5. Экология геологической среды

5.1. Общая характеристика геологической среды

Литосфера Земли развивается, судя по абсолютному возрасту древнейших горных пород, как это уже было отмечено выше, около 4 млрд лет. Жизнь на Земле в форме простейших водных организмов – водорослей, микроорганизмов – зародилась около 1 млрд лет назад. Развитие литосферы и жизни происходило в тесном, многообразном и непрерывном взаимодействии и взаимосвязи. Установлено, что живые организмы, отмирая, образовали и продолжают образовывать каустобиолиты (торф, ископаемые угли, горючие сланцы, нефть и газ), органогенные известняки, некоторые кремнистые породы. При участии живых организмов сформировались многие осадочные горные породы и залегающие в них месторождения железа, марганца, меди и других металлов, месторождения сероводородных, метановых минеральных вод и других полезных ископаемых.

Биосфера Земли в форме разнообразных микроорганизмов распространяется на глубину до 2-3 км и есть основания полагать, что благодаря высокой приспособляемости простейших форм жизни так было и в геологическом прошлом.

Живые микроорганизмы, взаимодействуя с минералами горных пород, подземными водами, органическими веществами, газами, совершают огромную “геохимическую работу” по трансформации, накоплению и рассеиванию вещества земной коры, которая в одних условиях приводит к формированию, в других – к разрушению месторождений полезных ископаемых, изменению свойств горных пород.

Развитие жизни сопровождалось увеличением разнообразия ее форм, усложнением их строения и возрастанием приспособляемости к условиям нахождения во всех географических зонах планеты. Приспособляемость живых организмов к разнообразию термодинамических условий Земли является поразительной. Бактерии, например, обнаружены в термальных подземных водах с температурой до +80 °С. Жизнеспособные споры и пыльца растений могут миллионы лет сохраняться в условиях отрицательных температур сплошной криолитозоны.

В.И. Вернадский считал постоянной в течение всего фанерозоя общую массу живого вещества Земли, при этом роль живых организмов в развитии литосферы в ходе ее эволюции возрастала.

В настоящее время стало очевидным и общепризнанным влияние деятельности человека на геологическую среду.

Взаимодействие экосистем и геологической среды происходит на многих иерархических уровнях – от глобального до конкретного локального [15, 35].

Геологическую среду следует рассматривать как многоуровневую систему, развивающуюся под влиянием геологических, биологических и техногенных факторов и оказывающую влияние на развитие живых организмов, условия и среду обитания человека [15]. При этом необходимо помнить о существующих прямых и обратных связях экосистем и объектов геологической среды в их разнообразных проявлениях. Так, любое инженерное сооружение не только оказывает влияние на характер массоэнергообмена в геологической среде в зоне своего влияния (в первую очередь на подземные воды), но и само постепенно разрушается под действием природных вод, ветра, перепада температур, экзогенных геологических процессов, живых организмов.

Известно множество фактов, свидетельствующих о значительной роли микроорганизмов в формировании экологических условий окружающей среды. В качестве примера можно привести современное образование горючих и токсичных газов в основаниях жилых и производственных зданий, в тоннелях метро, разрушение бактериями металлоконструкций в горных выработках, роль бактерий в оползневых процессах.

Изучение особенностей взаимодействия и развития геологической среды и экосистем в различных условиях – задача предстоящих исследований.

Как указывалось в вводном разделе курса, под "геологической средой" понимают верхнюю часть литосферы, находящуюся под воздействием инженерно-хозяйственной деятельности человека. Мощность ее определяется глубиной проникновения в толщу горных пород глубоких и сверхглубоких буровых скважин. На континентах она в среднем составляет 5-6 км, увеличиваясь в отдельных точках до 11 км. В океанах, учитывая бурение более 800 скважин с судов "Гломар Челленджер" и "Джойдес Резолюшн", ее нижняя граница проходит на глубине до 1,5 км ниже уровня морского дна.

К понятию "геологическая среда" приближается понятие "верхняя часть геологического разреза" (в узком значении этого термина) - объем геологической среды, соответствующий зоне наиболее активного техногенеза и оказывающий существенное воздействие на наземные и подземные сооружения, агротехнические и другие условия хозяйственной деятельности. Мощность этого техногеннодеятельного слоя лежит в диапазоне от нуля до сотен метров. Верхняя часть геологического разреза - арена суммарного проявления природного геологического и техногенного процессов рассеивания вещества, а также разнообразных физических полей.

В различных структурных элементах Земли геологическая среда и верхняя часть геологического разреза охватывают различные слои земной коры. На континентах - это осадочный слой и верхний слой консолидированной коры (гранитно-метаморфический). Последний обнажается в пределах складчатых поясов и на щитах древних платформ. Отдельными буровыми скважинами он вскрывается и в пределах континентальных платформенных плит. Нижний слой консолидированной континентальной коры инженерно-хозяйственной деятельностью пока не охвачен. Глубоководным океаническим бурением затронут в основном осадочный чехол океанов. Консолидированная часть океанской коры вскрыта лишь единичными скважинами.

В состав осадочного слоя входят различные осадочные горные породы, а также местами покровы и сиплы основных магматических горных пород. Главную роль в гранитно-метаморфическом слое играют кристаллические сланцы, гнейсы, амфиболиты и граниты.

Геологическая среда находится в зоне воздействия современных тектонических движений, которые проявляются как разнообразные дислокации. Наиболее универсальным повсеместно распространенным типом современных дислокаций, имеющих первоочередное геоэкологическое значение, являются трещиноватость и активные разрывные нарушения.

Трещиноватость наблюдается во всех горных породах, независимо от их возраста и петрографического состава, но в наиболее "чистом" виде, не искаженном другими деформациями, - в отложениях платформенного чехла. В своей ориентировке трещиноватость подчиняется определенной закономерности - выделяются три пары сопряженных систем трещин, из которых одна следует вдоль широт и меридианов (ортогональная система), а две другие занимают диагональное положение с ориентировкой к "сторонам света" 300-120° и 330-150°. Эта ориентировка связана с напряжениями, возникающими при изменении фигуры и скорости вращения Земли, ротационными силами. Сами же трещины образуются в результате различных причин, основными из которых являются движения по разрывным нарушениям, диагенез осадочных пород и остывание магматических образований, происходящие в поле ротационных напряжений.

Кроме трещин и трещиноватости большая экологическая роль принадлежит и активным корковым разрывам различной морфологии: сбросам, взбросам, сдвигам, надвигам и раздвигам, современные вертикальные и горизонтальные перемещения по которым определяют формирование рельефа и затрудняют инженерно-хозяйственную деятельность.

Геологическая среда находится в естественном напряженном состоянии и характеризуется в различных ее частях разными полями напряжения. Доказательством являются деформации стволов буровых скважин, которые выражаются в изменении их поперечного сечения, искривлении или сдвиговом нарушении этих стволов.

Геологическая среда создает аномальные геофизические (магнитные, гравитационные, электромагнитные, геотермические и др.) и геохимические поля, представляющие собой совокупность отдельных аномалий. Аномалии геофизических и геохимических полей составляют неотъемлемую часть окружающей среды и существенно влияют на нее.