23 Техногенные системы и экологический риск. Лекция 9 Антропогенное и техногенное воздействие на литосферу

В.И. Вернадский отмечал, что «органический мир, как единое целое, является тем своеобразным фактором, который разрушает минеральные тела и использует их энергию». На этом базируется современное учение об экологических функциях литосферы. При этом все многообразие взаимосвязей между природой и преобразованной человеком литосферой, включая, сводится к четырем экологическим функциям – геодинамической, геохимической, геофизической и ресурсной.

Из этих четырех экологических функций литосферы решающее значение имеет геодинамическая. Она отражает влияние литосферы на состояние биоты, безопасность и комфортность проживания человека через природные и антропогенные геологические процессы.

Основным источником геологических процессов является солнечная энергия. В литосфере происходит постоянная трансформация солнечной энергии в земную энергию (электрическую, химическую, механическую, тепловую и т.д.) Именно эти трансформации является необходимым условие существования жизни на планете. Доказана прямая зависимость интенсивности накопления органического вещества от интенсивности вулканизма на Земле. К периодам мощных излияний вулканических продуктов тяготеют периоды расцвета живых организмов на планете, увеличения их численности и общей массы живого вещества. И наоборот, стратиграфические комплексы с малой массой вулканических пород соответствуют менее благоприятным условиям обитания организмов в море и на суше, ведущим к сокращению их численности и общей массы живого вещества. Если бы оказалось технически возможным блокировать все вулканы на Земле, то от голода погибло бы больше людей, чем гибнет сейчас от извержений. Вот насколько велика роль азота вулканического происхождения.

В своем взаимодействии с литосферой человек достиг такого уровня развития, при котором он из пассивного объекта природы превратился в новую геологическую силу. Поэтому в настоящее время происходит трансформация эколого-геодинамических функций литосферы. Это проявляется либо в активизации природных процессов, либо в возникновении новых, имеющих антропогенный характер. В реальных условиях эти две тенденции наблюдаются одновременно.

Экологические последствия при этих изменениях имеют как позитивные, так и негативные стороны. Позитивные изменения обычно проявляются сразу и носят кратковременный характер, а негативные проявляются, как правило, через некоторый интервал времени, иногда соизмеримый с человеческой жизнью.

Сегодня техногенное воздействие человека на литосферу по интенсивности развития значительно превосходит скорость изменения естественных условий на Земле. Это воздействие включает в себя изменение рельефа, перемещение и реструктуризацию горных пород, разрушение и преобразование геологических тел, перераспределение напряжений в верхних областях земной коры, мощное динамическое и сейсмическое воздействие, концентрацию естественных и техногенных веществ и другие.

Техногенная деятельность человека порождает новые инженерно-геологические процессы, которые раньше на данной территории не отмечались. Одним из примеров такой деятельности человека может быть "наведенная сейсмичность", которая приводит к возникновению таких опасных геологических явлений, как землетрясения. Чаще всего землетрясения техногенного происхождения возникают в связи с созданием крупных и глубинных водохранилищ.

Техногенные геологические процессы отличаются интенсивностью и глубиной воздействия, проникающего на десятки километров в недра Земли. Например, при добыче полезных ископаемых и выполнении строительных работ количество породы, извлекаемой человеком, превышает 120 миллиардов тонн в год, что примерно в 4,5 раза больше массы породы, смываемой водами рек в океаны в процессе денудации (от лат. denudatio – обнажение) и размыва суши.

Ежегодный объем материала литосферы, перемещаемого всеми текучими водами на земной поверхности, в 30 раз меньше, чем перемещается горных пород при строительстве и добыче полезных ископаемых. Структура нашей планеты уже не успевает сбалансировать эти процессы.

Техногенные перемещения и изменения масс горных пород, а также геохимического состава верхних горизонтов литосферы, включая подземную гидросферу, привели к техногенному изменению геофизических полей Земли (гравитационного, магнитного, электрического, радиационного, теплового), что неблагоприятно сказывается на всех живых организмах.

В процессе инженерно-хозяйственной деятельности человека горные породы, слагающие верхнюю часть земной коры, претерпевают в той или иной степени сжатие, растяжение, сдвижение, водонасыщение, осушение, вибрации и другие воздействия.

Серьезные изменения поверхности литосферы наблюдаются при прокладке инженерных коммуникаций, линий электропередачи и связи, строительстве железных и автомобильных дорог. В настоящее время общая протяженность железных дорог на Земле составляет более 1400 тыс. км., то есть в 3,5 раза больше, чем расстояние от Земли до Луны. И на всем этом протяжении нарушается почвенный покров, меняются геологические условия прилегающих к дороге территорий, возникают новые геологические процессы. Протяженность автомобильных дорог в мире еще больше. Вдоль автотрасс также происходит нарушение геологических условий, так как при прокладке 1 км дороги нарушается около 2 га растительного и почвенного покрова.

Общая площадь поверхности литосферы, нарушенной городской застройкой и хозяйственной инфраструктурой на территории России, составляет около 4,3 млн. км². Причем на каждого жителя в среднем приходится 6 тыс. м² нарушенной поверхности. Основные нарушения расположены в зонах наиболее плотного заселения, поэтому в этой зоне уровень нарушения поверхности литосферы, приходящийся на 1 км², составляет в среднем 10-25% , а на урбанизованной территории-75-100%.

С каждым годом интенсивность воздействия человека на литосферу все более и более возрастает. Если в 1985 году суммарная площадь суши, покрываемая всеми видами инженерных сооружений (здания, дороги, водохранилища, каналы и т.п.), составляла около 8%, то к 1990 году она превысила 10%, к 2000 году возросла до 15%, а к 2010 может возрасти до 25%. Вместе с площадями, используемыми на Земле под сельское хозяйство, техногенной деятельностью затронуто около половины суши (без Антарктиды).

Нарушения поверхности литосферы приводят к активизации опасных стихийных явлений: оползней, обвалов, просадок грунтов, создают условия для формирования селей и снежных лавин, способствует увеличению поверхностного стока, меняют условия инфильтрации и движения флюидов в грунтах, нарушают почвенный биоценоз.

Мощным фактором воздействия на литосферу явились ядерные подземные взрывы, в результате которых произошли значительные геодинамические изменения на больших территориях, сопровождавшиеся повышением уровня грунтовых, учащением выбросов грязевых вулканов, падением нефтедобычи.

При оценке техногенного и антропогенного воздействия человека на литосферу используют такие понятия, как источник воздействия, интенсивность воздействия, реакция геологической среды, область приложения воздействия, время приложения воздействия.

Под источником воздействия подразумевают любой вид инженерной или хозяйственной деятельности человека. Практически все виды деятельности человека сопровождаются загрязнением почвы. К основным источникам загрязнения почв относятся:

1. Жилые дома и бытовые предприятия. В числе загрязняющих веществ преобладают бытовой мусор, пищевые отходы, фекалии, отходы отопительных систем, больниц, столовых, гостиниц, магазинов и пр.

2. Промышленные предприятия. В газообразных, жидких и твердых промышленных отходах присутствуют те или иные вещества, которые загрязняют и существенно изменяют химический состав почв. Промышленное загрязнение почв происходит в основном через атмосферу путем осаждения на поверхность паров, аэрозолей, пыли или растворенных веществ непосредственно или с атмосферными осадками.

3. Теплоэнергетика. Помимо образования массы шлаков при сжигании каменного угля с теплоэнергетикой связано выделение в атмосферу сажи, несгоревших частиц оксидов серы и других веществ, которые со временем попадают в почву. Выделение в атмосферу оксидов серы способствует образованию кислых атмосферных осадков, способствующих подкислению почв.

4. Сельское хозяйство. Основными загрязнителями почвы являются удобрения и ядохимикаты.

5. Транспорт. При работе двигателей внутреннего сгорания интенсивно выделяются оксиды азота, свинец, углеводороды и другие вещества, оседающие на поверхности почвы или поглощаемые растениями. При эксплуатации автомобильных дорог в воздух поступают значительные количества минеральной пыли, нефтепродуктов и солей тяжелых металлов, которые оседают на прилегающие земли.

Основными загрязнителями почвы являются:

1) пестициды;

2) минеральные удобрения;

3) отходы и отбросы производства;

4) газодымовые выбросы загрязняющих веществ в атмосферу;

5) нефть и нефтепродукты.

Все техногенные вещества, являющиеся загрязнителями почвы, объединяют в две группы.

1. Педохимически (pedos – почва) активные техногенные вещества, способные влиять на кислотно-основные и окислительно-восстановительные условия в почвах. К ним относятся минеральные кислоты, щелочи, карбонаты, сероводород, метан.

2. Биохимически активные техногенные вещества, действующие непосредственно на живые организмы. Это тяжелые металлы, радионуклиды, токсические микроэлементы, пестициды и др.

Воздействие химически активных веществ на организмы зависит от их доступности растениям, подвижности в почвах, поэтому оценку устойчивости почв к химическим загрязнителям следует проводить в зависимости от их подвижности в почвах.

Одной из форм химического загрязнения почв является аккумуляция в них тяжелых металлов и других токсичных элементов, поступающих с промышленными и транспортными выбросами. Среди этих элементов широко распространенными являются кобальт, мышьяк, цинк, никель, медь, ванадий, марганец, ртуть, свинец, кадмий и некоторые другие. Токсичные металлы, поступая в почву, вступают в различные химические реакции, сорбируются органическим веществом, глинистыми минералами. Из почвы они поступают в грунтовые воды и поглощаются растениями, поэтому наблюдения за их содержанием должны проводиться повсеместно.

Одной из серьезных экологических проблем России является загрязнение почвы и литосферы в целом нефтью и нефтепродуктами, особенно в нефтедобывающих регионах. К основным причинам такого загрязнения следует отнести аварии на магистральных и внутрипромысловых нефтепроводах, несовершенство технологии нефтедобычи, аварийные и технологические выбросы и т. д.

При добыче нефти и газа почвы подвергаются механическому нарушению, загрязнению сырой нефтью и пластовыми водами, поступающими из скважин. В качестве загрязнителей выступают также буровые растворы, химические реагенты, применяемые в нефтедобыче. Загрязнение почв нефтью и нефтепродуктами приводит к ухудшению их физических свойств. При этом наблюдается снижение биологической активности, и создаются условия для накопления в почве токсических, в том числе канцерогенных, соединений. Такие явления наблюдаются не только при нефте - и газодобыче. Они наблюдается и на территориях автозаправочных станций. Например, в США до 70% цистерн на автозаправках имеют течь.

В загрязнении почв существенную роль играет нерациональное применение агрохимии, основопо­ложником которой считается Юстус фон Либих (1840). Учение Либиха открыло путь широкому применению минеральных удобрений. В настоящее время на полях России бесполезно теряются около 20-60% азотных, 70-80% фосфорных, свыше 50% калийных удобрений. Выносимые с внутрипочвенным и поверхностным стоком нитраты загрязняют природные воды, а снос фосфорных удобрений с полей является главной причиной загрязнения водоемов фосфатами, вызывая эвтрофикацию озер, рек, водохранилищ.

Загрязнение почвы различными токсикантами пагубно влияет на жизнедеятельность почвенных организмов. При этом теряется способность почвы к самоочищению от болезнетворных и других нежелательных микроорганизмов, что чревато тяжелыми последствиями для человека, растительного и животного мира. Например, в сильно загрязненных почвах возбудители тифа и паратифа могут сохраняться до полутора лет, тогда как в незагрязненных — лишь в течение двух-трех суток.

Интенсивность воздействия зависит от его источника и может изменяться в широких пределах от незначительных, следы которых бесследно исчезают в течение нескольких дней или даже часов, до глобальных, пронизывающих всю планету. Примером глобальной интенсивности воздействия могут служить извержения вулканов, столкновения с космическими телами, мощные ядерные взрывы, вызывающие колебания горных пород, несколько раз проходящие через всю Землю, отражаясь от её внутренних границ.

Реакция геологической среды представляет собою процесс ее возвращения после техногенного воздействия в равновесное состояние. При относительно слабом воздействии нарушенная геологическая среда может восстановиться. Такое воздействие можно считать обратимым. При значительных техногенных воздействиях формируется новый природно-техногенный, необратимый геодинамический комплекс.

Область приложения воздействия техногенного или антропогенного воздействия проявляется в том, что воздействие может быть оказано на один или несколько элементов геодинамического комплекса на территории, охватывающей большее или меньшее количество его компонентов. Такие воздействия могут быть прямыми, когда деятельность человека непосредственно направлена на тот или иной компонент литосферы, и косвенными, когда человек воздействует на литосферу через другие компоненты биосферы.

По масштабу воздействия могут иметь локальный, региональный и глобальный уровни. Эта градация условна, так как выделяемые уровни не имеют чётких границ.

Время приложения воздействия может быть кратковременным, не превышающим нескольких лет, длительным, сопоставимым со временем жизни человека и сроком реального планирования тех или иных социально-экономических программ, а также постоянным.

Кратковременные воздействия могут быть непериодическими, проявляющимися единожды, и периодическими с различным временем повторяемости. Примером периодических воздействий служат регулярные испытания взрывных устройств, различные виды сезонных работ, периодическое прохождение транспорта и тому подобное.