«А.Я.ГАЕВ, В.Г.ГАЦКОВ, В.О.ШТЕРН, Л.М.КАРТАШКОВА ГЕОЭКОЛОГИЯ ДЛЯ СТРОИТЕЛЕЙ Рекомендовано Ученым советом Государственного образовательного учреждения Оренбургский государственный университет в качестве учебного пособия ...»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Оренбургский государственный университет»

А.Я.ГАЕВ, В.Г.ГАЦКОВ, В.О.ШТЕРН,

Л.М.КАРТАШКОВА

ГЕОЭКОЛОГИЯ ДЛЯ СТРОИТЕЛЕЙ

Рекомендовано Ученым советом Государственного образовательного учреждения

«Оренбургский государственный университет» в качестве учебного пособия для студентов строительных и технических специальностей, обучающихся по программам высшего профессионального образования Оренбург 2004 ББК 28.08 Г 13 УДК 502:504.06 Рецензент Заслуженный эколог РФ, доктор геолого-минералогических наук, профессор В.Н. Быков.

Гаев А.Я., Гацков В.Г., Штерн В.О., Карташкова Л.М.

Г 13 Геоэкология для строителей: Учебное пособие для студентов строительных и технических специальностей. – Оренбург: ГОУ ВПО ОГУ, 2004. - 313 с.

ISBN 5-7944-0190- Излагаются основные геоэкологические проблемы при строительстве и эксплуатации автомобильных дорог, зданий и сооружений в связи с решением задач по охране окружающей среды и рациональному использованию природных ресурсов: атмосферного воздуха, природных вод, земельных ресурсов, литосферы, борьбы с шумом и вибрациями.

Рассматриваются геоэкологические вопросы, связанные с особенностями технологии эксплуатации автомобильных дорог. Приводятся задания, выполнение которых позволяет улучшить подготовку и овладение способами средоохранного проектирования, ускорить усвоение студентами программного материала. Учебное пособие предназначено для студентов строительных специальностей, обучающихся по программам высшего профессионального образования по геоэкологическим дисциплинам. Учебное пособие содержит словарь с терминами и понятиями по геоэкологии, который значительно облегчает усвоение материала.

ББК 28. ISBN 5-7944-0190-7 © А.Я. Гаев, В.Г. Гацков, В.О. Штерн, Л.М. Карташкова © ГОУ ОГУ, Введение Производственная деятельность строителей тесно связана с использованием минеральных ресурсов. До 75 % материальных ресурсов, которые используются в строительстве, добывается из недр. По выражению В.И. Вернадского, человек превратился в ведущую геологическую силу на планете и по масштабам и интенсивности воздействия на нее превосходит естественные факторы /104/.

Процессы, протекающие в природной среде под воздействием производственной деятельности человека, академик А.Е.Ферсман /175/ назвал техногенезом. Именно эти геологические процессы, происходящие в верхней части литосферы, формируют геологическую среду /170/. Огромные масштабы и интенсивность процессов техногенеза заставили человечество пересмотреть принципы своего отношения к природе, сложившиеся исторически и ставившие своей целью безграничное использование природных ресурсов. Следование этим принципам не обеспечивает поступательное развитие общественного производства.

Возникают локальные и региональные экологические кризисы, которые грозят перерасти в катастрофу. Это угрожает самому существованию на нашей планете вида homo sapiens.

В ХХI столетии назрела необходимость разработки и внедрения принципиально новых подходов к природопользованию. Именно на экогеологических принципах должна базироваться разработка инженерных основ природопользования или инженерной экологии, изучающей взаимодействие общественного производства с природной средой. Внимание исследователей приковано к зонам влияния техногенеза и конкретных технологий, в пределах которых формируется новая функциональная система нообиогеоценозов /181/ с конкретной структурой, продуктивностью, санитарно-гигиеническими и иными параметрами, изменяющимися в пространстве и во времени в соответствии с изменениями технологии и технологических средств.

Рост заболеваемости людей тесным образом связан с неблагоприятными преобразованиями окружающей среды. По данным экспертов ООН, только от использования недоброкачественной воды на Земле ежегодно болеет около 800 млн человек. Ежегодно на планете растет волна заболеваемости СПИДом и только регистрируется около 6 млн случаев заболеваемости раком, из них около 700 тыс. - в США, где от рака ежегодно умирает 400 тыс. человек /14/.

В настоящее время важнейшей профессиональной задачей изыскателя и строителя является геоэкологизация производства и всей хозяйственной деятельности:

- четкая регистрация, оценка и картирование проявлений техногенеза в окружающей среде;

- создание новых технологий и технологических средств, обеспечивающих комплексное и эффективное использование природных ресурсов;

- сохранение качества окружающей среды в зоне влияния техногенных объектов;

- восстановление и повышение продуктивности сельскохозяйственных и рыбохозяйственных угодий в зоне влияния сооружений;

- обеспечение оптимального развития производства, промыслов и рекреации в пределах застраиваемой территории с учетом всей совокупности природных процессов и интересов живущих и будущих поколений.

По охране окружающей среды и природопользованию написано немало учебников, пособий и инструкций, появились справочники и словари /27, 28/. Тем не менее принципы экологизации и геологизации хозяйственной деятельности не получили должного освещения в литературе, хотя некоторые из них рассматриваются в геоэкологических курсах, читаемых в МГУ, ПГУ, ОГУ и ОГПИ /6,7,116/.

Учением о техногенезе и ноосфере должен овладеть каждый специалист.

Ниже сформулированы основные задачи геоэкологической подготовки строителей и изыскателей, излагаются общие сведения об окружающей среде и о трансформации под влиянием хозяйственной деятельности людей. Вопросы экологизации и геологизации производства должны освещаться также в различных дисциплинах в соответствии с планом непрерывной экологической и геологической подготовки студентов разных специальностей.

В написании учебного пособия принимали участие профессор А.Я. Гаев, под научной редакцией которого выполнена работа. Совместно с ним работали над главами 1, 7, 9, и 10 В.Г. Гацков, В.О. Штерн и Л.М. Карташкова. В разработке вопросов геоэкологических аспектов планирования строительных объектов и освоения территории принимала участие З.С. Адигамова (главы 5, 8).

Проблемами локализации загрязнения на основе использования барьерного принципа занимались Е.В. Кузнецова (главы 4, 8) и И.Н. Алфёров.

Техногенная трансформация окружающей среды увеличила на 60-90 % заболеваемость людей раком /14/. Повышенную заболеваемость раком вызывают хлорированные и не хлорированные органические вещества в питьевой воде.

В результате научно-технического прогресса произошел резкий рост численности населения Земли, коренным образом изменилось воздействие человека на природную среду. Подверглись вырубке и сельскохозяйственному освоению сотни миллионов гектаров земли. Сотни тысяч квадратных километров земельных массивов нарушены (до 30 % суши) горными выработками или застроены, из недр на поверхность земли перемещаются миллиарды тонн полезных ископаемых, горных пород, соленых вод и рассолов; промышленность и транспорт сжигают огромное количество топлива, распыляют миллионы тонн разнообразных минеральных ресурсов. Природные запасы истощаются в результате их нерационального использования, приводящего к гигантским скоплениям отходов (отвалов пустых горных пород, шлаков, золы, шламов, некондиционных руд, мусора, разнообразных промышленных отходов и сточных вод). За последние полвека усилились процессы загрязнения всех компонентов окружающей среды, что превратило проблему охраны биосферы и окружающей среды в одну из важнейших на планете, наряду с проблемами сохранения мира, борьбы с терроризмом, голодом, алкоголизмом и наркотиками. Ф. Энгельс уже в XIX в.

предупредил человечество: «Не будем, однако, слишком обольщаться нашими победами над природой. За каждую такую победу она нам мстит. Каждая из этих побед имеет, правда, в первую очередь те последствия, на которые мы рассчитывали, но во вторую и третью очередь совсем другие, непредвиденные последствия, которые очень часто уничтожают значение первых»/182, c. 495/.

Большинство населения планеты осознало катастрофический характер современного этапа развития цивилизации, таящуюся в технологии опасность, которая не уступает опасности термоядерной войны. Остались в 50-х гг.

смертоносные смоги Лондона, Лос-Анджелеса, Токио, Чикаго и других городовгигантов, уносившие за 3-5 дней до 4,5 тыс. человеческих жизней. Борьба за экологически чистую технологию и окружающую среду приобрела политический характер, экологические требования включены в программы почти всех политических партий, возникло всемирное движение «зеленых». Средняя продолжительность жизни людей в развитых странах начала расти, объективно отражая экологические и социально-экономические условия жизни населения.

Руководители 179 стран мира, включая 100 президентов развитых и развивающихся стран, на Втором всемирном конгрессе по охране окружающей среды в Рио-де-Жанейро в 1992 году приняли концепцию устойчивого развития человечества в XXI веке. В условиях научно-технического прогресса этот документ заключает в себе безальтернативную стратегию выживания человечества. Впервые она была сформулирована В.И. Вернадским как стратегия создания сферы разума – ноосферы. Ноосфера – это не какая-то принципиально новая оболочка планеты. Под ноосферой Вернадский понимал новое состояние биосферы, в которой Человек благодаря своим технологиям превратился в ведущую геологическую силу на Земле /104/.

Более 70 % ресурсов человечество извлекает из недр Земли. Однако используется для получения материальных благ менее 11 % добываемого, а остальное, в виде отходов – отвалов некондиционных руд и пород, шламов, шлаков, золоотвалов, техногенных илов, рассолов и соленых вод сбрасывается или складируется на поверхности земли. Интенсифицируются геохимические процессы, в результате которых формируются техногенно опустыненные и загрязненные ландшафты. Вот почему геоэкология и экологические науки в целом приобретают сегодня исключительное значение.

Предметом исследований экологических наук о Земле и, прежде всего, геоэкологии и экологической геологии, служат закономерные изменения в окружающей среде, происходящие под влиянием естественноисторических и техногенных процессов. Под техногенными процессами или техногенезом понимаются новые геологические процессы, вызываемые деятельностью человека.

А.Е. Ферсман /175/ выделил три вида техногенеза:

1) извлечение минерального сырья из недр на поверхность земли;

2) перемещение этого вещества на поверхности земли;

3) инженерная и сельскохозяйственная перегруппировка на земной поверхности, предполагающая применение химических технологий.

Геохимик А.Е. Ферсман хотя и понимал под техногенезом геологические процессы, вызванные хозяйственной деятельностью человека, но рассматривал их преимущественно с геохимических позиций, с позиций миграции химических элементов в геосферах Земли. Именно он впервые наметил техногенные циклы миграции химических элементов в отличие или в дополнение к природным. А.Е.

Ферсман наметил основные направления учения о техногенезе, установил важнейшие законы и разработал методологию исследований. Он подробно рассмотрел проблемы, связанные с сельскохозяйственной деятельностью человечества, показав соизмеримость объемов геологической деятельности людей с природными геологическими процессами. Если реки земного шара выносят в океан 15 км3/год взвешенных и растворенных соединений, то только при распашке почв и эксплуатации дорог образуется не меньше пыли. А.Е. Ферсман выделил три основных типа техногенеза:

1) направленный к уменьшению свободной энергии с выделением тепловой, световой и химической энергии и с образованием устойчивых соединений (сжигание топлива, окисление сульфидов и пр.);

2) приводящий к поглощению энергии и образованию неустойчивых систем, обогащенных свободной энергией (выплавка алюминия, магния, никеля, кобальта и других металлов, не встречающихся в биосфере в самородном состоянии);

3) образующий наиболее стойкие в химическом, термическом и механическом отношении соединения, полученные из четных элементов, приуроченных к пикам кривых кларков. Ядра этих элементов построены по типу 4q (Ca, Mg, Fe, O, Si, отчасти S ).

В.И. Вернадский, читая лекции в Сорбонне, уже в 1926-1927 гг. четко сформулировал идеи ноосферы и показал ведущую геологическую роль хозяйственной деятельности человечества. В.И. Вернадский заложил фундаментальные основы учения о геологической деятельности как " живого вещества", так и вида homo sapiens /104/.

Важнейшим этапом развития учения о техногенезе и ноосфере является факт выделения объектов исследования этого научного направления – геологической и географической среды. Под геологической средой, например, академик Е.М. Сергеев /166,170/ понимает " любые горные породы и почвы, слагающие верхнюю часть земной коры, которые рассматриваются как многокомпонентные системы, находящиеся под воздействием инженернохозяйственной деятельности человека, в результате чего происходит изменение природных геологических и возникновение новых антропогенных процессов, что, в свою очередь, вызывает изменение инженерно-геологических условий определенной территории". То есть, в дополнение к геохимическим представлениям А.Е. Ферсмана, Е.М. Сергеев выделяет и рассматривает геологические процессы, вызванные деятельностью человека с инженерногеологических позиций, которые практически включают в себя и процессы пространственного перемещения горных пород и процессы, связанные с изменениями горных пород в объеме.

Нельзя не заметить, что те же процессы, которые мы вслед за А.Е.

Ферсманом называем техногенезом, изучают и ландшафтоведы докучаевской школы: Б.Б. Полынов, А.И. Перельман, М.А. Глазовская и др. /121,122,163/. Они показали, как в результате хозяйственной деятельности людей природные ландшафты на большей части суши планеты превращаются в техногенные.

Здесь уместно показать связь и различия между понятиями техногенез и антропогенез. Греческое «anthropos» означает человек, а греческое «genesis» – возникновение, происхождение. Согласно энциклопедическому словарю, антропогенез -– процесс историко-эволюционного формирования физического типа человека, первоначального развития его трудовой деятельности, речи, а также общества. Учение об антропогенезе – раздел науки антропологии.

Технологии и техногенез существуют и проявляются в связи с человеком и с результатами его деятельности. Отделять человека от техногенеза некорректно и просто ошибочно, когда речь идет об отношениях между обществом и природой. Корректно говорить об антропогенном периоде, об антропогенных отложениях, содержащих останки человека, предметы его труда. Но когда речь идет о геологическом преобразовании среды под влиянием человеческой деятельности, немыслимой без технологий, то, по нашему мнению, единственно правильно говорить о техногенезе и инженерно-геологической, ландшафтной и прочей ее трансформации. Применять понятие "антропогенные геологические процессы" можно только на уровне сопоставления геологической роли первобытного человека с геологическим проявлением популяции обезьян, если в этом есть какой-либо смысл. В противном случае – это посягательство на терминологию антропологов и археологов, некорректное смешение антропологических понятий с экологическими.

Ведущую роль технологии в геологических и инженерно-геологических процессах видят вслед за В.И. Вернадским и А.Е. Ферсманом А.В. Сидоренко, Е.М. Сергеев, В.В. Ковальский, В.А. Ковда, Е.А. Лушников, А.А. Махорин, В.И.

Осипов, В.Т. Трофимов, В.А. Королев, А.С. Герасимова и др. /105, 141, 150, 159, 172/. Существует определенный разнобой в терминологии, так как сегодня эти процессы изучаются и в атмосфере и в гидросфере, литосфере, в биосфере, в геологической и географической средах и т.д. То есть справедливо изучать техногенез в различных внешних геосферах и оболочках Земли и в различных средах: в атмосферном воздухе, в почвах, поверхностных и подземных водах, в грунтах и горных породах и т.д. При этом главной целью таких исследований служит влияние техногенеза на экосистемы через их экотоп, на биоценозы (растения, животные, микроорганизмы), нооценозы, самого человека и его здоровье. При решении вопросов охраны окружающей среды и живые, и косные ее компоненты должны рассматриваться с позиций их роли и участия в жизни биогеоценозов, экосистем и биосферы в целом. Экосистемного подхода справедливо придерживаются, например, гидрогеологи Н.И. Плотников, А.А.

Карцев, М.С. Орлов, Е.В. Пиннекер, В.А. Кирюхин, С.Л. Шварцев, О.Н. Грязнов с соавторами, В.С. Самарина и др. /139,164, 165,169,176,184/. Они выделяют типы техногенеза и три главные проблемы экологической гидрогеологии:

1) охрану подземных вод от загрязнения;

2) охрану естественных запасов подземных вод от их истощения;

3) охрану окружающей среды от подтопления на застраиваемых территориях.

Ю.О. Зеегофер и др. /132/ применили ретроспективный анализ к процессам формирования геологической среды и выделили четыре основных вида техногенных преобразований: изменение рельефа, гидрогеологические изменения, изменения горных пород и условий тепломассопереноса. В.А. Королев и А.С. Герасимова рассматривают и классифицируют техногенные воздействия на геологическую среду: «Техногенными воздействиями называются различные по своей природе, механизму, длительности и интенсивности влияния, оказываемые человеком на элементы геологической среды в процессе его жизнедеятельности и хозяйственного производства» /172/. Эти и ряд других крупных исследователей в области инженерной геологии и гидрогеологии (В.Д.

Ломтадзе, Е.В. Пиннекер, В.Ф. Котлов, Д.Г. Зилинг, Н.И. Плотников, А.А. Карцев и др.) рассматривают не сами техногенные процессы, а только ту их сторону, которая активно воздействует на геологическую среду. Тем не менее, в их классификациях сделана попытка крупного обобщения при выделении классов и подклассов техногенных воздействий, которые фактически отнесены к важнейшим формам и рядам движениям материи (физическим, механическим, химическим и биологическим) /134, 144, 149, 164, 165/.

Попытки классифицировать источники и типы физического, химического, биологического и геологического техногенного воздействия предприняты А.Д.

Жигалиным /131/. В своем обобщении он попытался систематизировать те подходы, которые четко прослежены в работах Е.М. Сергеева и В.Т. Трофимова, Ф.В. Котлова, М. Арну /94,144, 145, 170, 172/. Совершенно очевидно, что когда перечисляются источники, типы и классы техногенных воздействий, одноименные формам, рядам и системам движения материи /7/, то речь идет о процессах техногенеза, хотя и освещаются отдельные стороны этих процессов.

Наиболее детально техногенные воздействия рассмотрены В.Т. Трофимовым с соавтором /172/. Под типом техногенного воздействия понимаются процессы уплотнения и разуплотнения, разрушения и пр. Вид воздействия может быть статическим и динамическим, а разновидности могут быть временными и постоянными. Эти воздействия распространяются на все компоненты геологической среды: почвы, породы, воды, искусственные грунты и пр. Не меньший интерес представляют работы Г.А. Голодковской с соавторами /123/, в которых техногенные воздействия классифицируются не только по результатам и характеру воздействия, но, прежде всего, с учетом источника воздействия и видов деятельности.

Техногенные процессы рассматриваются различными авторами для объектов хозяйственной деятельности и для районов с различными условиями.

Так, Е.А.Яковлев рассматривает эти процессы для районов деятельности АЭС;

В.Ф.Котлов, В.И.Осипов с соавторами, А.Я. Гаев, Г.Н.Карпов – для городского и подземного строительства; Е.В.Пиннекер, Н.И.Плотников и А.А.Карцев – для решения гидрогеологических задач; Л.С.Гарагуля – для условий строительства в районах развития криолитозоны /8, 116, 144, 145, 156, 164, 165/. Большинство классификаций техногенных воздействий, факторов, процессов построены на конкретном материале и поэтому охватывают частные вопросы. Так, М.А.

Глазовская /122/ с позиций элементарных геохимических ландшафтов подразделяет все факторы на 2 группы, связанные:

1) с изъятием вещества из ландшафта;

2) с привносом его в ландшафт.

Сегодня главный вред процессов техногенеза видится именно в загрязнении всех сред. С геохимических и геофизических позиций выделяются естественноисторические и техногенные циклы миграции и преобразования вещества и энергии на Земле. Эти циклы накладываются друг на друга и тесно взаимодействуют. Техногенный цикл представляется как наложенный, дополнительный цикл, резко усиливающий миграцию химических элементов и преобразование вещества и энергии на планете. Человек в этом цикле представляется в качестве гигантского крота, извлекающего до 70-75 % всех используемых в хозяйстве материалов и энергетических ресурсов из недр. Если принять все извлекаемые из недр используемые материалы и энергию за 100 %, то еще 900 % человек извлекает на поверхность земли ненужных, неиспользуемых в хозяйстве горных пород, некондиционных руд, вод, рассолов, термальных вод флюидов и пр. Все эти вещества, синтезированные из них соединения и энергия, вовлекаются в геохимические и географические циклы миграции и преобразования. Наряду с усилением процессов рассеяния материи и энергии усиливаются и геологические процессы вторичного переотложения вещества и энергии (процессы седиментации, диагенеза, катагенеза и пр.). Повышенные концентрации химических элементов – загрязнителей поступают в природные воды, в том числе и питьевые, почвы, растительность, в пищевые цепи.

Одновременно с процессами загрязнения идут процессы самоочищения, или удаление компонентов загрязнителей из растворимой хорошо усваиваемой биосом фазы водных и почвенных растворов. Они переводятся в трудно растворимые соединения, не представляющие экологической опасности для растений, животных и человека.

Техногенез, как совокупность технологий, может характеризоваться простыми и сложными типами и классами, как научные дисциплины, их изучающие, может соответствовать формам, рядам и системам движения материи, энергии и информации. Простые классы техногенеза могут быть механическими, физическими, химическими, биологическими и более сложными - комплексными.

Целесообразно выделять типы источников техногенеза и соответствующие им технологии. Этот вопрос нуждается в более глубокой самостоятельной проработке. Сегодня отчетливо выделяются следующие источники техногенеза:

промышленные (с механическими, химическими, биологическими и комплексными технологиями), сельскохозяйственные (агрохимические, зоотехнологические), геотехнологические (проходка горных выработок, шахт, карьеров, буровых скважин с буровзрывными, добычными и пр. работами), военные, энергетические (ГЭС, ТЭС, АЭС, и пр.), водохозяйственногидротехнические (водозаборы, водохранилища, плотины, каналы, мелиоративноирригационные системы и пр.), коммуникационно-транспортные (в т.ч. и трубопроводный транспорт), урбанизационные или бытовые, лесохозяйственные, рекреационно-бальнеологические.

Источники или очаги техногенеза обуславливают определенные типы преобразования природной среды:

- сейсмо-геофизические, сопровождающиеся землетрясениями, провалами, изменениями физических и радиационных полей и пр.;

- инженерно-геологические со смещениями в пространстве огромных масс горных пород или с изменениями их параметров, объема, плотности, консистенции и пр.;

- геохимические, выражающиеся в техногенной метаморфизации химического состав, в загрязнении вод, почв, горных пород, растительности, пищевых цепей;

- биологические – выражаются в деградации и вымирании растений, животных, микроорганизмов, в разнообразных мутациях, особенно опасных в случае эпидемиологических ситуаций.

В случае неблагоприятных метеоусловий (НМУ), в обстановке стихийных бедствий или близкой к стихийным бедствиям, как то: землетрясения различной бальности, ливни, снегопады, тайфуны и пр., может произойти наложение природно-стихийных и техногенных процессов, что нередко приводит к непредсказуемым и катастрофическим ситуациям.

Источники (очаги) техногенеза и результаты его проявления необходимо более детально классифицировать с целью экологического картирования и создания систем экологического мониторинга.

В природной среде постоянно протекают естественные процессы. Они могут быть приурочены к различным отрезкам времени. Например, процессы горообразования, формирование материков и океанов протекают сотни миллионов лет; ледниковые и межледниковые периоды отделены друг от друга десятками и сотнями тысяч лет, естественное заиление и зарастание озер длится сотни лет, а превращение сухих земель в болото колонией бобров осуществляется за несколько лет.

Влияние человека на среду часто бывает медленным, но необратимым.

Отсюда – многие экономические просчеты при прогнозе /118,186/. Некоторые древние земледельческие племена, видимо, погибли из-за истощения земель, эрозии и засоления, но другие создали высокопродуктивное сельское хозяйство даже на склонах гор, применяя террасирование, контурную вспашку и иные способы обработки земли, препятствующие эрозии почв и испарению влаги. С развитием научно-технической революции интенсивность воздействия на природную среду несоизмеримо возросла. Эксперты Организации Объединенных Наций характеризуют НТР как вторжение человека в природную среду, которое зависит от количества выбрасываемых в биосферу веществ, скорости их миграции и накопления, характера воздействия на человека и биосферу /5/.

Особую опасность для человека и биосферы представляют озоновые и тепловые дыры в атмосфере, парниковый эффект, радиоактивное и бактериологическое загрязнение окружающей среды и развитие процессов иммунодефицита у человека, животных и растений.

Живые организмы на 90 % сосредоточены в поймах рек и интенсивно уничтожаются необоснованно размещаемыми здесь предприятиями, сбрасывающими большие объёмы сточных вод. За последние 15 лет вылов ценных рыб из внутренних водоемов нашей страны сократился в 4-5 раз. Вокруг промышленных предприятий, металлургических и химических комбинатов на тысячах гектаров сформировались техногенные пустыни, погибло большинство микроорганизмов в почве. Стали массовыми случаи химической интоксикации и поражения организма, особенно у новорожденных, в результате воздействия радиоактивных элементов, ртути, селена, свинца, других тяжелых металлов, окислов азота, серы, углерода, органических загрязнителей, бенз(a)пирена, фенолов, продуктов распада белков и пр. Эксперты ООН отмечают, что техногенным «опустыниванием» поражено 30 % земной поверхности, и эта площадь, непригодная для здоровой жизни людей, возрастает ежегодно на 6 млн.

га. В бедственном положении находятся почвы и леса - легкие» планеты. Только в государствах бывшего СССР засолено около 10 млн. га, а леса усыхают на площади более 600 тыс. га. Новой формой пиратства, по образному выражению представителя Турции в ООН, является сброс промышленных отходов в открытое море.

Загрязнение атмосферы и радиоактивное заражение не знают национальных границ. От кислотных дождей страдают Прибалтика, Швеция, Норвегия, Канада, а их химические источники формируются в Италии, ФРГ, Англии и США.

От Чернобыля пострадала не только западная часть России, но и страны Восточной, Северной Европы, ФРГ и Италия. Вот почему всерьез обсуждается вопрос о разработке международного законодательства и введении уголовной ответственности за преступления против окружающей среды. Некомпетентность хозяйственных и государственных руководителей в современных условиях представляется преступной. Так, мы купаемся в тепловой энергии глубоких недр, солнца, приливно-отливных движений моря, а сторонники экстенсивного развития атомной энергетики пытаются доказать недоказуемое – герметичность современных энергетических атомных систем, игнорируя опыт Чернобыля и других АЭС мира. Установлено, что сегодня все реакторы на планете с санитарногеохимических позиций являются системами полузакрытыми и строительство таких реакторов не оправданно. Решение о прекращении строительства реакторов «чернобыльского типа» и требования к размещению АЭС в соответствии с рекомендациями и нормами МАГАТЭ не снимают полностью проблемы атомной безопасности. Факелы на нефтяных и газовых промыслах и перерабатывающих заводах выбрасывают в окружающую среду столько энергии, сколько вырабатывают все АЭС страны. 50 % электроэнергии, передаваемой на большие расстояния, теряется. Вместо строительства новых АЭС и десятков гидроэлектростанций в ближайшие 25 лет следует уделить особое внимание экономии энергии, теряемой в ЛЭП, в факелах сжигаемого газа, конденсата и нефти, ввести утилизацию нефте- и газопродуктов, шире использовать нетрадиционные виды энергии, по освоению которых Россия занимает 67-е место в мире.

Эффективным решением экологических проблем можно добиться устойчивого развития энергетики. О реальности такого развития свидетельствуют антиядерные договоры, договоры о разоружении, уничтожении оружия массового поражения, Венская конвенция об охране озонового слоя (1985), Монреальский протокол (1987), последующие соглашения по запрещению использования веществ, разрушающих озоновый слой.

В последние годы принят ряд экологических программ, выполнение которых в нашей стране зависит от темпов и результатов реформ. Программа по охране окружающей среды (ЮНЕП) и «Всемирная хартия природы» возлагают на все государства ответственность за сохранение природной среды нашей планеты.

Конференция ООН, состоявшаяся в 1992 г. в Рио-де-Жанейро, приняла Повестку дня на XXI век, представляющую собой программу социально-экономического развития человечества и улучшения качества окружающей среды.

Эта программа базируется на рациональных принципах природопользования.

Природопользование - это воздействие человечества на природную среду в процессе ее хозяйственного использования. Теория природопользования - это научная дисциплина стратегического назначения, необходимая для планового ведения народного хозяйства. Основные принципы природопользования:

1) рационально размещать все отрасли производства с учетом наличия источников сырья, энергии, трудовых ресурсов, физико-географических факторов и т.д. Например, на территории, где разведаны медные руды, надо наряду с горнодобывающими предприятиями создавать предприятия электротехнического машиностроения и других отраслей, потребляющие в больших количествах медь;

2) исключить вредное влияние техногенной деятельности на природные ресурсы и окружающую среду. Для этого изучить условия региона, выполнить типизацию этой территории по устойчивости к техногенному воздействию и составить прогнозные экологические схемы перспектив размещения производительных сил.

Например, следует полностью исключить строительство гидроэлектростанций на равнине. Создаваемые на реках водохранилища повышают уровень грунтовых вод на прилегающей территории, происходит ее заболачивание, затапливаются плодородные земли, разрушаются берега и проходящие вдоль берега дороги, подмываются растущие по берегам деревья и т.д;

3) обеспечить воспроизводство используемых ресурсов. Лов рыбы, охота должны быть организованы таким образом, чтобы рыбы и звери успели вновь размножиться и вырасти. На реках, перегороженных плотинами, надо создавать специальные устройства - рыбоходы для прохода рыб на нерест;

4) использовать природные ресурсы и угодья комплексно. Так, на Алтае действовали комплексные леспромхозы, которые занимались не только заготовкой деловой древесины, но и переработкой отходов (сучьев, веток) в древесно-стружечные плиты (ДСП), приготовлением из хвои хвойно-витаминной муки, заготовкой грибов, ягод, орехов, восстановлением леса на лесосеках, т.е.

вели производство безотходным способом;

5) контролировать и строго учитывать количество и качество используемых и остающихся природных ресурсов. В России органами общегосударственного управления являются законодательные и исполнительные органы федерального уровня (Президент, Дума, Законодательное собрание, Правительство РФ) и уровня субъектов федерации (законодательные собрания и правительства). При законодательных органах функционируют постоянные комиссии по охране природы. При Президенте РФ существует должность советника по природопользованию и охране природы. Органы специального управления осуществляют контроль за охраной, использованием и воспроизводством природных ресурсов в пределах своей компетенции. Контроль за рациональным использованием природных ресурсов с 1988 г. возложен на органы Минприроды.

Кроме того, существуют государственные комитеты по водному и лесному хозяйству. За состоянием земельных ресурсов следит Министерство сельского хозяйства. Инспекции рыбнадзора и охот надзора следят за сохранностью фауны на суше и в воде.

С 1975 г. в планы развития народного хозяйства страны включен раздел «Охрана природы и рациональное использование природных ресурсов», содержащий конкретную программу по охране воздушного бассейна, лесных и водных ресурсов, по строительству очистных сооружений и систем оборотного водоснабжения. Акционерные общества и предприятия, потребляющие природные ресурсы и производящие выбросы в окружающую среду, имеют в своем составе отделы и группы, которые планируют мероприятия по охране природы и осуществляют контроль за их выполнением. Согласно «Инструкции о составе, порядке разработки, согласования и утверждения проектно-сметной документации» (СНиП 1.02.01-85) проектами должно предусматриваться решение вопросов охраны водоемов, почвы, атмосферного воздуха, рекультивации земель и охраны недр /88/.

Цель данного учебного пособия – углубить знания студентов по геоэкологии и охране окружающей среды и научить применять их на практике, обеспечить внедрение принципов экологизации и геологизации в хозяйственную деятельность.

1 Научные основы геоэкологии Совершенствование орудий производства позволяет вовлекать в трудовой процесс все большее количество и ассортимент природных ресурсов. Создается иллюзия безграничной власти человека над природой. «Покорение» природы приводит к нарушению ее законов. Последствия бывают почти катастрофическими. Это случалось неоднократно при испытании ядерного оружия, авариях на атомных электростанциях, строительстве целлюлознобумажных комбинатов на Байкале, возведении крупных гидросооружений на Волге и в заливе Кара-Богаз-Гол /118/. Крупные аварии произошли на горнодобывающих предприятиях Березников и Соликамска, на крупных химических производствах в Уфе, Орске и др.. Ущерб от такого «покорения»

природы часто несоизмерим с той выгодой, которую ожидали получить. «Людям, которые в Месопотамии, Греции, Малой Азии и в других местах выкорчевывали леса, чтобы получить таким путем пахотную землю, и не снилось, что этим они положили начало нынешнему запустению этих стран, лишив их вместе с лесами центров скопления и сохранения влаги», – писал Ф. Энгельс в «Диалектике природы». И далее: «Какое было дело испанским плантаторам на Кубе, выжигавшим леса на склонах гор и получившим в золе пожара удобрение, которого хватило на одно поколение очень доходных кофейных деревьев, – какое им было дело до того, что тропические ливни потом смывали беззащитный отныне верхний слой почвы, оставляя после себя обнаженные скалы!» /182, с.

496, 498-499/.

Необходимо знать и учитывать закономерности развития природной среды.

Любая хозяйственная деятельность представляет собой вмешательство в природу.

Прежде чем осуществить такое вмешательство, нужно предвидеть все его последствия, как ближайшие, так и отдаленные, научно обосновать необходимость такого вмешательства.

Под окружающей средой понимается совокупность природных технических и информационно-коммуникационных систем, объектов и факторов, прямо или косвенно влияющих на условия жизни и развития человека и живых организмов.

Окружающая среда – это экотоп биосферы-ноосферы или экотопосфера.

Окружающая среда включает в себя косную и биокосную составляющие биосферы-ноосферы: атмосферу, гидросферу, педосферу, литосферу и верхнюю часть мантии.

1.1 Основные геоэкологические понятия Под геологической средой, вслед за Е.М.Сергеевым /23, 170/, мы понимаем верхнюю часть литосферы, находящуюся во взаимодействии с другими внешними оболочками Земли, в которой протекают новые геологические процессы, называемые техногенезом и связанные с хозяйственной деятельностью человека;

они существенно изменяют геологический и экологический облик регионов и планеты в целом. Геологическая среда - это экотоп - элемент экосистемы, или часть окружающей среды. Последняя нередко отождествляется с биосферой.

Биосфера – это внешняя оболочка планеты, населённая живыми организмами, с активным проявлением биоценозов, охватывающая поверхность Земли, нижнюю часть атмосферы, гидросферу, педосферу и верхнюю часть литосферы. Живое вещество биоценозов и среда их обитания (биотопы) органически взаимосвязаны и взаимодействуют, формируя целостную биодинамическую геохимическую систему. Биосфера и сама жизнь на Земле возникли в результате закономерного развития нашей планеты и всей солнечной системы. Термин «биосфера» ввел геолог Э. Зюсс (1875). Учение о биосфере как об активной оболочке Земли, в которой совокупная деятельность живых организмов проявляется как геохимический фактор планетарного значения и масштаба, разработал В.И.

Вернадский. Биосфера состоит из элементов, которые называют биогеоценозами, по В.Н.Сукачеву (1940), или экосистемами, по А. Тенсли (1935). Биогеоценоз это элемент биосферы, представляющий собой однородный естественный природный комплекс с определенным составом и механизмом взаимодействия живых (биоценоз) и косных (биотоп - приземный слой атмосферы, почва, солнечная энергия и др.) компонентов. Природный комплекс может быть представлен лесом, лугом, рекой, озером и т.д. Понятие экосистема является отчасти синонимом понятия биогеоценоз, но не совпадает с ним. Экосистема - это единый природный комплекс, образованный живыми организмами и средой их обитания, в котором живые и косные компоненты связаны между собой обменом веществ, энергии и информации. Это понятие менее строгое, чем понятие биогеоценоз. Экосистема - это и капля воды с содержащимися в ней микроорганизмами, пруд, океан, тайга, березовая роща, наконец, биосфера в целом /16, 23, 26, 31, 32/.

Геологическая среда под влиянием естественно-исторических и техногенных процессов взаимодействует с биосферой, гидросферой, педосферой, атмосферой и другими оболочками планеты. Это взаимодействие сопровождается широким спектром как позитивных, так и негативных процессов и явлений, нередко социально опасных (эрозией и засолением почв, песчаными бурями, извержениями вулканов, землетрясениями, оврагообразованием, оползнями, заилением рек и водоемов и т. д.). Многообразию процессов, протекающих в геологической среде, и методам их изучения посвящены работы целой плеяды учёных из школы академика Е.М. Сергеева. Эти работы послужили основой для разработки таких научных направлений, как геоэкология /156, 159/ и экологическая геология /170, 172/.

Под загрязнением окружающей среды понимаются вызванные хозяйственной деятельностью человека (процессами техногенеза) изменения физических, химических и биологических свойств среды, превращающих ее частично или полностью в непригодную для использования /4, 19, 22, 30/. Загрязнение - это антропоцентрическое понятие, оценивающее состояние среды, ее качество с санитарно-гигиенических позиций или по значению параметров, отражающих влияние техногенеза на природную среду. Отклонение параметров качества природной среды от природного фона и санитарно-гигиенических норм в зоне влияния промышленных и сельскохозяйственных предприятий может происходить под воздействием как техногенных, так и естественноисторических процессов. Однако загрязнением мы называем только те отклонения, которые вызваны исключительно техногенезом и техногенными циклами миграции химических элементов. Это понятие не распространяется на естественноисторические процессы. Например, к механическим загрязнителям относятся металлическая пыль, стружка, опилки, выброшенные бракованные детали и т.д.

Химическими загрязнителями являются всевозможные газообразные, жидкие и твердые химические соединения и элементы, попадающие в атмосферу и гидросферу и вступающие во взаимодействие с окружающей средой, например, кислоты, щелочи, эмульсии, смазочно-охлаждающие смеси, сернистый газ и т.д.

Биологические загрязнители - все виды организмов, появляющиеся при участии человека и наносящие ему вред (бактерии, вирусы, грибки, сине-зеленые водоросли и т.д.). Энергетические загрязнители имеют физическую природу.

К ним относятся все виды энергии, теряемой в виде отходов разнообразных производств: тепловая, механическая, ионизирующие излучения, электромагнитные поля, звуковые волны и т.д.

Для количественной характеристики процессов техногенеза можно также использовать параметры технофильности /163, 174/, степень метаморфизации химического состава флюидов и количественные показатели загрязнения окружающей среды: предельно допустимый уровень (ПДУ) или предельно допустимая концентрация (ПДК), предельно допустимые выбросы (ПДВ) или временно согласованные выбросы (ВСВ) /4, 9, 18, 25, 36, 71, 81/. Например, под ПДК понимается максимальная концентрация какого-либо токсичного вещества, при которой не ухудшается здоровье, работоспособность, самочувствие и настроение человека и не наблюдается неблагоприятных наследственных изменений у потомства. Для атмосферного воздуха населенных мест установлены максимально разовые и среднесуточные ПДК. При максимально разовых обнаруживаются рефлекторные реакции у человека, животных, растений (запах, световое ощущение и т.д.) при 20-минутном воздействии вещества.

Среднесуточные ПДК не оказывают вредного воздействия на человека, животных, растения при неограниченно длительном контакте. Санитарные нормы качества воздуха (СН 245-71, СанПиН 2.1.6.575-96) устанавливают ПДК вредных веществ для рабочей зоны и для жилых массивов с 70-х годов XX столетия /85/.

На территориях санаториев, домов отдыха и городов с населением более 200 тыс.

человек загрязнения не должны превышать 0,8 ПДК /76/.

Предельно допустимые выбросы (ПДВ) вредных веществ – это максимальное количество вредных веществ, которое можно выбрасывать в атмосферу, водоем, на почву в единицу времени, чтобы загрязняющие компоненты на границе санитарной зоны не превышали ПДК. Основными источниками загрязнения являются выбросы и отходы различных промышленных производств, образующиеся попутно в результате переработки сырьевых и топливноэнергетических природных ресурсов.

Установлено, что чем крупнее производственные объекты и расположенные рядом с ними населенные пункты, чем продолжительнее период их эксплуатации, тем существеннее преобразование окружающей среды, рельефа территории, грунтов, почв, подземных и поверхностных вод, растительности и пр.

Интенсивность загрязнения среды зависит в большей степени от масштабов его проявления и несовершенства технологии и культуры производства, от уровня экологичности планировки, застройки и освоения территории, организации быта и производственной деятельности людей. Объектами экологических исследований являются окружающая среда и процессы, протекающие в ней:

техногенные и естественноисторические. Для ограничения масштабов вторжения человека в окружающую среду создаются санитарно-защитные зоны (СЗЗ) /71, 85/. Эти зоны между промышленным предприятием (автомобильной и железной дорогами) и жилыми или общественными зданиями защищают население от влияния вредных факторов техногенеза (запыленность, загазованность, шум, вибрация и пр.). Жилые массивы размещаются с подветренной стороны от промышленных объектов. Геологическая среда при этом служит биотопом биосферы, который формируется в условиях тесного взаимодействия непрерывно изменяющихся геологических процессов на Земле. В то же время и сама геологическая оболочка Земли формируется под воздействием биосферы.

В настоящее время их гармоничное развитие резко нарушено процессами техногенеза и перед человечеством нет другой альтернативы, кроме создания системы мониторинга и ноосферы по В.И.Вернадскому /104/.

Ноосфера - сфера разума, новое состояние биосферы, при котором деятельность человека и нооценоза становится главным, определяющим фактором ее развития. Ноогеоценозы здесь гармонично связаны с биогеоценозами и экотопом, формируя целостную, хорошо геохимически сбалансированную безотходную биодинамическую систему. Идея ноосферы – это идея выживания человечества, вида homo sapiens в условиях все разрастающегося экологического кризиса. Мониторинг – это инструмент перехода к ноосфере, это система наблюдения, контроля, анализа, прогноза качества окружающей среды и управления её состоянием. Система мониторинга призвана, прежде всего, регистрировать техногенные и природные изменения в окружающей среде, используя физико-химические, санитарно-токсикологические, технологические, биосферные и социально-демографические показатели /4/. Анализ совокупной экологической информации должен осуществляться на региональной территориальной основе с учетом эталонных участков, биосферных заповедников и экологических полигонов. Главной составной частью мониторинга является разработка природоохранных мероприятий и включение их в перспективные комплексные планы социально-экономического развития территории, в программы и проекты территориальных комплексных схем охраны природы (ТЕРКСОП). В соответствии с этими планами исследования в зоне влияния предприятий и хозяйств должны включать /4, 115, 166, 171/:

- выявление и регистрацию фактических и потенциальных источников загрязнения среды, установление характера их проявления во времени и в пространстве;

- картирование ареалов и потоков загрязнения в связи с проявлением каждого источника;

- создание и корректирование сети режимных наблюдений для изучения процессов развития загрязнения в пространстве и во времени;

- раскрытие минералого-геохимического и микробиологического механизма развития процессов загрязнения;

- выявление взаимосвязей в развитии процессов загрязнения в почвах, атмосфере, грунтах, в подземных и поверхностных водах, их влияние на жизнедеятельность микроорганизмов, растительности, животных и человека в различных зонах воздействия предприятий на окружающую среду;

- изучение ландшафтно-геохимических, гидролого-гидрогеологических и инженерно-геологических условий и параметров миграции компонентов загрязнителей с использованием дистанционных, геофизических, геохимических, микробиологических и других методов;

- типизацию территории по устойчивости и защищенности ее по отношению к загрязнению и засолению, а также по степени хозяйственной ценности /114, 120, 124, 133, 166/;

- изучение и моделирование процессов химической термодинамики при загрязнении и самоочищении на геохимических барьерах с прогнозной оценкой параметров качества среды, в связи с планируемой техногенной нагрузкой в зонах влияния объектов, предприятий и хозяйств на окружающую среду /153, 154/;

- разработку и внедрение природоохранных мероприятий одновременно с составлением планов социально-экономического развития и территориальных комплексных схем охраны природы, рационального использования и воспроизводства природных ресурсов (ТЕРКСОП).

1.2 Круговорот веществ на Земле В пределах планеты осуществляется разномасштабный круговорот веществ, охватывающий как внешние, так и внутренние геосферы, включая мантию и ядро Земли. Выделяются геологический и биологический круговорот веществ.

Биологический круговорот веществ определяет биосферные циклы миграции химических элементов, условия формирования и развития биосферы.

Геологический круговорот имеет несколько циклов миграции химических элементов.

Необходимо выделить естественноисторические и техногенные циклы круговорота, формирующиеся под влиянием человеческой деятельности. Одной из ветвей планетарного геологического цикла круговорота веществ являются вулканические извержения и землетрясения, регистрируемые сейсмографами на глубинах до 700-900 км, т. е. на глубине тектонически активной части планеты тектоносферы, чаще называемой литосферой. По современным геологическим воззрениям, литосфера состоит из отдельных плит, медленно перемещающихся относительно друг друга во времени. Значительно лучше изучен круговорот веществ во внешних оболочках Земли. Продукты разрушения почв и горных пород с возвышенных участков суши переносятся вниз по рельефу местности и осаждаются в морских и континентальных бассейнах, формируя илы, осадки и затем осадочные горные породы. Наиболее значительную геологическую силу, по В.И.Вернадскому, представляет техногенный круговорот веществ во внешних оболочках Земли. Техногенный круговорот веществ на Земле сегодня изучается исключительно в практических целях.

Большую роль в развитии и функционировании живых организмов биосферы и литосферы играет круговорот воды на Земле. Он является основной частью планетарного геологического круговорота веществ. Испарение воды с поверхности водоемов - постоянно протекающий процесс воспроизводства ресурсов пресных вод. Дождевая и снеговая вода систематически питает ручьи, реки, пресноводные озера и верхние горизонты подземных вод. Пресные воды всех этих объектов служат источником жизнедеятельности всего континентального населения биосферы. В.А. Всеволожский отмечает, что «с геологических позиций движение воды в земных недрах, включающее простые (механическая, физическая, химическая) и сложные формы движения (биологическая, техногенная), переходы воды из одного физико-агрегатного состояния в другое и процессы взаимодействия воды с горными породами, рассматривается в настоящее время в качестве важнейшей составляющей геологической формы движения материи (А.Н. Павлов, Е.В. Пиннекер и др.)»

/106, c.36/. Более справедливо выделять не геологическую форму, а геологическую систему движения материи, включающую в себя не только формы, но и ряды движения /115/. В качестве основных составляющих единой геологической системы движения материи применительно к подземным водам «рассматриваются два основных вида круговорота воды в земной коре:

гидрогеологический и геологический» /106, c. 36/.

А.Н. Павлов, Е.В. Пиннекер и другие учёные гидрогеологический круговорот воды рассматривают в качестве составной части гидрологического, климатического круговорота на Земле /160, 166/. По мнению других исследователей есть все основания выделить гидрогеологический круговорот в качестве самостоятельного в связи с особенностями формирования подземной гидросферы /106, 114/. Необходимо учитывать при этом нахождение воды в различных физико-агрегатных состояниях, в том числе и таких, как физически связанная, химически связанная, капиллярная и пр., а также в связи с ее исключительной ролью в геологических процессах в земной коре и верхней мантии.

Б.И. Куделин, изучая подземные воды, ввел понятие «подземный сток», обозначающее движение свободных (гравитационных) подземных вод в пределах зоны полного насыщения. Здесь система потоков подземных вод тесно связана с геологическими структурами разного типа, с толщами горных пород и с зонами трещиноватости.

Подземный сток проявляется неодинаково в различных вертикальных гидродинамических зонах. В верхней зоне активного водообмена гравитационное движение вод тесно связано с особенностями рельефа местности и экзогенной трещиноватостью горных пород. Ниже находится зона регионального стока, где подземные воды движутся по крупным элементам рельефа и геологических структур - континентальных и морских. Наконец, на нижней границе зоны насыщения предполагается, что воды находятся якобы в надкритическом или близком к нему состоянии и движение их осуществляется по линейно-локальным, субвертикальным зонам повышенной трещиноватости.

Существует мнение, что нижняя граница распространения подземных вод соответствует зоне надкритических температур (374-450 0С). Ниже этой зоны вода уже якобы не существует в свободном состоянии. Эти выводы противоречат открытиям астрофизиков, обнаруживших молекулы воды на Солнце, в районах солнечных пятен, то есть при температурах (+ 4000 0С) значительно более высоких, чем надкритические. Это позволяет предполагать, что вода существует и в более глубоких зонах планеты. Видимо, на более значительных глубинах круговорот воды тесно связан с геологическим круговоротом веществ.

Геологический круговорот воды происходит не только на больших глубинах.

Огромные массы воды вовлекаются в процессы осадконакопления, литогенеза и метаморфизма горных пород вблизи поверхности Земли. Воды, которые поступают в глубинные части планеты через рифтовые зоны и зоны тектонической трещиноватости /115, 160/, участвуют в серпентинизации и десерпентинизации пород мантии и в других малоизученных и неизвестных пока геологических процессах метаморфизации горных пород. Связь глубинных вод с поверхностными и влияние их на водный баланс эпиконтинентальных водоемов (Каспий, Арал и др.) пока недооцениваются.

1.3 Представления о биосфере Понятие о биосфере в биологию ввел Ламарк (1744-1829) в начале XIX века, а в науки о Земле – австрийский геолог Э. Зюсс в 1875 г. Учение о биосфере заложено в трудах выдающегося российского ученого, академика В.И.

Вернадского (1863-1945). Он впервые рассмотрел деятельность живых организмов на Земле с геологических и геохимических позиций, установил исторически закономерные изменения в составе атмосферы, гидросферы и литосферы под влиянием жизнедеятельности организмов и выявил тесную взаимосвязь эволюции этих геосфер и биосферы. Биосферу он определил как область, или оболочку планеты, в которой эволюционно, во взаимосвязи с другими компонентами среды, развивается жизнь и накапливается живое вещество. Биосфера охватывает внешние оболочки Земли, нижнюю часть атмосферы (тропосферу) до высоты 20 км, гидросферу и верхнюю часть литосферы до глубины 2-3 км /104/.

В.И. Вернадский определил живое вещество как совокупность живых организмов, существовавших в определенный отрезок времени и являющихся важным геологическим фактором. Живое вещество имеет элементарный химический состав, массу и энергию. Трансформируя солнечную энергию, оно вовлекает неорганическую (косную) материю в непрерывный круговорот.

В истории биосферы Земли исключительную роль сыграли водоросли и другие растения. Используя энергию солнца, потребляя углекислоту из воздуха и усваивая жидкие и твердые фазы вещества, они создавали органическое вещество, которое служило основой для развития всего живого на Земле. При этом они продуцировали кислород атмосферы и гидросферы, изменяя во времени состав этих геосфер. Наконец, они активно участвовали в формировании верхней части литосферы, железных руд, толщ и рифов известняков, залежей каменного и бурого угля, нефти, торфа и других полезных ископаемых и пород.

Планете Земля около 5 млрд лет. Считается, что на начальном этапе ее истории - 1,5-2 млрд лет - жизнь на Земле отсутствовала, но создавались условия для образования первых живых организмов. Из аминокислот, синтезированных в абиотических процессах с участием солнечных ультрафиолетовых лучей, возникли первые мельчайшие автотрофные и гетеротрофные живые организмы. Атмосфера Земли не содержала свободного кислорода и состояла из азота, аммиака, окиси углерода, водяных паров, ядовитых хлора и сероводорода. Жизнедеятельность организмов обусловила образование в атмосфере свободного кислорода, который под влиянием ультрафиолетовых лучей обеспечил формирование озонового экрана.

Он стал защищать эволюционно развивающиеся живые организмы. Жизнь на Земле в связи с этим экраном получила дальнейшее развитие. Из-за недостатка пищи эволюционировали дрожжеподобные анаэробные организмы, появились виды, способные к фотосинтезу. 600 млн лет назад содержание кислорода в атмосфере составляло 3 % от современного уровня. Возникли многоклеточные организмы, а потом произошел эволюционный взрыв, в море образовались губки, черви, кораллы, моллюски, морские макрофиты и пр. 350-400 млн лет назад живые организмы вышли из морей на сушу. Эволюция привела к развитию современных растений и крупных животных. К концу палеозойской эры (220 млн лет назад) в атмосфере повысилось количество углекислого газа, изменился климат, произошла смена растительного и животного мира, сформировались залежи горючих полезных ископаемых. Биомасса Земли достигла современного уровня - 1012 -1013 т, или 10части земной массы (6·1027). Производство живого вещества на Земле составило 38·1010 т/год /104/.

Эволюция биосферы неоднократно сопровождалась скачкообразным (революционным) развитием живого вещества. В кайнозойскую эру голосеменные растения сменились современными покрытосеменными, цветковыми, а холоднокровные пресмыкающиеся были вытеснены теплокровными животными, млекопитающими. Эволюционный процесс привел к появлению человека - наиболее высокоорганизованного биологического вида. Начался третий этап развития планеты.

Чарльз Дарвин (1859) в основном своём труде «Происхождение видов путём естественного отбора» вскрыл основные факторы эволюции органического мира.

Важнейший постулат, вытекающий из его трудов, гласит, что виды организмов эволюционируют под влиянием изменений физико-географических условий природной среды. В.И. Вернадский – создатель учения о биосфере (1926) – сформулировал второй важнейший постулат о том, что совокупность живых организмов (живое вещество) взаимодействует со средой своего обитания, образуя целостную динамическую систему. Эта система образует активную оболочку планеты, в которой живое вещество в процессе своей эволюции вызывает эволюционные преобразования природной среды планетарного масштаба. Эволюция видов органического мира вызывает эволюцию атмосферы, гидросферы и верхней части литосферы т.е. экотопа биосферы, называемого нами экотопосферой.

Каждое растение, животное, микроорганизм в составе биосферы рассматривается как особь. Особи одного вида составляют популяцию (стая волков, осинник). Организованная группа популяций растений, животных и микроорганизмов, живущих в одних и тех же условиях среды и характеризующихся определенными отношениями между собой, образует биоценоз (био – жизнь, ценоз – общий). Термин предложен немецким зоологом Мебиусом в 1877 г. Как уже отмечено выше, В.Н. Сукачев в 1940 г. ввёл понятие «биогеоценоз», обозначающее элемент биосферы – совокупность биоценоза и его местообитания. Пространство, или место обитания биоценоза называют биотопом. А. Тенсли ещё в 1935 г. для обозначения соответствующего элемента биосферы предложил использовать термин «экосистема». Биогеоценоз можно рассматривать в качестве экосистемы определенного ранга, в пределах которой существуют: особь, популяция, биоценоз (животный мир) и микро биоценоз (микроорганизмы) /28/.

Виды растений, деревьев, преобладающие в данном биоценозе, называют доминирующими, или доминантными; по ним называют и биоценозы ковыльно-типчаковая степь, хвойный лес и т.д. Виды животных, организмов, создающие необходимые условия для жизни доминантов, а через них и для жизни других видов биоценоза, называют эдификаторами. Биоценоз пограничных зон (леса и степи, например) обычно более продуктивен, чем биоценоз каждой зоны в отдельности. Все живые организмы в пределах биогеоценоза взаимодействуют благодаря биологическому круговороту, или «биологическому производству» веществ, не имеющему отходов.

«Производство» биосферы - это тот идеал, к которому должен стремиться человек со своим производством. Зеленые растения в процессе своей жизнедеятельности развиваются, поглощая солнечную энергию, минеральные элементы и влагу почв, а также углекислый газ из атмосферы. При фотосинтезе в зеленом листе создаются сложные органические соединения. При отмирании растений органическое вещество используется в пищу другими живыми организмами: микробами, насекомыми и животными. Сложные органические соединения (углеводы, крахмал, целлюлоза и др.) подвергаются минерализации и вновь превращаются в минеральные соли, кислоты и окислы. Минеральные вещества поступают в почву и усваиваются растениями. Поэтому, несмотря на количественную ограниченность, биологически важных веществ в литосфере (углерода - 0,1 % водорода - 0,15 %, азота - 0,01 %, фосфора - 0,08 %, серы - 0, %, по А.П.Виноградову, 1950), жизнедеятельность организмов в биосфере обеспечена /163/.

В зависимости от способа питания все организмы подразделяются на автотрофные и гетеротрофные. Первые способны создавать органические вещества из неорганических. Вторые используют в пищу органическое вещество живых растений и остатки отмерших растений и животных.

По участию в круговороте веществ выделяется три разновидности организмов: продуценты (производители), консументы (потребители) и редуценты (восстановители). Продуценты - это автотрофные организмы.

Консументы - гетеротрофные организмы, питающиеся автотрофными;

подразделяются на консументы первого, второго и более высокого порядка.

Пищей консументов второго порядка служат консументы первого, пищей консументов третьего порядка - консументы второго порядка и т.д., обычно до пяти звеньев (трофических уровней). Редуценты (восстановители) - бактерии, грибы, микроорганизмы (сапрофиты), питающиеся мертвым органическим веществом. Они и минерализуют органическое вещество, разлагая его на воду, углекислоту, простейшие соли, доступные для использования автотрофными растениями в процессе фотосинтеза новых органических веществ.

Благодаря круговороту органическое вещество переходит с одного трофического уровня на другой, частично теряясь на каждом уровне и формируя залежи полезных ископаемых (торфа, угля, нефти, горючих сланцев и др.). Общая же биомасса планеты не накапливается, она частично разрушается и вновь создается из одного и того же строительного материала.

Для биологического круговорота веществ характерна цикличность, или замкнутость, которая проявляется через способность живых организмов производить себе подобных. При биологическом круговороте веществ происходит уничтожение отходов в процессе жизнедеятельности микроорганизмов, насекомых и животных, питающихся отжившим органическим веществом. В биологическом круговороте веществ рационально используются природные ресурсы: в круговороте веществ участвует 21 биогенный элемент, содержание каждого из них в биосфере постоянно; благодаря круговороту элементы могут использоваться в режиме замкнутого цикла /141, 143/.

В процессе круговорота осуществляется эволюция живой природы и окружающей среды. В атмосфере появляется кислород, его содержание увеличивается до 21 %; в верхних слоях тропосферы и в стратосфере формируется озоновый экран; углекислота из воздуха и воды переходит в толщи карбонатных, хемогенных и биогенных пород. Под влиянием человека формируются агробиогеоценозы (агроценозы): сельскохозяйственные поля, защитные лесополосы и лесопосадки, пастбища, водохранилища, каналы, осушенные болота. Агроценозы отличаются от биоценозов не принципиально, они характеризуются незначительным количеством видов и большой численностью живых организмов. В зоне влияния промышленных предприятий формируются принципиально новые экосистемы - технобиогеоценозы.

Количественная оценка всех биогеоценозов выполняется при помощи показателя биологической продуктивности -биомассы (в граммах углерода или сухого органического вещества), получаемой с 1 м2 (для водоемов с 1 м3) в единицу времени (обычно за год). Для оценки роли популяций в круговороте веществ надо знать их биомассу, относительную скорость прироста и время полного возобновления /28, 141, 143/.

В агроценозах с монокультурами и технобиогеоценозах в зонах влияния промышленных предприятий наблюдается искусственное обеднение видового состава, массовое размножение вредителей, снижение общей продуктивности биоценозов, рост мутагенности среды, деградация основных элементов биогеоценозов. Агроценозы отличаются от биоценозов тем, что не обладают способностью к саморегулированию и их устойчивость определяется интенсивностью и частотой техногенного воздействия.

1.4 Классификация природных ресурсов Под природными ресурсами понимаются конкретные виды материи и энергии, которые потребляет человек в процессе своего труда и жизнедеятельности. К ним относятся разнообразные полезные ископаемые, воздух, вода, почва, растения, животные, микроорганизмы, солнечная, атомная и другие виды энергии. Разнообразны и сами природные ресурсы, и возможности их применения.

Природные ресурсы относятся к естественным производительным силам.

Для их изучения в нашей стране созданы:

1) комиссия по изучению естественных производительных сил Российской Академии наук (КЕПС);

2) совет по изучению производительных сил при правительстве РФ (СОПС).

Производственные и академические экспедиции систематически изучают во всех регионах страны полезные ископаемые, почвы, рельеф, растительность, животный мир и т.д.

Природные ресурсы, рассматриваются также в качестве природных тел, изучение которых зависит от уровня развития производительных сил и полноты их использования для удовлетворения материальных потребностей человеческого общества. Ресурсы можно подразделить на две группы: исчерпаемые и неисчерпаемые. К исчерпаемым относятся: нефть, газ, разнообразные руды, растения, животные и др. Эти ресурсы могут использоваться только один раз, и не исключена возможность их исчерпания. Среди природных ресурсов выделяются возобновимые (растения, животные, почвы и пр.) и невозобновимые (нефть, газ, ископаемые угли и пр.). Возобновимые ресурсы могут быть восстановлены с различной скоростью. Популяцию животных можно восстановить за несколько лет, если вид животных уничтожен не полностью. Восстановление леса требует не один десяток лет, а для восстановления почвы мощностью всего 1 см природе необходимо в зависимости от условий от 300 до 500 лет. Следовательно, темпы расходования возобновимых природных ресурсов должны соответствовать скорости их восстановления. Иначе и эти ресурсы станут невозобновимыми, каковыми уже стали некоторые виды растений и животных.

Расходование невозобновимых ресурсов приводит к их истощению. Поэтому к ним нужно относиться бережно, экономно, использовать повторно (например, металлы) и заменять их: металлы -пластмассой и керамикой; уголь, нефть, газ новыми источниками энергии и т.д. К неисчерпаемым природным ресурсам, или ресурсам повторного, многоразового использования относят воду, воздух, ветер, солнечную энергию. Их можно использовать бесконечно. При интенсивном загрязнении воды и воздуха в отдельных районах возникает такая ситуация, когда дальнейшее использование этих ресурсов становится невозможным в связи с резким ухудшением их качества.

В природной среде выделяются ресурсы недр, земельные, водные, климатические и другие. По характеру применения их можно разделить на производственные, сельскохозяйственные, бальнеологические, энергетические, рекреационные и прочие.

Крупнейший ученый – естествоиспытатель нашего столетия В.И.Вернадский указывал, что человечество своим трудом и мыслью способно перестроить биосферу и создать новую материальную оболочку Земли – ноосферу, сферу разума и новой жизни в интересах свободно мыслящего человека /104/. В процессе трудовой деятельности человек нарушает планетарный круговорот веществ. Он вовлекает огромные природные ресурсы в постоянно нарастающий по масштабам и глубине проявления техногенный круговорот веществ на планете и в окружающем космическом пространстве. При этом человечество извлекает из недр, производит и складирует на поверхности планеты огромное количество отходов, которое природа не в состоянии переработать.

Формирующуюся сегодня под влиянием индустриальной деятельности человека геосферу с ущербными биоценозами и спонтанно возникающими экологическими кризисами было бы кощунством называть сферой разума и новой жизни. Более правильно, вслед за академиком А.Е. Ферсманом, называть эту оболочку Земли техносферой /175/. Под техносферой понимается состояние биосферы с обеднённым и угнетённым видовым составом биоценозов вплоть до опустынивания с экологически необоснованной инженерной и хозяйственной деятельностью людей и неуправляемым развитием процессов техногенеза.

Следует учесть все уроки экологически неграмотного вторжения человека в природную среду, разработать и осуществить на практике принципы разума, способные превратить техносферу в ноосферу – в оболочку, где все процессы будут регулироваться, и управляться человеком /104, 115/. Дальнейшая судьба биосферы и человечества во многом зависит от разработки и внедрения малоотходных и безотходных технологий, бессточных систем водопользования, комплексного использования недр, сырья и утилизации отходов, прекращения газопылевых выбросов в атмосферу и формирования территориальнопроизводственных комплексов с замкнутыми системами материального баланса вещества, включая отходы производства /3, 6, 18, 148/. Надо позаимствовать у природы рациональные механизмы и приемы использования ресурсов, детально изучив закономерности природных процессов. На этой основе необходимо типизировать осваиваемые и застраиваемые территории не только по хозяйственной ценности, но и по устойчивости или уязвимости к техногенному вторжению с количественной оценкой их техногенной трансформации /114, 124, 133/. Биогеоценозы ноосферы называют нообиогеоценозами /181/. Они формируются в зоне влияния промышленных предприятий и других техногенных объектов. На разных расстояниях от предприятия видовой состав и продуктивность организмов существенно изменяются. Технологическая линия предприятия (нооценоз) превращается в активное звено экосистемы, приобретая равновесные взаимосвязи с ее продуктивностью. Нообиогеоценозы формируются в пределах естественных биогеоценозов, попавших в зону влияния предприятия.

В нообиогеоценоз входит три самостоятельные структурные единицы ноосферы:

экотоп, биоценоз, нооценоз. Экотоп - это среда для развития биоценоза и нооценоза: почвы, грунты, недра, поверхностные и подземные воды, атмосфера, состав и свойства которых изменяются под воздействием природных и техногенных факторов. Биоценоз в условиях нообиогеоценоза - это растительность, животный мир и микроорганизмы, приспособившиеся к техногенному воздействию, но, в свою очередь, определяющие условия преобразования биотопа и условия производственной деятельности людей.

Нооценоз – это производительные силы человеческого общества, тесно взаимосвязанные с условиями среды, ее биотопом и биоценозом.

Нообиогеоценоз представляет собой единый комплекс взаимодействия производства (нооценоза) с органической и неорганической природной средой (биоценозом и экотопом). Границы нообиогеоценозов, или границы влияния предприятия на окружающую среду могут быть определены при помощи количественных или качественных показателей. Качественные показатели - это параметры состояния растительных компонентов, распространения животных организмов и микроорганизмов. Количественные показатели - это параметры продуктивности нооценоза и биоценоза, физико-химического и изотопного состава почв, грунтов, атмосферных осадков, поверхностных и подземных вод, растительности и пр. Преобразование техносферы в сферу разума, ноосферу, произойдет тогда, когда мы приведем параметры производства (технологических линий, технологических средств) в состояние устойчивого равновесия, в соответствие с параметрами окружающей среды, обеспечив высокую продуктивность биоценоза и нооценоза. При этом санитарно-гигиеническое состояние среды должно обеспечивать оптимальные условия жизнедеятельности биоценоза и человека.

Таким образом, переход к управлению состоянием окружающей среды, или к ноосфере, предполагает планирование на перспективу производственных показателей промышленных предприятий, показателей продуктивности природного и аграрного звеньев и санитарно-гигиенического состояния окружающей среды. Управляемая территория включает производственные, селитебные и рекреационные зоны. Геоэкологические мероприятия при этом внедряются в перспективные планы социально-экономического развития в соответствии с современными принципами природопользования. 85 лет назад в России был издан ряд природоохранных декретов и постановлений: «О лесах»

(1918), «О рыболовстве и рыбной промышленности» (1918), «О центральном комитете водоохранения» (1919), «Об охране зеленой площади» (1920), об организации заповедников: Астраханского в 1919 г., Ильменского в 1920 г., Байкальского в 1921 г. В законодательных документах нашей страны основные принципы отношения к природе и природопользованию были сформулированы достаточно профессионально:

- охрана природы строится на строго научной основе;

- интересы текущего момента подчиняются интересам будущего;

- регламентирующие указания по использованию природы проводятся в жизнь немедленно.

Эти принципы закреплены законодательно в Конституции РФ, в Водном кодексе, в законе о недрах, в законах об охране атмосферного воздуха, зеленых насаждений и других законах. В прошлом использование природных ресурсов регламентировалось многочисленными постановлениями: об охране бассейнов рек Волги и Урала, Байкала, Каспия, о снижении отрицательного воздействия горнодобывающей промышленности на геологическую среду, о разработке территориальных комплексных схем охраны природы (ТЕРКСОП) и др.

1.6 О путях реализации идеи ноосферы Реализация идеи ноосферы предполагает продвижение в следующих фундаментальных направлениях:

1) разработка и внедрение безотходных и малоотходных технологий;

2) освоение литосферного строительного пространства и многофункциональное использование недр;

3) создание системы ограничений и экологических квот на местном, региональном и глобальном уровнях с соответствующими системами мониторинга;

4) разработка научных основ геоэкологизации жизнедеятельности с целью формирования принципиально нового менталитета у профессионалов и населения.

Для выполнения таких сложных задач необходимо создать и внедрить программу непрерывной экологической и геологической подготовки с дошкольного возраста. Основная трудность при этом заключается не в разработке концепции устойчивого развития человечества, а в формировании принципиально нового менталитета у специалистов и населения.

Принципиально новый менталитет предполагает не просто воспитание любви к природе и высокий уровень знаний о законах ее развития, но полный отказ от жизнедеятельности в условиях экологического риска, усиливающегося сегодня в геометрической прогрессии. Промышленностью производится более двух миллионов химических соединений, а определяется (и то не систематически) экологическое влияние на живое вещество только 5-6 %. Именно экологически необоснованным широким применением таких веществ, как ДДТ, углеводороды типа бензапирена, хлорбензольные соединения, диоксин и другие суперяды, обусловлены явления экологического иммунодефицита, которые опаснее СПИДа.

Разработка и доведение до сведения специалистов и населения новых принципов экологической безопасности, имеющих первостепенное значение при реализации любого проекта и рассмотрении программы деятельности любого производства, должны стать главным этапом в проектной, строительной и любой производственной деятельности. Необходимо отказаться от внедрения и широкого применения технологий, экологический риск от которых недостаточно исследован. Только при такой постановке дела возможно избежать аварии типа Чернобыльской.

Изучение проблем экологического риска необходимо предусмотреть уже в школьных программах. В школе же следует начать рассматривать вопросы экологии растений, животных, микроорганизмов, человека. Причем вопросы экологии, охраны окружающей среды и природопользования должны быть представлены не только в специальных предметах, они должны входить во все школьные и вузовские дисциплины: от физики, математики и литературы до химии и биологии.

До сих пор недостаточно осуществлена геоэкологическая дифференциация и интеграция геологических и географических наук. Такие крупные ученые, как академик В.И. Осипов, рассматривают геоэкологические проблемы и в геологическом, и в географическом плане, а В.Т. Трофимов и др. считают геоэкологию и экологическую геологию науками об экосистемах /159, 172/.

Отсутствие четкой дифференциации и интеграции экологических дисциплин и общепринятой классификации наук тормозит разработку фундаментальных проблем экологизации и геологизации образования и реализацию этих принципов в виде модели ноосферы или концепции устойчивого развития.

1.7 Концепция безотходной технологии Термин "безотходная технология " предложен академиками Н.Н. Семеновым и И.В. Петряновым-Соколовым и широко распространен у нас и за рубежом, однако сама идея безотходной технологии была изложена еще в 1885 г. Д.И.

Менделеевым в статье "Письма о заводах", опубликованной в журнале "Новь" /24/. Под безотходной технологией понимается идеальная модель производства, ее теоретический предел, который может быть реализован лишь частично. Теория безотходных технологических процессов базируется на двух предпосылках:

а) природные ресурсы должны добываться один раз для комплексного производства всех возможных продуктов;

б) создаваемые продукты должны иметь такую форму, которая позволила бы после использования рентабельно превращать их в исходные элементы нового производства.

Однако каждый новый цикл технологии в цепи "сырье – готовый продукт сырье" связан:

а) с износом материалов;

б) требует новых затрат энергии, а следовательно, дополнительных природных ресурсов вне замкнутой системы. Признавая прогрессивность концепции "безотходной технологии", необходимо учитывать ее ограниченность и условный характер. Ее применение способствует снижению уровня загрязнения и глубины вторжения технологии в окружающую среду.

Чтобы установить новые отношения между человеком и природой, нужно реализовать достижения науки, позволяющие превратить в ресурсы отходы всех производств. При этом экономятся материалы, и уменьшается негативное воздействие технологии на окружающую среду. На практике в качестве более реального используется понятие "малоотходная технология". В случае применения малоотходной технологии часть сырья переходит в отходы и направляется на длительное хранение, вредные последствия чего не превышают допустимых санитарных норм. Например, на Челябинском электролитноцинковом заводе создано малоотходное сернокислотное производство. В результате количество отвальных цинковых кеков, объем сернистого газа (меньше 0,01 %) и сброса сточных вод (всего 2,1 %) на заводе уменьшились /6, 143/.

Д.И. Менделеев считал, что отходы одних отраслей хозяйства являются потенциальными ресурсами для других /152/. Поэтому подготовка в вузах специалистов широкого профиля должна быть ориентирована на реализацию отходов в качестве вторичного сырья. Так, отходы предприятий черной и цветной металлургии, горнодобывающей промышленности, теплоэнергетики, производства минеральных удобрений могут стать исходным сырьем для промышленности строительных материалов.

Одной из трудностей реализации малоотходных технологий является подготовка кадров. Специалистов по черной и цветной металлургии, производству строительных материалов, нефтехимии, полимерам и другим готовят в разных вузах по узкому отраслевому принципу. Специалисты же широкого университетского и академического профиля должны овладеть основами безотходных и малоотходных технологий и способностью создавать новые машины, станки, приборы, непрерывно реконструировать и перевооружать производство.

Целесообразно сосредоточить внимание на следующих направлениях развития и внедрения безотходной технологии:

1) комплексное и полное использование природных ресурсов в народном хозяйстве;

2) утилизация вторичных ресурсов;

3) создание безотходных территориально-производственных комплексов;

4) создание принципиально новых экологически безвредных технологий;

5) утилизация, очистка и складирование в недрах отходов предприятий с созданием оборотных систем водо – и газоснабжения, малой промышленной канализации, внедрение геотехнологий;

6) непрерывный экономический анализ природопользования.

1.8 Многофункциональное использование недр С давних времен человечество осваивало литосферное пространство для решения самых различных социальных и хозяйственных нужд, Но особенно интенсивно оно начало использоваться с XX столетия. Под землей издавна устраивались жилища, обустраивались холодильники, хранилища, культовые сооружения, места погребения и т.д. Сегодня значение подземного пространства для жизни людей, масштабы и разнообразие форм, методов и способов подземного строительства исключительно возросли. Основное литосферное строительное пространство приходится на горные выработки, создаваемые в процессе разведки и разработки полезных ископаемых, но все более интенсивно строятся подземные переходы, гаражи, склады, производственные цехи, предприятия, транспортные инженерные коммуникации, лечебные, рекреационные, социальные, культурные, спортивно-туристические, военностратегические и иные объекты. Та часть геологической среды, которая используется для размещения указанных объектов, рассматривается нами в качестве "литосферного строительного пространства". Ряд типов подземных резервуаров сформировался естественным путем, в частности, при участии карстовых и палеокарстовых процессов. Эти резервуары широко используются для складирования нефти, нефте- и газопродуктов, природных и сжиженных газов, пресных вод, отходов производства, организации мест отдыха, лечения, туризма и т.д. На пороге XXI столетия подземное строительство осуществляется в различных горно-геологических условиях. Способы строительства, обустройства и технологии эксплуатации резервуаров зависят от особенностей геолого-тектонического строения территории. В районах развития растворимых пород используются как естественные полости, так и создаваемые искусственно.

Освоение литосферного строительного пространства обеспечивает:

1) экономию земельных ресурсов в условиях городов и высокопродуктивных сельскохозяйственных и лесных угодий;

2) высокий уровень защищенности от вредного воздействия природных (лавин, землетрясений и пр.) и техногенных факторов;

3) экономию строительных материалов и энергетических ресурсов;

4) высокую надежность технологий и рост производительности труда в стабильных в плане гидрометеорологических условиях подземного пространства;

5) экономию эксплуатационных расходов при подземном хранении ценностей, промышленных и продовольственных товаров;

6) эффективную спелеотерапию;

7) решение стратегических, транспортных, оборонных и иных задач.

Мы вслед за Б.А. Картозия /116/ выделяем четыре группы подземных объектов по их назначению:

а) хозяйственные;

б) социальные;

в) экологические;

Академик В.И. Шемякин отмечает, что при размещении сооружений под землей только тепло ресурсов используется в 3-10 раз меньше, чем при наземном варианте.

Проблема освоения подземного пространства – не столько техническая и прикладная, сколько фундаментальная, требующая применения наряду с методами горных и строительных дисциплин геологических и экологических методов исследования массивов горных пород. Если прикладные задачи должны решаться горняками, то фундаментальные проблемы охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов, в частности, литосферного строительного пространства, – специалистами широкого университетского и академического профиля в области строительства, экологической и экономической геологии, геомеханики, геофизики, геохимии и биогеохимии литосферы.

1.9 О системах ограничений В отечественной и зарубежной практике накоплен значительный опыт по регламентации выбросов предприятий в окружающую среду: атмосферу, водоемы, почву. В России этот опыт апробирован на местном уровне, например, в форме проектов ПДВ (предельно-допустимых выбросов).

На региональном уровне разработки предпринят ряд попыток количественной оценки баланса химических компонентов в пределах естественных (природных) и техногенных циклов миграции веществ, включая важнейшие загрязнители.

Наиболее информативен модульный принцип оценки баланса компонентов загрязнителей. В качестве единиц измерения используются модульные оценки в тоннах или килограммах загрязнителей, выбрасываемых в атмосферу и рассеивающихся на один квадратный километр территории. Аналогичные модули применимы при оценке веществ, выпадающих на единицу площади поверхности земли: на почву, в водоемы и просачивающихся в горизонты поземных вод. При этом рассматриваются и валовое содержание вещества, и его фазовые состояния:

механическая (твердая и жидкая), химическая, газовая фазы /114/.

Для оценки миграции химических элементов в техногенном цикле на глобальном уровне А.И. Перельман по аналогии с кларком концентрации предложил использовать величину технофильности, равную отношению объема ежегодной добычи данного элемента к его кларку в земной коре /163/. Ф.И.

Тютюнова /174/, опираясь на статические сводки разных стран, рассчитала величину технофильности более 30 химических элементов для 1800-2025 гг. По этому указателю она разделила все химические элементы на пять групп – от супертехнофильных до слабо- и очень слаботехнофильных. В современную эпоху все главные анионогенные химические элементы водных растворов относятся к супертехнофильным. Это Cl-, S(SO42-), C(HCO3-, CO32- и органические соединения). Они являются наиболее распространенными загрязнителями окружающей среды. Их технофильность составляет 10·n.

Анализируя химические элементы, концентрирующиеся или рассеивающиеся в природе при техногенезе, А.Е. Ферсман отмечает, что в целом для техногенеза более характерно рассеяние химических элементов. По миграционным свойствам он разделил на три группы: главные, второстепенные и микрокомпоненты /139, 175/. Из микрокомпонентов и второстепенных элементов супертехнофильными являются N (NH4 +, NO2-, NO3 -), Se, Pb, Cu, Br и др. К высокотехнофильным принадлежат Fe, Ca, Zn, As, Cr, U, Ni, Mg, Hg и др. Отчетливо проявилась тенденция к глобальному загрязнению супертехнофильными элементами природных вод и окружающей среды. Учитывая степень технофильности элементов, Ф.И. Тютюнова сделала вывод о том, что на современном этапе развития планеты под влиянием техногенеза происходит ускорение эволюции биотехносферы и гидролитосферы. В.И. Вернадский еще в 1930-е гг. XX столетия, прогнозируя это ускорение, считал его следствием качественно новой формы воздействия живого вещества на обмен атомов вещества с косной материей /104/. Человек значительно расширил круг используемых элементов, нужных для развития техники и создания цивилизованных форм жизни.

Совершенствование жизнедеятельности человечества в соответствии с концепцией устойчивого развития, вызвано внедрением в хозяйственную жизнь всех стран систем мониторинга с жесткими квотами на трех уровнях: местном, региональном и глобальном. Достижение главных целей концепции устойчивого развития и нового уровня развития биосферы, соответствующего ноосфере, требует мобилизации коллективного разума всего человечества, его научнотехнического потенциала. А это возможно при условии упорядочения структурноорганизационно-иерархических связей между различными научными дисциплинами в учебно-воспитательном процессе и формировании принципиально нового менталитета у населения.

1.10 О научных основах экологизации жизнедеятельности человека Попытку классифицировать естественные науки предпринял выдающийся естествоиспытатель XIX века Ф. Энгельс. В "Диалектике природы" он изложил теорию о формах и рядах движения материи /182/. Механической форме движения соответствуют механика и математика, физической – физика, химической – химия, биологической – биология, ботаника, зоология, общественной – обществоведение, философия и др. Как заметил Ф. Энгельс, формы движения проявляются в виде взаимосвязанных рядов движения. В таких рядах более высокоорганизованные формы движения материи, энергии и информации взаимодействуют с менее организованными. Рядам движения в структурно-организационно-иерархическом отношении соответствуют более сложные научные дисциплины: геомеханика отдельных геосфер и оболочек Земли, геофизика, геохимия, гидрохимия, гидробиология, почвоведение, лесоведение, экология человека, медицинская география и др.

Ученые давно обратили внимание на существование материальноэнергетического обмена между оболочками нашей планеты /115/. Горные породы, подвергшись гипергенным процессам, аккумулируют огромные массы солнечной энергии. Погрузившись в глубины Земли, эти породы становятся носителями солнечной энергии, которая перераспределяется между дифференциалами земной коры и внешней мантии. Иными словами солнечная энергия, аккумулированная различными способами и посредством разных механизмов, в результате сложных палеогеологических процессов проявляется в дифференциации вещества в литосфере. По направлению к центру Земли увеличиваются плотность и интеграция вещества. При этом освобождается энергия, что четко прослеживается до глубин проявления очагов землетрясений (до 600-900 км).

Такое сложное взаимодействие оболочек планеты с дифференциацией и интеграцией вещества представляется в предельно абстрагированной форме как система движения материи. Системы движения могут быть планетарными, звездными, галактическими, туманностей и пр. (таблица 1.1).

Классификация наук должна базироваться на классификации форм, рядов и систем движения материи, отражающих различный уровень сложности организации исследуемых объектов. Классификация уровней организации движения материи, энергии и информации должна предшествовать классификации наук. Систему движения материи планеты Земля мы склонны называть планетарной или вслед за И.В. Круть /172/ – геономической, включающей географическую и геологическую подсистемы формирования внешних геосфер Земли. Цикл естественноисторических наук, к которому относятся науки геоэкологического и эколого-геологического направления, призван изучать объекты этих подсистем.

Экологический цикл наук охватывает все прикладные и фундаментальные дисциплины постольку, поскольку их объекты попадают в состав экосистем и в той или иной степени являются объектами ноосферы и биосферы. В структуру биосферы входит биоценоз или живое вещество биоценосферы, а также косные и Таблица 1.1 Примеры систем движения материи, энергии и информации и Системы движения материи, энергии и Научное направление и дисциплина информации Экологическая Биоценология. Геоэкология. Экологичекая география.

Экологическая геология. Экологическая гидрология.

Биологическая Учение о биосфере, биогеоценозах, ландшафтах.

Геономическая или пла- Физическая география. Стратиграфия. Историческая нетарная с геологиче- геология. Теория литогенеза. Учение о магматизме.

ской подсистемой Геология осадочных, метаморфических и магматических биокосные составляющие экотопа биосферы или экотопосферы. Экотопосфера – это внешняя оболочка Земли. В её пределах выделяются географическая и геологическая среда. Геоэкология изучает экотоп биосферы или экотопосферу как целостный объект. Часть этого объекта – геологическую среду изучает экологическая геология, а вторую часть экотопа – географическую среду - изучает экологическая география. В пределах биосферы живое вещество биосистем взаимодействует с косными и биокосными составляющими геосистем. Их взаимодействия претерпевают изменения во времени и в пространстве, подчиняясь законам широтной зональности и высотной поясности.

Резюмируя изложенное, следует подчеркнуть, что реальный переход к концепции устойчивого развития тесно связан со способностью мирового сообщества взять под строгий контроль и управлять процессами формирования ноосферы. Эта способность требует принципиально нового менталитета, как у специалистов, так и у всего населения, и теснейшим образом связана с геоэкологизацией жизнедеятельности и воспитательно-образовательной работы.

Процессы геоэкологизации приобретают в XXI столетии огромное социальноэкономическое значение. Только на этом пути человечество достигнет гармонии в удовлетворении своих производственных, социальных, духовных экологических, экономических и культурных потребностей.

1. Нарисуйте схему взаимоотношений литосферы - земной коры - мантии биосферы - ноосферы - техносферы. Изложите принципы экологизации и геологизации хозяйственной деятельности человека.

2. Раскройте содержание понятия «литосферное строительное пространство», определите параметры этого пространства в континентальных, океанических и переходных типах разреза земной коры.

3. Изучите на практике классификационную принадлежность источников техногенеза (загрязнителей природной среды).

Выявите вместе с преподавателем на экскурсии по производственной территории все имеющиеся источники техногенеза и факты загрязнения окружающей среды. При этом установите: