🗊Презентация Ресурсная экологическая функция литосферы и её преобразование под влиянием техногенеза (часть 1)

Экологическая геология Тема 2. Экологические функции литосферы (часть 1)

Ресурсная экологическая функция литосферы и её преобразование под влиянием техногенеза Часть 1

Определение, значение и структура ресурсной экологической функции литосферы Под ресурсной экологической функцией литосферы мы понимаем, как уже показано ранее, роль минеральных, органических, органоминеральных ресурсов литосферы, а также ее геологического пространства для жизни и деятельности биоты как в качестве биоценоза, таки человеческого сообщества как социальной структуры. •Объектом изучения при таком подходе являются особенности состава и строения литосферы со всеми их компонентами, влияющими на возможность и качество существования биоты, а предметом – знания о сырьевом потенциале литосферы, пригодности ее пространства для проживания биоты (включая человека как биологического вида) и развития человечества как социальной структуры. •Ресурсная экологическая функция литосферы занимает лидирующее, положение по отношению к геодинамической, геохимической и геофизической функциям. Она не только определяет комфортность "проживания биоты", но и саму возможность ее существования и развития.

Ресурсы литосферы, необходимые для жизни биоты Ресурсы литосферы, необходимые для жизни биоты, включая человека как биологический вид, представлены четырьмя составляющими: •горными породами, включающими в себя элементы биофильного ряда – растворимые элементы, жизненно необходимые организмам и называемые биогенными элементами; •кудюритами – минеральным веществом кудюров, являющихся минеральной пищей животных – литофагов; •поваренной солью; •подземными водами.

Биофильные элементы литосферы Элементы и их соединения, требующиеся биоте в больших количествах, называют макробиогенными (углерод, кислород, азот, водород, кальций, фосфор, сера), а в малых количествах – микробиогенными. • Для растений – это Fe, Mg, Си, Zn, В, Si, Mo, CI, V, Ca, которые обеспечивают функции фотосинтеза, азотного обмена и метаболическую функцию. • Для животных требуются как перечисленные элементы (кроме бора), так и дополнительно селен, хром, никель, фтор, йод и олово. • Несмотря на малые количества, все эти элементы необходимы для жизнедеятельности биосистем, для реализации биогеохимических функций живым веществом

Средний химический состав белков, жиров и углеводов, %

Средний химический состав растения и человека, % сухого вещества

Минеральные биогенные комплексы-кудюриты Литофагия, или камнеедение ("литос" – камень, "фагос" – пожирание), известна давно. В животном мире это явление столь же обычное, как и традиционное питание. •Кроме пищевых и лечебных солей в природе существует большая группа алюмосиликатных и силикатных минералов, которые едят птицы, звери и люди. –На склонах холмов о. Суматра сложенных цеолитизированными и туфами, описаны пещеры размерами 3,5 × 7,5 м, которые "выскребли" слоны, добывая белую каменную пемзу (продукт выветривания туфов, обогащенный минералами с высокими сорбционными и ионообменными свойствами). Этими слоновыми раскопками пользовались и другие животные – орангутаны, гиббоны, олени и даже белки. –Во многих районах Африки существуют целые производства по приготовлению минеральной пищи. Так, в поселении Анфоэда (Гана) две тысячи рабочих до-бывают глину и изготавливают из нее лепешки для продажи, а жители деревни Узалла (Нигерия) съедают ежегодно 400-500 т "съедобной" глины. –В пределах активных тектонических разломов, на нефтегазоносных и угленосных площадях, где были зафиксированы относительно интенсивные истечения СО2 из недр, растительность существенно отличается от зональной. Она более "пышная" и более "южная".

Природа литофагии Литофагия — это естественная потребность диких животных в сбалансировании солевого состава организма, особенно в периоды сезонной смены пищи. •В основе литофагии лежит литотерапия, направленная на регуляцию солевого баланса организма. В качестве меню животные выбирают минеральные смеси, обладающие высокими ионообменными и сорбционными свойствами. •Последние и получили на Алтае название кудюриты от слова "кудур" – солонцовый грунт, солончак, солонец, которым издревле пользуются исконные скотоводы – алтайцы, монголы, манджуры и др. •В последние годы кудюриты стали использоваться в качестве добавок в корм домашних животных, что существенно увеличило их прирост и улучшило физическое состояние.

Поваренная соль Поваренная соль является типичным минеральным образованием, потребляемым биотой и, в первую очередь, человеком. По отношению к ней все – литофаги. • Жители Земли употребляют её в объеме 8-10 кг в год на человека. • С ресурсных позиций это минеральное образование является исключением из общего правила, так как в определенном объеме относится к категории возобновляемого ресурса. Поваренную соль получают либо из рассолов в зоне соляных залежей, либо собирают в местах естественного выпаривания соленой морской воды. Пока природные запасы поваренной соли в ресурсном отношении особой тревоги не вызывают. • Следует напомнить, что этот минеральный ресурс необходим человеку как биологическому виду. Поваренная соль активизирует некоторые ферменты, поддерживает кислотно-щелочное равновесие, она необходима для выработки желудочного сока. Отсутствие или недостаток соли в организме приводит к различным расстройствам: понижению артериального давления, мышечным судорогам, учащению сердцебиения и другим отрицательным последствиям. • Следует отметить, что, несмотря на практически неограниченные запасы поваренной соли, в конце 80-х годов потребность в ней населения Северной Евразии удовлетворялась только на 90%. Такое же положение сохранилось и до настоящего времени.

Подземные воды как ресурс литосферы, необходимый для жизни биоты С этих позиций экологическая значимость пресных подземных вод особых пояснений не требует. В.И.Вернадский показал, что живое вещество в течение всего 1 млн. лет пропускает через себя такое количество воды, которое равно по объему и количеству Мировому океану. Подземные воды, пригодные для питьевого водоснабжения, составляют 14% от всех пресных вод планеты. Однако они значительно превосходят по качеству поверхностные воды и в отличие от них гораздо лучше защищены от загрязнения, содержат микро- и макроэлементы, необходимые для организма человека, не требуют дорогостоящей очистки. Именно этим определяется их значимость как важнейшего источника питьевого водоснабжения, т.е. обеспечения водой человека как биологического вида.

Обеспеченность подземными водами •В настоящее время более 60% городов Российской Федерации имеют централизованные источники водоснабжения. В ресурсном плане использование подземных вод значительно ниже потенциальных возможностей и составляет порядка 5% (для водоснабжения) от потенци-альных ресурсов, оцениваемых в 230 км3/год. Однако сделанные оценки справедливы только для России в целом и существенно меняются при переходе к отдельным регионам. •Дефицит в питьевой воде в принципе обусловлен тремя основными факторами: –отсутствием достаточных ресурсов подземных вод в связи с природными при-чинами (зона многолетнемерзлых пород, широкое развитие относительно безводных толщ – Карелия, Мурманская, Кировская и Астраханская области); –интенсивной эксплуатацией и сработкой основных водоносных горизонтов (Средний Урал, зоны крупных городских агломераций); –техногенным загрязнением водоносных горизонтов, используемых для питьевого водоснабжения.

Примеры возникновения дефицита запасов подземных вод Наиболее впечатляющим примером таких катастрофических техногенных воздействий является Равнинно-Крымский артезианский бассейн. Интенсивная эксплуатация подземных вод для орошения, а также строительство и ввод в действие Северо-Крымского канала привели к засолению пресных подземных вод. За 30 лет эксплуатации водоносных горизонтов около 10 км3 пресной воды стало солоноватой. Невозможность использования подземных вод для хозяйственно-питьевого водоснабжения в результате загрязнения отмечается на участках складирования твердых бытовых отходов. Например, в районе полигона ТБО Щербинка Московской области загрязненные грунтовые воды с превышением ПДК по ряду компонентов в 100-130 раз проникли в подольско-мячковский водоносный горизонт каменноугольных отложений. В результате этого в водах горизонта увеличилось содержание хлоридов в 3-7 раз, сульфатов более чем в два раза, отмечено присутствие хрома и кадмия. Разработка месторождений твердых полезных ископаемых приводит к истощению эксплуатационных запасов подземных вод, что связано не только с отбором откачиваемых вод на разрабатываемом месторождении, но и с выходом из строя действующих водозаборов подземных вод. Наиболее крупные воронки-депрессии формируются в тех случаях, когда в обводнении горных выработок участвуют водоносные горизонты, имеющие региональное распространение. Так, длительная работа (начиная с 1956 г.) системы водопонижения вокруг месторождения КМА привела к смыканию депрессионных воронок вокруг Лебединского карьера и шахты им. Губкина. Уровни мелового водоносного горизонта были снижены на 20-25 м, из-за чего строительство следующего Стойленского карьера осуществлялось на первом этапе практически в обезвоженных породах. В настоящее время режим подземных вод района разработок нарушен по верхнемеловому горизонту в радиусе 40 км, а по докембрийскому – в радиусе 80 км, что делает экономически нецелесообразным использование подземных вод этого района для водоснабжения населения.

Минеральные ресурсы, их структура и человеческое общество Минеральные ресурсы представлены совокупностью выявленных в недрах скоплений (месторождений) различных полезных ископаемых, в которых химические элементы и образуемые ими минералы находятся в резко повышенной концентрации по сравнению с кларковыми содержаниями в земной коре, обеспечивающей возможность их промышленного использования. Все природные ресурсы представляют природные тела и вещества (или их совокупность), а также виды энергии, которые на конкретном этапе развития производительных сил используются или могут быть технически использованы для эффективного удовлетворения разнообразных потребностей человеческого общества. Структура минеральных ресурсов определяется целевым назначением их ис-пользования. Существует пять основных категорий минеральных ресурсов: –топливно-энергетические (нефть, конденсат, горючий газ, каменные и бурые угли, уран, битуминозные сланцы, торф и др.), –черные и легирующие металлы (руды железа, марганца, хрома, титана, ванадия, вольфрама и молибдена), –цветные металлы (руды меди, кобальта, свинца, цинка, олова, алюминия, сурьмы и ртути), –неметаллические полезные ископаемые (различные виды минеральных солей (фосфатные, калийные, натриевые), строительные (щебень, гранит и песок ) и другие материалы (самородная сера, флюорит, каолин, барит, графит, асбест-хризотил, магнезит, огнеупорная глина)), –подземные воды.

Принципиальная схема использования природных ресурсов литосферы в сфере

Роль и место минеральных ресурсов в социально-экономических и экологических вопросах развития материальной базы современного общества

О запасах минеральных ресурсов верхних горизонтов литосферы •Анализ оценки обеспеченности топливно-энергетическими ресурсами показывает, что наиболее дефицитным видом топлива является нефть, ее разведанных запасов хватит, по разным источникам, на 25-48 лет. Затем через 35-64 года истощатся запасы горючего газа и урана. Лучше всего обстоит дело с углем, его запасы в мире велики, и обеспеченность составляет 218-330 лет. •При этом следует учитывать, что в мировой обеспеченности жидкими энергоносителями есть существенные резервы, связанные с продуктивными залежами нефти и газа на шельфе Мирового океана. Перспективы России связаны с освоением шельфа арктических морей, где по оценкам специалистов содержится свыше 100 млрд т углеводородов в нефтяном эквиваленте. •Среди черных и легирующих металлов самую низкую обеспеченность имеют руды титана (65 лет) и вольфрама (от 10 до 84 лет по разным источникам). •Мировая обеспеченность цветными металлами в целом значительно ниже, чем черными и легирующими. Запасов кобальта, свинца, цинка, олова, сурьмы и ртути хватит на 10-35 лет. Обеспеченность России запасами меди, никеля, свинца составляет 58-89%, а сурьмы – всего 17-18% от среднемировой. На этом фоне исключение составляют запасы алюминия: при современном уровне потребления и добычи его запасов хватит еще на 350 лет. •Мировая обеспеченность ресурсами неметаллических полезных ископаемых в среднем составляет 50-100 лет и выше. Самыми дефицитными являются хризотил-асбест (мировая обеспеченность 54 года) и флюорит (мировая 42 года).

Мировая обеспеченность человеческого общества минеральными ресурсами

Отбор пресных подземных вод по основным экономическим районам России в км3/год на 1.1.1992 г.

Подземные воды как ресурс литосферы Обеспеченность ресурсами подземных вод в целом по России достаточно высокая. В связи с особой важностью рассмотрим несколько подробнее обеспеченность пресными, минеральными, термальными и промышленными водами. Пресные подземные воды. В соответствии с ГОСТом 2874-82 к ним относятся подземные воды с сухим остатком до 1 г/дм3 (в некоторых случаях – до 1,5 г/дм3). При расчетах обеспеченности ресурсами подземных вод учитываются невостребованные запасы подземных вод, срабатываемые в течение 50 лет. Таким образом, если допустить, что в течение последующих 50 лет общий отбор подземных вод увеличится в два раза и составит примерно 35-40 км3/год, то можно предположить, что общие эксплуатационные ресурсы подземных вод России, составляющие около 230 км3/год, в результате отбора невосполняемых запасов уменьшатся, примерно на 15-20 км3/год. Несомненно, что основной объем пресных подземных вод расходуется на питьевое водоснабжение. Однако определенная доля пресных подземных вод тратится на технические нужды, орошение пахотных земель и поливы пастбищ.

Обеспеченность минеральными водами территории бывшего СССР

Термальные воды К термальным водам относятся подземные воды, приуроченные к естественным коллекторам геотермальной энергии и представленные природными тепло-носителями (водой, паром и пароводяными смесями). Для практического использования термальные воды подразделяются на несколько классов: –низкопотенциальные (с температурой нагрева 20- 100оС) используются для теплотехнических нужд, –среднепотенциальные – для теплоснабжения, –высокопотенциальные (более для выработки электроэнергии. •Термальные воды с более высокой температурой (150-350°С) из-за технических трудностей обращения с ними пока не нашли своего применения. Обеспеченность России запасами термальных вод очень высокая. Из общего количества глубинного тепла, выделяемого термальными источниками в атмосферу, 86% приходится на Курило-Камчатскую область, около 7% – на область Байкальского рифта и лишь 8% – на все остальные мобильные области континентальной коры. Экологические аспекты освоения геотермальных ресурсов связаны с вероятностью теплового и химического загрязнения поверхностных слоев литосферы, так как термальные воды, помимо высокой температуры, характеризуются также повышенной минерализацией. Во избежание этого загрязнения разработана технология эксплуатации водоносных горизонтов с обратной закачкой в них использованных термальных вод.

Промышленные воды К промышленным водам относятся высокоминерализованные подземные воды глубоких (1500-3000 м) водоносных горизонтов. Из них в промышленных мас-штабах получают такие элементы, как натрий, хлор, бор, йод, бром, литий или их соединения (например, поваренную соль). Интерес к промышленному использованию вод глубоких водоносных горизонтов в качестве минерального сырья определяется расширением потребности в редких элементах в различных отраслях хозяйственной деятельности и истощением традиционного рудного сырья. В мире добывается из промышленных вод 90% от общей добычи брома, 85% – йода, 30% – поваренной соли, сульфида натрия, лития, 25% – магния, брома и т.д. Обеспеченность России подземными промышленными водами достаточно высокая. Они, как правило, приурочены к глубоким частям крупных артезианских бассейнов и др. выделены весьма перспективные на йод и бром районы в пределах Восточно-Европейской, Западно-Сибирской и Сибирской платформенных областей. Экологические аспекты разработки промышленных вод связаны с проблемой утилизации отработанных вод и вероятностью загрязнения вмещающих пород и дневной поверхности в процессе их добычи и переработки.

Определение и структура ресурсов геологического пространства •Под ресурсом геологического пространства подразумевается геологическое пространство, необходимое для расселения и существования биоты, в том числе для жизни и деятельности человека. •В общей систематике экологических функций литосферы структура ресурсов геологического пространства включает: место обитания биоты, место расселения человека, вместилище наземных и подземных сооружений, место захоронения и складирования отходов, включая высокотоксичные и радиоактивные. •Иной подход к структурированию ресурсов геологического пространства основан на подходе, позволяющием рассматривать литосферу в качестве места обитания и расселения разнообразных представителей флоры и фауны, включая человека как биологический вид, и в качестве пространства, активно осваиваемого человечеством как социальной структурой.

Общая структура ресурсов геологического пространства

Ресурсы геологического пространства и расширение инженерно-хозяйственной деятельности человечества •При рассмотрении литосферы в качестве среды инженерно-хозяйственной деятельности человека четко обособляются два пути оценки ресурсов геологического пространства: оценка "площадного" ресурса поверхности литосферного пространства и оценка ресурса подземного геологического пространства под различные виды его освоения. В каждом случае может быть много вариантов оценки применительно к различным видам инженерно-хозяйственной деятельности. •Первый из них – "площадные" ресурсы геологического пространства уже стали огромным дефицитом. В настоящее время человечеством освоено порядка 56% поверхности суши с тенденцией к дальнейшему нарастанию этого процесса. И если для ряда стран с большими земельными ресурсами проблема размещения промышленных, сельскохозяйственных и селитебных объектов еще не стала остро актуальной, то для небольших по площади государств с большой численностью населения она превратилась в важнейший экологический фактор социального развития. •Наиболее ярким примером является Япония, вынужденная для размещения промышленных объектов и зон отдыха засыпать прибрежные части морских акваторий и осуществлять строительство на насыпных грунтах.

Ресурсы геологического пространства и урбанизация •Особенно остро, даже в сравнительно благополучных с точки зрения общей территориальной обеспеченности странах, стоит вопрос дефицита площадей на урбанизированных территориях. Как правило, это касается столиц и крупных промышленных центров. •О темпах урбанизации красноречиво говорят следующие цифры: в начале XIX в. в городах мира проживало 29,3 млн человек (3% населения Земли), к 1900 г. – 224,4 млн (13,6%), к 1950 г. — 729 млн (28,8%), к 1980 г. — 1821 млн (41,1%), к 1990 г. – 2261 млн (41%). •Городское население Российской Федерации к началу 1990 г. составляло около 74%. •Доля городского населения в Европе составляет более 73%, в Азии — 31, Африке – 32, Северной Америке – 75, Латинской Америке – 72, в Австралии и Океании – 71%. •Всего в мире существует около 220 городов-миллионеров (более 1 млн жителей), самый крупный из которых – Мехико (9,8 млн). В Большом Лондоне 6,8 млн человек проживают на территории площадью более 1800 км2, в Москве на площади 1000 км2 проживает около 9 млн человек. •При такой плотности населения создается специфическая ресурсная картина, при которой в качестве пригодных под застройку начинают рассматриваться территории со сложными инженерно-геологическими и экологическими условиями (территории бывших свалок, шлако-золоотвалы и т.п.).

Ресурсы геологического пространства и сложные гражданские и промышленные объекты •Ресурсы геологического пространства под размещение большинства сложных инженерных сооружений, оказывающих большие давления на грунт (0,5 МПа и более), в частности, таких объектов, как тепловые электростанции (ТЭС), металлургические заводы, телевизионные башни, небоскребы, определяются наличием благоприятных инженерно-геологических условий в районе предполагаемого строительства. Эти сооружения в силу своей специфики, как правило, располагаются на хорошо освоенных территориях, часто в черте города или в непосредственной близости от него. Это предъявляет особые требования к их устойчивости и безопасности не только с инженерных, но и с экологических позиций. •Основная ресурсная (как и геохимическая экологическая) проблема, связанная с ТЭС – размещение золоотвалов, что близка к проблеме размещения отходов горно-обогатительной и горно-добывающей отраслей промышленности, рассматриваемой далее. Основные ограничения при выборе участка под атомные электростанции (АЭС): –высокая сейсмичность (более 8 баллов по шкале MSK-64); –наличие мощных (более 45 м) толщ просадочных, водорастворимых и разжижающихся грунтов; –наличие активных разломов, карста и других потенциально опасных экзогенных геологических процессов; –высокий уровень подземных вод (менее 3 м); –наличие хорошо фильтрующих грунтов и грунтов с низкой сорбционной емкостью мощностью более10 м. •Главной экологической опасностью АЭС является возможность радиоактивного загрязнения значительных площадей в аварийных ситуациях. Эти территории выпадают из любого использования на сотни, даже тысячи лет.

Ресурсы геологического пространства и гидротехническое строительство •Ярко выраженной спецификой с точки зрения необходимого ресурса геологического пространства обладает гидротехническое строительство. Ресурс пространства в первую очередь определяется наличием водотоков и участков с благоприятными инженерно-геологическими условиями на них. •Крупное гидротехническое строительство в значительной мере исчерпало ресурс геологического пространства, пригодного под эти цели, даже в России, богатой водными и территориальными ресурсами. Сток многих крупных рек нашей страны зарегулирован.

Площади затопления и количество перенесенных строений для отдельных крупных водохранилищ бывшего СССР

Ресурсы геологического пространства горно-добывающих регионов Остро стоит вопрос дефицита геологического пространства и в районах развития горно-добывающей и горно-перерабатывающей отраслей промышленности. Наиболее емкими в отношении отчуждения природного геологического пространства являются предприятия угольной промышленности: добыча 1 млн т топлива сопровождается отчуждением в среднем около 8 га земельных угодий. В горно-добывающих районах существенное нарушение территориального ресурса происходит за счет оседания земной поверхности над подземными выработками. Величины оседаний достигают в Московском угольном бассейне 3 м на площади км2, в Донбассе – 7 м на площади более 20 км2. Осадки могут продолжаться в течение 20 лет и иногда носят провальный характер. Существенный ущерб ресурсному потенциалу территорий наносит изменение гидрогеологических условий в результате законтурного водопонижения, шах-тного и карьерного водоотлива. Формирование крупных депрессионных воронок площадью до 300 км2 может не только нарушать принятую систему водоснабжения территории и приводить к оседанию земной поверхности, но и вызывать активизацию карстовых, суффозионных и провальных процессов.

Ресурсы геологического пространства и размещение отходов жизнедеятельности человеческого общества Многообразие отходов деятельности человеческого сообщества занимают огромные площади. Только в России суммарная их площадь на (1997), составляет более 500 тыс. га, а негативное воздействие отходов на окружающую среду проявляется на территории, в 10 раз превышающей указанную площадь. Большинство отходов активно взаимодействуют с окружающей средой (литосферой, атмосферой, гидросферой и биосферой). Продолжительность "агрессивного" (активного) существования отходов зависит от их состава. При хране-нии все отходы претерпевают изменения, обусловленные как внутренними физико-химическими процессами, так и влиянием внешних условий. В результате этого на полигонах хранения и захоронения отходов могут образоваться новые эколо-гически опасные вещества, которые при проникновении в литосферу будут пред-ставлять серьезную угрозу для биоты. Города – самые крупные производители отходов. Статистические данные по-казывают, что в условиях современной технологии при более высоком уровне эко-номического развития страны в ее границах образуется и большее количество от-ходов в расчете на душу населения. Средняя норма накопления мусора в развитых странах колеблется от 150-170 (Польша) до 700-1100 кг/чел. в год (США). В Москве ежегодно образуется 2,5 млн т твердых бытовых отходов (ТБО), а средняя норма "производства" ТБО на одного человека в год достигает примерно 1 м3 по объему и 200 кг по массе (для крупных городов рекомендуется норматив 1,07 м3/чел. в год).

Классификация отходов по происхождению

Радиусы негативного воздействия полигонов твердых бытовых отходов

Основные аспекты воздействия полигонов ТБО компоненты окружающей среды и человека

Радиусы негативного воздействия полигонов складирования отходов горно-добывающей и горно-перерабатывающей отраслей промышленности