Экзогенные факторы в геоэкологии

На состояние геологической среды (состав, ландшафты и другие компоненты экосистем) и ее экологические функции оказывают влияние (кроме техногенеза) не только космические и эндогенные, но и экзогенные (гипергенные) процессы.

Экзогенные процессы совершаются за счет энергии Солнца в основном внешними («экзо» — внешний) по отношению к Земле силами; они происходят на поверхности Земли и в самых верхних частях литосферы (в зоне действия факторов гипергенеза) на границе литосферы, гидросферы и атмосферы. Обусловлены в основном энергией солнечной радиации, силой тяжести и жизнедеятельностью организмов (на поверхности — аэробными в окислительных условиях и в более глубоких горизонтах до самой нижней зоны биосферы — в анаэробной, обычно восстановительной обстановке.). Находясь в совершенно иных термодинамических физико-химических условиях, чем при своем образовании, минералы и горные породы подвергаются разрушению, начиная с выветривания. К экзогенным процессам относятся:

• 1) все типы выветривания горных пород под действием физических (суточные и сезонные колебания температуры, замерзания и оттаивания воды в трещинах, испарения и кристаллизация солей, деятельности растений и животных), химических (кислород, оксиды углерода и пары воды в воздухе) и органических агентов;
• 2) перемещение продуктов выветривания (денудация) под действием силы тяжести, посредством движущихся воды (эрозия), ледников (абляция) и ветра (дефляция), коллоидная и химическая миграция растворов и других форм;
• 3) образование осадочных пород (литофикация) и многих типов полезных ископаемых.

Горные породы на поверхности земли непрерывно взаимодействуют с атмосферой, гидросферой и биосферой, начинают приспосабливаться к новым физико-химическим условиям. В соответствии со спецификой экодинамических условий они подвергаются выветриванию, участвуя в перемещении масс вещества в пределах внешних оболочек Земли и глобальных кругооборотах (геологическом и биогеохимических). Наиболее масштабно процесс образования внешних оболочек Земли происходил в докембрии, что выразилось в огромном обмене веществ в вертикальном направлении. Необходимо различать две группы факторов выветривания и миграции (денудации).

Первая группа — внутренние факторы. Это — свойства атомов и их соединений (минералов):

• 1) термические свойства элементов, их летучесть или тугоплавкость, температуры кристаллизации;
• 2) химические свойства соединений элементов;
• 3) энергетические свойства ионов, определяемые их кристаллохимическими параметрами, и связанные с ними явления изоморфизма энергии кристаллических решеток минералов;
• 4) гравитационные свойства — массы атомов, плотности элементов и их соединений;
• 5) радиоактивные свойства атомов, определяющие изменение изотопного состава радиоактивных и радиогенных элементов. При выветривании происходит разложение многих породообразующих минералов и образование новых минеральных ассоциаций. Степень устойчивости минералов относительно химического выветривания, в общем, подчиняется последовательности кристаллизации минералов в ряду Боуэна.

Вторая группа — внешние факторы, к важнейшим из них относятся:

• — температура, влажность;
• — давление;
• — концентрация веществ, определяющих направление реакций согласно закону действующих масс;
• — степень ионизации растворов;
• — концентрация водородных ионов (величина pH);
• — окислительно-восстановительный потенциал Eh растворов;
• — поверхностные силы природных коллоидных систем и связанные с ними явления адсорбции элементов и их соединений;
• — действие живых организмов.

Все перечисленные факторы действуют совместно, теснейшим образом переплетаются друг с другом и являются объектами многофакторного моделирования [29]. Вместе с тем доминирующую роль в гипергенезе играют свободный кислород, влага, коллоидное состояние вещества и деятельность живых организмов. Физико-географические условия, соответствующие аридному климату, высокогорным и полярным областям (с дефицитом влаги или отсутствием воды в жидкой фазе), определяют преобладание физического типа выветривания.

В условиях умеренно влажной, влажной тропической и субтропической зон преобладает химическое выветривание. Химическое выветривание пород происходит в результате действия многочисленных химических реакций, среди которых можно выделить ведущие типы. К ним относятся: гидролиз, окисление, ионный обмен, карбонатизация, гидратация, комплексообразование, диализ и простое химическое растворение. Для условий гумидного умеренного климата, в частности, юга Западной Сибири, основные реакции при выветривании представлены в табл. 2.1. Они практически полностью отражают особенности состава взвесей и минеральных примесей грунтовых вод, принимающих активное участие в выветривании.

Из таблицы видно, что породообразующие силикаты разлагаются, главным образом, в результате гидролиза. Железосодержащие сульфиды и силикаты в первую очередь легко подвергаются окислению.

Таблица 2.1

Химические реакции при выветривании.

Продукты экзогенных процессов по массе и значению являются одними из основных элементов при оценке качества геологической среды в рамках геоэкологического анализа и мониторинга. Объемы суммарной денудации, определяемые потоками денудируемого вещества с поверхности суши, составляют внушительные размеры, достигая 54,55 млрд т/год. Приведем величину потоков денудированного вещества с суши, млрд т/год:

Общее изъятие вещества суши…54,55.

Вынос в океан… 27,24.

Поток твердого вещества речного стока… 17,44.

Поток растворенных веществ речного стока…2,71.

Поток моренного материала…2,39.

Поток продуктов абразии…0,70.

Поток эолового материала…2,00.

Поток растворенных веществ прямого подземного стока… 1,00.

Дампинг… 1,00.

Улавливание во внутренних водоемах… 18,21.

Аккумуляция в озерах…4,83.

Аккумуляция в водохранилищах… 13,38.

Высвобождение фоссилизированных компонентов атмосферы и гидросферы…9,10.

Окисление почвенного гумуса…1,00.

Окисление органического вещества стратисферы при денудации…0,20.

Высвобождение воды из минералов и мерзлых пород …0,10.

Топливная денудация…7,80.

Общее поступление вещества на сушу…2,16.

Поток циклических солей…0,58.

Связывание компонентов атмосферы и гидросферы в минералах…1,48.

Аккумуляция при образовании торфяников…0,10.

Баланс денудации суши…52,39

К этим объемам еще нужно добавить более 100 млрд т в год минерального сырья, добываемого из недр Земли для перерабатывающих отраслей промышленности и строительства. Экстенсивный рост объемов промышленных отходов за последние 100 лет и отраслевая экономика создали условия для глобального экологического кризиса. Он находит выражение в растущем дефиците природных ресурсов, в загрязнении воздушной атмосферы, поверхностных и подземных вод и всех остальных компонентов экосистем, что непосредственно отражается на медико-демографических показателях населения. Сопоставление перемещаемых минеральных масс экзогенными и техногенными процессами убедительно показывает, что техногенез по своим масштабам превратился в один из главных геологических процессов.

Сбывается предсказание академика В. И. Вернадского: «В геологической истории биосферы перед человеком открывается огромное будущее, если он поймет это, и не будет свой разум и свой труд использовать на самоистребление. Лик планеты — биосфера химически резко меняется человеком сознательно и главным образом бессознательно». Сейчас ситуация еще более усложняется в связи с геодинамическими процессами на урбанизированных территориях в виде оползней, оврагов, селей, провалов (рис. 2.11— 2.12).

Рис. 2.17. Мощный оползень на автотрассе.

Рис. 2.12. Геометрически выдержанный провал на урбанизированной густонаселенной территории

Антропогенная деятельность, достигшая масштаба демографического взрыва, и усиливающееся техногенное воздействие на среду ускоряют негативные геодинамические процессы. Причем причиной этого становятся не крупные события — сильнейшие и катастрофические землетрясения, а резкое увеличение числа событий умеренных, слабых и очень слабых. Таким образом, среда реагирует на искусственное воздействие в направлении развития естественного процесса, в виде ускорения разрядки напряжений и сохранения метастабильного состояния. Естественно, что в определенных условиях реакция на искусственное возбуждение связана с негативными последствиями. Примеры тому — сильные землетрясения, связанные с созданием искусственных водохранилищ, разработкой полезных ископаемых и др.

У литосферы четко выражено такое фундаментальное свойство, как высокая виброчувствителъностъ — сильный отклик на слабые сейсмические воздействия. Это свойство присуще и самой верхней части земной коры, осадочной толще, где оно выявляется как сейсмоэмиссионный отклик на воздействие сейсмического вибратора или удаленного сильного землетрясения. Следует отметить, что в лабораторных условиях горные породы существенно (на два-три порядка) теряют свойственные им in situ высокие виброи тензочувствительность.

Другие искусственные воздействия связаны в основном с нарушением гидростатического равновесия земной коры. Это изменения напряженного состояния горных пород вследствие городских строек, создания подземных выработок, магистралей метро, искусственных водохранилищ, с закачкой воды или жидких радиоактивных отходов в пласт, с эксплуатацией нефтяных и газовых месторождений.

Знаменательным событием, давшим импульс изучению наведенной сейсмичности, явилось землетрясение 1967 г. в районе плотины Койна (Индия), хотя явление активизации сейсмичности, вызванной созданием искусственных водохранилищ, было обнаружено еще в 1930;е гг. За ним последовал еще целый ряд аналогичных событий, в связи с чем были организованы детальные исследования сейсмичности в районе больших плотин. Эти результаты показали, что такие искусственные воздействия оказывают существенное влияние на умеренную и слабую сейсмичность в районе водохранилища.

Термин «наведенный» включает в себя два понятия: «инициированный» и «возбужденный». В английской литературе эти понятия и термины установились, а в русской они пока не оформились. Возбуждение — это воздействие на определенную зону земной коры, вызывающее землетрясения, которые бы без такого воздействия не произошли, т. е. «вынуждение» землетрясений (по-английски — induce). Возбуждение землетрясения или сейсмичности может происходить в результате создания искусственного водохранилища, разработки нефтегазового месторождения, закачки в пласт воды. Инициирование — воздействие на очаг готового землетрясения, ускорение события, «запуск» его (по-английски — trigger). Например, инициирование землетрясения земным приливом, землетрясением, подземным ядерным взрывом.

Мысли о связи землетрясений с социальными явлениями, фазами Луны, атмосферными процессами возникли еще в далекие времена. Мы находим ее в древних китайских, арабских и индийских хрониках, ею проникнуты философии буддизма, магометанства и христианства.

Землетрясения наряду с другими стихийными бедствиями воспринимались и принимались как наказание людям за грехи: «Если люди предадутся распутству, начнут пить вино и играть на музыкальных инструментах, Аллах на своем небе укажет Земле: сотряси их». В сущности, у многих народов эта идея жива и не должна быть безусловно отвергнутой. Поводом для такого заключения может служить анализ проблем, связанных с влиянием на сейсмичность инженерной деятельности. Созерцательная наука древних умела увидеть и понять многое из того, что сейчас часто отрицается только потому, что кажется невидимым или непонятным.

Разработка нефти и газа сопровождается изменением пластового давления в коллекторе, перераспределением воды, нефти, газа. Адаптация среды к новому напряженному состоянию сопровождается возникновением слабой сейсмичности там, где сейсмический потенциал невелик, умеренными и даже сильными землетрясениями в тектонически активных районах. Микроземлетрясения, сейсмическая и акустическая эмиссия сопровождают разработку месторождений и наблюдаются в самых разнообразных геотектонических и нефтепромысловых условиях.

Яркими примерами являются Газлийские землетрясения 1977 и 1984 гг., происшедшие в районе гигантского газового месторождения, сильные землетрясения в районе искусственных водохранилищ Лейк Мид (США, 1936 г., М = 5,0), Кариба (Родезия, 1963 г., М = 6,1), Койна (Индия, 1967 г., М = 6,4) и др.

Подобно тому как биосфера на протяжении миллиарда лет участвовала в геологическом процессе формирования земной коры и являлась существенным фактором породообразования и геохимической эволюции, так и антропогенная и техногенная деятельность становится существенным геодинамическим фактором.

Оценивая положение и природу вещей с самых общих позиций, следует рассматривать землетрясения, в том числе и самые сильные, как естественный процесс, свойственный эволюции Земли, и пытаться не остановить его, а смягчить, умерить.

Решение задачи регулирования искусственных воздействий связано с необходимостью введения специальных ограничений для производств, оказывающих инициирующее влияние на сейсмичность. Экологическим требованиям, ориентированным на контроль и учет не только близких, но и отдаленных во времени последствий технического воздействия на окружающую среду, должны подчиниться требования экономической эффективности. Эта проблема отношения общества к природе является, по сути своей, проблемой нравственной. Мы возвращаемся таким образом к новому пониманию мировоззрения предков — землетрясение есть наказание за безнравственное отношение людей к природе.

С этим пониманием следует подходить к основной задаче изучения наведенной сейсмичности — разработке методов регулирования искусственных воздействии, их согласованию с ходом естественных воздействий и оптимизации последствий. Это и есть присущий формированию ноосферы процесс, в котором сейсмологии предстоит принять самое деятельное участие.

Основными направлениями в геоэкологии гипергенеза являются изучение:

• — механизмов природной и наведенной сейсмичности в различных по возрасту и геолого-тектоническому строению зонах земной коры;
• — процессов выветривания и связанных с ними месторождений полезных ископаемых (от циркона, алмазов до торфяников и почв);
• — современного минерагенеза в карьерах, горных выработках, отвалах, террикониках, хвостохранилищах;
• — физико-химических процессов в зонах выпадения кислотных дождей, воздействия предприятий ядерно-топливного цикла;
• — экологическая и технологическая минералогия промышленных отходов с целью обоснования безотходного и экологически чистого использования природных ресурсов;
• — влияния минеральной среды (природной и техногенной) на жизнедеятельность сообществ хемолитотрофных микроорганизмов и дальнейшее их саморазвитие.