2. Современные концепции развития геосферных оболочек.

Разработка неклассической концепции глобальной эволю­ции Земли позволила с новых позиций представить развитие гео­сферных оболочек. Речь отнюдь не идет о простой констатации фактов, они интерпретируются в принципиалъно новой концеп­ции.

В неклассической концепции глобалъной эволюции Земли в объяснении динамических истоков развития геосферных обо­лочек решающее значение придается: однородности: химическо­го состава первичной Земли; изменению ее термодинамических состояний под воздействием энергетических потоков; приобре­тению расплавленным веществом Земли текуче-подвижных со­стояний, приводящих к химико-плоскостной дифференциации этого вещества; образованию в результате дифференциации ве­щества Земли ее геосферных оболочек; эволюции геосферных обо­лочек в процессе непрекращающихся изменений динамических потенциалов Земли. Каждый новый шаг в осмыслении возник­новения, эволюции, развития и коренных преобразований гео­сферных оболочек требует четкого выделения тех динамических факторов, которые определяют геологические события. В этом состоит суть, главное содержание неклассической концеп­ции глобальной эволюции Земли.

Энергетическая динамика Земли определяется в основном тре­мя составляющими: энергией гравитации ~ 82%, энергией ра­диоактивного распада ~ 12%, приливной энергией ~4%. Что касается солнечной энергии, то она частично поглощаясь внешними геосферными оболочками, отражается ими же в ко­смос. Следует отметить, что Земля стала тектонически активной далеко не сразу, а лишь после ее разогрева, который из-за на­личия приливных сил (высота волн прилива достигала 1 км) ока­зался наибольшим в приповерхностных слоях планеты. Тепло­вая энергия из поверхности планеты постепенно разогревала все ее вещество, переводя его в расплавленное состояние. Веще­ства Земли, обладавшие наибольшей плотностью, стали диффун­дировать в центр планеты.

В первичном составе Земли содержалось много «металличе­ского» железа, ~ 13% и его двухвалентной окиси ~. 24%). Железо появилось от

части за счет межзвездной материи, из которой образовалась Земля, и захвата ею метеоритов, в которых содержится около ЗО% железа. Стекание железа и его окислов в центр планеты привело к образованию ядра Земли. Более лег­кие вещества –SiO₂, MgО и др. при этом переходили в верхние слои планеты, где они, остывая, образовывали астеносферу и ли­тосферу. Собственно мантия Земли оказывалась заключенной между ядром планеты и ее твердыми приповерхностными обла­стями, т.е. литосферой (астеносферу иногда причисляют к ман­тии Земли или же считают самостоятельной геосферной оболоч­кой). Дегазация планеты привела к образованию атмосферы Земли. За счет конденсации водяных паров атмосферы образу­ется гидросфера.

Итак, около 4,6—4,0х1О⁹ лет назад, когда Земля не бы­ла дифференцирована на геосферные оболочки, которые, подоб­но всем космическим объектам, возникают, проходят некоторые этапы своей эволюции и умирают. Все геосферные оболочки яв­ляются результатом дифференциации вещественного состава первичной Земли. Возникнув однажды, они приобретают отно­сительную самостоятельность и становятся геодинамически ак­тивными.

Выражаясь несколько образно, атмосфера оказывает давле­ние на литосферу и гидросферу, две последние упруго сжимают мантию планеты, которая в свою очередь спрессовывает ядро Зем­ли. Если же идти от центра планеты к ее периферии, то дина­мическая картина оказывается другой. Ядро Земли притягива­ет к себе вещество всех других геосферных оболочек, охватывает их обручем инициированного им магнитного поля, нагревает ман­тию и достигающие его оболочки литосферы. Мантия Земли пе­редает мощные потоки тепловой энергии литосфере, раздвигает океанское дно и перемещает литосферные плиты. Литосфера и гидросфера оказывают тепловое воздействие на атмосферу; выветриваясь и испаряясь, они передают ей также огромные мас­сы вещества. Таким образом, геодинамическая активность Зем­ли также имеет свою историю: она находится в полном соответ­ствии с историей эволюции геосферных оболочек.

Истории эволюции геосферных оболочек: Земли сопряжены друг с другом, но каждая из этих историй имеет свои весьма своеобразные этапы. Земля - уникальная планета. Если бы в вей исходные кон­центрации веществ, в частности Fe, FeO, CO₂, H₂O были несколько другими, то тектоническая деятельность планеты вряд ли обеспечивала бы благоприятные условия для живых организмов, т.е. биоту. Имея это в виду Бесспорно, существует глубокая связь между космологическим, геологическим, биологическим и антропологическим знаниями.

3.Литосфера как абиотическая основа жизни.

Твёрдую оболочку Земли называют литосфера. Её можно сравнить со скорлупой, охватывающей всю поверхность Земли. Но эта "скорлупа" как бы растрескалась на части и состоит из нескольких крупных литосферных плит, медленно перемещающихся одна относительно другой. По их границам концентрируется подавляющее число землетрясений. Верхний слой литосферы - это земная кора, минералы которой состоят преимущественно из оксидов кремния и алюминия, оксидов железа и щелочных металлов. Земная кора имеет неравномерную толщину: 35-65 км. на континентах и 6-8 км. подо дном океана. Верхний слой земной коры состоит из осадочных пород, нижний из базальтов. Между ними находится слой гранитов, характерный только для континентальной коры. Под корой расположена так называемая мантия, имеющая иной химический состав и большую плотность. Граница между корой и мантией как уже отмечалось выше -я поверхностью Мохоровича. В ней скачкообразно увеличивается скорость распространения сейсмических волн.

На глубине 120-250 км под материками и 60-400 км. под океанами залегает слой мантии, называемый астеносферой. Здесь вещество находится в близком к плавлению состоянии, вязкость его сильно понижена. Все литосферные плиты как бы плавают в полужидкой астеносфере, как льдины в воде. Более толстые участки земной коры, а так же участки, состоящие из менее плотных пород, поднимаются по отношению к другим участкам коры. В то же время дополнительная нагрузка на участок коры, например, вследствие накопления толстого слоя материковых льдов, как это происходит в Антарктиде, приводит к постепенному погружению участка. Такое явление называется изостатическим выравнивание. Ниже астеносферы, начиная с глубины около 410 км "упаковка" атомов в кристаллах минералов уплотнена под влиянием большого давления.

Литосфера - абиотическая основа жизни, биотические факторы и экологические функции литосферы связаны.

Каждая из геосферных оболочек обладает как абиотичес­кой, так и экологической значимостью. Абиотический и эколо­гический подходы дополняют друг друга. При абиотическом подходе компоненты и явления неживой природы рассматрива­ют как условие существования живых организмов, в том числе человека. При экологическом подходе факторы неживой среды изучаются не просто сами по себе, а в их конкретном взаимодей­ствии с биотой и влиянием на нее. Несмотря на то, что все геосферные оболочки важны в абиотическом и экологическом плане, до недавнего времени абиотический и экологический подходы ис­пользовались в основном при изучении гидросферы и атмосфе­ры. Лишь в середине 90-х годов было введено понятие «эколо­гические функции литосферы». Что касается абиотических факторов и экологических функций мантии и ядра Земли, то их изучение надо полагать также будет признано актуальным, но позднее. Изучение и экологических функций литосферы особенно актуально уже сегодня для будущего человечества. При рассмотрении абиотической функции литосферы, то он рассматривается в единстве экологии и геологии. Обычно выделяют четыре экологические функции литосферы: ресурсную, геодинамическую, геофизическую и геохимическую.

Эти и другие функции литосферы будут рассмотрены в следующей лекции.

4.Экологические функции литосферы: ресурсная, геодинамическая, геофизико-геохимическая.

Твёрдую оболочку Земли называют литосфера. Её можно сравнить со скорлупой, охватывающей всю поверхность Земли. Но эта "скорлупа" как бы растрескалась на части и состоит из нескольких крупных литосферных плит, медленно перемещающихся одна относительно другой. По их границам концентрируется подавляющее число землетрясений. Верхний слой литосферы - это земная кора, минералы которой состоят преимущественно из оксидов кремния и алюминия, оксидов железа и щелочных металлов. Земная кора имеет неравномерную толщину: 35-65 км. на континентах и 6-8 км. под дном океана. Верхний слой земной коры состоит из осадочных пород, нижний из базальтов. Между ними находится слой гранитов, характерный только для континентальной коры. Под корой расположена так называемая мантия, имеющая иной химический состав и большую плотность. Граница между корой и мантией называется поверхностью Мохоровича.

Изучением функции литосферы, закономерностями формирования литосферы, ее пространственно-временного изменения под влиянием природных и техногенных причин в связи с жизнью и деятельностью биоты и, прежде всего, человека., занимается экологическая геология – новое направление геологических наук.

Понятие “экологические функции литосферы” – понятие фундаментальное. Совокупность знаний о них рассматривается нами как теоретический базис экологической геологии. В развитие этого тезиса взаимодействие между компонентами литосферы и биоты, включая человека, предложено изучать и отражать через определенные функциональные зависимости – ресурсную, геодинамическую, геохимическую и геофизическую.

Развитие этих положений обусловило формирование учения об экологических функциях литосферы – совокупности теоретических положений и представлений об экологических функциях литосферы, эколого-геологических обстановках, их состоянии и экологических свойствах литосферы как ее специфических атрибутивных компонентах и определенную экологическую ориентированную систему воззрений на взаимоотношение литосферы и биоты.

В рамках этого учения было определено содержание целого ряда необходимых понятий:

а) экологические функции литосферы – функции, определяющие (отражающие) роль и значение литосферы, включая подземные воды, нефть, газы, геофизические поля и протекающие в ней природные и антропогенные геологические процессы, в жизнеобеспечении и эволюции биоты, главным образом, человеческого сообщества;

б) экологическое свойство литосферы – одна из сторон литосферы, ее специфический, экологически значимый атрибут, обусловленный природой ее вещественного состава, геодинамических, геохимических и геофизических полей и органически связанных с жизнеобеспечением биоты, условиями ее существования и эволюции;

в) эколого-геологическая система – геологический компонент природной среды (определенный объем литосферы) с находящейся в ней и на ней биотой и включающей три подсистемных блока – литосферный (абиотический), биоту (биотический) и источников воздействия техногенного и природного происхождения;

г) эколого-геологическая обстановка (условия) – совокупность конкретных экологических свойств литосферы, отражающих современное или палеосостояние условий жизнедеятельности живых организмов в данном объеме литосферы как среде их обитания;

д) состояние эколого-геологической обстановки (условий) или экологическое состояние литосферы (как нередко называют геологи) – временное ее состояние, оцениваемое спецификой появления одного, нескольких или совокупностью экологических свойств литосферы, в данный момент времени определивших степень (уровень) благоприятности и возможности проживания живых организмов.

Ресурсная и экологическая функция литосферы определяет роль минеральных органических и органоминеральных ресурсов литосферы, а также ресурсов геологического пространства, необходимых для жизни и деятельности биоты как в качестве биогеоценоза, так и социальной структуры (человеческое сообщество). Она изучается экологическим ресурсоведением.

Ресурсная функция верхних горизонтов литосферы заключается в ее потенциальной способности обеспечения потребностей биоты (экосистем) абиотическими ресурсами, в том числе и потребностей человека теми или иными полезными ископаемыми, необходимыми для существования и развития человеческой цивилизации. Причем с позиций биоцентризма потребности человека не должны вступать в противоречие с потребностями биоты в целом. Среди природных ресурсов на Земле по их значимости для развитых государств на первом месте стоят энергоресурсы. При современном уровне развития промышленности в мире технологическая энергетика создает и трансформирует огромное, если рассматривать планету в целом, количество энергии. Около 70% добываемых полезных ископаемых в мире составляют энергоресурсы. Следовательно, можно говорить о соизмеримости техногенного энергетического потенциала с энергетическим потенциалом Земли естественного происхождения, особенно на урбанизированных территориях.     Потребности в энергоресурсах развитых стран все более и более возрастают. На фоне нехватки собственных природных ресурсов они стремятся захватить мировые рынки сбыта полезных, прежде всего нефти, угля, металлических и полиметаллических руд и т.д., объявляя их зоной национальных экономических интересов. Малейшие "сбои" в этих зонах приводят к тяжелейшим, прежде всего энергетическим и экономическим, кризисам в этих странах. В конечном итоге такой путь развития губителен для людей: все большее число стран, переходя в стадию экономически высокоразвитых государств, с одной стороны, будет вынуждено вступать в конфликты из-за ресурсов, а с другой - все более интенсивно эксплуатировать ресурсы слаборазвитых стран. В настоящее время в мире отмечается ресурсная напряженность, которая обусловливает необходимость перехода человечества к системному ресурсному мышлению. Этот переход, видимо, совершится в ближайшие годы, поскольку человечество для этого имеет, по оценкам экспертов, всего 3 - 4 десятилетия. Выработка соответствующей теоретической базы, касающейся ресурсов литосферы, - важнейшая проблема экологической геологии.   

Геодинамическая экологическая функция литосферы отражает свойство литосферы влиять на состояние биоты, безопасность и комфортность проживания человека через природные и антропогенные геологические процессы и явления. Она изучается экологической геодинамикой.

Геодинамическая функция литосферы в экологическом аспекте проявляется в ходе различных геологических процессов (экзогенных -оползней, обвалов, селей, береговой абразии, подтопления и т.д. и эндогенных – землятресений, вулканических извержений и т.д.), так или иначе влияющих на различные экосистемы, в том числе и человеческое общество. Эти процессы, как указывалось выше, делятся на природные геологические и процессы, вызванные человеком, техногенные - инженерно-геологические. Важно подчеркнуть, что последние могут по своей интенсивности, мощности и масштабам проявления существенно превосходить их природные аналоги, поэтому их прогнозу, оценке и инженерной защите территорий с развитыми на них экосистемами от негативного влияния инженерно-геологических процессов в экологической геологии уделяется первостепенное внимание.     Пока нерешенных проблем в этой области очень много и среди них одна из центральных - выявление предельно допустимых уровней техногенных воздействий на геологическую среду и ее отдельные компоненты – почвы, горные породы, поземные воды, рельеф территории и развитые на нейгеологические, изменение которых влияет на различные экосистемы. Основная задача заключается в том, чтобы научиться правильно прогнозировать экологические последствия тех или иных техногенных воздействий на литосферу, а следовательно, научиться предотвращать негативные экологические процессы и тем самым влиять на разразившийся глобальный экологический кризис. Немалую роль в решении этой проблемы должен сыграть экологический мониторинг геологической среды - система постоянных наблюдений, контроля, оценки, прогноза и управления состоянием геологической среды с целью обеспечения ее экологических функций.

Геохимическая экологическая функция литосферы отражает свойство геохимических полей (неоднородностей) природного и техногенного происхождения влиять на состояние биоты в целом и здоровье человека в частности. Она изучается экологической геохимией .

Геохимическая функция литосферы в экологическом аспекте заключается в ее активном участии в процессах круговорота в природе. Причем одинаково важен анализ обеих сторон круговорота - как вредных, так и полезных для экосистем веществ. Геохимическая транспортировка различных элементов в пределах литосферы и экосистем могут осуществляться различными путями. В связи с чем выделяют механическую, физико-химическую, биогенную и техногенную миграцию, которая является предметом исследований экологической геохимии. Техногенная миграция веществ, как и общие закономерности техногенеза, еще далеко не установлены, однако в этой области уже открыт целый ряд важнейших законов, позволяющих охарактеризовать геохимическую функцию литосферы.     Разработка методов управления состоянием и свойствами массивов горных пород верхних горизонтов литосферы с целью сохранения и обеспечения их экологических функций - практическое направление экологической геологии, которое интенсивно развивается в настоящее время. Задача управления успешно решается методами технической мелиорации горных пород, в арсенале которой имеются всевозможные способы целенаправленного активного влияния человека на состав, строение, состояние и свойства горных пород и их массивов. Применение этих методов позволяет менять состояние и свойства массивов горных пород в нужном направлении, получать массивы с заданными свойствами, осуществлять реабилитацию (очистку) территорий, почв, горных пород от всевозможных техногенных загрязнений и т.д. Разработка этих актуальных проблем позволит существенно продвинуть вперед решение многих задач геоэкологии и экологии и вплотную подойти к реализации идеи В.И. Вернадского о ноосфере - высшей фазе эволюции биосферы на Земле.

Геофизическая экологическая функция литосферы отражает совокупность свойств геофизических полей полей (неоднородностей) литосферы влиять на состояние биоты и человека. Она изучается экологической геофизикой.

В настоящее время разработан целенаправленный подход к оценке состояния эколого-геологических условий литосферы. Все критерии оценки органически связаны с экологическими свойствами литосферы и учитывать соответствующие функциональные зависимости между ее компонентами и биотой и быть ранжированными на единое число классов состояний. Выделяют четыре класса состояния литосферы – удовлетворительного (благоприятного), условно удовлетворительного (неблагоприятного), неудовлетворительного (весьма неблагоприятного), катастрофического, которым соответствуют четыре зоны нарушения экосистемы – нормы, риска, кризис и бедствия.

Это одно из важнейших теоретических и методических положений учения об экологических функциях литосферы, да и в целом экологической геологии.

Учение об экологических функциях литосферы охватывает не только идеологию исследования, его функциональную направленность, но и материальные атрибуты объекта изучения, такие, как экологические свойства литосферы, экологическое состояние литосферы и др., т.е. параметры, которые можно измерять, оценивать, классифицировать и моделировать. Следовательно, учение об экологических функциях литосферы формирует теоретическую и методическую основу проведения эколого-геологических исследований и отражения соответствующей информации.