Геология и геоэкология

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курс лекций

Геология и геоэкология

Содержание

Раздел 1. Основные понятия геоэкологии

Лекция 1. Основные понятия геоэкологии

Лекция 2. Геологическая среда. Состав и свойства геологической среды. Экосистемы и их особенности

Раздел 2. Техногенные изменения геологической среды

Лекция 1. Основные виды воздействия горного и геологического производства

Лекция 2. Техногенная миграция элементов. Физическое и химическое загрязнение

Лекция 3. Радиоактивное загрязнение геологической среды

Раздел 3. Нормирование качества геологической среды и методы изучения ее экологического состояния

Лекция 1. Нормирование качества окружающей и геологической среды

Лекция 2. Нормирование загрязняющих веществ в водных объектах

Лекция 3. Нормирование загрязняющих веществ в почве

Лекция 4. Методы изучения экологического состояния геологической среды: картирование и картографирование, полевые исследования

Раздел 1. Основные понятия геоэкологии

Лекция 1. Основные понятия геоэкологии

В 1866 году немецкий биолог Эрнст Геккель ввел в науку термин экология (гр. oikos - дом, жилище, разные, воды - учение, наука), который, однако, получил всеобщее признание лишь к концу XX века. Э.Геккель назвал словом экология новый раздел биологии, изучающий совокупность всех взаимосвязей между живыми и неживыми компонентами природной среды, который по мере накопления знаний превратился в фундаментальную науку. Во второй половине XX столетия термин экология стал модным. Каждый исследователь и специалист, желающий быть современным, занимается экологией. Но экологические проблемы, которые интересуют биолога, отличаются от проблем, рассматриваемых физиком, инженером, экономистом, юристом или социологом. Каждый из них придает этому слову до такой степени различное значение, что неспециалисту становится трудно определить, что же это такое.

Из всех живых организмов человек более других пытается изменить природу, используя и приспосабливая ее для своих нужд. С развитием науки и техники люди получают все более мощные орудия воздействия на природу. Это позволяет им вторгаться в микро- и макромиры, во все процессы, протекающие в биосфере. Вот, что писал В.И. Вернадский еще в 1925 году:

«Человек уничтожил девственную природу. Он внес в неё массу неизвестных ранее химических соединений и форм жизни - культурных пород животных и растений. Он изменил течение всех геохимических реакций. Лик планеты стал новым и пришел в состояние непрестанных потрясений». [искусственные минералы]

Если до некоторых пор механизмы саморегуляции биосферы компенсировали возмущающие антропогенные воздействия, то особенностью современного этапа развития планеты является то, что система производства и размах человеческой деятельности достигли масштабов, сопоставимых с масштабами природных явлений. По словам В.И. Вернадского «человечество стало геологической силой, сравнимой с силами самой природы». Действительно, подземные ядерные взрывы по мощности сравнимы со слабыми сейсмическими толчками. Аварии на АЭС в Гаррисберге (США, 1979), Чернобыль (Украина, 1986); утечки ядовитых веществ на химических заводах в Севезо (Италия, 1976), Бхопале (Индия, 1984), Череповце (Россия, 1987); потери при хранении и транспортировке вредных веществ и т.п.- все эти техногенные катастрофы вполне сопоставимы с крупными природными катаклизмами. Разрушительная деятельность человека породила конфликт между обществом и природой, создала проблемы, которые получили название экологических.

В последние два десятилетия изменился взгляд на экологию, как на сугубо естественную науку. Уже с начала века в экологии прослеживались два направления. Представители первого антропоцентрического - рассматривают человеческое сообщество как новое царство, наряду с царствами минералов, растений и животных. Представители другого - биоцентрического - включают Homo sapiens (человека разумного) с его деятельностью в сферу интересов общей экологии. Они считают, что человек - млекопитающее, подчиняющееся законам природы, и его развитие идет параллельно с развитием других организмов.

Людям не следует забывать о том, что, получив неограниченную власть над природой, они сами являются её скромной частицей. Основные законы природы не потеряли своей силы с ростом численности населения, с огромным увеличением масштабов потребления и невиданных ранее научно-техническим прогрессом, которые чрезвычайно расширил человеческие возможности воздействия на окружающую среду. Изменилось лишь относительное значение этих законов, усложнилась их зависимость от человека. Цивилизация по-прежнему продолжает зависеть от природы, и не только от энергетических и материальных ресурсов, но и от таких жизненно важных процессов, как, например, круговороты воды и воздуха.

Отметим, что до 1970 года на экологию смотрели, главным образом, как на один из разделов биологии. Хотя и сейчас экология уходит своими корнями в биологию, она вышла за ее рамки, переросла в новую интегрированную дисциплину, образующую мост между естественными, техническими и общественными науками, которая исследует общие закономерности, справедливые как для природы, так и для общества.

Геоэкология и её место в экологии. Экология как интегрированная дисциплина подразделяется на ряд разделов по различным принципам (см. схему).

Геоэкология - практический раздел экологии, занимающийся изучением региональных и глобальных изменений компонентов природной среды, обусловленных техногенным воздействием. В конкретной практике объектами геоэкологии являются экосистемы или их составные части: почвы, поверхностные и подземные воды, приземная атмосфера и горные породы.

Таким образом, объектом исследований геоэкологии является геологическая среда и происходящие в ней изменения , связанные с производственной деятельностью человека.

Связь геоэкологии с другими науками. Мы определили, что геоэкология - это практический раздел экологии, возникший на стыке геологии и экологии, что и определяет здесь тесную связь естественных (геология, биология, география), технических (горное дело) и общественных наук.

Растет социальная роль экологических знаний. Отсюда следует, что современная экология и геоэкология тесно соприкасается с такими дисциплинами, как право, экономика, социология, политология, философия и должна владеть всеми инструментами, которые дают в ее руки техника и математика.

Основная задача современной экологии - найти пути управления природными, антропогенными системами, человеческим обществом и биосферой в целом в соответствии с законами природы , а не вопреки им, найти гармонию между экономическими и экологическими интересами человека.

Геоэкология и экологическая геология. Последняя треть двадцатого века - время экологизации многих социальных, технических и естественных наук. Экологизация отчетливо проявилась и в геологии: здесь сформировалось новое направление - экологическая геология, изучающая верхние горизонты литосферы как одну из основных абиотических компонент экосистем высокого уровня организации (от биогеоценоза до экосферы).

По В.Т.Трофимову термин «экологическая геология» нельзя отождествлять с термином «геоэкология». Это принципиально разные понятия. В любой трактовке геоэкология - это комплексная наука, исследующая все абиотические оболочки (сферы) Земли, а по нашим представлениям - и биоту. Геоэкология включает в себя как минимум «экологическую геологию», как составную часть, связанную только с литосферой, «экологическую географию», «экологическое почвоведение», в перспективе в ее состав, вероятно, войдет и «биоэкология».

Экологическую геологию в более привычных геологу терминах можно определить так: экологическая геология - новое направление геологических наук, изучающее экологические функции литосферы, закономерности их формирования и пространственно-временного изменения под влиянием природных и антропогенных (техногенных) причин в связи с жизнью и деятельностью биоты и, прежде всего, человека. Подчеркнем - под влиянием природных и техногенных процессов, поскольку некоторые исследователи считают необходимым изучать воздействие и экологические последствия лишь техногенных причин. Это принципиальная ошибка. Масштабы и интенсивность природных геологических процессов, и экологические последствия их проявления существенно значимее: подавляющая часть крупномасштабных катастрофических событий на Земле связана именно с ними.

Объект исследования экологической геологии - традиционный для наук геологического цикла: теоретически - это литосфера со всеми ее экологически значимыми компонентами, в прикладном плане - ее приповерхностная часть, расположенная, в том числе и в зоне возможного техногенного воздействия. Она исследуется как многокомпонентная динамическая система, включающая породы, подземные воды, нефть и газы и влияющая на существование и развитие биоты. В том числе и человеческое сообщество. При таком определении объекта экологическая геология исследует систему «литосфера-биота», «техногенно измененная литосфера-биота», либо «литосфера - инженерное сооружение - биота», прямые и обратные связи между абиотическими и биотическими подсистемами, а, в конечном счете - чаще всего воздействие «неживого» на «живое», хотя если говорить шире, - взаимодействие литосферы и живого. В такой конструкции системы техногенные источники воздействия учитываются опосредованно через техногенные изменения литосферы.

Все эти названные системы с содержательной точки зрения, являются системами эколого-геологическими. Главное их отличие - наличие живого и неживого компонентов. Биота как живое живет и функционирует в литосфере или непосредственно на ее поверхности. Исходя из этого, можно ввести следующее понятие: эколого-геологическая система - определенный объем литосферы как геологический компонент природной среды с находящейся в ней биотой и включающей в себя три подсистемных блока - литосферный (абиотический), биоту (биотический) и источников воздействия техногенного и природного происхождения.

Предмет исследования экологической геологии - знания (система данных) об экологических функциях (свойствах) литосферы. При этом рассматриваются функциональные связи в системе «литосфера - биота (включая человека)» или «литотехническая система - биота (включая человека)».

Взаимосвязи человека и геологической среды

Техногенез - относительно новый фактор в истории химических элементов Земли - проявляется как в глобальных геохимических циклах, так и в локальных системах.

Этот термин ввел впервые, видимо, А.Е.Ферсман в 1922 году. Определений понятия опубликовано немало:

1) совокупность геохимических и минералогических процессов, вызванных технической деятельностью человека (Ферсман);

2) геохимическая деятельность человека (Ферсман);

3) совокупность геохимических процессов, связанных с деятельностью людей, сопровождается извлечением из окружающей среды , концентрацией и перегруппировкой химических элементов (М.А.Глазовская);

4) совокупность геохимических процессов, связанных с деятельностью человека как социального фактора (Глазовская М.А.)

Изменения геологической среды определяются процессом техногенеза.

Техногенез - процесс изменения природных комплексов под воздействием производственной деятельности человека. Заключается в преобразовании биосферы, вызываемом совокупностью геохимических процессов, связанных с технической и технологической деятельностью людей по извлечению из окружающей среды, концентрации и перегруппировке целого ряда химического элементов, их минеральных и органических соединений.

Итак, в современном понимании ТЕХНОГЕНЕЗ сейчас объединяет класс геологических процессов, обусловленных деятельностью человека, вооруженного техникой.

В отличие от других геологических процессов, эндогенных и экзогенных, характер которых кардинальным образом не меняется в течение геологического времени, ТЕХНОГЕНЕЗ - новое, современное явление, не имеющее аналогий в геологической истории. Длительность техногенных процессов невелика и соответствует периоду развития цивилизаций, т.е. нескольким тысячелетиям. Но уже сейчас по общему объему земного вещества, вовлеченному в техногенную миграцию, мы можем поставить техногенез в ряд с великими революциями в истории Земли, такими как зарождение жизни или образование наземной растительности.

Техногенез есть взаимодействие техники и природы. Техника в этом случае выступает как геологический фактор, преобразующий земную кору, модифицирующий физические поля, формирующий новые структуры. Так создается ТЕХНОСФЕРА.

ТЕХНОСФЕРОЙ можно считать область в пределах земной коры, гидросферы, атмосферы и космоса, в которой находятся, функционируют или применяются принадлежащие человеку конструкции, аппараты, орудия и вещества.

Существуют и другие определения термина ТЕХНОСФЕРА:

1) Часть биосферы, коренным образом преобразованная человеком в технические и техногенные объекты (здания, дороги, механизмы и т.п.)

2) Часть биосферы (по некоторым представлениям, со временем вся атмосфера), преобразованная людьми с помощью прямого и косвенного воздействия технических средств в целях наилучшего соответствия социально-экономическим потребностям человечества.

3) Практически замкнутая регионально-глобальная будущая технологическая система утилизации и реутилизации, вовлекаемых в хозяйственный оборот природных ресурсов, рассчитанная на изоляцию хозяйственно-производственного циклов от природного обмена веществ и потока энергии.

На Урале техногенез по временным и по пространственным параметрам - один из ведущих современных геологических процессов. Главные составляющие техногенеза на Урале - это индустриализация (развитие промышленных компонентов) и урбанизация (зарождение и рост городов).

ГЕОСИСТЕМА - природу Земли можно представить как иерархию геосистем. В этой иерархии Земля сама есть геосистема самого высокого уровня. В качестве подсистем она включает сложные системы второго глобального уровня или геосферы: литосферу, гидросферу, атмосферу, биосферу и др.

Все реальные геосистемы относятся к классу открытых систем. Источники вещества и энергии, питающие геосистемы, могут быть экзогенными и эндогенными.

ГЕОСИСТЕМЫ, в состав которых входят природные и технические компоненты, называются геотехническими. Как правило, геотехническая система(ГТС) есть результат взаимодействия природной геосистемы (ГС) и технической системы (ТС).

ГС + ТС = ГТС

Геотехнические системы в общем ряду геологических систем являются самыми молодыми образованьями. История промышленного освоения Урала может быть представлена как взаимодействие технических комплексов - городов, рудников, заводов - с Уральским горно-складчатым сооружением, сложной развивающейся геосистемой.

Главный результат этого взаимодействия - преобразование геосистем в динамичные геотехнические системы, объединяющие потоками вещества, энергии и информации природные и технические компоненты.

Стадии техногенеза. Техногенез преобразует вещественные и энергетические ресурсы геосистемы, в состав которых входят рудные залежи. В развитии рудных залежей, вовлекаемых в техногенез, можно выделить несколько этапов, в свою очередь подразделяемых на стадии.

Этап соответствует длительности существования геосистем данного класса: эндогенных, экзогенных и техногенных, различающихся по составу энергетического баланса. При описании стадии техногенеза используется [феноменологическая] модель, включающая черты строения и характера развития, общие для всех изученных реальных геотехнических систем, образующихся при техногенезе месторождений.

Техногенез подразделяется на 2 этапа: первый - прогрессивный - характеризуется возрастанием внутренней энергии системы, ростом интенсивности и разнообразия геодинамических процессов, числа новообразованных минеральных фаз; второй - регрессивный - наступает после прекращения действия техногенных источников энергии и характеризуется последовательным затуханием геомеханических процессов, возрастанием доли ионного стока и роли биохимической миграции.

Прогрессивный подэтап включает три стадии:

Первая стадия - ведущая роль управляемых процессов разрушения, перемещения и дифференциации минерального вещества. По времени соответствует периоду строительства горнодобывающего предприятия. В техногенез вовлекаются грунты и горная масса (до вскрытия рудных залежей). Дренаж подземных вод незначителен, депрессионная воронка еще не сформировалась. Рудничные воды формируются за счет атмосферных и слабо минерализованых.

Вторая стадия - вскрытие рудных залежей - сопровождается образованием и накоплением искусственных рыхлых осадков (неопелитов), в значительных количествах содержащих сульфиды. Интенсивное окисление сульфидной пыли сопровождается образованием кислых вод. Зона аэрации расширяется при искусственном понижении уровня подземных вод, в техногенез вовлекаются большие объемы атмосферных, грунтовых и трещинных вод, ускоряются тепло,- влаго- и газообмен.

Третья стадия - самый низкий уровень «техногенной эрозии», максимальные размеры техногенной зоны аэрации, максимальные объемы водоотлива, разрушение горной породы, складированной в отвалах. Действуют техногенные источники энергии, освобождается энергия напряженных горных массивов, увеличивается количество нестабильных минеральных фаз. Неравновесность геотехнической системы возрастает. Достигается max амплитуды техногенного рельефа, формируются неустойчивые склоны.

Стационарное состояние ГТС поддерживается горнотехническими мероприятиями. В поверхностном горизонте зоны аэрации формируются кислые рассолы.

Состав вод ГТС зависит не от скорости окисления сульфидов, а от состава и количества накопленных в зоне аэрации водо-растворимых гидросульфатов. Рудничные воды формируются при смешении небольшого количества сильно концентрированных поверхностных рассолов с большими объемами относительно частых атмосферных и трещинных вод.

По контуру внешних отвалов происходит образование озер и заболачивание, связанные с явлением вторичного обводнения. Вторичное обводнение отвалов сопровождается перераспределением обломочного материала, формированием вторичной зональности и шлейфа пологих глинисто-алевритовых конусов выноса.

Регрессивный подэтап:

Четвертая стадия: в связи с прекращением действия техногенных источников энергии самопроизвольные геодинамические процессы играют ведущую роль. Они используют энергию, накопленную на предыдущем прогрессивном этапе. Осуществляется последовательность взаимосвязанных явлений:

1) Восстанавливается уровень подземных вод, заполняется карьерное озеро;

2) За счет растворения неосульфатов, накопленных в зоне аэрации, образуется большой дополнительный объем кислых растворов;

3) Подтопление бортов карьера, поднятие уровня грунтовых вод сопровождается обводнением бортов карьера и потерей их механической устойчивости;

4) Оползни, оплывины, обрушения приведут к заполнению карьерного озера осадками, уровень кислых вод поднимается, формируется центробежная система подземных (иногда и поверхностных) потоков.

В насыпных грунтах и отвалах наряду с перераспределением обломочного материала по крупности обломков развивается процесс генерации неопелитов. Понижается кислотность растворов.

Пятая (стационарная) стадия: характер геодинамических процессов, ионный и твердый сток, скорость склоновых процессов близки к начальным. ГТС возвращается в начальное состояние.

Как мне кажется, определяющее значение для понимания такой роли экологии играют работы В.И. Вернадского и его учение о ноосфере.

Ноосфера - букв. «мыслящая оболочка», сфера разума, высшая стадия развития биосферы, связанная с возникновением и развитием в ней человечества, когда разумная человеческая деятельность становится главным определяющим фактором развития (Вернадский В.И., 1944).

Техногенные процессы и явления. Ф.В. Котловым выделяются следующие классы антропогенных геологических процессов и явлений.

1. Геотермические, вызванные изменением термического поля городов.

2. Гидрогенные, вызванные изменением подземной гидросферы.

3. Гравитационные, вызванные статическими нагрузками.

4. Литогеодинамические, вызванные динамическими нагрузками.

5. Субтерральные (подземные), вызванные добычей полезных ископаемых и подземным строительством.

6. Антропогенный литогенез.

Все эти процессы развиваются избирательно, направленность и закономерность их формирования контролируется тремя факторами: регионально-геологической средой, зонально-климатическими условиями и характером воздействий человека на среду (профилем, экономикой и историей города).

Лекция 2. Геологическая среда. Состав и свойства геологической среды. Экосистемы и их особенности

Геологическая среда, согласно определению Е.М. Сергеева - это «любые горные породы и почвы, слагающие верхнюю часть земной коры, которые рассматриваются как многокомпонентные системы, находящиеся под воздействием инженерно-хозяйственной деятельности человека, в результате чего происходит изменение природных геологических и возникновение новых антропогенных процессов, что в свою очередь, вызывает изменение инженерно-геологических условий определённой территории».

Состав и свойства геологической среды. Главнейшим компонентом геологической среды являются горные породы. Они слагают массивы, содержащие не только твёрдые минеральные и органические компоненты, но и газы, подземные воды, макро- и микроорганизмы. Состояние горных пород и фазовый состав воды могут отличаться как талыми и не мерзлыми, так и находиться в состоянии многолетней мерзлоты. Кроме того, в геологическую среду входят объекты, созданные в пределах литосферы человеком и рассматриваемые как антропогенные геологические образования - техногенные образования (шлаки, шламы, золы, дражные отвалы и т.д.). Состояние и закономерности развития геологической среды определяются взаимодействием всех компонентов.

Таким образом, геологическая среда представляет собой комплексную оболочку, включающую в себя горные породы, подземные воды, биоту, различные геофизические поля (гравитационное, сейсмическое, электромагнитное, геотемпературное и т.д.). Верхняя граница геологической среды - земная поверхность, через которую происходит энергообмен с атмосферой, гидросферой и биосферой, а также техносферой. Характер этого обмена обусловлен состоянием атмосферы, граничащей с поверхностью Земли (режим воды, климат и микроклимат), водными объектами, растительностью, элементами техносферы, рельефом, почвами и подпочвенным слоем пород. В совокупности эти элементы составляют то, что называется ландшафтом. Нижняя граница в естественных условиях, как правило, подошва зоны свободного водообмена подземных вод, в нарушенных - поверхность, ограничивающая глубину проникновения техногенных нарушений геологической среды.

Свойства геологической среды. Важнейшим свойством геологической среды является её изменчивость как всеобщее свойство материи (её изменчивость в пространстве и во времени), отражающее текущее её развитие (эволюцию). Изменение геологической среды во времени, фиксируемое как изменение её элементов, их отношений (структур) и свойств, есть геологический процесс развития Земли и причина нестационарности ряда физических полей.

При исследовании пространственной изменчивости принимается допущение о неизменчивости структуры и свойств геологической среды в физическом времени.

Свойства геологической среды определяют основные требования к информации, необходимой для анализа её изменения при техногенном воздействии на всех стадиях проектной и производственной деятельности.

На состояние геологической среды, в частности на направление и скорость протекания ней процессов, оказывает большое влияние ряд внешних, по отношению к ней, факторов. Характер и масштабы подобного влияния зависят как от параметров самой среды, так и от природы, направленности и интенсивности внешних факторов.

Влияние атмосферы на геологическую среду можно разделить на прямое и косвенное. Под прямым влиянием следует понимать воздействие воздушных масс, контактирующих с земной поверхностью и вызывающих выветривание, дефляцию, вообще перемещение пород (например, при ураганах, тайфунах, смерчах и т.д.). Под косвенным влиянием следует понимать воздействие воздушных масс на гидросферу и биоту, изменяющие характер их взаимодействия с геологической средой (например, усиление волновой переработки берегов под воздействием ветра, изменение почв и подстилающих пород, в результате гибели леса, вызванной ветроповалом). Сюда же следует отнести и воздействия, вызванные транспортирующей ролью атмосферы: переносам тепла, осадков, загрязнений, усилением или ослаблением транспирации в зависимости от силы и направления ветров.

Поверхностные воды оказывают на ГС ещё большее воздействие. Почти все экзогенные процессы происходят при участии поверхностных вод и их интенсивность зависит наряду с характеристиками самой ГС от водного баланса территории. Подземные воды часто прямо связаны с поверхностными водами.

Косвенное влияние поверхностных вод осуществляется в первую очередь через их влияние на атмосферные процессы (нагревание и охлаждение воздушных масс, насыщение их водой и т.д.). В связи с техногенным воздействием следует сказать также и о переносе загрязнённых веществ водными массами. В качестве существенного комплексного процесса подобного рода можно привести факт отложения солей тяжёлых металлов на границах водных масс различной солёности. Косвенное воздействие может проявляться также и в чувствительности ГС к некоторым факторам, например, повышению сейсмичности в районах воздействия крупных водохранилищ.

Влияние биоконтура на ГС проявляется, прежде всего, в почвообразующем воздействии на материнскую породу. Ассимиляция из атмосферы СО₂, N и других веществ, приводящих к образованию биогенных отложений, также оказывает влияние на состояние ГС, однако в более крупных масштабах. Все эти воздействия, связанные с энерго- и массообменом, являются прямыми. Косвенное воздействие биоты происходит через гидросферу и атмосферу. Здесь можно указать на роль растительности в охране малых рек умеренного пояса, в создании более мягкого микро- и макроклимата, в поддержании химического состава атмосферы.

Во всех перечисленных случаях можно выделить региональные и локальные воздействия атмо-, гидро- и биоконтуров на ГС. В качестве примера регионального воздействия можно привести образование пустынь, связанное со спецификой водной и атмосферной циркуляции, на западных побережьях Южной Америки и Южной Африки. Локальные воздействия обычно ограничены более мелкими неоднородностями внешних факторов, соответствующих ландшафту и экосистеме. Разнообразие локальных воздействий значительно выше и теоретически почти бесконечно.

Таким образом, при прогнозировании изменений геологической среды необходимо учитывать факторы атмо-, гидро- и биосферы. Существующая информация о состоянии атмо- и гидросферы достаточно обширна, подробна и собирается в режиме мониторинга. Важнейший вопрос заключается в том, чтобы отобрать те показатели, которые связаны с изменением ГС функциональной зависимостью. Очевидно также, что эти показатели будут различными в разных климатических и геологических условиях. При их сборе следует учитывать:

1. преобладающие в районе неблагоприятные геологические и инженерно-геологические процессы;

2. наиболее опасные (по экспертной оценке) явления в атмосфере и гидросфере;

3. устойчивость существующих экосистем и их наиболее уязвимые элементы.

Наиболее важными показателями геологической среды являются характеризующие её состав, строение и динамику. Их совокупность определяет характер и степень изменения ГС в результате техногенной деятельности человека.

Экосистемы и их особенности

Состав и структура экосистем. Для решения экосистемных проблем глобального уровня прежде всего нужно изучать экосистемный уровень организации жизни. Термин экосистема был предложен в 1935 г. английским экологом А. Тэнсли. Однако только в конце ХХ века, когда была разработана общая теория систем, утверждается термин экосистема.

Экосистема - это низкоорганизационная система, в которой биологический компонент представлен биоценозом, а абиотический - биотопом.

Б и о ц е н о з - это совокупность популяций, которая функционирует в определенном пространстве абиотической среды - б и о т о п е. Структура биоценоза формируется потоком энергии и круговоротом веществ в экосистеме. Биоценоз и биотоп функционируют как единое целое.

Биоценоз + биотоп = экосистема

Состав экосистемы представлен двумя группами компонентов: абиотическими - компонентами неживой природы и биотическими - компонентами живой природы.

Абиотические компоненты - это следующие основные компоненты неживой природы:

· неорганические вещества и химические элементы, участвующие в обмене веществ между живой и мёртвой материей (диоксид углерода, вода, кислород, кальций магний, калий, натрий, железо, азот, фосфор, сера, хлор и др.);

· органические вещества связывающие абиотическую и биотическую части экосистем (углеводы, жиры, аминокислоты, белки, гуминовые вещества и др.);

· воздушная, водная и твёрдая среда обитания;

· климатический режим и др.

Биотические компоненты состоят из трёх функциональных групп организмов

Биотические компоненты экосистемы: продуценты, редуценты, консументы

1. Продуценты (производящий, создающий)

Фотоавтотрофы - используют в качестве источника энергии солнечный свет, а в качестве питательного материала - неорганические вещества, в основном СО₂ и Н₂О.

К этой группе организмов относятся все зелёные растения и некоторые бактерии. В процессе жизнедеятельности они синтезируют на свету органическое вещество углеводы или сахара (СН₂О)_п

СО₂ + Н₂О = (СН₂О)_п + О₂

Хемавтотрофы используют энергию, выделяющиеся при химических реакциях. К этой группе принадлежат натрифицирующие бактерии, окисляющие аммиак до азотистой а затем и азотной кислоты

2NH₃ + 3O₂ = 2NHO₂ + 2H₂O + Q

2HNO₃ + O₂ = 2HNO₃ + Q

Химическая энергия (Q), выделенная при этих реакциях, используется бактериями для восстановления СО₂ до углеводов.

2. Редуценты (возвращающий). Участвуют в последней стадии разложения - минерализации органических веществ до неорганических соединений (СО₂ и Н₂О и др.). Редуценты возвращают в круговорот, превращая их в формы, доступные для продуцентов. Это, главным образом, микроскопические организмы (бактерии, грибы и др.).

3. Консументы (потреблять) или гетеротрофные организмы. Осуществляют процесс разложения органических веществ. Эти организмы используют органические вещества в качестве источника питательного материала и энергии.

Фототрофы - питаются непосредственно растительными или животными организмами (крупные животные).

Сапротрофы - используют для питания органику первых остатков.

Функционирование экосистемы обеспечивается взаимодействием трёх составляющих:

· Сообщества;

· Потока энергии

· Круговорота веществ.

Поток энергии направлен в одну сторону, часть её преобразуется автотрофами в органическое вещество, небольшая часть энергии, проходя через экосистему, покидает её в виде тепловой энергии.

В отличие от энергии, элементы питания и вода могут использоваться многократно. Размеры импорта и экспорта элементов питания варьируют в зависимости от типа, размера, и возраста экосистемы.

Все экосистемы в составе биосферы являются открытыми, они должны получать энергию, вещества и организмы из среды на входе и отдавать в среду на выходе экосистемы.

Часто экосистему выделяют внутри естественных границ, например, границей озера служит береговая линия, а границами города - административная граница. Но эти границы могут быть и условными. Экосистема не может быть герметичной, так как её живое сообщество не вынесло бы такого заселения.

Пространственная структура экосистем обусловлена тем, что автотрофные и гетеротрофные процессы обычно разделены в пространстве. Первые активно протекают в верхних слоях, где доступен солнечный свет, а вторые интенсивнее в нижних слоях (почвах, донных отложениях).

Поэтому в природных экосистемах выделяют два яруса: в е р х н и й, автотрофный ярус или «зелёный пояс» Земли, который включает растения или их части, содержащие хлорофилл. Здесь преобладает фиксация света.

Нижний, гетеротрофный ярус или «коричневый пояс» Земли, представлен почвами и донными осадками, в которых преобладают процессы разложения мёртвых органических остатков растений и животных.

Раздел 2. Техногенные изменения геологической среды

Лекция 1. Основные виды воздействия горного и геологического производства

В классификационном ряду факторов окружающей среды, по А.Г. Воронову выделяются: 1) абиотические (климатические, эдафизические, орографические), 2) биотические (фитогенные, зоогенные, антропогенные) и 3) собственно антропогенные (техногенные) факторы. Особенно активно на окружающую среду влияют антропогенные факторы. Они могут загрязнять атмосферу, изменять ландшафт и рельеф, нарушать гидрологический режим, уничтожать почвы, отрицательно воздействовать на геоботанические условия и т.д.

Каждый фактор можно экологически исследовать отдельно, а могут совместно исследоваться и группы факторов. Так, среди факторов окружающей среды, влияющих на живые организмы, особую группу составляют к л и м а т и ч е с к и е или погодные условия. Приспособление живых особей к климатическим факторам изучается экологической биоклиматологией, рассматривающей, например, излучение в окружающей среде и адаптацию к этому излучению организмов, или воду и её влияние на организмы, давление, ветер и их взаимодействие на организмы и т.д.

Геологическая и окружающая среды могут нарушаться под воздействием различных факторов. Из природных наиболее разрушительными являются землетрясения, наводнения, ураганные бури, мощные грозовые (электрические) разряды, падение на Землю крупных метеоритов и др. Из техногенных факторов весьма разрушительны и экологически опасны крупные катастрофические события - ядерные взрывы, массовые взрывы при сооружении крупных строительных и добычных объектов, взрывы и пожары при несчастных случаях, связанных с разрушением экологически опасных ядерных, химических, газовых и других объектов (взрыв на Чернобыльской АЭС, заражение фенолом питьевых вод в г.Уфе, взрыв газопровода, пожар и железнодорожное крушение с человеческими жертвами в Башкирии и др.).

Изменения геологической и окружающей сред под воздействием горнодобывающей и геологоразведочной деятельности человека нередко характеризуются необратимыми преобразованиями природной среды. Эти преобразования могут выразиться в формировании искусственных отложений горных пород, проседании ландшафта окружающей земной поверхности, изменении режима подземных вод и в других негативных явлениях, соизмеримых по объемам и масштабам с естественными геологическими процессами - эрозией, размывом и сносом почв и грунтов вследствие изменения базиса эрозии, карстообразованием и др.

При добыче полезных ископаемых и г/р работах выделяются три вида техногенного воздействия на природную (геол.) среду:

- пунктуационные,

- линейные,

- площадные.

Пунктуационные виды техногенного воздействия могут быть вызваны применением технических средств и сооружений разведочных и горнодобычных комплексов, ограниченных по площади распространения (опытные карьеры, котлованы, отдельные разведочные и добычные шахты и шурфы и т.д.). Пунктуационные виды техногенного воздействия обычно ведут к изменению, каких либо отдельных компонентов геологической и окружающей среды.

К линейным видам техногенного воздействия относятся разведочные и горно-добычные сооружения, имеющие линейно-полосовую конфигурацию размещения (разведочные траншеи, канавы, протяженные штольни и штреки, подъездные пути, трубопроводы, газо - магистрали и др.).

Площадные виды техногенного воздействия имеют место при эксплуатации крупных комплексных и горнодобычных сооружений, что вызывает необходимость выполнения ареальных бульдозерных и экскаваторных расчисток, площадной раскорчевки лесных угодий под строительство, осушения значительных участков, прилегающих к опытно-эксплуатационным и промышленным карьерам и т.д.

Линейные и площадные техногенные воздействия могут привести к комбинированному изменению многих компонентов геологической и окружающей среды. Научное обоснованное предвидение отрицательных последствий необходимо для рационального природопользования.

Кроме того, по А.В. Седову, воздействия на окружающую и геологическую среду могут быть прямыми и косвенными.

К прямым изменениям относятся те, которые происходят непосредственно в пределах геологической или окружающей среды, а косвенно - те, которые происходят в зоне влияния данной среды, подвергающейся техногенному воздействию.

Прямые изменения выражаются, например, в нарушении поверхности территории, что напрямую зависит от параметров объектов разведки или добычи (месторождения, рудной зоны, рудного тела); это приводит к появлению отвалов пустых пород, терриконов, котлованов и др. сооружений или хранилищ отходов производства. Прямые изменения могут выражаться также в загрязнении водоемов, вызванным непосредственным сливом ГСМ и др. загрязняющих веществ, буровым шламам, материалом отстойников и др.

К косвенным изменениям природной среды относятся загрязнение почв и подземных вод, активизация и возникновение локальных геодинамических процессов в зоне влияния разведочных, горнодобычных и перерабатывающих промышленных комплексов или непосредственно на сопредельных элементах геологической и окружающей среды. Значительный ущерб причиняет сдвижение грунтов и, как следствие, образование мульд проседания и провалов поверхности в стороне от мест непосредственного размещения разведочных и горнодобычных объектов (пример метро г. Екатеринбурга). Нарушение гидрогеологического режима вследствие проходки подземных разведочных выработок, карьеров, добычи п. и. может привести к существенному изменению режима поверхностного стока вод, заполнению ими карьеров и образованию антропогенных озер.

Функционирование геологоразведочного и горного производства приводит к многим нарушениям элементов биосферы. Сокращается растительный покров, наносится эстетический ущерб окружающей среде. Увеличивается поступление воды в русла потоков, происходит переуглубление русел, увеличивается эрозия берегов, уменьшается питание грунтовых вод.

Лекция 2. Техногенная миграция элементов. Физическое и химическое загрязнение

К проявлениям техногенеза можно отнести: а) переход химических элементов, их соединений и групп в подвижную форму, б) миграцию элементов, в) осаждение химических элементов и соединений [на геохимических барьерах] и г) образование в связи с этим аномальных концентраций элементов и соединений.

Переход в подвижную форму у разных по химическим свойствам соединений осуществляется различно: газы регулярно поступают в атмосферу из глубинных уровней земной коры (радон и гелий) или высвобождаются из пород и почв, где они были сорбированы, под влиянием повышения температуры; водные растворы перемещаются в литосфере под действием гравитационных сил и перепада давления, а растворенные в них соединения - также и под влиянием диффузии.

Миграция элементов. Все процессы техногенной миграции можно четко разделить на две большие группы: в основе своей унаследованные от биосферы , хотя и претерпевшие изменения; чуждые биосфере, не имевшие в ней сколько-нибудь существенного развития и даже вообще не существовавшие ранее в биосфере и находящиеся в существенном противоречии с природными условиями.

Техногенная миграция параллелизуется с крупными группами техногенных воздействий. Таких крупных групп обособляется две:

1) Типы воздействия, связанные преимущественно с изъятием вещества.

2) Типы воздействия, связанные преимущественно с поступлением - привносом веществ в природную среду в процессе производства.

Как же идет эта миграция? В коренных породах существует определенная специализация. Для элементов здесь характерны, например: для свинца - месторождения в соответствующих рудных районах; ртути - крупные ртутоносные зоны такие, как горно-алтайские, кадмия - рудные районы с интенсивной Zn -колчеданной минерализацией, например Урал. Это первое звено в цепи миграции.

Водная миграция «свободная» - осуществляется в водах циркулирующих на континентах в реках и внутренних водоёмах. Главное значение имеет поверхностный и подземный стоки. Вокруг рудников и горнорудных предприятий рудничные воды минерализованы относительно сильно: в Мончегорском районе степень их минерализации изменяется в пределах от 0,6 до 3,8 г/л, особенно высокие концентрации характерны для никеля.

Миграция в атмосфере. Природная: поступление в атмосферу с парами воды очень мелких частиц аэрозолей самого разного состава, поступающих из литосферы газов - углеводородов, гелия, радона, СО₂ и др. Основная масса тяжелых металлов, участвующих в атмосферной миграции, содержится в аэрозолях, кроме Hg, As, Se, Sb, и мигрирует в виде паров. Установлено, что 80-90% тяжелых металлов, содержащихся в аэрозолях, связано с частицами размера около 1 микрона. Время пребывания таких частиц в атмосфере приблизительно пять суток, а наиболее мелкие частицы выпадают на землю через три недели. Аэрозоли наиболее обогащены (относительно) кадмием, а также Pb и Sn.

Техногенная атмосферная миграция. Главным источником техногенного загрязнения атмосферы являются предприятия металлургической и обрабатывающей промышленности, урбанизированные зоны и наземные испытания ядерных зарядов. Поступление тяжелых металлов в окружающую среду через атмосферу происходит интенсивно. В составе аэрозолей городского района в среднем на тяжелые металлы приходится 10% массы. Расстояния, на которых фиксируются следы пылевой техногенной миграции, составляют десятки километров.

Ещё одна форма миграции металлов в атмосфере - со снегом. В городе в снеговой воде общая минерализация увеличивается в 500 раз, рН достигает 9, содержание химических элементов: S - 1500 раз, Ca - в 600, хрома - в 60, ртути - в 10 раз.

Физическое и химическое загрязнение:

Загрязнение природной среды. Появление в природной среде новых компонентов, вызванное деятельностью человека или какими-либо грандиозными природными явлениями (например, вулканической деятельностью), характеризуют термином загрязненность. В общем виде загрязненность - это наличие в окружающей среде вредных веществ, нарушающих функционирование экологических систем или их отдельных элементов и снижающих качество среды с точки зрения проживания человека или ведения им хозяйственной деятельности. Этим термином характеризуются все тела, вещества, явления, процессы, которые в данном месте, но не в то время и не в том количестве, какое естественно для природы, появляются в окружающей среде и могут выводить ее системы из состояния равновесия.

Экологическое действие загрязняющих агентов может проявляться по-разному, оно может затрагивать либо отдельные организмы (проявляться на организменном уровне, либо популяции, биоценозы, экосистемы и даже биосферу в целом).

На организменном уровне может происходить нарушение отдельных физиологических функций организмов, изменение их поведения, снижение темпов роста и развития, снижение устойчивости к воздействиям иных неблагоприятных факторов внешней среды.

На уровне популяций загрязнение может вызывать изменение их численности и биомассы, рождаемости, смертности, изменения структуры, годовых циклов миграций и ряда других функциональных свойств.

На биоценотическом уровне загрязнение сказывается на структуре и функциях сообществ. Одни и те же загрязняющие вещества по-разному влияют на разные компоненты сообществ. Соответственно меняются количественные соотношения в биоценозе, вплоть до полного исчезновения одних форм и появления других. Изменяется пространственная структура сообществ, цепи разложения (детритные) начинают преобладать над пастбищными, отмирание - над продукцией. В конечном счете происходит деградация экосистем, ухудшение их как элементов среды человека, снижение положительной роли в формировании биосферы, обесценение в хозяйственном отношении.

Различают природное и антропогенное загрязнения. Природное загрязнение возникает в результате естественных причин - извержения вулканов, землетрясений, катастрофических наводнений и пожаров. Антропогенное загрязнение - результат деятельности человека.

В настоящее время общая мощность источников антропогенного загрязнения во многих случаях превосходит мощность естественных. Так, природные источники окиси азота выбрасывают 30 млн. т азота в год, а антропогенные - 35-50 млн. т; двуокиси серы, соответственно, около 30 млн. т и более 150 млн. т. В результате деятельности человека свинца выпадает в биосферу почти в 10 раз больше, чем в процессе природных загрязнений.

Загрязняющие вещества, возникающие в результате деятельности человека и их влияние на среду очень разнообразны. К ним относятся: соединения углерода, серы, азота, тяжелые металлы, различные органические вещества, искусственно созданные материалы, радиоактивные элементы и многое другое. экосистема техногенный миграция экологический

Так, по оценкам экспертов, в океан ежегодно попадает около 10 млн. т нефти. Нефть на воде образует тонкую пленку, препятствующую газообмену между водой и воздухом. Оседая на дно, нефть попадает в донные отложения, где нарушает естественные процессы жизнедеятельности донных животных и микроорганизмов. Кроме нефти, значительно возрос выброс в океан бытовых и промышленных сточных вод, содержащих, в частности, такие опасные загрязнители, как свинец, ртуть, мышьяк, обладающие сильным токсичным действием. Фоновые концентрации таких веществ во многих местах уже превышены в десятки раз.

Химическое загрязнение окружающей среды. Последствия химического загрязнения окружающей среды для человека могут быть различными, в зависимости от природы, концентраций и времени действия. Реакция на загрязнения зависит от возраста, пола, состояния здоровья. Наиболее уязвимы дети, пожилые и больные люди. При систематическом поступлении в организм токсичных веществ могут наступать хронические отравления, признаками которых являются: нейропсихические отклонения, утомление, сонливость или бессонница, апатия, ослабление внимания, забывчивость, колебания настроения и др. Сходные признаки наблюдаются и при радиоактивном загрязнении среды, превышающем нормы. Высокотоксичные соединения часто приводят к хроническим заболеваниям различных органов и нервной системы.

Канцерогены вызывают особую озабоченность людей. Установлено, что многие вещества (хром, никель, бериллий, свинец, бенз(а)пирен, асбест, табак и др.) являются канцерогенами.

Многие канцерогены могут вызвать необратимые изменения в генах, называемые мутацией.

Фактически сегодня отсутствуют надежные способы для испытания 9000 синтетических веществ, производимых в настоящее время (к тому же число их ежегодно увеличивается на 500-1000). В США, например, по данным Национального института профессиональной безопасности и здоровья, каждый четвертый рабочий, т.е. почти 22 млн. человек, может подвергаться действию токсичных веществ: ртути, свинца, пестицидов, асбеста, хрома, мышьяка, хлороформа и др. Не составляют исключения и служащие, которые подвергаются действию вредных веществ в воздухе, так же как и семьи рабочих, контактирующих с этими веществами через рабочую одежду. Воздействуя на организм, вредные вещества вызывают острые и хронические заболевания: острые возникают после однократного воздействия и могут приводить к смертельному исходу, хронические развиваются в результате систематического воздействия доз, не приводящих к острому отравлению. Хронические заболевания часто вызывают соединения свинца, марганца, пары ртути и др. Некоторые вещества, например, синильная кислота или цианистый калий, вызывают только острые отравления.

Лекция 3. Радиоактивное загрязнение геологической среды

Воздействие физических экологических факторов на здоровье человека имеет не меньшее влияние, чем влияние химических соединений. Важнейший фактор здесь - ионизирующие излучения.

Ионизирующее излучение состоит из рентгеновских лучей, - лучей и космических лучей. Эти виды лучей обладают энергией, достаточной для превращения ионов в атомы с высвобождением электронов. Воздействием этих ионов и обусловлены изменения в клетках организма. Распад ядер р/а элементов также порождает ионизирующее излучение, состоящее из -, - и - лучей. Наиболее опасно -излучение, т.к. оно проходит даже через несколько сантиметров свинцовой защиты.

Люди подвергаются действию ионизирующих излучений при рентгене, р/а распаде элементов и из космоса. Доза облучения чаще всего измеряется в бэрах (1бэр эквивалентен по биологическому воздействию дозе в 1 рентген).

Если исключить воздействие источников, созданных человеком, то уровень излучения будет соответствовать естественному радиационному фону. Естественный фон в США равен 100-150 миллибэр в год. Средняя доза, получаемая при рентгене, оценивается в 90 мбэр в год.

Около половины всех излучений поступает от природных источников. 1/3 здесь составляют космические лучи, 1/3- природные радиоактивные элементы в почвах и горных породах, 1/3 - р/а элементы (К⁴⁰ и др.) в организме человека. Некоторые стройматериалы (гранит, фосфогипс) также могут быть источником излучения.

Важную роль во многих странах играет атомная энергетика. В наиболее распространенных атомных электростанциях на тепловых нейтронах через реактор, в котором находятся тепловыделяющие элементы (ТВЭЛ) с обогащенным ураном (концентрация ²³⁵U повышена до 2-4,4%, остальное -²³⁸U), протекает теплоноситель, обычно вода. В результате распада атомов²³⁵U под действием тепловых нейтронов в ТВЭЛах происходит выделение энергии, и температура протекающей воды повышается. Далее эта вода поступает в парогенератор, там возникает пар, который действует на турбину, связанную с ротором синхронного генератора, где генерируется электрическая энергия, направляющаяся по линиям электропередачи к потребителям (как и в случае ТЭС). Пар охлаждается в конденсаторе теплообменника с помощью воды и снова поступает в парогенератор.

...