Влияние деятельности человека на литосферу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Литосфера. Влияние деятельности человека

1. Строение Земли и литосферы

Основная по массе, твердая часть планеты Земля состоит из ядра, мантии и земной коры. В свою очередь, ядро разделяется на внутреннее и внешнее. Внутреннее ядро имеет радиус 1250 км, объем около 0,7% и массу около 1,2% всей Земли. Предполагается, что оно является твердым телом, близким к состоянию плавления. Внешний слой ядра объемом 15,2% и массой 29,8% всей Земли располагается на глубинах 2900-5000 км. Считается, что он находится в расплавленно-жидком состоянии.

Мантия располагается на глубинах менее 2900 км. Она делится на три слоя: нижнюю, среднюю и верхнюю. В верхней мантии, на глубинах порядка 60-250 км, преобладают базальты, находящиеся в состоянии расплава или близком к этому. В этом слое вязкость вещества и его прочность на два-три порядка величины меньше, чем вязкость и прочность вышележащего жесткого слоя. Слой пониженной вязкости называется астеносферой.

Вышележащий жесткий слой, ограничивающий сверху твердую часть Земли, -- это земная кора. Средняя плотность вещества коры -- 2,8 г/см3 Ее масса составляет 0,8% массы всей Земли. Средняя толщина земной коры около 30 км с колебаниями от 4--6 км под срединными океаническими хребтами и некоторыми абиссальными впадинами до 55--70 км под молодыми складчатыми горами.

В земной коре сверху вниз обособляются три слоя: осадочный, гранитный и базальтовый. В верхнем слое преобладают глины, глинистые сланцы, песчаные, карбонатные и вулканогенные породы. Толщина осадочного слоя изменяется от 20--25 км в глубоких впадинах до практически полного его отсутствия на кристаллических щитах. Средний слой земной коры состоит из пород, близких по своим свойствам к граниту (граниты, гнейсы, гранодиориты, диориты, кристаллические сланцы, амфиболиты). Он отсутствует под океанами, а на континентах его мощность достигает нескольких десятков километров. Базальтовый слой сложен кристаллическими породами основного состава, более плотными по сравнению с гранитным слоем. Под океанами его мощность порядка 2--7 км, а под континентами его толщина в пределах 15--40 км.

Строение земной коры весьма разнообразно, но выделяют два основных типа коры: континентальный и океанический. В типичном разрезе континентальной коры сверху лежат осадочные породы средней мощностью 3 км и плотностью 2,5 г/см3. Глубже следует гранитно-метаморфический слой средней мощностью 17 км и плотностью 2,6--2,8 г/см3. Под ним располагается базальтовый слой средней мощностью 15 км и плотностью 2,9-- 3,3 г/см3. В типичном разрезе океанической коры средняя мощность рыхлых отложений составляет 0,7 км. Они лежат непосредственно на базальтах.

Земная кора и прилегающая к ней часть верхней мантии образуют литосферу. Непосредственно под литосферой располагается астеносфера. В литосфере находятся очаги большинства землетрясений, причем преимущественно в верхних 30 км.

Самые верхние горизонты литосферы находятся в совместном и взаимосвязанном взаимодействии с другими геосферами. В результате такого взаимодействия образуется кора выветривания -- совместный продукт действия воды, воздуха и живых существ. На корах выветривания развиваются почвы. Мощность кор выветривания и их строение в целом подчиняются закону географической зональности. В нивальном и аридном поясах мощность кор выветривания не достигает обычно и 10 м, при относительно простой ее структуре, в то время как в экваториальном поясе коры выветривания весьма сложно построены, история их развития продолжительна, а мощность может превышать 60 м.

Верхние горизонты литосферы обычно не контактируют непосредственно с атмосферой и гидросферой. На суше литосфера покрыта чехлом почв (педосфера), растительности (биосфера) или же, в особенно холодных условиях, -- льда и снега (криосфера). Лишь в пустынях литосфера почти непосредственно соприкасается с атмосферой, да и то сквозь кору выветривания. В то же время сквозь почву и кору выветривания происходит активный газообмен между атмосферой и литосферой. В еще большей степени происходит взаимодействие между литосферой и природными водами, таким образом, что подземные воды -- это часть как гидросферы, так и литосферы.

Итак, самые верхние горизонты литосферы активно вовлечены во взаимодействие с другими сферами. Это взаимодействие достигает максимума интенсивности у земной поверхности и уменьшается как книзу, так и кверху. Оно еще более усиливается по мере возрастания роли человека.

Нижняя граница экосферы размыта и постепенно с глубиной сходит на нет. Активная деятельность человека (карьеры, шахты, подземные хранилища, объекты гражданского и гидротехнического строительства, свалки и пр.) охватывает в литосфере преимущественно верхние несколько десятков метров, в целом плавно уменьшаясь с глубиной, хотя отдельные особо глубокие карьеры, шахты и скважины выделяются из общей картины.

Один из самых глубоких в мире открытых карьеров -- разработки медной руды Бингем Кэньон в штате Юта в США. Глубина карьера --774 м, площадь -- 7,2 км2, а объем удаленного из карьера грунта -- 3,4 млрд т. В России глубина карьера на Коркинском разрезе на Урале составляет 520 м. Значительны по глубине и площади многие другие карьеры и разрезы как в нашей стране, так и в мире, образующие горно-промышленные территории, такие как Курская магнитная аномалия (КМА), Канско-Ачинский топливно-энергетический комплекс (КАТЭК) и др.

Отдельные шахты проникают до глубины 4 км. Буровые скважины также достигают глубин в несколько тысяч метров, а самая глубокая в мире, на Кольском полуострове, запроектирована на 15 км в глубину и превысила отметку 12 км.

Многочисленные и обширные карьеры, в которых добываются уголь, железная руда, руды других металлов, строительные материалы и другие полезные ископаемые широко распространены на всех обитаемых континентах. Всего в мире за год из поверхностного слоя литосферы извлекается и перерабатывается более 1000 млрд т минерального сырья. Добывается около 400 видов полезных ископаемых, обеспечивающих около 90% сырья для тяжелой промышленности.

Около 98% добываемых в литосфере материалов уходит в отвалы и лишь не более 2% утилизируется человеком, да и то на относительно краткое время пользования данным продуктом. Иными словами, производится колоссальная антропогенная работа по перемещению материала в верхней части литосферы. Это в сильной степени затрагивает как экосферу в целом, так и отдельные ее части.

Вопросы антропогенного преобразования верхних этажей литосферы относятся к категории универсальных. Они встречаются во многих местах Земли и в совокупности представляют собой весьма распространенную проблему экологической геологии.

По всей видимости, самая серьезная глобальная проблема, касающаяся литосферы, -- антропогенная интенсификация экзогенной части большого «геологического» цикла, или цикла эрозии-седиментации.

2. Большой круговорот вещества и роль в нем человека

Взаимодействие литосферы с атмосферой, гидросферой и биосферой происходит в рамках глобального круговорота (цикла) вещества. Продукты коры выветривания, разрушающейся в результате действия комплекса природных факторов, перемещаются под действием силы тяжести, преимущественно при участии воды, а также ветра, ледников и других агентов. На поверхности Земли, в каждой ее точке, взаимодействуют процессы накопления или расходования вещества. Эти процессы называются экзогенными.

С другой стороны, процессы в недрах Земли (эндогенные процессы) приводят, в конечном итоге, к вертикальным и (или) горизонтальным тектоническим движениям и к проявлениям вулканической деятельности, сопровождающейся выносом на дневную поверхность и в верхние горизонты литосферы большого количества твердого материала.

Результирующая в каждой точке, то есть алгебраическая сумма величин опускания или поднятия отметки поверхности Земли, есть следствие взаимодействия экзогенных и эндогенных процессов, формирующих рельеф Земли.

В областях преимущественного накопления твердого материала осадочные и вулканогенные отложения постепенно погружаются. По мере погружения в течение геологически длительного времени они подвергаются воздействию весьма значительного и увеличивающегося с глубиной давления и температуры, а также глубинных растворов и, таким образом, метаморфизуются. Часть магмы, образующейся в результате этих процессов, прорывается ближе к земной поверхности и преобразуется в кристаллические породы. Вулканогенные породы отлагаются в виде глубинных интрузий и лав, излившихся на дневную поверхность. В областях горообразования вертикальные тектонические движения воздымают кристаллические и метаморфизованные породы на большие высоты, тем самым обеспечивая потенциальную возможность их денудации, разрушения и сноса. В самой верхней части земной коры (зоне гипергенеза) кристаллические породы разрушаются, снова формируя коры выветривания и тем самым замыкая цикл. Этот круговорот отличается весьма малыми, «геологическими» скоростями процессов с характерными временами в миллионы и десятки миллионов лет.

Большой цикл вещества (иногда называемый большим геологическим круговоротом) -- один из важнейших процессов Земли как системы, вовлекающих в нее глубинные сферы нашей планеты. Однако лишь часть геологического цикла, а именно преимущественно экзогенные процессы, относится к полю интересов геоэкологии. Они развиваются преимущественно у дневной поверхности и ограничены десятками или первыми сотнями метров в глубину, то есть теми слоями, куда достигает деятельность человека и ее последствия.

По-видимому, человек пока в малой степени влияет на эндогенные процессы, хотя и имеются отдельные признаки или предположения о таком влиянии. Наиболее известны факты усиления сейсмической активности после строительства крупных водохранилищ. В то же время многие экзогенные процессы, преимущественно процессы денудации и сноса, находятся под сильным влиянием деятельности человека.

Рассмотрим важнейшую, с точки зрения геоэкологии, часть большого цикла вещества, относящуюся к литосфере в пределах суши. Если учитывать основные компоненты уравнения баланса массы всего объема суши, находящейся выше уровня Мирового океана, то оно выглядит, за достаточно длительный интервал времени, следующим образом:

ДМ = Б + П±У + 1 + А- 0- \У-В-Е±К + С.

Здесь ДМ -- изменение массы всего объема суши; Б -- сток наносов (взвешенных и влекомых) с суши в океан; Б -- сток растворенных веществ с суши в океан; V -- баланс вещества, уносимого с суши и приносимого на сушу ветром; I -- вынос вещества в океан ледниками; А -- разрушение (абразия) вещества в прибрежной зоне с выносом его в океан; О -- аккумуляция продуктов вулканической деятельности на суше; \У -- связывание газообразного вещества атмосферы при процессах выветривания; В -- биогенная аккумуляция вещества; Б -- приток вещества на сушу из более глубоких горизонтов литосферы в виде растворов и газов; К -- приток вещества из космоса и потери его в космическое пространство; С -- сжигание минерального топлива человеком.

В этом уравнении рассматривается весь массив суши в целом, находящийся над базисом эрозии, за который принимается средняя поверхность океана. Вертикальные тектонические движения в данном уравнении не учитываются, так же как и изменения уровня океана. Передвижение масс твердого материала, в основном гравитационное, происходит внутри массива суши, не влияя на окончательный результат. Гравитационные перемещения материала в результате процессов в пограничной (экотонной) зоне суша-океан учитываются составляющей А.

Сток наносов рек мира в океан (Б) оценивался многими авторами, и крайние оценки различаются в 3-4 раза. Наиболее вероятная величина находится в пределах 18-22 млрд т в год. Крупнейший английский специалист по речным наносам Д. Уоллинг считает, что эта величина равна 20 млрд т в год. Реками выносятся в океан в основном взвешенные наносы, так что доля влекомых наносов в общем твердом стоке рек составляет не более нескольких процентов. земной кора литосфера антропогенный

Сток растворенных веществ реками мира в океан (Б) оценивается в 3 млрд т в год. (В связи с невысокой точностью, величины компонентов уравнения баланса вещества суши даются с округлением до 1 млрд т в год). Баланс эоловой (ветровой) денудации-аккумуляции (V) оценивается в 2--4 млрд т в год выноса материала с континентов на поверхность океана. Примем в среднем величину 3 млрд т. Величина выноса твердого материала в океан в результате ледниковой денудации (I) оценивается в 2 млрд т в год. Абразия морских берегов с выносом материала в океан (А) меньше рассмотренных выше составляющих и, по весьма приближенной оценке, не превышает 1 млрд т в год.

Вынос лавы и пепла на поверхность суши при извержениях вулканов (VI) составляет приблизительно 1--2 млрд т в год. Породы, сформировавшиеся в недрах Земли, достигают в процессе большого круговорота вещества верхних слоев литосферы, где они подвергаются процессу выветривания, вступая в химические реакции с кислородом, углекислым газом и водой. В результате масса вновь формирующихся пород (Ш) увеличивается примерно на 1 млрд т в год.

При образовании карбонатных осадочных пород из атмосферы поглощается углекислый газ и, таким образом, масса осадочных пород увеличивается (В). Среднее содержание соединений углерода в осадочных породах Земли составляет 0,2-0,95% по весу. Величина биогенной аккумуляции в массиве всей суши мира порядка 1 млрд т в год.

Современная интенсивность поступления вещества из космоса и его потери (К) пренебрежимо малы: на 3--4 порядка меньше интенсивности обсуждавшихся выше процессов преобразования земного вещества, и потому в дальнейших расчетах не учитываются.

Процессы и величины сжигания топлива человеком (С) подробно обсуждались в разделе, посвященном климату и его изменениям. Напомним, что в атмосферу поступает (а литосферу, следовательно, покидает) вследствие сжигания горючих ископаемых 5,5±0,5 млрд т углерода в год.

Как видим, денудация и снос с суши мира значительно преобладает над аккумуляцией. Основную роль в сносе вещества играют текучие воды, переносящие речные наносы и растворенные вещества. В сумме они составляют около 2/3 всего выноса материала.

Очевидно значительную роль в преобразовании наземной части верхних горизонтов литосферы играет деятельность человека. В разделе, посвященном педосфере и земельным ресурсам, мы уже отмечали, что эрозия и сток наносов заметно увеличились вследствие усиления антропогенных факторов. Изучение осадков в центральной части Черного моря (Дегенс, Германия) показало, что сток наносов в море увеличился в течение последних 2000 лет втрое. Эта ситуация характерна для многих речных бассейнов мира со значительной антропогенной нагрузкой. Сток растворенных веществ также увеличился. Наконец, новый, весьма заметный и быстро увеличивающийся, полностью антропогенный компонент баланса литосферы -- сжигание минерального топлива. Таким образом, оказывается, что человек играет ведущую роль в денудации и сносе твердого материала с суши, причем эта роль может быть оценена в 60% от общей величины денудации.

3. Антропогенные воздействия на экзогенные процессы

Эрозия и седиментация играют выдающуюся роль в наземном, экзогенном звене большого (геологического) цикла вещества. В разделе, посвященном педосфере, уже говорилось о решающем влиянии сельского хозяйства на увеличение эрозии почв. Оценки автора показали, что вследствие распашки земель эрозия почвы увеличилась не менее чем в пять раз по сравнению с естественным смывом почвы. Если все пригодные к земледелию почвы будут распаханы, то почвенная эрозия еще увеличится, но всего лишь в 1,7 раза по сравнению с настоящим временем. Этот вывод указывает также на то, что эрозия почв -- это в большей степени проблема современности, чем будущего.

Поскольку основные резервы земель под пашню располагаются в пределах экваториального, субэкваториального и тропического поясов, именно там можно ожидать дальнейшего увеличения эрозии, если эти земли действительно будут когда-либо распаханы. О проблемах, связанных с дальнейшим освоением земель под сельское хозяйство в тропиках, мы уже говорили выше.

Наибольшее увеличение эрозии почв вследствие распашки земель отмечается в районах достаточного увлажнения умеренного пояса, где она выросла более чем в 30 раз по сравнению с естественным процессом эрозии. В этих районах почти не осталось резервов пахотных земель, и потому это проблема настоящего времени, причем весьма острая. Переход наименее продуктивной пашни в залежные земли, характерный для некоторых развитых стран, приводит к снижению эрозии почв и стока наносов.

Анализ данных по стоку наносов 3600 рек мира, выполненный А. П. Дедковым и В. Т. Мозжериным, указывает на значительное антропогенное усиление стока наносов.

Водохранилища мира, заполняемые наносами рек, теряют ежегодно около 1% своего объема, или примерно 50 куб. км в год.

С другой стороны, сток наносов рек в океан снижается благодаря поглощению наносов водохранилищами. Например, Асуанское водохранилище поглощает около 100--130 млн т наносов в год, и в нижний бьеф (то есть ниже плотины) поступает менее 2% наносов, поступающих в водохранилище. Пониженное содержание наносов в воде Нила ниже Асуанской плотины приводит к усиленной русловой эрозии до выработки рекой нового профиля в нижнем бьефе. За первые восемь лет существования плотины русло Нила врезалось на 40--80 см. Вследствие пониженного стока наносов, а также некоторого повышения уровня океана за последнее столетие, баланс вещества дельты Нила отрицательный. В результате внешний край дельты отступает и теряются драгоценные и столь необходимые Египту сельскохозяйственные земли. С начала этого столетия мыс Росетта и мыс Дамиетта, расположенные на внешнем краю дельты, отступили соответственно на 2,5 и 3,0 км.

Благодаря действиям по охране почв, переводу части пашни в залежи и строительству водохранилищ, сток наносов р. Миссисипи в устье сократился за последние 50 лет вдвое, с соответствующим сокращением дельты. По тем же причинам сток наносов р. Колорадо с 1935 г. уменьшился со 150 млн т в год до 100 млн т. С другой стороны, сток наносов р. Хуанхэ в Желтое море продолжает увеличиваться, несмотря на новые водохранилища.

По-видимому, общая мировая картина антропогенного изменения стока наносов рек в океан неоднозначна. Похоже, что в некоторых регионах мира рост стока наносов вследствие увеличения антропогенной эрозии почв компенсируется аккумуляцией наносов в водохранилищах, тогда как в других регионах сток наносов продолжает увеличиваться. Надо также иметь в виду, что увеличение эрозии почв и транспорта материала внутри бассейнов рек может не полностью отражаться в росте стока наносов рек из-за значительного переотложения и накопления рыхлого материала в пределах бассейна. В целом, вероятно, можно говорить о некотором увеличении стока наносов рек в Мировой океан и о необходимости дальнейших исследований.

Увеличивающаяся доля сжигания органических веществ в балансе наземной части литосферы, рост стока растворенных веществ и увеличение стока наносов внутри континентов предопределяют усиление взаимосвязи между литосферой (ее верхними этажами) и другими геосферами.

Глобальные антропогенные воздействия в литосфере проявляются также, наряду с процессами эрозии, в усилении интенсивности и повторяемости неблагоприятных экзогенных процессов, таких как оседание и провалы на поверхности земли, оползни, оплывины и сели.

Оседания и провалы грунта. Разумеется, не все проседания вызваны действиями человека. Достаточно вспомнить карстовые и суффозионные воронки естественного происхождения. Однако действия человека, такие как откачка воды, нефти или других жидкостей, подземные выработки, уплотнение осадочных пород, протаивание мерзлых грунтов и многие другие делают эти явления чаще встречающимися и более интенсивными. Известны случаи провалов крупных сооружений, например жилых домов, сопровождавшихся человеческими жертвами.

Многолетние откачки воды для нужд местных жителей непосредственно под населенными пунктами приводят к постепенному, но зачастую значительному проседанию поверхности земли в городах. Откачки обычно не компенсируются притоком воды с поверхности в результате ее использования и протечками из водоразводящих систем. В результате в крупных городах, стоящих на осадочных породах, таких как Мехико, Бангкок, Токио и многих других, просадки распространяются на большие площади и достигают 8-10 м, а в отдельных случаях и больше. Москва также подвержена значительной опасности крупных осадок грунтов в результате неблагоприятных инженерно-геологических условий, осложняемых антропогенной деятельностью.

Города часто расположены на приустьевых равнинах, едва возвышающихся на уровнем моря, и проседание грунта на несколько метров вызывает необходимость защиты городских кварталов от затопления.

Оседание поверхности земли начинается с локальных очагов, но постепенно охватывает площади до 10--15 тыс. кв. км при понижении поверхности со скоростью до 20 см/год, достигая глубины 7--9 м.

Оседания грунта очень разнообразны как по причинам, так и по характеру их проявления. Всемирный ущерб может быть оценен миллиардами долларов ежегодно. Среди результатов -- разрушенные плотины, испорченные железные и автомобильные дороги, ставшие ненадежными мосты, потрескавшиеся здания, деформированные оросительные каналы и т. п.

Обвалы и оползни -- другая категория неблагоприятных явлений экзогенного происхождения. Устойчивость склонов зависит не только от конкретных инженерно-геологических и геоморфологических условий места, но также и от состояния природной среды большой территории, включающей проблемный участок. Соответственно, и методы предотвращения неприятной проблемы должны быть комбинацией локальных, конкретных решений в сочетании с более широкими, ландшафтоведческими подходами.

Сели требуют для своего возниковения в селевом бассейне комбинаций трех основных условий: достаточного количества рыхлого материала и воды при значительном уклоне. Частота и размеры селей в некоторой степени зависят от деятельности человека. Основной канал антропогенного воздействия -- накопление рыхлого материала, доступного действию воды. Факторами усиления селеобразования может быть вырубка лесов, подрезка склонов дорогой, трубопроводом или другими инженерными сооружениями.

Стихийно-разрушительные процессы характерны для горных территорий. Они усиливаются в результате роста взаимодействия человека и природы. Например, во многих горных районах Средней Азии (Памиро-Алай, Тянь-Шань) частота разрушительных селей и снежных лавин увеличилась. Это связано не только с природными факторами, но и с ростом численности населения при ограниченности территорий, пригодных для жизни, что заставляет людей селиться на границах потенциально селеопасных зон. Таким образом, действует старая истина: «Опасность увеличивается, когда в горы приходит человек».

Размещено на Allbest.ru