Техногенные процессы и явления

Ф.В. Котловым выделяются следующие классы антропогенных геологических процессов и явлений.

1. Геотермические, вызванные изменением термического поля городов.

2. Гидрогенные, вызванные изменением подземной гидросферы.

3. Гравитационные, вызванные статическими нагрузками.

4. Литогеодинамические, вызванные динамическими нагрузками.

5. Субтерральные (подземные), вызванные добычей полезных ископаемых и подземным строительством.

6. Антропогенный литогенез.

Все эти процессы развиваются избирательно, направленность и закономерность их формирования контролируется тремя факторами: регионально-геологической средой, зонально-климатическими условиями и характером воздействий человека на среду (профилем, экономикой и историей города).

Лекция 2

Геологическая среда. Состав и свойства геологической среды. Экосистемы и их особенности.

Геологическая среда, согласно определению Е.М. Сергеева – это «любые горные породы и почвы, слагающие верхнюю часть земной коры, которые рассматриваются как многокомпонентные системы, находящиеся под воздействием инженерно-хозяйственной деятельности человека, в результате чего происходит изменение природных геологических и возникновение новых антропогенных процессов, что в свою очередь, вызывает изменение инженерно-геологических условий определённой территории».

Состав и свойства геологической среды.

Главнейшим компонентом геологической среды являются горные породы. Они слагают массивы, содержащие не только твёрдые минеральные и органические компоненты, но и газы, подземные воды, макро- и микроорганизмы. Состояние горных пород и фазовый состав воды могут отличаться как талыми и не мерзлыми, так и находиться в состоянии многолетней мерзлоты. Кроме того, в геологическую среду входят объекты, созданные в пределах литосферы человеком и рассматриваемые как антропогенные геологические образования – техногенные образования (шлаки, шламы, золы, дражные отвалы и т.д.). Состояние и закономерности развития геологической среды определяются взаимодействием всех компонентов.

Таким образом, геологическая среда представляет собой комплексную оболочку, включающую в себя горные породы, подземные воды, биоту, различные геофизические поля (гравитационное, сейсмическое, электромагнитное, геотемпературное и т.д.). Верхняя граница геологической среды – земная поверхность, через которую происходит энергообмен с атмосферой, гидросферой и биосферой, а также техносферой. Характер этого обмена обусловлен состоянием атмосферы, граничащей с поверхностью Земли (режим воды, климат и микроклимат), водными объектами, растительностью, элементами техносферы, рельефом, почвами и подпочвенным слоем пород. В совокупности эти элементы составляют то, что называется ландшафтом. Нижняя граница в естественных условиях, как правило, подошва зоны свободного водообмена подземных вод, в нарушенных – поверхность, ограничивающая глубину проникновения техногенных нарушений геологической среды.

Свойства геологической среды. Важнейшим свойством геологической среды является её изменчивость как всеобщее свойство материи (её изменчивость в пространстве и во времени), отражающее текущее её развитие (эволюцию). Изменение геологической среды во времени, фиксируемое как изменение её элементов, их отношений (структур) и свойств, есть геологический процесс развития Земли и причина нестационарности ряда физических полей.

При исследовании пространственной изменчивости принимается допущение о неизменчивости структуры и свойств геологической среды в физическом времени.

Свойства геологической среды определяют основные требования к информации, необходимой для анализа её изменения при техногенном воздействии на всех стадиях проектной и производственной деятельности.

На состояние геологической среды, в частности на направление и скорость протекания ней процессов, оказывает большое влияние ряд внешних, по отношению к ней, факторов. Характер и масштабы подобного влияния зависят как от параметров самой среды, так и от природы, направленности и интенсивности внешних факторов.

Влияние атмосферы на геологическую среду можно разделить на прямое и косвенное. П о д п р я м ы м в л и я н и е м следует понимать воздействие воздушных масс, контактирующих с земной поверхностью и вызывающих выветривание, дефляцию, вообще перемещение пород (например, при ураганах, тайфунах, смерчах и т.д.). П о д к о с в е н н ы м в л и я н и е м следует понимать воздействие воздушных масс на гидросферу и биоту, изменяющие характер их взаимодействия с геологической средой (например, усиление волновой переработки берегов под воздействием ветра, изменение почв и подстилающих пород, в результате гибели леса, вызванной ветроповалом). Сюда же следует отнести и воздействия, вызванные транспортирующей ролью атмосферы: переносам тепла, осадков, загрязнений, усилением или ослаблением транспирации в зависимости от силы и направления ветров.

Поверхностные воды оказывают на ГС ещё большее воздействие. Почти все экзогенные процессы происходят при участии поверхностных вод и их интенсивность зависит наряду с характеристиками самой ГС от водного баланса территории. Подземные воды часто прямо связаны с поверхностными водами.

К о с в е н н о е в л и я н и е п о в е р х н о с т н ы х в о д осуществляется в первую очередь через их влияние на атмосферные процессы (нагревание и охлаждение воздушных масс, насыщение их водой и т.д.). В связи с техногенным воздействием следует сказать также и о переносе загрязнённых веществ водными массами. В качестве существенного комплексного процесса подобного рода можно привести факт отложения солей тяжёлых металлов на границах водных масс различной солёности. Косвенное воздействие может проявляться также и в чувствительности ГС к некоторым факторам, например, повышению сейсмичности в районах воздействия крупных водохранилищ.

В л и я н и е б и о к о н т у р а на ГС проявляется, прежде всего, в почвообразующем воздействии на материнскую породу. Ассимиляция из атмосферы СО₂, N и других веществ, приводящих к образованию биогенных отложений, также оказывает влияние на состояние ГС, однако в более крупных масштабах. Все эти воздействия, связанные с энерго- и массообменом, являются прямыми. Косвенное воздействие биоты происходит через гидросферу и атмосферу. Здесь можно указать на роль растительности в охране малых рек умеренного пояса, в создании более мягкого микро- и макроклимата, в поддержании химического состава атмосферы.

Во всех перечисленных случаях можно выделить р е г и о н а л ь н ы е и л о к а л ь н ы е воздействия атмо-, гидро- и биоконтуров на ГС. В качестве примера регионального воздействия можно привести образование пустынь, связанное со спецификой водной и атмосферной циркуляции, на западных побережьях Южной Америки и Южной Африки. Локальные воздействия обычно ограничены более мелкими неоднородностями внешних факторов, соответствующих ландшафту и экосистеме. Разнообразие локальных воздействий значительно выше и теоретически почти бесконечно.

Таким образом, при прогнозировании изменений геологической среды необходимо учитывать факторы атмо-, гидро- и биосферы. Существующая информация о состоянии атмо- и гидросферы достаточно обширна, подробна и собирается в режиме мониторинга. Важнейший вопрос заключается в том, чтобы отобрать те показатели, которые связаны с изменением ГС функциональной зависимостью. Очевидно также, что эти показатели будут различными в разных климатических и геологических условиях. При их сборе следует учитывать:

1. преобладающие в районе неблагоприятные геологические и инженерно-геологические процессы;

2. наиболее опасные (по экспертной оценке) явления в атмосфере и гидросфере;

3. устойчивость существующих экосистем и их наиболее уязвимые элементы.

Наиболее важными показателями геологической среды являются характеризующие её состав, строение и динамику. Их совокупность определяет характер и степень изменения ГС в результате техногенной деятельности человека.

Экосистемы и их особенности

С о с т а в и с т р у к т у р а э к о с и с т е м. Для решения экосистемных проблем глобального уровня прежде всего нужно изучать экосистемный уровень организации жизни. Термин экосистема был предложен в 1935 г. английским экологом А. Тэнсли. Однако только в конце ХХ века, когда была разработана общая теория систем, утверждается термин экосистема.

Э к о с и с т е м а – это низкоорганизационная система, в которой биологический компонент представлен биоценозом, а абиотический – биотопом.

Б и о ц е н о з – это совокупность популяций, которая функционирует в определенном пространстве абиотической среды – б и о т о п е. Структура биоценоза формируется потоком энергии и круговоротом веществ в экосистеме. Биоценоз и биотоп функционируют как единое целое.

БИОЦЕНОЗ + БИОТОП = ЭКОСИСТЕМА

Состав экосистемы представлен двумя группами компонентов: абиотическими – компонентами неживой природы и биотическими – компонентами живой природы.

А б и о т и ч е с к и е к о м п о н е н т ы – это следующие основные компоненты неживой природы:

· неорганические вещества и химические элементы, участвующие в обмене веществ между живой и мёртвой материей (диоксид углерода, вода, кислород, кальций магний, калий, натрий, железо, азот, фосфор, сера, хлор и др.);

· органические вещества связывающие абиотическую и биотическую части экосистем (углеводы, жиры, аминокислоты, белки, гуминовые вещества и др.);

· воздушная, водная и твёрдая среда обитания;

· климатический режим и др.

Биотические компоненты состоят из трёх функциональных групп организмов

БИОТИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ ЭКОСИСТЕМЫ: ПРОДУЦЕНТЫ, РЕДУЦЕНТЫ, КОНСУМЕНТЫ

1. Продуценты (производящий, создающий)

Ф о т о а в т о т р о ф ы – используют в качестве источника энергии солнечный свет, а в качестве питательного материала – неорганические вещества, в основном СО₂ и Н₂О.

К этой группе организмов относятся все зелёные растения и некоторые бактерии. В процессе жизнедеятельности они синтезируют на свету органическое вещество углеводы или сахара (СН₂О)_п: СО₂ + Н₂О = (СН₂О)_п + О₂

Х е м а в т о т р о ф ы используют энергию, выделяющиеся при химических реакциях. К этой группе принадлежат натрифицирующие бактерии, окисляющие аммиак до азотистой а затем и азотной кислоты

2NH₃ + 3O₂ = 2NHO₂ + 2H₂O + Q

2HNO₃ + O₂ = 2HNO₃ + Q

Химическая энергия (Q), выделенная при этих реакциях, используется бактериями для восстановления СО₂ до углеводов.

2. Редуценты (возвращающий). Участвуют в последней стадии разложения – минерализации органических веществ до неорганических соединений (СО₂ и Н₂О и др.). Редуценты возвращают в круговорот, превращая их в формы, доступные для продуцентов. Это, главным образом, микроскопические организмы (бактерии, грибы и др.).

3. Консументы (потреблять) или гетеротрофные организмы. Осуществляют процесс разложения органических веществ. Эти организмы используют органические вещества в качестве источника питательного материала и энергии.

Ф о т о т р о ф ы – питаются непосредственно растительными или животными организмами (крупные животные).

С а п р о т р о ф ы – используют для питания органику первых остатков.

Функционирование экосистемы обеспечивается взаимодействием трёх составляющих:

· Сообщества;

· Потока энергии

· Круговорота веществ.

Поток энергии направлен в одну сторону, часть её преобразуется автотрофами в органическое вещество, небольшая часть энергии, проходя через экосистему, покидает её в виде тепловой энергии.

В отличие от энергии, элементы питания и вода могут использоваться многократно. Размеры импорта и экспорта элементов питания варьируют в зависимости от типа, размера, и возраста экосистемы.

Все экосистемы в составе биосферы являются открытыми, они должны получать энергию, вещества и организмы из среды на входе и отдавать в среду на выходе экосистемы.

Часто экосистему выделяют внутри естественных границ, например, границей озера служит береговая линия, а границами города - административная граница. Но эти границы могут быть и условными. Экосистема не может быть герметичной, так как её живое сообщество не вынесло бы такого заселения.

Пространственная структура экосистем обусловлена тем, что автотрофные и гетеротрофные процессы обычно разделены в пространстве. Первые активно протекают в верхних слоях, где доступен солнечный свет, а вторые интенсивнее в нижних слоях (почвах, донных отложениях).

Поэтому в природных экосистемах выделяют два яруса: в е р х н и й, автотрофный ярус или «зелёный пояс» Земли, который включает растения или их части, содержащие хлорофилл. Здесь преобладает фиксация света.

Н и ж н и й, гетеротрофный ярус или «коричневый пояс» Земли, представлен почвами и донными осадками, в которых преобладают процессы разложения мёртвых органических остатков растений и животных.

С в о й с т в а и ф у н к ц и и э к о с и с т е м.

РАЗДЕЛ 2. ТЕХНОГЕННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ

ЛЕКЦИЯ 3

ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ ГОРНОГО И ГЕОЛОГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА

В классификационном ряду факторов окружающей среды, по А.Г. Воронову выделяются: 1) абиотические (климатические, эдафизические, орографические), 2) биотические (фитогенные, зоогенные, антропогенные) и 3) собственно антропогенные (техногенные) факторы. Особенно активно на окружающую среду влияют антропогенные факторы. Они могут загрязнять атмосферу, изменять ландшафт и рельеф, нарушать гидрологический режим, уничтожать почвы, отрицательно воздействовать на геоботанические условия и т.д.

Каждый фактор можно экологически исследовать отдельно, а могут совместно исследоваться и группы факторов. Так, среди факторов окружающей среды, влияющих на живые организмы, особую группу составляют к л и м а т и ч е с к и е или погодные условия. Приспособление живых особей к климатическим факторам изучается экологической биоклиматологией, рассматривающей, например, излучение в окружающей среде и адаптацию к этому излучению организмов, или воду и её влияние на организмы, давление, ветер и их взаимодействие на организмы и т.д.

Геологическая и окружающая среды могут нарушаться под воздействием различных факторов. Из п р и р о д н ы х наиболее разрушительными являются землетрясения, наводнения, ураганные бури, мощные грозовые (электрические) разряды, падение на Землю крупных метеоритов и др. Из т е х н о г е н н ы х факторов весьма разрушительны и экологически опасны крупные катастрофические события – ядерные взрывы, массовые взрывы при сооружении крупных строительных и добычных объектов, взрывы и пожары при несчастных случаях, связанных с разрушением экологически опасных ядерных, химических, газовых и других объектов (взрыв на Чернобыльской АЭС, заражение фенолом питьевых вод в г.Уфе, взрыв газопровода, пожар и железнодорожное крушение с человеческими жертвами в Башкирии и др.).

Изменения геологической и окружающей сред под воздействием горнодобывающей и геологоразведочной деятельности человека нередко характеризуются необратимыми преобразованиями природной среды. Эти преобразования могут выразиться в формировании искусственных отложений горных пород, проседании ландшафта окружающей земной поверхности, изменении режима подземных вод и в других негативных явлениях, соизмеримых по объемам и масштабам с естественными геологическими процессами – эрозией, размывом и сносом почв и грунтов вследствие изменения базиса эрозии, карстообразованием и др.

При добыче полезных ископаемых и г/р работах выделяются три вида техногенного воздействия на природную (геол.) среду:

- пунктуационные,

- линейные,

- площадные.

Пунктуационные виды техногенного воздействия могут быть вызваны применением технических средств и сооружений разведочных и горнодобычных комплексов, ограниченных по площади распространения (опытные карьеры, котлованы, отдельные разведочные и добычные шахты и шурфы и т.д.). Пунктуационные виды техногенного воздействия обычно ведут к изменению, каких либо отдельных компонентов геологической и окружающей среды.

К линейным видам техногенного воздействия относятся разведочные и горно-добычные сооружения, имеющие линейно-полосовую конфигурацию размещения (разведочные траншеи, канавы, протяженные штольни и штреки, подъездные пути, трубопроводы, газо - магистрали и др.).

Площадные виды техногенного воздействия имеют место при эксплуатации крупных комплексных и горнодобычных сооружений, что вызывает необходимость выполнения ареальных бульдозерных и экскаваторных расчисток, площадной раскорчевки лесных угодий под строительство, осушения значительных участков, прилегающих к опытно-эксплуатационным и промышленным карьерам и т.д.

Линейные и площадные техногенные воздействия могут привести к комбинированному изменению многих компонентов геологической и окружающей среды. Научное обоснованное предвидение отрицательных последствий необходимо для рационального природопользования.

Кроме того, по А.В. Седову, воздействия на окружающую и геологическую среду могут быть прямыми и косвенными.

К прямым изменениям относятся те, которые происходят непосредственно в пределах геологической или окружающей среды, а косвенно – те, которые происходят в зоне влияния данной среды, подвергающейся техногенному воздействию.

Прямые изменения выражаются, например, в нарушении поверхности территории, что напрямую зависит от параметров объектов разведки или добычи (месторождения, рудной зоны, рудного тела); это приводит к появлению отвалов пустых пород, терриконов, котлованов и др. сооружений или хранилищ отходов производства. Прямые изменения могут выражаться также в загрязнении водоемов, вызванным непосредственным сливом ГСМ и др. загрязняющих веществ, буровым шламам, материалом отстойников и др.

К косвенным изменениям природной среды относятся загрязнение почв и подземных вод, активизация и возникновение локальных геодинамических процессов в зоне влияния разведочных, горнодобычных и перерабатывающих промышленных комплексов или непосредственно на сопредельных элементах геологической и окружающей среды. Значительный ущерб причиняет сдвижение грунтов и, как следствие, образование мульд проседания и провалов поверхности в стороне от мест непосредственного размещения разведочных и горнодобычных объектов (пример метро г. Екатеринбурга). Нарушение гидрогеологического режима вследствие проходки подземных разведочных выработок, карьеров, добычи п. и. может привести к существенному изменению режима поверхностного стока вод, заполнению ими карьеров и образованию антропогенных озер.

Функционирование геологоразведочного и горного производства приводит к многим нарушениям элементов биосферы. Сокращается растительный покров, наносится эстетический ущерб окружающей среде. Увеличивается поступление воды в русла потоков, происходит переуглубление русел, увеличивается эрозия берегов, уменьшается питание грунтовых вод.

Лекция 4. Техногенная миграция элементов.

Физическое и химическое загрязнение.

К проявлениям техногенеза можно отнести: а) переход химических элементов, их соединений и групп в подвижную форму, б) миграцию элементов, в) осаждение химических элементов и соединений [на геохимических барьерах] и г) образование в связи с этим аномальных концентраций элементов и соединений.

Переход в подвижную форму у разных по химическим свойствам соединений осуществляется различно: газы регулярно поступают в атмосферу из глубинных уровней земной коры (радон и гелий) или высвобождаются из пород и почв, где они были сорбированы, под влиянием повышения температуры; водные растворы перемещаются в литосфере под действием гравитационных сил и перепада давления, а растворенные в них соединения – также и под влиянием диффузии.

Миграция элементов. Все процессы техногенной миграции можно четко разделить на две большие группы: в основе своей унаследованные от биосферы, хотя и претерпевшие изменения; чуждые биосфере, не имевшие в ней сколько-нибудь существенного развития и даже вообще не существовавшие ранее в биосфере и находящиеся в существенном противоречии с природными условиями.

Техногенная миграция параллелизуется с крупными группами техногенных воздействий. Таких крупных групп обособляется две:

1) Типы воздействия, связанные преимущественно с изъятием вещества.

2) Типы воздействия, связанные преимущественно с поступлением - привносом веществ в природную среду в процессе производства.

Как же идет эта миграция? В коренных породах существует определенная специализация. Для элементов здесь характерны, например: для свинца – месторождения в соответствующих рудных районах; ртути – крупные ртутоносные зоны такие, как горно-алтайские, кадмия – рудные районы с интенсивной Zn –колчеданной минерализацией, например Урал. Это первое звено в цепи миграции.

Водная миграция «свободная» – осуществляется в водах циркулирующих на континентах в реках и внутренних водоёмах. Главное значение имеет поверхностный и подземный стоки. Вокруг рудников и горнорудных предприятий рудничные воды минерализованы относительно сильно: в Мончегорском районе степень их минерализации изменяется в пределах от 0,6 до 3,8 г/л, особенно высокие концентрации характерны для никеля.

Миграция в атмосфере. Природная: поступление в атмосферу с парами воды очень мелких частиц аэрозолей самого разного состава, поступающих из литосферы газов – углеводородов, гелия, радона, СО₂ и др. Основная масса тяжелых металлов, участвующих в атмосферной миграции, содержится в аэрозолях, кроме Hg, As, Se, Sb, и мигрирует в виде паров. Установлено, что 80-90% тяжелых металлов, содержащихся в аэрозолях, связано с частицами размера около 1 микрона. Время пребывания таких частиц в атмосфере приблизительно пять суток, а наиболее мелкие частицы выпадают на землю через три недели. Аэрозоли наиболее обогащены (относительно) кадмием, а также Pb и Sn.

Техногенная атмосферная миграция. Главным источником техногенного загрязнения атмосферы являются предприятия металлургической и обрабатывающей промышленности, урбанизированные зоны и наземные испытания ядерных зарядов. Поступление тяжелых металлов в окружающую среду через атмосферу происходит интенсивно. В составе аэрозолей городского района в среднем на тяжелые металлы приходится 10% массы. Расстояния, на которых фиксируются следы пылевой техногенной миграции, составляют десятки километров.

Ещё одна форма миграции металлов в атмосфере – со снегом. В городе в снеговой воде общая минерализация увеличивается в 500 раз, рН достигает 9, содержание химических элементов: S – 1500 раз, Ca – в 600, хрома - в 60, ртути – в 10 раз.

ФИЗИЧЕСКОЕ И ХИМИЧЕСКОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ

Загрязнение природной среды. Появление в природной среде новых компонентов, вызванное деятельностью человека или какими-либо грандиозными природными явлениями (например, вулканической деятельностью), характеризуют термином загрязненность. В общем виде загрязненность – это наличие в окружающей среде вредных веществ, нарушающих функционирование экологических систем или их отдельных элементов и снижающих качество среды с точки зрения проживания человека или ведения им хозяйственной деятельности. Этим термином характеризуются все тела, вещества, явления, процессы, которые в данном месте, но не в то время и не в том количестве, какое естественно для природы, появляются в окружающей среде и могут выводить ее системы из состояния равновесия.

Экологическое действие загрязняющих агентов может проявляться по-разному, оно может затрагивать либо отдельные организмы (проявляться на организменном уровне, либо популяции, биоценозы, экосистемы и даже биосферу в целом).

На организменном уровне может происходить нарушение отдельных физиологических функций организмов, изменение их поведения, снижение темпов роста и развития, снижение устойчивости к воздействиям иных неблагоприятных факторов внешней среды.

На уровне популяций загрязнение может вызывать изменение их численности и биомассы, рождаемости, смертности, изменения структуры, годовых циклов миграций и ряда других функциональных свойств.

На биоценотическом уровне загрязнение сказывается на структуре и функциях сообществ. Одни и те же загрязняющие вещества по-разному влияют на разные компоненты сообществ. Соответственно меняются количественные соотношения в биоценозе, вплоть до полного исчезновения одних форм и появления других. Изменяется пространственная структура сообществ, цепи разложения (детритные) начинают преобладать над пастбищными, отмирание – над продукцией. В конечном счете происходит деградация экосистем, ухудшение их как элементов среды человека, снижение положительной роли в формировании биосферы, обесценение в хозяйственном отношении.

Различают природное и антропогенное загрязнения. Природное загрязнение возникает в результате естественных причин – извержения вулканов, землетрясений, катастрофических наводнений и пожаров. Антропогенное загрязнение – результат деятельности человека.

В настоящее время общая мощность источников антропогенного загрязнения во многих случаях превосходит мощность естественных. Так, природные источники окиси азота выбрасывают 30 млн. т азота в год, а антропогенные – 35-50 млн. т; двуокиси серы, соответственно, около 30 млн. т и более 150 млн. т. В результате деятельности человека свинца выпадает в биосферу почти в 10 раз больше, чем в процессе природных загрязнений.

Загрязняющие вещества, возникающие в результате деятельности человека и их влияние на среду очень разнообразны. К ним относятся: соединения углерода, серы, азота, тяжелые металлы, различные органические вещества, искусственно созданные материалы, радиоактивные элементы и многое другое.

Так, по оценкам экспертов, в океан ежегодно попадает около 10 млн. т нефти. Нефть на воде образует тонкую пленку, препятствующую газообмену между водой и воздухом. Оседая на дно, нефть попадает в донные отложения, где нарушает естественные процессы жизнедеятельности донных животных и микроорганизмов. Кроме нефти, значительно возрос выброс в океан бытовых и промышленных сточных вод, содержащих, в частности, такие опасные загрязнители, как свинец, ртуть, мышьяк, обладающие сильным токсичным действием. Фоновые концентрации таких веществ во многих местах уже превышены в десятки раз.