Лекция 3 Рассматривая техногенно-природный этап развития экологических

Лекция 3
Современные особенности экологических функций литосферы
Рассматривая техногенно-природный этап развития экологических
функций
литосферы,
особенностей,
можно
выделить
обуславливающих
ряд
присущих
индивидуальность
и
только
ему
экологическую
значимость этого интервала времени. Отметим здесь три таких особенности.
Первой основной отличительной чертой является краткосрочность
протекания, измеряемая физическим временем порядка 200 лет. Как
следствие этого в целом ряде районов Земли активнейшим образом
проявился антропогенный фактор в трансформации экологических функций
литосферы. И хотя в целом для планеты Земля энергетика природных
процессов выше по сравнению с техногенными (см. табл. 1), локально за
столь короткий период эффект техногенного воздействия может превышать
природный.
Еще одной особенностью техногенно-природного этапа является
высокая динамика развития экологических функций литосферы, тесно
связанная с индустриальной, научно-технической и военной деятельностью и
резким ростом населения. Экологическим следствием этих процессов стало
прогрессирующее загрязнение продуктами жизнедеятельности природных
сред, в том числе и верхних горизонтов литосферы, огромное по объему
изъятие минерально-сырьевых ресурсов (и геологического пространства.
Особенно
контрастно
эти
процессы
проявляются
в
локальном
и
региональном плане, тяготея к индустриально развитым и добывающим
странам и территориям. Годовое количество добываемого человечеством из
литосферы вещества уже более 40 лет превышает аналогичный показатель,
производимый биотой сухопутных экосистем (рис. 4). наконец, техногенноприродный этап развития экологических функций литосферы как в
теоретическом, так и в практическом аспектах может быть антропогенно
регулируемым путем принятия согласованных управляющих решений и
1
нормативного законодательства. Это его принципиальное отличие от сугубо
природного по своему генезису, этапа развития экологических функций
литосферы.
2. Саморегуляция в развитии экологических функций литосферы
Одной
из
важнейших
особенностей
литосферы,
связанных
с
:реализацией ее экологических функциях, является способность литосферы к
саморегуляции системы и поддержание определеннго уровня напряженнодеформированного
состояния
горизонтов
литосферы
на
протяжении
исторических отрезков времени, содержания различных элементов в
приповерхностных сферах Земли, обеспечивающего деятельность биоты.
Сказанное справедливо как для каждой
из экологической функции
литосферы, так и их совокупности.
Наиболее ярким примером саморегуляции ресурсной экологической
функции литосферы является возобновление в физическом времени ресурсов
подземных вод, солей в самоосадочных озерах, а по данным последних
исследований и жидких углеводородов. Как пишут Б.А.Соколов и В.Е.Хаин
(2002), в местах перекрытия рифов осадочными отложениями по периферии
океанов, где метан и водород, выделяемые в гидротермах рифтовых зон, не
рассеваются в водах открытого океана, углеводороды могут накапливаться в
осадочных толщах и формировать в них нефтегазовые месторождения. При
этом, главным фактором преобразования СН4, Н2 и H2S в более сложные
углеводороды, по-видимому
является
жизнедеятельность аэробных
бактерий. Важно подчеркнуть, что «кормовой» базой таких органических
углеводородов являются абиогенные СН4, Н2 и H2S.
О.Г. Сорохтиным, А.Ю Леиным, И.Е. Баланюком приводится
классический пример современного накопления углеводородов в осадочных
толщах над рифтовой зоной В Калифорнийском заливе кулисообразно
расположенные рифтовые зоны перекрыты слоем осадков мощностью около
400-500 м. Благодаря тепловой конвекции, эти осадки активно промываются
океаническими водами и горячими гидротермами, питающими собой
2
обильную бактериальную флору, как в самой осадочной толще, та к и на ее
поверхности.
Об
этом,
в
частности,
свидетельствуют
обильные
бактериальные массы, окружающие собой выходы горячих и теплых
гидротерм. Кроме того, из океанических вод Калифорнийского залива в
осадочный бассейн также поступает органическое вещество. В результате
осадочная толща бассейна в местах разгрузки гидротерм содержит жидкие
нафтоиды, концентрация которых достигает 3-4%. В составе этих нафтоидов
содержится около 65% алифатических УВ, 15% ароматических УВ и 20%
асфальтенов.
Понятно, что это частный случай саморегуляции в накоплении жидких
углеводородов, несопоставимый с объемом их техногенного извлечения.
Однако факт саморегуляции в возобновлении ресурсов имеет место.
Саморегуляция
качества
ресурса
геологического
пространства
происходит постоянно во времени за счет самоочищения почвенногрунтовой толщи от загрязнителей, а также при регрессиях- трансгрессиях
мирового океана и внутренних морей. С этими геологическими процессами
связано и количественное соотношение площадей «море-суша»,
Саморегуляция геодинамической экологической функции литосферы
проявляется в обмене веществом и разгрузке напряжений. В рамках Земли и
ее экосферы происходит циркуляционное. движение вещества большой
«геологический» круговорот, объединяющий разрушение и снос горных
пород с аккумуляцией и трансформацией продуктов разрушения. «Любой
глобальный круговорот вещества состоит из запасов (резервуаров) и потоков
(Голубев, 1999, с. 45). Первыми являются литосфера и океаны.
Так, суммарный объем перемещаемых пород с континентов в океаны
(объем твердого стока) в третичное время оценивается в 40-50' 1014 г/год, а в
плейстоцене 100. 1014 г/год (Гаррелс, Макзи, 1974). В ХХ столетии он возрос
до 240 . 1014 г/год (1 км3/год). Это природный фон, природная динамика
процессов, связанная с проявлением новейшего тектонического этапа и
наглядный пример регуляции тектонических поднятий, усиление процессов
3
денудации пород и сноса в депрессии продуктов выветривания. По сути,
рассматриваемое явление
-
природное
нивелирование,
выравнивание
рельефа. Проявление таких эндогенных процессов как вулканизм и
землетрясения следует рассматривать не только как катастрофическое
геологическое явление для биоты, но и как регулятор напряженного
состояния глубинных сфер Земли, механизм сброса напряжений и
сохранение нашей планеты в состоянии, равновесном для жизни биоты. В
последнем случае (сброс напряжений) эндогенные процессы можно
квалифицировать и как природный регулятор состояния геофизических
полей, а, следовательно, и геофизической экологической функции литосферы.
Эффекты
саморегуляции
геохимической
экологической
функции
литосферы наиболее контрастно проявляются при рассмотрении балансовых
характеристик химических и биохимических циклов различных элементов и
соединений. Это можно видеть на примере углекислого газа, который большинством исследователей считает основным «виновником» глобального
потепления климата и разрушения озонового слоя,
понятно, что любые
колебания давления углекислого газа в атмосфере по закону Генри вызывают
соответствующие изменения концентрации СО2 в океанических водах и
наоборот.
Постоянство парциального давления углекислоты в атмосфере
обусловлено реакциями с участием углекислоты и депонированием ее в
карбонатных толщах. Это например переход оливина в серпентин и анортита
в каолин, реакции имеющие место в зоне эндо- и гипергенеза. По данным
О.Г.Сорохтина и др.(2001), через океаническую кору с водой океанов
проходит около 2,32* 1014 г/год углекислоты и 6,21* 1015 г/год SO4. Почти
весь этот углекислый газ при гидратации базальтов, габброидов и пород
серпентенитового слоя связывается в карбонатах или восстанавливается до
метана. А результат - накопление карбонатных толщ и сульфидных руд накопительное развитие ресурсной функции.
Скорость установления нового равновесия в содержании углекислоты
в океанических водах измеряется периодами от первых до сотен тысяч лет.
4
Баланс углекислоты в атмосфере связан с расходованием ее на разложение
силикатных и карбонатных минералов, с выносом ионов кальция, магния и
НСОз. в океан, где они осаждаются в виде карбонатов, связывая около
100.106 тонн углерода в год. Возврат углерода в атмосферу происходит в
результате магматических и метаморфических процессов.
До появления техногенного источника, дегазация недр была одним из
основных факторов, сохраняющих баланс атмосферной СО2 (Общий объем
СО2, выбрасываемый наземными и подводными вулканами, оценивается
В.М. Красиловым по минимуму в 130-175.106 тонн в год. Скорее всего, эта
цифра существенно занижена, т.к. только одна Этна выбрасывает 25.106 тонн
в год, что составляет порядка 10-15% от приведенной интегральной суммы
выбросов.
Несмотря
на
несколько
разные
количественные
оценки
де-
понированного СО2 в карбонатных толщах и океанических водах, именно
рассмотренные реакции и механизмы саморегуляции поддерживают баланс
атмосферной и океанической СО2. Следует добавить, что природный процесс
саморегуляции в содержании СО2 в атмосфере происходит не только в
океане, но и на континентах. На них в определенные (перигляциальные)
эпохи избыток углекислоты депонируется в лессовых толщах (Горшков,
1998).
Не останавливаясь на глобальных круговоротах серы, азота и фосфора,
имеющих близкий механизм саморегуляции их содержания в геосферах
Земли и отсылая читателя к соответствующим публикациям (Голубев, 1999;
Горшков,
1998,2000),
отметим
главное.
Процесс
саморегуляции
экологических свойств и функций литосферы - геологическое явление
планетарного масштаба. Однако оно протекает достаточно длительное времясотни, тысячи лет.
На локальном и региональном уровнях процесс саморегуляции
экологических свойств и функций связан с самоочищением подземных и
поверхностных вод, донных осадков и, в меньшей степени, горных пород. По
5
понятным причинам он гораздо активнее протекает в динамически активных
средах.
Резюмируя сказанное, отметим, что литосфера и Земля в целом - это
инерционные,
саморегулирующиеся
системы,
которые
за
свою
многомиллионную геологическую историю развития саморегулировали и
поддерживали
жизнеобеспечивающие
условия
существования
биоты,
соответствующий этому состав атмосферы и экранирующую способность
озонового слоя. Сказанное справедливо и в отношении энергетических и
вещественных, в том числе, и биохимических круговоротов в природе, тесно
связанных с литосферой и ее экологическими свойствами. Они являются
контролирующим фактором эволюционного развития экосферы и состояния
эколого-геологических условий. Следовательно, эволюционное развитие
экологических функций литосферы ее экологических свойств и состояния в
своей основе процесс природный, с четкими циклами, обусловленными
земным космическими факторами. Без их учета невозможна объективная
оценка современного экологического состояния любой территории, в том
числе, и техногенно преобразованной.
3. Тектонические процессы как определяющие формирование
экологических функций литосферы
Тектонические процессы - ведущие в геологической истории Земли.
Именно
они
обусловили
формирование
кристаллического
«каркаса»
литосферы и его расчленение на океанические впадины и континентальные
блоки современных очертаний. Деятельность вулканов, землетрясения с
очагами на глубине в сотни километров, движения земной коры как в наше
время, так и в глубоком геологическом прошлом - все это свидетельствует об
активной жизни нашей планеты, о взаимодействии ее оболочек, об изменнии
их состава и функций (Трухин и др., 2000).
6
Естественно что все эти процессы отражались и в формировании
экологических функций литосферы, т.к. недра планеты определяют характер
развития ее внешних оболочек, а, следовательно, всей области, где появилась
и существует жизнь на Земле. Появившиеся в последние годы новые данные
позволяют раскрыть проблему природной эволюции экологических функций
литосферы
с
учетом
развития
тектонических
процессов
и
их
функционального воздействии на твердую оболочку Земли.
Тектонические nроцессы и ресурсная экологическая функция литосферы
Этот вопрос имеет два аспекта: 1) формирование минеральных, органоминеральных ресурсов, необходимых для функционирования биоты, и,
прежде всего, человеческого сообщества; 2) формирование ресурсов
геологического пространства, используемого биотой. Они, особенно первый
аспект, широко освещены в геологической литературе (Беневольский и др.,
1995; Быковер, 1984; Митчел, Гарсон, 1984; Сидоров, 1995; Смирнов, 1984 и
др.), поэтому далее сделаем лишь краткие, но необходимые пояснения. При
этом влияние тектонических процессов в ходе эволюции Земли на
формирование первой (из ранее названных) составляющей ресурсной
экологической функции литосферы рассмотрим на примере месторождений
металлических полезных ископаемых, используя разработки В.И.Старостина
и О.Г.Сорохтина(2003) по эволюционной металлогении.
Судя
по
фундаментальным
работам
В.И.Смирнова,
В.Е.Хаина,
Д.В.Рундквиста, ААМаракушева, АД.Щеглова, Н.Л.Добрецова, Н.А Шило,
В.И.Старостина и других исследователей, в истории Земли выделяется три
крупных металлогенических эона: архейский (4,0-2,6), протерозойский (2,60,54) и фанерозойский, или современный, эон (0,54 - 0 млрд. лет), тесно
связанные с особенностями тектонического развития нашей планеты.
В.И.Старостин и О.Г.Сорохтин (2003) предприняли попытку оценить
основные закономерности образования во времени металлических полезных
ископаемых. При этом они приняли в своей работе новый подход стоимостное выражение разведанных запасов для оценки минерального
7
потенциала различных геологических эпох. Поясняя содержание такого
подхода, авторы писали: «Очевидно, что в таком виде распределение запасов
каждого из видов полезных ископаемых в Земле, например, золота, должно
быть полностью подобным его количественному распределению в тоннах.
Тоже относится и к другим видам полезных ископаемых данного типа, а
также и к их сумме (во всяком случае, на качественном уровне). Поэтому и
принятая нами стоимостная оценка распределений полезных ископаемых в
общих чертах и качественно, по-видимому, все-таки должна отражать
действительную картину.
Для
составления
искомых
распределений
вначале
производились
подсчеты достоверных запасов руд разного возраста или объемы их добычи,
а затем по современной конъюнктуре сырьевого рынка (с осреднением за 1020 лет) определялась потенциальная стоимость этих запасов или добытого
сырья. После этого, по двум типам полезных ископаемых, соответственно
объединяющих основные сидерофильные (Fe, Ni, V, Cr, ", минералы
платиновой группы) и халькофильные элементы (Hg, Pb,Zn, Си, Мо, Sn и
др.), проводилась оценка их стоимости по геологическим периодам (на
интервалах около 100-200 млн. лет), а их сумма за всю геологическую
историю Земли по каждому из типов принималась за 100%. В результате
удалось, хоть и косвенно, но с единых позиций выявить общие черты в
распределении однотипных месторождений и принципиальные различия в
распределениях сидерофильных и халькофильных полезных ископаемых»
(Старостин, Сорохтин, 2003, с. 7).
Полученные
результаты,
показывающие
общие
закономерности
проявления сидерофильных и халькофильных элементов в месторождениях
полезных ископаемых и в целом отражающие важнейшие эволюционные
изменения в истории Земли, показаны на рис….. Результаты привели
авторов к следующим выводам: «...железорудные месторождения в
максимальных объемах формировались только в раннем протерозое, после
выделения земного ядра и первое время после этого момента.
8
Близким к этому распределением оказались и запасы золота
за
исключением лишь того, что металлогенические импульсы золота более
узкие и резко выраженные. Металлогенический потенциал сидерофильных
полезных ископаемых в максимальной степени также проявился в раннем
протерозое, но в дальнейшем заметно снизился и вновь несколько повысился
только в фанерозое за счет рециклинга земной коры и активизации рудного
вещества
более
древних
месторождений.
Поведение
халькофильных
элементов оказалось совершенно иным: их проявления в докембрии носили
более умеренный характер, зато в фанерозое возникает резкий максимум
суммарной массы месторождений халькофильных полезных ископаемых,
также связанный с рециклингом, но проявленный значительно сильнее, чем
у сидерофильных элементов. Последнее, вероятно, связано с тем, что
сульфиды являются более подвижными соединениями, чем окислы черных
металлов.
9