановое изучение роли литосферы как среды существования орга-

нической жизни - простейших ее форм, растительного и животного мира и челове-

ческой популяции. Основное с экологических позиций "предназначение" - ресур-

сное и энергетическое жизнеобеспечение биоты - реализуется через ресурсную,

геодинамическую, геофизическую и геохимическую функции

(рис.

2). Социаль-

но-экономические, нравственные, эстетические аспекты функциональных взаи-

модействий человека и природы авторы оставляют за рамками рассмотрения, так

как они выходят за пределы профессиональных геологических знаний и, как нам

представляется, составляют сферу интересов социальной экологии.

Итак, все многообразие функциональных зависимостей между природной и

техногенно преобразованной литосферой и биотой как биологическим видом, так

и общественной социальной структурой (человеческое сообщество) сводится к че-

тырем экологическим функциям - ресурсной, геодинамической, геофизической и

геохимической. Определим их содержание:

ресурсная экологическая функция литосферы определяет роль минеральных,

органических и органоминеральных ресурсов и геологического пространства ли-

тосферы для жизни и деятельности биоты как в

качестве

биогеоценоза, так и соци-

альной структуры;

геодинамическая экологическая функция литосферы отражает свойства лито-

сферы влиять на состояние биоты, безопасность и комфортность проживания че-

ловека через природные и антропогенные процессы и явления;

геохимическая экологическая функция литосферы отражает свойства геохи-

мических полей (неоднородностей) литосферы природного и техногенного проис-

хождения влиять на состояние биоты в целом, включая человека, в частности;

геофизическая экологическая функция литосферы отражает свойства геофи-

зических полей (неоднородностей) литосферы природного и техногенного проис-

хождения влиять на состояние биоты, включая человека.

Следует отметить, что до

1998

г. геофизическая и геохимическая функции рас-

сматривались нами как единая геофизико-геохимическая функция, которая имела

четкую медико-санитарную направленность. Однако более углубленная проработ-

ка этого вопроса показала, что природа этих функций различна. Геофизическая

функция связана с природными и техногенными геофизическими полями и их спе-

цифическим воздействием на биоту, а геохимическая - с вещественным составом

литосферы и его геохимическими полями и аномалиями химической природы.

При этом у обеих функций сохранилась медико-санитарная ориентация оценки их

воздействия на живые организмы.

Следует учитывать, что экологические функции литосферы и их современная

выраженность обусловлены эволюционным развитием Земли под воздействием

природных и техногенных факторов. На фоне эволюции природных сред в геоло-

гической истории Земли с рассматриваемых позиций (тенденции в развитии эко-

логических функций литосферы), можно выделить два основных временных эта-

па. Первый этап - сугубо природный, охватывает временной период от зарожде-

ния жизни на Земле (около 3,5 млрд лет назад) до появления человеческой цивили-

зации 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 накопитель-

ной тенденцией, сделавшей возможным не только эволюционное развитие органи-

ческого мира, но и создавшей материальный базис для появления человеческой

цивилизации. Это период накопления минеральных ресурсов литосферы, ее топ-

ливно-энергетического потенциала. Со вторым, природно-техногенным этапом

развития связано коренное изменение сущности ресурсной функции. Период на-

копления многих ресурсов сменился периодом интенсивного и прогрессирующего

их потребления, включая и ресурсы невозобновляемые. В настоящее время миро-

вое сообщество уже ставит вопрос о приближении периода их полной сработки.

Сказанное в равной мере касается и дефицита геологического пространства, наибо-

лее ощутимого в малых по площади странах с большой численностью населения.

Геодинамическая функция литосферы более сжата в геологическом времени

по сравнению с ресурсной и в качестве таковой рассматривается нами с момента

альпийского орогенеза и, особенно, новейшего этапа его проявления, когда сфор-

мировался современный рельеф планеты, а в голоцене - и основные черты ее ланд-

шафтно-климатической зональности. Более ранний период, когда этапы активиза-

ции геологических процессов сменялись этапами относительного покоя, не имеет

четкого выражения в закономерностях пространственного развития современных

геологических процессов. За рамками рассмотрения оставляется и оценка влияния

прошлых геологических процессов на органический мир. И хотя сам факт такого

влияния сомнений не вызывает, значимость этого фактора разными учеными трак-

туется далеко не однозначно и до сих пор остается предметом острых дискуссий.

Это касается

крупномасштабных, и глобальных катастроф. Их связывают как

с земными, так и космическими причинами: по мнению ряда исследователей, в со-

бытиях массовых вымираний и в прошлом основную роль играли экологические

процессы, связанные с появлением новых групп организмов и развалом ранее су-

ществовавших биоценозов. С учетом сказанного и надо подходить к оценке роли

геодинамической функции литосферы в развитии экосистем. Она реализуется через

проявление опасных и катастрофических геологических процессов (вулканизм, зем-

летрясения, сели, лавины и др.) и геодинамических зон, влияющих на биоту.

На втором, природно-техногенном этапе развития важная роль в становле-

нии геодинамической функции переходит к техногенному воздействию, с кото-

рым связана не только интенсификация деструктивных процессов, но и их дина-

мика. 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 слу-

чаев позволяет снижать их активность и осуществлять локализацию. Последнее

можно рассматривать как отличительную, специфическую черту геодинамиче-

ской функции, открывающую возможность управления экзогенными геологиче-

скими процессами с помощью мер инженерной защиты объектов, сооружений

и территорий.

Геофизическая и геохимическая функции литосферы как продукт эволюции

Земли занимают свою экологическую нишу. Первый этап их становления охваты-

вает весь период развития Земли до начала техногенеза и является временем фор-

мирования 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 втором - природно-техногенном этапе развития эти функции получили

четкую техногенную обусловленность и часто являются ведущими при оценке со-

временного состояния экосистем. На урбанизированных территориях, в промыш-

ленных и горно-добывающих 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 техно-

генные геохимические и физические аномалии. По площади распространения и

глубине воздействия на биоту, включая человека, они значительно опаснее многих

природных аномалий. Наглядным примером является так называемый "Черно-

быльский след", охвативший часть территории трех государств - России, Украины

и Белоруссии.

Таковы особенности и главные черты экологических функций литосферы как

продукта геологической эволюции Земли с учетом техногенеза. Представляется,

что предложенное понимание с историко-генетических позиций сущности и обус-

ловленности экологических функций литосферы не только раскрывает их роль

в развитии биоты, но и может быть теоретическим базисом при переходе к разра-

ботке проблемы управления этими функциями.

Общая систематика экологических функций литосферы и составляющих

их категорий приведена

на

рис.

Рассмотрению содержания каждой из них посвя-

щены главы 5-8.

Материальным носителем проявления экологических функций литосферы,

который можно измерить и отразить на картографических моделях являются эко-

логические свойства литосферы.

Определим содержание этого понятия следующим образом: экологическое

свойство литосферы — одна из сторон литосферы, ее специфический, экологиче-

ски значимый атрибут, обусловленный природой ее вещественного состава, гео-

динамических, геохимических и геофизических полей

органически связанный

с жизнеобеспечением биоты, условиями ее существования и эволюции.

Экологические свойства литосферы следует рассматривать как результат ее

эволюционного развития и техногенного преобразования, с которым связано су-

ществование биоты и ее дальнейшее функционирование. Это экологическая со-

ставляющая (грань) литосферы, изучаемая экологической геологией.

Для лучшего понимания сущности экологических свойств литосферы назовем

некоторые из них применительно к ресурсной, геодинамической, геохимической и

геофизической экологическим функциям литосферы. Эта информация приведена

в табл.

Она не претендует на полноту перечисления всех свойств, но позволяет

понять, что из себя представляют экологические свойства литосферы, и показывает

один из возможных подходов к их выделению. Анализ содержания этой таблицы по-

зволяет утверждать, что экологические функции литосферы являются конкретным,

реально осязаемым проявлением (выражением) ее экологических свойств.

Завершая рассмотрение общих представлений об экологических функциях и

свойствах литосферы, проиллюстрируем сказанное на конкретном примере. В ка-

честве такового можно привести экологически ориентированное изучение зоны

аэрации, выполненное в середине 90-х годов сотрудниками СНИИГГиМС под ру-

ководством Н.А.Лизалека. Эти исследования были направлены на изучение об-

менных и водно-растворимых комплексов минеральной среды зоны аэрации и во-

дообмена, т.е. всей зоны минерального питания растений. Характернейшей чертой

этой зоны являются биохимические реакции, в результате которых обеспечивается

подготовка минеральной пищи растений.

По сути - это зарождение нового подхода к изучению литосферы геологами

как основы развития биоты (в данном случае растений), что органически вписыва-

ется в представления об экологических свойствах литосферы. В приведенном при-

мере комплекс горных пород рассматривался как основа минерального питания

растений (минеральная ресурсная составляющая), подготавливаемая биохимиче-

скими реакциями (энергетическая составляющая) с формированием обменных

водно-растворимых комплексов (гидрогеохимическая составляющая) единой сис-

темы "литосфера (зона аэрации) —> грунтовые

воды

—»

почва —> биота". В целом эта

система выступает как "депо" минеральных ресурсов для растений.

Рассматривая эту проблему с более общих позиций, следует сделать вывод,

что познание механизма взаимодействия живого и косного вещества возможно

только на основе целенаправленного экологически ориентированного изучения

литосферы и биохимии живого вещества. Именно это положение и реализует

представления об экологических функциях литосферы.