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

Подождите немного. Документ загружается.

Ермаков В.В. Биогеохимическое районирование континентов // Биогеохимические

основы экологического нормирования. - М.: Наука, 1993. - С. 5-24.

Иванов В.В. Экологическая геохимия элементов.

Кн.1,2.

- М.: Недра, 1994. - 304 с,

301 с; Кн.З. - М.: Недра, 1996. - 351 с; Кн.4. -

М:

Экология, 1996. - 403 с; Кн.5,6. - М.:

Экология, 1997. - 575 с, 607 с.

Ковальский В.В. Геохимическая экология. - М.: Наука, 1994. - 280 с.

Крайнов СР., Швец В.М. Гидрогеохимия. — М.: Недра, 1992. - 464 с.

Перелъман

А.И. Геохимия. - М.: Высшая школа, 1989. - 526 с.

Прохоров Б.Б. Медико-экологическое районирование и региональный прогноз здо-

ровья населения России. - М.: Изд-во МНЭПУ,

1996.

- 72 с.

Сает Ю.Е., Ревич

Б.А.,

Янин Е.П. Геохимия окружающей среды. — М.: Недра, 1990. —

335 с.

Теория и методология экологической геологии / Под ред. В.Т.Трофимова. — М.: Изд-во

Моск. ун-та, 1997. - 368 с.

Экологические функции литосферы / Под ред. В.Т.Трофимова. - М.: Изд-во Моск.

ун-та, 2000. - 432 с.

Экология, охрана природы и экологическая безопасность / Под ред.

В.И.Данилова-Да-

нильяна, - М.: Изд-во МНЭПУ, 1997. - 744 с.

ГЛАВА 8

ГЕОФИЗИЧЕСКАЯ ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ФУНКЦИЯ ЛИТОСФЕРЫ*

8.1. Определение, значение и структура

геофизической экологической функции литосферы

Под геофизической экологической функцией литосферы мы понимаем функ-

цию, отражающую свойства геофизических полей литосферы природного

тех-

ногенного происхождения влиять на состояние биосферы и здоровье человека.

Эту функцию следует понимать как "способность" литосферы обеспечивать

и поддерживать на поверхности планеты и в приповерхностной ее части энергети-

ческие условия, пригодные для существования живых организмов.

Энергетическое воздействие окружающей среды на живые организмы реали-

зуется через геофизические поля различной природы - естественные (космическо-

го и земного происхождения) и техногенные. Всякое отклонение от "привычных"

окружающих условий может нести с собой опасность возникновения негативных

для биоты последствий либо непосредственно при изменяющем условия воздей-

ствии, либо через значительные промежутки времени (отдаленные последствия).

Ответной реакцией живых организмов на воздействие является адаптация (полная

или частичная, кратковременная или устойчивая) или патологические изменения

в них, представляющие собой своего рода "плату" за жизнь в неадекватных по сво-

им параметрам условиях, в том числе и энергетических, отличающихся от нор-

мальных для данной формы жизни.

Картина, которую приходится при этом наблюдать на всех уровнях - от мик-

робных популяций до человеческих социумов - и которая характеризует приспо-

собительные реакции живых организмов на внешнее энергетическое воздействие,

выглядит приблизительно одинаково, различаясь скорее количественно, нежели

качественно. Такой представляется роль геофизической функции в общей концеп-

ции экологических функций литосферы.

Исходя из этого, объектом изучения при исследовании геофизической эколо-

гической функции литосферы являются природные и техногенные геофизические

поля, их аномальные проявления вплоть до формирования так называемых геопа-

тогенных зон, а предметом исследования - взаимодействие полей с биотой и влия-

ние, которое они оказывают на состояние биоты в целом и, в частности, на здо-

ровье людей.

Термином геофизические поля будем называть естественные физические поля

космического и земного (ионосферного, атмосферного, гидросферного, лито-

* Глава составлена при участии А.Д.Жигалина.

252

сферного, глубинного) происхождения, а также техногенные поля, действующие

в пределах литосферы, преобразованные и распределенные ею. Особо следует под-

черкнуть прямую генетическую связь полей, называемых нами геофизическими,

именно с литосферой или с глубинными "сферами" земного шара и лишь опосре-

дованную через литосферу связь с процессами, происходящими в ближнем и даль-

нем Космосе. Это значит, что все рассматриваемые геофизические поля обуслов-

лены либо особенностями строения литосферы и Земли в целом (например, грави-

тационное и внутреннее геомагнитное поля), либо характером геодинамических,

физических и химических процессов (например, радиоактивное, температурное и

электрическое поля, а также поле сейсмичности). Перечень геофизических полей

включает поля следующих видов

(см.рис.

3): гравитационное (поле силы тяже-

сти), магнитное, электрического тока (постоянного, переменного и медленно ме-

няющегося), температурное, сейсмическое (поле упругих механических колеба-

ний), радиационное (поле ионизирующего излучения). К числу наиболее дей-

ственных с экологических позиций следует относить гравитационное, темпера-

турное, геомагнитное, электрическое и радиационное поля.

Напомним, что жизнь на Земле появилась и развивалась в условиях преиму-

щественного влияния гравитационного, геомагнитного и температурного полей.

Первое из них, если и менялось на протяжении истории существования биосферы,

то исключительно синхронно с ее развитием. Это позволяет предполагать, что

каждый геологический отрезок времени биосфера существовала при относитель-

но стабильном гравитационном поле. Правда, существуют источники, отсылаю-

щие нас к мифологии и преданиям ушедших цивилизаций, указывающие на некий

"гравитационный катаклизм", имевший место на Земле приблизительно 10-14 ты-

сяч

лет

тому назад. Однако те же свидетельства подтверждают, что после серии по-

добного рода глобальных катастроф, следующих друг за другом через небольшие

промежутки времени, гравитационное поле Земли "пришло в норму" и все закон-

чилось относительно благополучно, хотя лишь для биосферы в целом, но не для

древних цивилизаций, многие из которых по тем или иным причинам, связанным

с указанными событиями, исчезли навсегда.

Следует упомянуть также и о радикальных изменениях геомагнитного поля,

в частности о дрейфе геомагнитных полюсов и о смене магнитной полярности

(инверсиях геомагнитного поля) с временным интервалом от 0,5 до 10 млн лет,

о чем свидетельствуют данные палеомагнитных исследований. Но, в противопо-

ложность гравитационному полю, существенные с планетарных позиций измене-

ния геомагнитного поля, если и случались, то проходили, по всей видимости, без

катастрофических последствий для биосферы за исключением эпох смены поляр-

ности геомагнитного поля.

На эволюционные процессы в биосфере существенное влияние оказывали из-

менения температурного режима поверхности планеты. Данные палеогеографи-

ческих исследований свидетельствуют о том, что в геологической истории Земли

периодически происходили глобальные изменения климата. Резкое общее похоло-

253

дание и наступление ледников можно рассматривать как серьезное испытание

для биосферы, граничащее с катастрофой.

Общая гравитационная, магнитная и температурная "подготовка" биосферы

в процессе ее эволюции обеспечила возможность устойчивого существования жи-

вых организмов вплоть до переживаемого нами исторического и геологического

отрезков времени. В то же время неуклонно возрастающее техногенное энергети-

ческое воздействие на абсолютно все живые организмы на планете, обусловлен-

ное увеличивающимся уровнем электромагнитного загрязнения среды в очень

широком частотном диапазоне и особенно в области радио- и более высоких час-

тот, застало биосферу "врасплох", не оставив ей времени для эволюционной адап-

тации. Роль техногенного электромагнитного воздействия оказывается весьма су-

щественной и заслуживает особого внимания еще и потому, что большинство про-

цессов, происходящих в живых организмах и регулирующих их деятельность, от-

носятся к классу электрохимических и электрофизических.

Естественные и техногенные геофизические поля, накладываясь друг на дру-

га, создают вблизи земной поверхности (по обе стороны от нее по вертикали) не-

кую область существования избыточного энергетического потенциала - энерго-

сферу. В ее пределах происходит энергообмен между объектами живой и неживой

природы, между Землей и космическим пространством. Многие геологические

и биологические процессы подпитываются энергией из этого слоя. И поскольку

в настоящее время происходит интенсивная "накачка" энергосферы со стороны

располагающего новейшими технологиями человечества, нет ничего удивитель-

ного в том, что многие геологические, биологические процессы и изменения эко-

логической обстановки оказываются, с одной стороны, трудно предсказуемыми,

а с другой стороны, - зачастую негативными с точки зрения сохранения устойчи-

вости экосистем, самих условий существования жизни.

Следует также иметь в виду, что естественные и техногенные геофизические

поля не существуют раздельно, они накладываются друг на друга в соответствии

с принципом суперпозиции (наложения).

Завершая рассмотрение общих вопросов, связанных с исследованием геофи-

зической экологической функции литосферы, добавим, что оно может быть пред-

ставлено тремя взаимосвязанными, но в достаточной степени самостоятельными

проблемами: экологическим воздействием геофизических полей на природные

и природно-технические экосистемы; техногенным физическим загрязнением ли-

тосферы; геопатогенезом. При этом геофизические природные и техногенные фи-

зические поля необходимо рассматривать либо с позиций воздействия их на экоси-

стемы и на биоту в целом, либо как фактор техногенного физического загрязнения

литосферы, либо в плане возможной связи их с геопатогенезом. Такое представле-

ние о геофизической экологической функции литосферы и ее структуре

(см.рис.

дает возможность определить область, цели и задачи эколого-геофизических ис-

следований.

8.2. Природные геофизические поля и их аномалии

Гравитационное поле и его аномалии

Гравитационное поле Земли следует рассматривать как один из основных ви-

дов геофизических полей, хотя в строгом смысле литосфера в ее границах не мо-

жет считаться источником гравитационного поля ввиду малости вклада в его фор-

мирование. Тем не менее о ней следует обязательно упомянуть в этой связи, по-

скольку именно литосфера непосредственно контактирует с гидросферой и атмо-

сферой. Только благодаря сильному гравитационному полю, на Земле удержива-

ются гидросфера и атмосфера, обеспечивающие существование жизни.

В целом гравитационное поле Земли характеризуется большой сложностью

структуры и пространственной изменчивостью, которые определяются особенно-

стями плотностного разреза, взаимным расположением и размерами гравитиру-

ющих тел на фоне общего планетарного поля силы тяжести. Гравитационное поле

(ускорение свободного падения) в пределах поверхности планеты изменяется

от 9,78 м/с

на экваторе до 9,83 м/с

на полюсах (табл. 60). На фоне таких законо-

мерных широтных изменений поля силы тяжести могут быть выделены гравита-

ционные аномалии геологической природы, составляющие (3-30) •

10"

м/с

и вре-

менные вариации, обусловленные приливным воздействием космических тел,

и в первую очередь Луны и Солнца, приводящим к периодическим изменениям вы-

сотного положения поверхности планеты, а также к медленному перераспределе-

нию масс внутри земного шара. Приливные вариации могут достигать 3,4 •

10"

м/с

возможная величина вековых изменений силы тяжести в течение года предполо-

жительно составляет менее 1,0 •

10"

м/с

В последние годы все большее внимание обращает на себя проявление тех

факторов изменения силы тяжести на поверхности литосферы, которые обуслов-

лены инженерной деятельностью человека - извлечением из недр Земли значи-

тельного количества ископаемого сырья, искусственным снижением или повыше-

нием уровня подземных вод, созданием обширных водохранилищ, строитель-

ством крупных городских агломераций. Изменяющаяся в связи с осуществлением

подобных мероприятий сила тяжести может в определенной мере отражаться на

протекании многих экологически значимых процессов, таких, например, как сей-

смотектонические подвижки, обвальные явления, оползне- и карстопроявление,

процессы, связанные с проседанием земной поверхности, переработкой берегов

крупных водохранилищ. Правомерно говорить об опосредованном через геологи-

ческие процессы воздействии гравитационных аномалий техногенного происхож-

дения на биоту.

Геомагнитное поле и его аномалии

Магнитное (геомагнитное) поле земли в значительно большей степени зави-

сит от строения и свойств литосферы, поскольку многие источники магнитного

поля, вносящие свой вклад в общее геомагнитное поле, располагаются именно

255

256

в литосфере. Сама история формирования литосферы самым тесным образом свя-

зана с магнитными свойствами пород, с магнитным полем Земли. При этом наблю-

даемое на поверхности планеты магнитное поле на 95% обязано своим существо-

ванием относительно стабильным источникам, находящимся в ее ядре. И лишь

остальные 5% обусловлены инициируемыми солнечной активностью токами

и связанными с ними магнитными полями в ионосфере и земной коре.

Земля представляет собой гигантский магнитный диполь, поле которого про-

является на поверхности планеты и выходит далеко в околоземное пространство,

создавая так называемую магнитосферу. Многие физические тела на Земле и в том

числе некоторые горные породы, слагающие литосферу, обладая некоторым соб-

ственным магнетизмом, приобретают под воздействием доминирующего магнит-

ного поля планеты индуцированный магнетизм. Поэтому наблюдаемое на земной

поверхности или вблизи нее магнитное поле обусловлено совокупным влиянием

множества источников и в том числе источников, располагающихся в объеме лито-

сферы - железорудных тел и горных пород, свойства которых зависят от содержа-

ния и распределения в них ферромагнитных материалов, таких как магнетит, тита-

номагнетит, ильменит, пирротин, гематит и другие.

На фоне нормального геомагнитного поля, составляющего величину

500-618

мЭ

(см. табл. 60), выделяются аномалии, обусловленные различными причинами: в од-

них случаях - скоплением в пределах верхних слоев литосферы горных пород с ярко

выраженными магнитными свойствами, в других - как следствие воздействия внеш-

них по отношению к Земле источников на окружающую ее магнитосферу.

В первом случае пространственное положение аномалии остается неизмен-

ным, а ее величина изменяется от единиц до 1300 мЭ; во втором случае возможны

существенные изменения как пространственного положения, так и амплитуды

аномалий.

Хорошо известно, что магнитное поле Земли подвержено медленным измене-

ниям, так называемым вековым вариациям, максимальные величины которых мо-

гут достигать нескольких миллиэрстед в год.

Помимо таких "медленных" вариаций, наблюдаются более сжатые во времени

(до нескольких часов или двух-трех суток) изменения геомагнитного поля - маг-

нитные бури. Во время прохождения магнитных бурь изменение магнитного поля

может составлять 10 мЭ.

Температурное поле и

его

аномалии

Земля представляет собой гигантскую энергетическую машину, в которой

различные виды энергии - упругой, гравитационного сжатия, приливного тре-

ния и радиоактивного распада - превращаются тем или иным путем в тепловую

* Принятая в геофизике единица измерения напряженности магнитного поля миллиэрстед; 1 мЭ

приблизительно равен 0,08

А/м.

В настоящее время используется единица нанотесла (нТл), 1 мЭ =

100нТл.

257

энергию, обусловливая температурный режим ее недр. Тепловое состояние Земли

и закономерности его изменения определяются общим тепловым балансом масси-

вов горных пород, зависящим от распределения приходящей энергии. Распределе-

ние энергии, в свою очередь, обусловлено рядом глобальных, региональных и ло-

кальных особенностей строения планеты и приповерхностных ее частей. Темпе-

ратурный режим верхней части земной коры устанавливается в энергетическом

взаимодействии Земли с Солнцем и космическим пространством, с одной сторо-

ны, и, с другой стороны, с источниками тепловой энергии, расположенными

во внутренних сферах планеты.

Распределение температуры и источников тепла в недрах планеты и в припо-

верхностной ее части имеет фундаментальное значение. Действительно, все свой-

ства вещества Земли на всех ее структурных "этажах", будь то вязкость, упругость,

электропроводность, намагниченность, играющие важную роль в формировании

геофизических полей, частично, а иногда и в значительной мере зависят от темпе-

ратуры

на

той глубине, где это вещество находится. Совокупность источников теп-

ловой энергии формирует не только тепловой режим грунтовой толщи, залега-

ющей вблизи поверхности Земли, но и климат, а также условия, пригодные для су-

ществования живых организмов.

Источниками, поддерживающими температурное поле Земли (геотемператур-

ное поле) в целом и в пределах верхних ее слоев - литосферы, являются внешние

(космические) и внутренние (планетарные) процессы. К числу внешних процес-

сов относятся солнечная радиация, излучение звезд, энергия метеоритов, падаю-

щих на Землю, гравитационное воздействие Луны и Солнца. Внутренними источ-

никами тепловой энергии являются ядерные реакции внутри Земли и в первую

очередь в пределах литосферы, гравитационная дифференциация вещества внут-

ри планеты, замедление скорости ее вращения, экзотермические (идущие с выде-

лением тепла) химические реакции, кристаллизационные и полиморфические

трансформации и фазовые переходы, приливное трение, релаксация упругих на-

пряжений и тектонические движения.

Внутренние (планетарные) источники тепловой энергии, уступая по мощности

солнечному излучению, превосходят остальные космические источники. Основным

внутренним источником тепла являются ядерные реакции. Мощность этого источ-

ника, составляющая 18,0 •

Дж/год, приблизительно в 1,5 раза превышает сум-

марную мощность всех остальных планетарных источников тепловой энергии.

Для самой верхней части литосферы приобретают все большее значение тех-

ногенные источники тепловой энергии. Мощность такого рода источников на не-

сколько порядков меньше мощности планетарных источников и мощности сол-

нечного излучения. Но занимая всего около 5-10% территории суши, они, как пра-

вило, сосредоточены в ограниченном объеме литосферного пространства - в суб-

страте промышленно-городских агломераций и других интенсивно используемых

территорий. Поэтому генерируемый ими тепловой поток может оказаться соизме-

римым с тепловым потоком, обусловленным наличием более мощных планетар-

ных источников тепла. Более того, в пределах территории больших городов и про-

258

мышленно-городских агломерации

суммарный

поток из недр составляет всего

около 28% общего теплового потока, достигающего земной поверхности, тогда

как примерно 72% его приходится на долю техногенеза, оказывающего суще-

ственное тепловое воздействие на окружающее литосферное пространство и свя-

занную с ним биосферу.

Таким образом, в формировании температурного поля в верхних слоях лито-

сферы, где оно является существенным экологическим фактором, принимают са-

мое непосредственное участие как естественные источники, находящиеся вне

и внутри Земли, так и искусственные, располагающиеся непосредственно в преде-

лах самой верхней освоенной человеком части литосферы.

Электрические и электромагнитные поля и их аномалии

литосферном

пространстве Земли существуют многообразные электриче-

ские и электромагнитные поля, различающиеся по своей природе и интенсивности

проявления. По генетическому признаку источники, создающие поля электриче-

ских токов, подразделяются на естественные и искусственные (техногенные),

а по отношению к литосферному пространству как среде-носителю - на внешние

и внутренние.

Природа электрических полей разнообразна. Это, с одной стороны, естествен-

ные поля природных электронных проводников, фильтрационные и термофиль-

трационные, диффузионные, теллурических токов и грозовых разрядов. С другой

стороны, существуют поля электрических токов техногенного происхождения, со-

здаваемых человеком в процессе реализации современных технологий.

Электромагнитное поле Земли естественного происхождения проявляется

в виде разнопериодных электромагнитных колебаний (вариаций), частотный

спектр которых представлен полосой от

10"

до

Гц. Интенсивность (амплитуда)

вариаций зависит от солнечной активности, географического положения и геоло-

гического строения места наблюдения. Амплитуда вариаций электрической со-

ставляющей естественного электромагнитного (магнитотеллурического) поля мо-

жет достигать 100-200 мВ/км (см. табл. 59) при средних значениях 30-40 мВ/км

и фоновом уровне 0,1-10,0 мВ/км.

Особенности геологического строения в большей степени отражаются на

поведении электрической составляющей электромагнитного поля как более

чувствительной к гетерогенности строения литосферы, но, хотя и слабее, прояв-

ляются также в поведении магнитной составляющей. Максимумы интенсивно-

сти вариаций естественного электромагнитного поля приходятся на годы солнеч-

ной активности.

Электрическая составляющая электромагнитного поля любого генезиса весь-

ма чувствительна к геологическим неоднородностям в строении земной коры, свя-

занным с изменением электропроводности горных пород. Как следствие этого, все

без исключения тектонические элементы оказываются отображенными в анома-

лиях электрической составляющей естественных электромагнитных полей. По-

259

скольку аномалии электромагнитных полей, сопутствующие структурным эле-

ментам литосферы, могут вдвое и более того, превышать фоновый уровень, инте-

рес к ним с экологических позиций как к фактору, могущему влиять на условия

жизни, достаточно велик.

Хорошо известны естественные электрические поля электрохимической, тер-

мофильтрационной, фильтрационной и другой природы, которые можно относить

к категории квазипостоянных или медленно меняющихся полей. Электрические

поля, наблюдаемые на поверхности Земли и обязанные своим существованием

протеканию в реальных геолого-геохимических условиях рудных и некоторых

других месторождений электрохимических окислительно-восстановительных

процессов, могут создавать естественные потенциалы в пределах

20-1800

мВ при

фоновых значениях, характерных для естественных электрических полей разной

природы, 5-100 мВ.

Особый вид земных электрических полей представляют термофильтрацион-

ные поля, возникающие в породах различного типа, за исключением рыхлых пес-

чано-глинистых водонасыщенных образований. Идентификационный признак по-

лей этого вида- изменение электрического потенциала в зависимости от суточных

вариаций температуры в приповерхностной части геологического разреза от 40

до 400 мВ (см. табл. 60).

Естественное электрическое поле фильтрации обусловлено движением под-

земных вод через пористые горные породы. Своим происхождением электрофиль-

трационные поля обязаны существованию двойного электрического слоя на гра-

нице твердой и жидкой фаз горной породы, рассматриваемой в данном случае в ка-

честве двухфазной системы. Величина потенциала фильтрации может достигать

40-200 мВ и зависит от целого ряда факторов: перепада давления в фильтрующем

пласте, электрического сопротивления фильтрата, подстилающих и перекрыва-

ющих водопроводящий слой горных пород, вязкости флюида, а также структур-

ных особенностей геологического пространства, в пределах которого реализуется

процесс фильтрации. Электрические фильтрационные поля обнаруживают, как

правило, устойчивую связь с геоморфологической и литолого-гидрогеологиче-

ской обстановкой областей, где они наблюдаются.

В пределах верхней части литосферы весьма часто можно наблюдать условия,

благоприятные для появления диффузионно-адсорбционных потенциалов, возни-

кающих на контактах пород разного литологического состава или вследствие из-

менения химического состава вод, насыщающих породы одной и той же литологи-

ческой разности. Как правило, диффузионно-адсорбционные электрические поля,

величина потенциала которых может достигать

100

мВ (см. табл. 60), наблюдают-

ся на поверхности в области контактов песчаных и глинистых пород, а также ч пре-

делах участков смены минерализации подземных вод.

Весьма существенную роль в формировании энергетического пояса вблизи

поверхности Земли играет атмосферное электричество (электростатическое по-

ле), играющее большую роль и в качестве экологического фактора. Атмосферное

260