Лекция 9. Техногенные изменения геологической среды
Областью геологической деятельности человека является геологическая среда – верхняя часть земной коры и внешние оболочки Земли. Геологическая среда формируется в результате сложного и долгого взаимодействия внешних оболочек Земли под влиянием эндогенных и экзогенных сил. Миллионы лет взаимодействия всех процессов привели в равновесие на Земле геологическую среду. Где-то это равновесие прочное, например, ледники, поддерживаемые полярным климатом, а где-то очень хрупкое, например, тропические леса, казахстанские почвы и др. Достаточно более-менее активного вмешательства в установившийся баланс, и в природе произойдут необратимые явления.
До существования человека равновесие в природе нарушалось и не раз. Например, катастрофическое вымирание отдельных видов животных, оледенение и др. явления. Источниками этих нарушений являлись внешние космические явления (внедрения астероидов, комет и других тел) и внутренние эндогенные (вулканические извержения, изменение наклона земной оси и др.). Но все эти явления в геологическом летоисчислении совершались редко и результаты катастроф Земля впоследствии залечивала. Но вот на Земле появился человек. Пока он был молодым и технически не вооруженным в худшем случае он мог уничтожить только отдельные виды животных (бизонов, странствующего голубя, стеллерову корову). Но в ХХ веке, особенно в середине века с развитием мощной индустрии в высокоразвитых странах заметно усилилось воздействие человека на окружающую среду.
Совокупность всех видов воздействия человека на геологическую среду называется техногенезом. Какими видами деятельности человека проявляется эти воздействия? Прежде всего, инженерно-строительным, сельскохозяйственным, промышленным, гидротехническим и другими видами деятельности. Из всех видов техногенеза горнотехнические работы имеют, пожалуй, наибольшее значение, поскольку они затрагивают не только поверхность, но и недра земной коры. В целом же всю область техногенного влияния человека на геологическую среду называют техносферой или ноосферой.
Виды техногенных последствий
Последствия техногенного воздействия на геологическую среду делят на минералогические, геохимические, гидрогеологические и инженерно-геологические.
Минералогические последствия техногенеза обусловлены все возрастающими масштабами перераспределения вещества земной коры в процессе добычи и переработки полезных ископаемых. При добыче полезных ископаемых ежегодно перемещается около 60 км3 пород, и это количество за 10-12 лет постоянно удваивается. Таким образом, минералогические последствия деятельности человека проявляются в истощении минеральных ресурсов и вызывают изменения технологических условий разработки месторождений.
Геохимические последствия техногенеза состоят в нарушении и преобразовании химического баланса веществ в геологической среде. Эти последствия весьма разнообразны. Они обусловлены извлечением из недр большого количества горной массы, рассеиванием на поверхности Земли, в поверхностных и подземных водах природных и синтезированных веществ. Особенно велико рассеивание веществ в связи с эксплуатацией энергетических установок, промышленных и жилищно-коммунальных комплексов, транспортных средств, а также в связи с химизацией сельского хозяйства. При этом идет интенсивное перераспределение компонентов между литосферой и контактирующими с ней атмосферой, гидросферой и биосферой. Извлекаются из недр и затем интенсивно рассеиваются радиоактивные элементы, сернистые соединения, ртуть, углерод, азот и др.
Геофизичесие последствия выражаются в появлении в верхней части земной коры искусственных физических полей (блуждающих токов, сейсмических, звуковых волн и др.), которые воздействуют на вещество литосферы, усиливают коррозию металлов, повышают агрессивность воды и т.п.
Геодинамические последствия техногенеза проявляются в нарушении геостатического поля в связи с проходкой горных выработок, перераспределением больших объемов воды на поверхности при строительстве гидротехнических сооружений, извлечением из недр значительных масс горных пород и твердых полезных ископаемых, нефти, газа и подземных вод.
Геотермические последствия техногенеза обусловлены нарушением теплового баланса отдельных территорий в результате изменения теплообмена между литосферой, атмосферой и гидросферой. Эти последствия проявляются в изменении вводно-теплового режима водотоков и водоемов, в изменении теплового режима поверхности литосферы, обусловленном массовым уничтожением лесов, строительством и эксплуатацией линейных коммуникаций и энергетических установок. Особенно ощутимы геотермические последствия в районах развития криолитозоны, где в условиях широкого распространения льдистых пород нарушение водно-теплового баланса приводит к активизации термокарстовых процессов.
Геоморфологические последствия выражаются в создании техногенного рельефа и в изменении первичного рельефа территорий вследствие нарушения равновесия между аккумулятивными и денудационными процессами. Наиболее существенными факторами формирования техногенного ландшафта является добыча и переработка полезных ископаемых. Эти техногенные процессы сопровождаются созданием понижений на месте карьеров и провалов, возникающих при обрушении кровли горных выработок, а также складировании на поверхности пород вскрыши, некондиционных руд и отходов переработки минерального сырья.
Гидрогеологические последствия техногенеза возникают при прямом или косвенном воздействии на водоносные горизонты и проявляются в изменении ресурсов, уровней, режима и качества подземных вод. Причинами этих изменений являются добыча твердых полезных ископаемых, мероприятия по предотвращению водотоков в горные выработки, добыча нефти и газа, эксплуатация подземных вод, регулирование поверхностного стока водохранилищами, строительство и эксплуатация мелиоративных систем.
Инженерно-геологические последствия техногенеза являются проявлением экзогенных процессов, которые могут быть не свойственными конкретной физико-географической или геологической обстановке. Под влиянием техногенеза активизируются оползневые, осыпные, суффозионные процессы. Эти процессы интенсивно развиваются в искусственных формах рельефа, по берегам водоемов. Строительство и эксплуатация линейных коммуникаций вызывает пучение грунтов и развитие наледей, на территории мерзлой зоны развиваются термокарстовые процессы.
Техногенные изменения объектов геологической среды
Техногенным изменениям подвергаются внешние оболочки Земли: атмосфера, гидросфера, биосфера и верхняя зона внутренних оболочек – земная кора.
Изменение атмосферы. В течение многих тысячелетий атмосферный воздух Земли имел практически неизменный состав: азот (78%), кислород (21%), углекислый газ (0,027%), пары воды и инертные газы (до 0,9%). Под влиянием инженерно-хозяйственной деятельности, начиная с XIX столетия, газовое равновесие атмосферы стало нарушаться, что выразилось в запылении воздуха, уменьшении содержания в нем кислорода и увеличение углекислого газа. Общая загрязненность атмосферы к настоящему времени по сравнению с началом прошлого века возросла в 20 раз.
Главными источниками загрязнения атмосферы являются промышленные предприятия (особенно химические, топливно-энергетические и металлургические), транспорт, города и поселки, сельское хозяйство, ядерные взрывы, военные действия и др. Примерно за 100 прошедших лет концентрация углекислого газа повысилась с 0,027 до 0,032% и к концу XXI века может возрасти до 0,038%. В значительном количестве поступают в атмосферу соединения серы. При росте содержаний в атмосфере углекислого газа, сернистых и других токсичных соединений увеличивается использование кислорода. Его количество ежегодно уменьшается на 10 млрд.т. За последние 50 лет израсходовано кислорода столько же, сколько за весь антропогенный период. В настоящее время на Земле имеются районы с дефицитом кислорода в воздухе, что в наибольшей мере связано с насыщенностью автотранспортом и промышленными предприятиями. Однако, по мнению специалистов, человечеству все же не угрожает кислородный голод, ибо количество этого газа в воздухе весьма велико.
Изменение газового состава атмосферы, главным образом, увеличение количества СО2, может вызвать глобальные изменения климата. Проявится это повышением температуры на планете. К середине ХХI века она может увеличиться на 0,5о, а дальнейшее повышение до 2о, если оно произойдет, приведет уже к катастрофическим последствиям – таянию полярных льдов, подъему уровня океанов и морей, затоплению прибрежных регионов, изменению площадей континентов и океанов.
Изменения гидросферы. Гидросфера как поверхностная, так и подземная, являются важным компонентом природной среды. Поэтому прямые и косвенные воздействия человека на водную оболочку, изменяющие ее количественно и качественно, существенно изменяют водный режим планеты и геологическую роль гидросферы. Выделяют бытовое, агрохимическое и промышленное загрязнение вод.
Бытовое загрязнение связано с бытовыми отходами населенных пунктов, прежде всего, городов. По составу бытовое загрязнение вод представлено синтетическими моющими средствами, содержащими фосфор, органическими веществами и токсичными элементами (свинец, хром, кадмий, ртуть и др.).
Агрохимическое загрязнение обусловлено постоянно возрастающим использованием в сельском хозяйстве удобрений и ядохимикатов. Атмосферные осадки вымывают удобрения и ядохимикаты и выносят их через почвенно-растительный слой в подземные и поверхностные воды. Это приводит к резкому повышению концентрации в воде ряда веществ, особенно нитратов, и делает в таких случаях непригодными для питья подземные воды. Снос агрохимических продуктов в непроточные водоемы приводит к увеличению концентрации питательных солей в воде и зарастанию водоёмов водорослями и планктоном.
Промышленное загрязнение обусловлено стоками предприятий и в настоящее время приобретает планетарный характер. В отходах производства, сбрасываемых в реки и водоёмы, содержится большой количество вредных и токсичных веществ, которые, как правило, являются трудно растворимыми и неразлагающимися. Особое место среди этих загрязнителей занимают нефтепродукты и радиоактивные отходы. Одна капля нефти образует на поверхности воды пятно диаметром 0,3 м. Тончайшая пленка нефти изолирует воду от атмосферного воздуха, меняет режимы углеродно-кислородного обмена, снижает испарение, нарушает экологическое равновесие. Ежегодно в океан поступает более 6 млн.т. нефтепродуктов, которые долго сохраняются на транспортных трассах, территориях портов, в местах аварии танкеров. Это загрязнение приобретает уже глобальный характер. Вызывает также тревогу рост концентрации в отдельных районах радиоактивных частиц, что обусловлено захоронением в океане радиоактивных отходов.
Важными последствиями воздействия техногенеза на гидросферу являются изменение уровня поверхностных и подземных вод. За последние десятилетия резко изменен режим многих рек, созданные в их долинах водохранилища сглаживают сезонные колебания уровней и расхода воды, уменьшают скорости течения воды. Тысячи мелких рек под влиянием деятельности предприятий и населенных пунктов в связи с интенсивным забором и загрязнением воды мелеют, пересыхают, а нередко полностью исчезают.
Изменение биосферы. Изменение биологического равновесия на планете происходит двумя путями: прямым и косвенным. Прямой путь – это непосредственное уничтожение животных и растений. Так, за последние столетия людьми были истреблены такие виды животных как стеллерова корова, дронт, странствующий голубь, сумчатый волк и др., уничтожены сотни видов растений, вырубаются и выжигаются леса. Косвенный путь отрицательного влияния на биосферу выражается в последствиях человеческой деятельности. Так, использование пестицидов в сельском хозяйстве, в частности дуста, приводит к массовой гибели птиц, поедающих отравленных насекомых, а потребление убитой на охоте дичи способствует развитию у людей онкологических заболеваний. Страдает косвенным путем от промышленной деятельности людей, главным образом, от так называемых кислотных дождей растительная природа. В результате сгорания и переработки серосодержащих продуктов в атмосферу выбрасывается серный ангидрид, который, соединяясь с дождевой водой, образует слабую серную кислоту. Осаждаясь на растительность, на листву деревьев, кислота уничтожает её, что приводит к гибели деревьев. Известно, что в Западной Европе ветры, дующие из центральных промышленных районов в северном направлении, приносят кислотные дожди в страны Скандинавии, уничтожая ежегодно по некоторым данным около 1% лесов.
Изменения в земной коре. Состав земной коры наиболее интенсивно меняется в приповерхностной части в связи с постоянно возрастающим уровнем добычи и использования природных ресурсов, и, прежде всего, минерального сырья. Ежегодно добывается около 10 млрд.т. руд и минерального топлива, более 300 млн.т. минеральных удобрений. При существующей технологии теряется почти половина металлов и треть химического сырья. В результате ведения горных работ количество многих химических
Горно-техническая деятельность затрагивает непосредственно недра, поэтому и последствия ее обычно более существенны. Горно-строительные и добычные работы нарушают строение массивов горных пород, создают значительные полости и пустоты, которые по масштабам порой превосходят природные образования. При добыче полезных ископаемых человек проникает в недра на большую глубину. Например, добыча свинцово-цинковых руд на руднике Пршибрам в Чехии идет на глубине 1500 м.; рудник Колар (золото) в Индии достиг глубины 3800 м., а разработка золото-урановых руд в ЮАР ведется на глубине около 4 км. Еще на большие глубины проникли буровые скважины на нефть. Сверхглубокая скважина на Кольском полуострове превысила отметку 11 км.
Проходка подземных горных выработок, извлечение твердых полезных ископаемых и сопутствующей горной массы, нефти, газа, подземных вод вызывает нарушение геостатического поля и обусловливает проявление геодинамических последствий техногенеза – нарушение верхней части литосферы. Так, при выемке подземными работами горной массы происходит обрушение поверхности над горными выработками, образуются провалы и воронки глубиной до нескольких десятков метров. Обширные опускания территории (до 5-10м) возникают в результате снижения пластовых давлений в связи с откачкой из недр флюидов и газов. Иногда подобные опускания могут иметь катастрофические последствия. Более значительны по глубине и площади углубления, образованные при открытом способе добычи полезных ископаемых, доля которого в среднем составляет около 70%. Уже сейчас глубина карьеров достигает 300-800 метров, проектируются карьеры глубиной до 1000 м и протяженностью карьерных полей 205 км.
В итоге горно-добычной деятельности изменяется не только внутренняя структура земной коры, видоизменяется её поверхность – рельеф. Для горнопромышленных районов характерен грядово-холмистый техногенный рельеф, сформированный за счет складирования пустых пород и отходов переработки минерального сырья. Характерны отрицательные формы – провалы, воронки, обширные депрессии, как правило, залитые водой. Для ликвидации последствий разрушительного техногенеза необходимо предусматривать восстановление (рекультивацию) нарушенных земель.