Геоэкология. Геоэкология Голубев учебник. Учебник для студентов высших учебных заве дений. М. Издво геос, 1999. 338 с
 Скачать 2.02 Mb.
|
|
VIII. Литосфера. Влияние деятельности человека VIII.1. Строение Земли и литосфера 9 Основная по массе, твердая часть планеты Земля состоит из ядра, мантии и земной коры. В свою очередь, ядро разделяется на внутреннее и внешнее. Внутреннее ядро имеет радиус 1250 км, объем около 0,7% и массу около 1,2% всей Земли. Предполагает- ся, что оно является твердым телом, близким к состоянию плав- ления. Внешний слой ядра объемом 15,2% и массой 29,8% всей Земли располагается на глубинах 2900–5000 км. Считается, что он находится в расплавленно-жидком состоянии. Мантия располагается на глубинах менее 2900 км. Она делится на три слоя: нижнюю, среднюю и верхнюю. В верхней мантии, на глубинах порядка 60–250 км, преобладают базальты, находящиеся в состоянии расплава или близком к этому. В этом слое вязкость вещества и его прочность на два-три порядка величины меньше, чем вязкость и прочность вышележащего жесткого слоя. Слой пониженной вязкости называется астено- сферой (от греч. астенeс – слабый). Вышележащий жесткий слой, ограничивающий сверху твердую часть Земли, – это земная кора. Средняя плотность вещества коры 2,8 г/см 3 . Ее масса составляет 0,8% массы всей Земли. Средняя толщина земной коры около 30 км, с колебаниями от 4–6 км под срединными океаническими хребтами и некоторыми абиссаль- ными впадинами (от греч. слова абиссос – бездонный) до 55–70 км под молодыми складчатыми горами. В земной коре сверху вниз обособляются три слоя: осадочный, гранитный и базальтовый. В верхнем слое преобладают глины, 9 Для более углубленного изучения вопросов геологии и геоморфологии имеется ряд учебников. Можно рекомендовать, в частности, “Основы геологии” Короновского Н.В. и Якушовой А.Ф. М.: Высшая школа, 1991 и “Общая геоморфология” Леонтьева О.К. и Рычагова Г.И. М.: Высшая школа, 1988. глинистые сланцы, песчаные, карбонатные и вулканогенные по- роды. Толщина осадочного слоя изменяется от 20–25 км в глубоких впадинах до практически полного его отсутствия на кристаллических щитах. Средний слой земной коры состоит из пород, близких по своим свойствам к граниту (граниты, гнейсы, гранодиориты, диориты, кристаллические сланцы, амфиболиты). Он отсутствует под океанами, а на континентах его мощность достигает нескольких десятков километров. Базальтовый слой сложен кристаллическими породами основного состава, более плотными по сравнению с гранитным слоем. Под океанами его мощность составляет 2–7 км, а под континентами – 15–40 км. Строение земной коры весьма разнообразно, но выделяют два основных типа коры: континентальный и океанический. В типич- ном разрезе континентальной коры сверху лежат осадочные по- роды средней мощностью 3 км и плотностью 2,5 г/см 3 . Глубже следует гранитно-метаморфический слой средней мощностью 17 км и плотностью 2,6–2,8 г/см 3 . Под ним располагается базальто- вый слой средней мощностью 15 км и плотностью 2,9–3,3 г/см 3 . В типичном разрезе океанической коры средняя мощность рыхлых отложений составляет 0,7 км. Они лежат непосредственно на ба- зальтах. Земная кора и прилегающая к ней часть верхней мантии обра- зуют литосферу. Непосредственно под литосферой располагается астеносфера. В литосфере находятся очаги большинства земле- трясений, причем преимущественно в верхних 30 км. Самые верхние горизонты литосферы находятся в совместном и взаимосвязанном взаимодействии с другими геосферами. В ре- зультате такого взаимодействия на поверхности литосферы обра- зуется кора выветривания, – совместный продукт действия воды, воздуха и живых существ. На корах выветривания развиваются почвы. Мощность кор выветривания и их строение в целом под- чиняются закону географической зональности. В нивальном и аридном поясах мощность кор выветривания не достигает обычно и 10 м, при относительно простой ее структуре, в то время как в экваториальном поясе коры выветривания весьма сложно по- строены, история их развития продолжительна, а мощность мо- жет превышать 60 м. Верхние горизонты литосферы обычно не контактируют непо- средственно с атмосферой и гидросферой. На суше литосфера по- крыта чехлом почв (педосфера), растительности (биосфера) или же, особенно в холодных условиях, – льда и снега (криосфера). Лишь в пустынях литосфера непосредственно соприкасается с атмосферой, да и то сквозь кору выветривания. В то же время, сквозь почву и кору выветривания происходит активный газооб- мен между атмосферой и литосферой. В еще большей степени происходит взаимодействие между литосферой и природными водами таким образом, что подземные воды – это часть как гид- росферы, так и литосферы. Итак, самые верхние горизонты литосферы активно вовлечены во взаимодействие с другими сферами. Это взаимодействие дос- тигает максимума интенсивности у земной поверхности и умень- шается как книзу, так и кверху. Оно еще более усиливается по мере возрастания роли человека. Нижняя граница экосферы размыта и постепенно с глубиной сходит на нет. Активная деятельность человека (карьеры, шахты, подземные хранилища, объекты гражданского и гидротехниче- ского строительства, свалки и пр.) охватывает в литосфере пре- имущественно верхние несколько десятков метров, плавно уменьшаясь с глубиной, хотя отдельные особо глубокие карьеры, шахты и скважины выделяются из общей картины. Один из самых глубоких в мире открытых карьеров – разработки медной руды Бингем Кэньон в штате Юта в США. Глубина карьера – 774 м, площадь – 7,2 км 2 , а масса удаленного из карьера грунта – 3,4 млрд. т. В России глубина карьера на Коркинском разрезе на Урале составляет 520 м. Значительны по глубине и площади многие другие карьеры и разрезы как в нашей стране, так и в мире, образующие горно-промышленные территории (КМА, КАТЭК и др.). Отдельные шахты проникают до глубины 4 км. Буровые сква- жины также достигают глубин в несколько тысяч метров, а самая глубокая в мире, на Кольском полуострове, запроектирована на 15 км в глубину и превысила отметку 12 км. Многочисленные и обширные карьеры, в которых добываются уголь, железная руда, руды других металлов, строительные мате- риалы и другие полезные ископаемые широко распространены на всех обитаемых континентах. Всего в мире за год из поверхност- ного слоя литосферы извлекается и перерабатывается более 1000 млрд. т минерального сырья. Добывается около 400 видов полез- ных ископаемых, обеспечивающих около 90% сырья для тяжелой промышленности. Около 98% добываемых в литосфере материалов уходит в от- валы, и лишь не более 2% утилизируется человеком, да и то на относительно краткое время пользования данным продуктом. Иными словами, производится колоссальная антропогенная рабо- та по перемещению материала в верхней части литосферы. Это в сильной степени затрагивает как экосферу в целом, так и отдель- ные ее части. Вопросы антропогенного преобразования верхних этажей лито- сферы относятся к категории универсальных. Они встречаются во многих местах Земли, и в совокупности представляют собой весьма распространенную проблему экологической геологии. По всей видимости, самая серьезная геоэкологическая пробле- ма, касающаяся литосферы – антропогенная интенсификация эк- зогенной части большого “геологического” цикла, или цикла эро- зии-седи-ментации. VIII.2. Большой круговорот вещества и роль в нем человека Взаимодействие литосферы с атмосферой, гидросферой и био- сферой происходит в рамках глобального круговорота (цикла) вещества. Продукты коры выветривания, разрушающейся в ре- зультате действия комплекса природных факторов, перемещают- ся под действием силы тяжести, преимущественно при участии воды, а также ветра, ледников и других агентов. На поверхности Земли, в каждой ее точке взаимодействуют процессы накопления или расходования вещества. Эти процессы называются экзоген- ными. С другой стороны, процессы в недрах Земли (эндогенные про- цессы) приводят в конечном итоге к вертикальным и(или) гори- зонтальным тектоническим движениям и к проявлениям вулкани- ческой деятельности, сопровождающейся выносом на дневную поверхность и в верхние горизонты литосферы большого количе- ства твердого материала. Результирующая в каждой точке, то есть алгебраическая сумма величин опускания или поднятия отметки поверхности Земли, есть следствие взаимодействия экзогенных и эндогенных процес- сов, формирующих рельеф Земли. В областях преимущественного накопления твердого материала осадочные и вулканогенные отложения постепенно погружаются. По мере погружения, в течение геологически длительного време- ни они подвергаются воздействию весьма значительного и увели- чивающегося с глубиной давления и температуры, а также глу- бинных растворов, и таким образом метаморфизуются. Часть магмы, образующейся в результате этих процессов, прорывается ближе к земной поверхности и преобразуется в кристаллические породы. Вулканогенные породы отлагаются в виде как глубин- ных интрузий, так и лав, излившихся на дневную поверхность. В областях горообразования вертикальные тектонические движения воздымают кристаллические и метаморфизованные породы на большие высоты, тем самым обеспечивая потенциальную воз- можность их денудации, разрушения и сноса. В самом верхнем этаже земной коры (зоне гипергенеза) кристаллические породы разрушаются, снова формируя коры выветривания и тем самым замыкая цикл. Этот круговорот отличается весьма малыми, с тос- ки зрения геологии, скоростями процессов с характерным време- нем в миллионы и десятки миллионов лет. Большой цикл вещества (иногда называемый большим геоло- гическим круговоротом) – один из важнейших процессов Земли как системы, вовлекающих в нее глубинные сферы нашей плане- ты. Однако лишь часть геологического цикла, преимущественно экзогенные процессы, относится к области интересов геоэколо- гии. Они развиваются преимущественно у дневной поверхности и ограничены десятками или первыми сотнями метров в глубину, то есть теми слоями, куда достигает деятельность человека и ее последствия. По-видимому, человек пока в малой степени влияет на эндо- генные процессы, хотя и имеются отдельные признаки или пред- положения о таком влиянии. Наиболее известны факты усиления сейсмической активности после строительства крупных водохра- нилищ. В то же время многие экзогенные процессы, преимущест- венно процессы денудации и сноса, находятся под сильным влия- нием деятельности человека. Рассмотрим важнейшую, с точки зрения геоэкологии, часть большого цикла вещества, относящуюся к литосфере в пределах суши. Если учитывать основные компоненты уравнения баланса массы всего объема суши, находящейся выше уровня Мирового океана, то оно выглядит, за длительный интервал времени, сле- дующим образом: ∆М = S + D ± V + I + А - G - W - В - F - K + С Здесь ∆М – изменение массы всего выделяемого объема суши; S – сток наносов (взвешенных и влекомых) с суши в океан; D – сток растворенных веществ с суши в океан; V – баланс вещества, уносимого с суши и приносимого на сушу ветром; I – вынос ве- щества в океан покровными ледниками; А – разрушение (абразия) вещества в прибрежной зоне с выносом его в океан; G – аккуму- ляция продуктов вулканической деятельности на суше; W – свя- зывание газообразного вещества атмосферы при процессах вы- ветривания; В – биогенная аккумуляция вещества; F – приток вещества на сушу из более глубоких горизонтов литосферы в виде растворов и газов; К – приток вещества из космоса и потери его в космическое пространство; С – сжигание минерального топлива человеком. В этом уравнении рассматривается весь массив суши в целом, находящийся над базисом эрозии, за который принимается сред- няя поверхность океана. Вертикальные тектонические движения в данном уравнении не учитываются, так же как и изменения уров- ня океана. Передвижение масс твердого материала, в основном гравитационное, происходит внутри массива суши, не влияя на окончательный результат. Гравитационные перемещения мате- риала в результате процессов в пограничной (экотонной) зоне суша-океан учитываются составляющей А. Сток наносов рек мира в океан (S) оценивался многими автора- ми, и крайние оценки различаются в 3–4 раза. Наиболее вероят- ная величина находится в пределах 18–22 млрд. т в год. Круп- нейший специалист по речным наносам Д.Уоллинг (Англия) счи- тает, что эта величина равна 20 млрд. т в год. Реками выносятся в океан в основном взвешенные наносы, так что доля влекомых на- носов в общем твердом стоке рек составляет не более нескольких процентов. Сток растворенных веществ реками мира в океан (D) оценива- ется в 3 млрд. т в год. (В связи с невысокой точностью, величины компонентов уравнения баланса вещества суши даются с округ- лением до 1 млрд. т в год). Баланс эоловой (ветровой) денудации- аккумуляции (V) оценивается в 2–4 млрд. т в год выноса материала с континентов на поверхность океана. Примем в среднем величину 3 млрд. т. Величина выноса твердого мате- риала в океан в результате ледниковой денудации (I) оценивается в 2 млрд. т в год. Абразия морских берегов с выносом материала в океан (А) меньше рассмотренных выше составляющих и, по весьма приближенной оценке, не превышает 1 млрд. т в год. Вынос лавы и пепла на поверхность суши при извержениях вулканов (G) составляет приблизительно 1–2 млрд. т в год. По- роды, сформировавшиеся в недрах Земли, достигают в процессе большого круговорота вещества верхних слоев литосферы, где они подвергаются процессу выветривания, вступая в химические реакции с кислородом, углекислым газом и водой. В результате масса вновь формирующихся пород (W) увеличивается примерно на 1 млрд. т в год. При образовании карбонатных осадочных пород из атмосферы поглощается углекислый газ, и таким образом масса осадочных пород увеличивается (В). Среднее содержание соединений угле- рода в осадочных породах Земли составляет 0,2–0,95% по весу. Величина биогенной аккумуляции в массиве всей суши мира – 1 млрд. т в год. Интенсивность поступления вещества из космоса (К) пренеб- режимо мала: на 3–4 порядка меньше интенсивности обсуждав- шихся выше процессов преобразования земного вещества и пото- му в дальнейших расчетах не учитывается. Процессы и величины сжигания топлива человеком (С) под- робно обсуждались в разделе, посвященном климату и его изме- нениям. Напомним, что в атмосферу поступает (а литосферу, сле- довательно, покидает) вследствие сжигания горючих ископаемых 5,5 ±0,5 млрд. т углерода в год. Результат анализа компонентов баланса минерального вещест- ва для массива суши мира приводится в табл. 15. Таблица 15. Баланс минерального вещества суши мира, млрд. т в год Расход Твердый сток (S) 20 Сток растворенных веществ (D) 3 Вынос ветром (V) 3 Вынос с ледниками (I) 2 Вынос за счет абразии морских берегов (А) 1 Сжигание горючих минеральных ископаемых (С) 6 Всего: 35 Приход Накопление продуктов вулканической деятельности (Vl) 1-2 Увеличение массы суши при процессах выветривания (W) 1 Биогенная аккумуляция . 1 Всего: 4 Как видим, денудация и снос с суши мира за текущий период геологической истории Земли значительно преобладают над ак- кумуляцией. Основную роль в сносе вещества играют текучие воды, переносящие речные наносы и растворенные вещества. В сумме они составляют около 2/3 всего выноса материала. Очевидно значительную роль в преобразовании наземной части верхних горизонтов литосферы играет деятельность человека. В разделе, посвященном педосфере и земельным ресурсам, мы уже отмечали, что эрозия и сток наносов заметно увеличились вслед- ствие усиления антропогенных факторов. Изучение осадков в центральной части Черного моря показало, что сток наносов в море увеличился в последних 2000 лет втрое. Эта ситуация харак- терна для многих речных бассейнов мира со значительной антро- погенной нагрузкой. Сток растворенных веществ также увели- чился. Наконец, имеется новый, весьма заметный и быстро уве- личивающийся, полностью антропогенный компонент баланса литосферы – сжигание минерального топлива. Таким образом оказывается, что человек играет ведущую роль в денудации и сносе твердого материала с суши, причем эта роль может быть оценена в 60% от общей величины денудации. VIII.3. Антропогенные воздействия на неблагоприятные экзогенные процессы Эрозия и седиментация играют выдающуюся роль в наземном, экзогенном звене большого (геологического) цикла вещества. В разделе, посвященном педосфере, уже говорилось о решающем влиянии сельского хозяйства на увеличение эрозии почв. Оценки автора показали, что вследствие распашки земель эрозия почвы увеличилась не менее чем в пять раз по сравнению с естествен- ным смывом почвы. Если все пригодные к земледелию почвы бу- дут распаханы, то почвенная эрозия еще увеличится, но всего лишь в 1,7 раза по сравнению с настоящим временем. Этот вывод указы- вает также на то, что эрозия почв – в большей степени проблема современности, чем будущего. Поскольку основные резервы земель под пашню располагаются в пределах экваториального, субэкваториального и тропического поясов, именно там можно ожидать дальнейшего увеличения эро- зии, если эти земли действительно будут когда-либо распаханы. О проблемах, связанных с дальнейшим освоением земель под сельское хозяйство в тропиках мы уже говорили выше. Наибольшее увеличение эрозии почв вследствие распашки зе- мель отмечается в районах достаточного увлажнения умеренного пояса, где она выросла более чем в 30 раз по сравнению с естест- венным процессом эрозии. В этих районах почти не осталось ре- зервов пахотных земель, и потому это проблема настоящего вре- мени, причем весьма острая. Переход наименее продуктивной пашни в залежные земли, характерный для некоторых развитых стран, приводит к снижению эрозии почв и стока наносов. Анализ данных по стоку наносов 3600 рек мира, выполненный А.П.Дедковым и В.Т.Мозжериным, указывает на значительное антропогенное усиление стока наносов (табл. 16). Таблица 16. Увеличение стока наносов рек мира в связи с деятельностью человека в бассейне, число раз (по А.П.Дедкову и В.Т.Моз-жерину, 1984) Малые бас- сейны (<5000 кв. км) Большие бассей- ны (>5000 кв. км) Все бассей- ны Равнинные реки (N = 1854) 13,0 8,1 10,0 Горные реки (N = 1811) 2,2 3,8 2,8 Водохранилища мира, заполняемые наносами рек, теряют еже- годно около 1% своего объема, или примерно 50 куб. км в год. С другой стороны, сток наносов рек в океан снижается благо- даря поглощению наносов водохранилищами. Например, Асуан- ское водохранилище поглощает около 100–130 млн. т наносов в год, и в нижний бьеф (то есть ниже плотины) поступает менее 2% наносов, приходящих в водохранилище. Пониженное содержание наносов ниже Асуанской плотины приводит к усиленной русло- вой эрозии Нила. За первые восемь лет существования плотины русло Нила в нижнем бьефе врезалось на 40–80 см. Вследствие пониженного стока наносов, а также некоторого повышения уровня океана за последнее столетие, баланс вещества дельты Нила отрицательный. В результате внешний край дельты отсту- пает, и теряются драгоценные и столь необходимые Египту сель- скохозяйственные земли. С начала ХХ столетия расположенные на внешнем краю дельты мыс Росетта и мыс Дамиетта отступили соответственно на 2,5 и 3,0 км. Благодаря действиям по охране почв, переводу части пашни в залежи и строительству водохранилищ, сток наносов р. Миссиси- пи в устье сократился за последние 50 лет вдвое, с соответствую- щим сокращением дельты. По тем же причинам сток наносов р. Колорадо с 1935 г. уменьшился со 150 млн. т в год до 100 млн. т. С другой стороны, сток наносов р. Хуанхэ в Желтое море про- должает увеличиваться несмотря на новые водохранилища. По-видимому, общая мировая картина антропогенного измене- ния стока наносов рек в Мировой океан неоднозначна. Похоже, что в некоторых регионах мира рост стока наносов вследствие увеличения антропогенной эрозии почв компенсируется аккуму- ляцией наносов в водохранилищах, тогда как в других регионах сток наносов продолжает увеличиваться. Надо также иметь в виду, что увеличение эрозии почв и транспорта материала внутри бас- сейнов рек может не полностью отражаться в росте стока наносов рек из-за значительного переот-ложения и накопления рыхлого ма- териала в пределах бассейна. В целом, вероятно, можно говорить о некотором увеличении стока наносов рек в Мировой океан, и о не- обходимости дальнейших исследований. Увеличивающаяся доля сжигания органических веществ в ба- лансе наземной части литосферы, рост стока растворенных ве- ществ и увеличение стока наносов внутри континентов предопре- деляют усиление взаимосвязи между литосферой (ее верхними этажами) и другими геосферами. Глобальные антропогенные воздействия в литосфере проявля- ются также, наряду с процессами эрозии, в усилении интенсивно- сти и повторяемости неблагоприятных экзогенных процессов, та- ких как оседание и провалы на поверхности земли, оползни, оп- лывины и сели. Оседания и провалы грунта. Разумеется, не все проседания вы- званы действиями человека. Достаточно вспомнить карстовые и суффозионные воронки естественного происхождения. Однако действия человека, такие как откачка воды, нефти или других жидкостей из горных пород, подземные выработки, уплотнение осадочных пород, протаивание мерзлых грунтов и многие другие, делают эти явления чаще встречающимися и более интенсивны- ми. Известны случаи провалов крупных сооружений, например жилых домов, сопровождавшихся человеческими жертвами. Многолетние откачки воды для нужд местных жителей непосредственно под населенными пунктами приводят к постепенному, но зачастую значительному проседанию поверхности земли в городах. Откачки обычно не компенсируются притоком воды с поверхности в результате ее использования и протечками из водоразводящих систем. В результате в крупных городах, стоящих на осадочных породах, таких как Мехико, Бангкок, Токио и многих других, просадки распространяются на большие площади и достигают 8–10 м, а в отдельных случаях и больше. Москва также подвержена значительной опасности крупных просадок грунтов в результате неблагоприятных инженерно-геологических условий, осложняемых антропогенной деятельностью. Города часто расположены на приустьевых равнинах, едва воз- вышающихся на уровнем моря, и проседание грунта на несколько метров вызывает необходимость защиты городских кварталов от затопления. Оседание поверхности земли начинается с локальных очагов, но постепенно охватывает площади до 10–15 тыс. кв. км при по- нижении поверхности со скоростью до 20 см/год, достигая глуби- ны 7–9 м. Оседания грунта очень разнообразны как по причинам, так и по характеру их проявления. Всемирный ущерб может быть оценен миллиардами долларов ежегодно. Среди результатов – разрушенные плотины, испорченные железные и автомобильные дороги, ставшие ненадежными мосты, потрескавшиеся здания, деформированные оросительные каналы и т.п. Обвалы и оползни – другая категория неблагоприятных явлений экзогенного происхождения. Устойчивость склонов зависит не только от конкретных инженерно-геологических и геоморфоло- гических условий места, но также и от состояния природной сре- ды большей территории, включающей проблемный участок. Со- ответственно и методы предотвращения неприятной проблемы должны быть комбинацией локальных, конкретных решений в сочетании с более широкими, ландшафтоведческими подходами. Сели требуют для своего возникновения в селевом бассейне комбинаций трех основных условий: достаточного количества рыхлого материала и воды при значительном уклоне. Частота и размеры селей в некоторой степени зависят от деятельности че- ловека. Основной канал антропогенного воздействия – накопле- ние рыхлого материала, доступного действию воды. Факторами усиления селеобразования может быть вырубка лесов, подрезка склонов дорогой, трубопроводом или другими инженерными со- оружениями. Однако важнейший фактор – усиление взаимодействия чело- века и природы. Например, во многих горных районах Средней Азии (Памиро-Алай, Тянь-Шань) частота селей, приносящих ущерб, увеличилась. Это связано не с природными факторами, а с ростом численности населения при ограниченности территорий, пригодных для жизни, что заставляет людей селиться на границах потенциально селеопасных зон. Таким образом, действует старая истина: “Опасность увеличивается, когда в горы приходит чело- век”. |