Техногенные процессы и явления

Ф.В. Котловым выделяются следующие классы антропогенных геологических процессов и явлений.

1. Геотермические, вызванные изменением термического поля городов.

2. Гидрогенные, вызванные изменением подземной гидросферы.

3. Гравитационные, вызванные статическими нагрузками.

4. Литогеодинамические, вызванные динамическими нагрузками.

5. Субтерральные (подземные), вызванные добычей полезных ископаемых и подземным строительством.

6. Антропогенный литогенез.

Все эти процессы развиваются избирательно, направленность и закономерность их формирования контролируется тремя факторами: регионально-геологической средой, зонально-климатическими условиями и характером воздействий человека на среду (профилем, экономикой и историей города).

Лекция 2

Геологическая среда. Состав и свойства геологической среды. Экосистемы и их особенности.

Геологическая среда, согласно определению Е.М. Сергеева – это «любые горные породы и почвы, слагающие верхнюю часть земной коры, которые рассматриваются как многокомпонентные системы, находящиеся под воздействием инженерно-хозяйственной деятельности человека, в результате чего происходит изменение природных геологических и возникновение новых антропогенных процессов, что в свою очередь, вызывает изменение инженерно-геологических условий определённой территории».

Состав и свойства геологической среды.

Главнейшим компонентом геологической среды являются горные породы. Они слагают массивы, содержащие не только твёрдые минеральные и органические компоненты, но и газы, подземные воды, макро- и микроорганизмы. Состояние горных пород и фазовый состав воды могут отличаться как талыми и не мерзлыми, так и находиться в состоянии многолетней мерзлоты. Кроме того, в геологическую среду входят объекты, созданные в пределах литосферы человеком и рассматриваемые как антропогенные геологические образования – техногенные образования (шлаки, шламы, золы, дражные отвалы и т.д.). Состояние и закономерности развития геологической среды определяются взаимодействием всех компонентов.

Таким образом, геологическая среда представляет собой комплексную оболочку, включающую в себя горные породы, подземные воды, биоту, различные геофизические поля (гравитационное, сейсмическое, электромагнитное, геотемпературное и т.д.). Верхняя граница геологической среды – земная поверхность, через которую происходит энергообмен с атмосферой, гидросферой и биосферой, а также техносферой. Характер этого обмена обусловлен состоянием атмосферы, граничащей с поверхностью Земли (режим воды, климат и микроклимат), водными объектами, растительностью, элементами техносферы, рельефом, почвами и подпочвенным слоем пород. В совокупности эти элементы составляют то, что называется ландшафтом. Нижняя граница в естественных условиях, как правило, подошва зоны свободного водообмена подземных вод, в нарушенных – поверхность, ограничивающая глубину проникновения техногенных нарушений геологической среды.

Свойства геологической среды. Важнейшим свойством геологической среды является её изменчивость как всеобщее свойство материи (её изменчивость в пространстве и во времени), отражающее текущее её развитие (эволюцию). Изменение геологической среды во времени, фиксируемое как изменение её элементов, их отношений (структур) и свойств, есть геологический процесс развития Земли и причина нестационарности ряда физических полей.

При исследовании пространственной изменчивости принимается допущение о неизменчивости структуры и свойств геологической среды в физическом времени.

Свойства геологической среды определяют основные требования к информации, необходимой для анализа её изменения при техногенном воздействии на всех стадиях проектной и производственной деятельности.

На состояние геологической среды, в частности на направление и скорость протекания ней процессов, оказывает большое влияние ряд внешних, по отношению к ней, факторов. Характер и масштабы подобного влияния зависят как от параметров самой среды, так и от природы, направленности и интенсивности внешних факторов.

Влияние атмосферы на геологическую среду можно разделить на прямое и косвенное. П о д п р я м ы м в л и я н и е м следует понимать воздействие воздушных масс, контактирующих с земной поверхностью и вызывающих выветривание, дефляцию, вообще перемещение пород (например, при ураганах, тайфунах, смерчах и т.д.). П о д к о с в е н н ы м в л и я н и е м следует понимать воздействие воздушных масс на гидросферу и биоту, изменяющие характер их взаимодействия с геологической средой (например, усиление волновой переработки берегов под воздействием ветра, изменение почв и подстилающих пород, в результате гибели леса, вызванной ветроповалом). Сюда же следует отнести и воздействия, вызванные транспортирующей ролью атмосферы: переносам тепла, осадков, загрязнений, усилением или ослаблением транспирации в зависимости от силы и направления ветров.

Поверхностные воды оказывают на ГС ещё большее воздействие. Почти все экзогенные процессы происходят при участии поверхностных вод и их интенсивность зависит наряду с характеристиками самой ГС от водного баланса территории. Подземные воды часто прямо связаны с поверхностными водами.

К о с в е н н о е в л и я н и е п о в е р х н о с т н ы х в о д осуществляется в первую очередь через их влияние на атмосферные процессы (нагревание и охлаждение воздушных масс, насыщение их водой и т.д.). В связи с техногенным воздействием следует сказать также и о переносе загрязнённых веществ водными массами. В качестве существенного комплексного процесса подобного рода можно привести факт отложения солей тяжёлых металлов на границах водных масс различной солёности. Косвенное воздействие может проявляться также и в чувствительности ГС к некоторым факторам, например, повышению сейсмичности в районах воздействия крупных водохранилищ.

В л и я н и е б и о к о н т у р а на ГС проявляется, прежде всего, в почвообразующем воздействии на материнскую породу. Ассимиляция из атмосферы СО₂, N и других веществ, приводящих к образованию биогенных отложений, также оказывает влияние на состояние ГС, однако в более крупных масштабах. Все эти воздействия, связанные с энерго- и массообменом, являются прямыми. Косвенное воздействие биоты происходит через гидросферу и атмосферу. Здесь можно указать на роль растительности в охране малых рек умеренного пояса, в создании более мягкого микро- и макроклимата, в поддержании химического состава атмосферы.

Во всех перечисленных случаях можно выделить р е г и о н а л ь н ы е и л о к а л ь н ы е воздействия атмо-, гидро- и биоконтуров на ГС. В качестве примера регионального воздействия можно привести образование пустынь, связанное со спецификой водной и атмосферной циркуляции, на западных побережьях Южной Америки и Южной Африки. Локальные воздействия обычно ограничены более мелкими неоднородностями внешних факторов, соответствующих ландшафту и экосистеме. Разнообразие локальных воздействий значительно выше и теоретически почти бесконечно.

Таким образом, при прогнозировании изменений геологической среды необходимо учитывать факторы атмо-, гидро- и биосферы. Существующая информация о состоянии атмо- и гидросферы достаточно обширна, подробна и собирается в режиме мониторинга. Важнейший вопрос заключается в том, чтобы отобрать те показатели, которые связаны с изменением ГС функциональной зависимостью. Очевидно также, что эти показатели будут различными в разных климатических и геологических условиях. При их сборе следует учитывать:

1. преобладающие в районе неблагоприятные геологические и инженерно-геологические процессы;

2. наиболее опасные (по экспертной оценке) явления в атмосфере и гидросфере;

3. устойчивость существующих экосистем и их наиболее уязвимые элементы.

Наиболее важными показателями геологической среды являются характеризующие её состав, строение и динамику. Их совокупность определяет характер и степень изменения ГС в результате техногенной деятельности человека.

Экосистемы и их особенности

С о с т а в и с т р у к т у р а э к о с и с т е м. Для решения экосистемных проблем глобального уровня прежде всего нужно изучать экосистемный уровень организации жизни. Термин экосистема был предложен в 1935 г. английским экологом А. Тэнсли. Однако только в конце ХХ века, когда была разработана общая теория систем, утверждается термин экосистема.

Э к о с и с т е м а – это низкоорганизационная система, в которой биологический компонент представлен биоценозом, а абиотический – биотопом.

Б и о ц е н о з – это совокупность популяций, которая функционирует в определенном пространстве абиотической среды – б и о т о п е. Структура биоценоза формируется потоком энергии и круговоротом веществ в экосистеме. Биоценоз и биотоп функционируют как единое целое.

БИОЦЕНОЗ + БИОТОП = ЭКОСИСТЕМА

Состав экосистемы представлен двумя группами компонентов: абиотическими – компонентами неживой природы и биотическими – компонентами живой природы.

А б и о т и ч е с к и е к о м п о н е н т ы – это следующие основные компоненты неживой природы:

• неорганические вещества и химические элементы, участвующие в обмене веществ между живой и мёртвой материей (диоксид углерода, вода, кислород, кальций магний, калий, натрий, железо, азот, фосфор, сера, хлор и др.);

• органические вещества связывающие абиотическую и биотическую части экосистем (углеводы, жиры, аминокислоты, белки, гуминовые вещества и др.);

• воздушная, водная и твёрдая среда обитания;

• климатический режим и др.

Биотические компоненты состоят из трёх функциональных групп организмов

БИОТИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ ЭКОСИСТЕМЫ: ПРОДУЦЕНТЫ, РЕДУЦЕНТЫ, КОНСУМЕНТЫ

1. Продуценты (производящий, создающий)

Ф о т о а в т о т р о ф ы – используют в качестве источника энергии солнечный свет, а в качестве питательного материала – неорганические вещества, в основном СО₂ и Н₂О.

К этой группе организмов относятся все зелёные растения и некоторые бактерии. В процессе жизнедеятельности они синтезируют на свету органическое вещество углеводы или сахара (СН₂О)_п: СО₂ + Н₂О = (СН₂О)_п + О₂

Х е м а в т о т р о ф ы используют энергию, выделяющиеся при химических реакциях. К этой группе принадлежат натрифицирующие бактерии, окисляющие аммиак до азотистой а затем и азотной кислоты

2NH₃ + 3O₂ = 2NHO₂ + 2H₂O + Q

2HNO₃ + O₂ = 2HNO₃ + Q

Химическая энергия (Q), выделенная при этих реакциях, используется бактериями для восстановления СО₂ до углеводов.

2. Редуценты (возвращающий). Участвуют в последней стадии разложения – минерализации органических веществ до неорганических соединений (СО₂ и Н₂О и др.). Редуценты возвращают в круговорот, превращая их в формы, доступные для продуцентов. Это, главным образом, микроскопические организмы (бактерии, грибы и др.).

3. Консументы (потреблять) или гетеротрофные организмы. Осуществляют процесс разложения органических веществ. Эти организмы используют органические вещества в качестве источника питательного материала и энергии.

Ф о т о т р о ф ы – питаются непосредственно растительными или животными организмами (крупные животные).

С а п р о т р о ф ы – используют для питания органику первых остатков.

Функционирование экосистемы обеспечивается взаимодействием трёх составляющих:

• Сообщества;

• Потока энергии

• Круговорота веществ.

Поток энергии направлен в одну сторону, часть её преобразуется автотрофами в органическое вещество, небольшая часть энергии, проходя через экосистему, покидает её в виде тепловой энергии.

В отличие от энергии, элементы питания и вода могут использоваться многократно. Размеры импорта и экспорта элементов питания варьируют в зависимости от типа, размера, и возраста экосистемы.

Все экосистемы в составе биосферы являются открытыми, они должны получать энергию, вещества и организмы из среды на входе и отдавать в среду на выходе экосистемы.

Часто экосистему выделяют внутри естественных границ, например, границей озера служит береговая линия, а границами города - административная граница. Но эти границы могут быть и условными. Экосистема не может быть герметичной, так как её живое сообщество не вынесло бы такого заселения.

Пространственная структура экосистем обусловлена тем, что автотрофные и гетеротрофные процессы обычно разделены в пространстве. Первые активно протекают в верхних слоях, где доступен солнечный свет, а вторые интенсивнее в нижних слоях (почвах, донных отложениях).

Поэтому в природных экосистемах выделяют два яруса: в е р х н и й, автотрофный ярус или «зелёный пояс» Земли, который включает растения или их части, содержащие хлорофилл. Здесь преобладает фиксация света.

Н и ж н и й, гетеротрофный ярус или «коричневый пояс» Земли, представлен почвами и донными осадками, в которых преобладают процессы разложения мёртвых органических остатков растений и животных.

С в о й с т в а и ф у н к ц и и э к о с и с т е м.