Минеральные ресурсы литосферы. Ресурсная функция литосферы. Радиусы негативного воздействия полигонов складирования отходов горно-добывающей и горно-перерабатывающей отраслей промышленности

Ресурсная функция

Ресурсная функция верхних горизонтов литосферы заключается в ее потенциальной способности обеспечения потребностей биоты (экосистем) абиотическими ресурсами, в том числе и потребностей человека теми или иными полезными ископаемыми, необходимыми для существования и развития человеческой цивилизации. (Королев, 1996; Трофимов, Зилинг, 2000, 2002).

Ресурсная функция является базовой в системе «литосфера-биота», так как с ней связаны не только условия жизни и эволюции биоты, но и сама возможность ее существования.

Данная функция определяет роль ресурсов (минеральных, органических, и органо-минеральных) для жизни и деятельности биоты как в качестве биогеоценоза, так и социальной структуры. Ресурсная функция литосферы обусловливает значение минерального, органического и ее органоминерального сырья, составляющего основу для жизнедеятельности биоты как в качестве биогеоценозов, так и антропогеоценоза (Ясаманов, 2003).

По мнению В.Т. Трофимова и др. (2000), она включает следующие аспекты:

· ресурсы,необходимые для жизни и деятельности биоты,

· ресурсы,необходимые для жизни и деятельности человеческого общества,

· ресурсы, как геологическое пространство, необходимое для расселения и существования биоты, в том числе и человеческого общества.

Первые два аспекта связаны с минерально-сырьевыми ресурсами, а последний, - с экологической емкостью геологического пространства, в пределах которого происходит жизнедеятельность организма.

С позиций биоцентризма потребности человека не должны вступать в противоречие с потребностями биоты в целом. Среди природных ресурсов на Земле по их значимости для развитых государств на первом месте стоят энергоресурсы. При современном уровне развития промышленности в мире технологическая энергетика создает и трансформирует огромное, если рассматривать планету в целом, количество энергии. Около 70% добываемых полезных ископаемых в мире составляют энергоресурсы. Следовательно, можно говорить о соизмеримости техногенного энергетического потенциала с энергетическим потенциалом Земли естественного происхождения, особенно на урбанизированных территориях.

Ресурсы литосферы, необходимые для жизнедеятельности биоты

Они представлены горными породами и минералами, которые включают химические элементы биофильного ряда, жизненно необходимые для роста и развития организмов, кудюриты -- минеральное вещество кудюров, являющегося минеральной пищей литофатов. и подземные воды. Углерод, кислород, азот, водород, кальций, фосфор, сера, калий, натрий и ряд других элементов требуются организмам в значительных количествах, поэтому они называются макробиогенными. Микробиогенными элементами для растений являются Fе, Мn, Сu, Zn, В, Si, Мо, С1, V, Са, обеспспечивающие процессы фотосинтеза, азотного обмена и метаболическую функцию.

Для животных требуются те же элементы, кроме бора. Часть из них они получают, используя в пищу продуценты, часть -- из минеральных соединений и природных вод. Кроме того для животных (консументов первого и второго порядков) дополнительно требуются селен, хром, никель, фтор, йод и др. Эти элементы в малых количествах жизненно необходимы для деятельности

организмов и выполнения биогеохимических функций.

Одни из перечисленных элементов находятся в газообразном состоянии в атмосфере, другие растворены в водах гидросферы или находятся в связанном состоянии в почвенном покрове и литосфере. Растения (продуценты) извлекают в процессе своей жизнедеятельности эти элементы непосредственно из грунтов вместе с почвенными и грунтовыми водами.

Минеральные вещества кудюров являются эпизодической пищей травоядных (консументы первого порядка) и всеядных (консументы третьего порядка) животных. Они употребляют их вместе с пищей по крайней мере два раза в год. Кудюры предназначены для регуляции солевого состава организма. В основном это минералы группы цеолитов. Стимуляторами роста растений, животных и рыб кроме цеолитов являются такие глинистые минералы, как бентониты, палыгорскиты, а также глауконит и диатомит.

Подземные воды -- основа для существования биоты, определяют направленность и скорость биохимических процессов растений и животных.

Минеральные ресурсы, необходимые для жизни и деятельности человеческого общества

К ним относятся все существующие полезные ископаемые, которые используются человечеством для производства необходимых материалов и энергии, В настоящее время из недр извлекается более 200 видов полезных ископаемых и объем годовой добычи минерального сырья достигает порядка 20 млрд т горной массы в год.

Наиболее важные группы полезных ископаемых и основные направления их использования показаны на рис. 4.

рис. 4.

Экологическое значение подземных вод огромно. Основные направления их использования и объемы потребления (км/год) приведены ниже.

Литосфера представляет собой одну из главнейших составляю­щих геологической среды, с геодинамической деятельностью и со­ставом которой человечество сталкивается ежеминутно. Ресурсная функция литосферы предопределена минеральными, органоминеральными и органогенными ресурсами, которые принимают учас­тие в ее строении. Они крайне необходимы для жизни и деятельно­сти биоты, выступая в качестве одной из составляющих экосистем, а также для жизнедеятельности человеческого общества. Ресурсы литосферы включают следующие аспекты: ресурсы, необходимые для жизнедеятельности биоты; ресурсы, необходимые для жизни и деятельности человеческого общества; ресурсы как геологическое пространство, которое необходимо для расселения и существова­ния биоты и человеческого общества. Если два первых аспекта связаны с минеральными ресурсами Земли, то последний - исключительно с геологическим пространством, которое охватыва­ет приповерхностную и поверхностную части литосферы.

Минеральные ресурсы относятся к категории исчерпаемых ре­сурсов и абсолютное большинство из них являются невозобновляемыми. Они играют первостепенную роль в жизни человеческого общества, определяя его материальный и научно-технический уро­вень. Начиная с глубокой древности число минеральных ресурсов и объемы их добычи и использования непрерывно возрастали. В палеолите добыча сырья ограничивалась лишь теми горными по­родами, которые могли явиться сырьем для изготовления камен­ных орудий. Позднее в сферу деятельности стали вовлекаться руды металлов - сначала олова и меди, а затем и железа. Динамика извлечения и использования минерального сырья за последние века резко выросла. Исходя из существующих прогнозов запасы ряда видов минерального сырья начнут иссякать к середине XXI в. Ресурсы литосферы, необходимые для жизнедеятельности биоты представлены горными породами и минералами, которые включают химические элементы биофильного ряда, жизненно не­обходимые для роста и развития организмов, кудюриты - мине­ральное вещество кудюров, являющегося минеральной пищей литофагов, и подземные воды. Углерод, кислород, азот, водород, кальций, фосфор, сера, калий, натрий и ряд других элементов требуются организмам в значительных количествах, поэтому они называются макробиогенными. Микробиогенными элементами для растений являются Fe, Mn, Си, Zn, В, Si, Mo, CI, V, Са, обеспечивающие процессы фотосинтеза, азотного обмена и метаболиче­скую функцию. Для животных требуются те же элементы, кроме бора. Часть из них они получают, используя в пищу продуценты, а часть - из минеральных соединений и природных вод. Кроме того для животных (консументов первого и второго порядков) дополнительно требуются селен, хром, никель, фтор, йод и др. Эти элементы в малых количествах жизненно необходимы для деятельности организмов и выполнения биогеохимических функций.

Одни из перечисленных элементов находятся в газообразном состоянии в атмосфере, другие растворены в водах гидросферы или находятся в связанном состоянии в почвенном покрове или литосфере. Растения (продуценты) извлекают в процессе своей жизнедеятельности эти элементы непосредственно из грунтов вмес­те с почвенными и грунтовыми водами.

Минеральные вещества кудюров являются эпизодической пи­щей травоядных (консументы первого порядка) и всеядных (консументы третьего порядка) животных. Они употребляют их вместе с пищей по крайней мере два раза в год. Кудюры предназначены для регуляции солевого состава организма. В основном это минера­лы группы цеолитов. Стимуляторами роста растений, животных и рыб кроме цеолитов являются такие глинистые минералы, как бе­тониты, глауконит и диатомит.

Подземные воды - основа для существования биоты, опреде­ляют направленность и скорость биохимических процессов расте­ний и животных.

Минеральные ресурсы, необходимые для жизни и деятельности человеческого общества. К ним относятся все существующие по­лезные ископаемые, которые используются человечеством для про­изводства необходимых материалов и энергии. В настоящее время из недр извлекается более 200 видов полезных ископаемых и объем годовой добычи минерального сырья достигает порядка 20 млрд т горной массы в год. Наиболее важные группы полезных ископа­емых и основные направления их использования показаны на рис. 8.4.

Геологическое пространство. Оно заключается в рассмотрении - литосферы как области обитания биоты (норные и землеройные животные и микроор­ганизмы), так и инженерно-геологической деятельности чело­века.

Наряду с этим оценка ресурсной функции литосферы связана с размещением в геологическом пространстве захоронений высо­котоксичных и радиоактивных отходов. Надо учитывать, что объе­мы геологического пространства, пригодные для этих целей, весь­ма ограничены. Все проблематичнее становится отыскивать при­годные и безопасные места для размещения отходов и промышленно-бытовых свалок. Ярким примером в этом отношении стала Япония, которая вынуждена засыпать прибрежные участки морских акваторий и осуществлять строительство на насыпных грунтах. Другие страны, например Голландия, с помощью дамб защищают земельные угодья от затопления морем. Следовательно, не только земли сельскохозяйственного назначения являются ценным природным ресурсом но и земли, предназначенные для промышленного, гражданского и транспортного строительства, имеют большую ценность.

Рис. 8.4. Схема использования основных природных ресурсов литосферы

Полезные ископаемые и их классификация

Для литосферы присущи следующие экологические функции:

1) ресурсная (обеспеченность различными видами природных ресурсов, необходимых для биоты и человека);

2) геодинамическая (наличие нарушений верхних частей литосферы вследствие эндо- и экзогенных, естественных и искусственных процессов);

3) геохимическая (содержание химических элементов, необходимых для биоты и человека, а также наличие загрязняющих веществ);

4) геофизическая (наличие физических полей).

При рассмотрении каждой функции выявляются экологические последствия или добычи полезных ископаемых, или нарушений литосферы, или накопления химических элементов; раскрывается влияние физических полей на живые организмы.

Топливно-энергетические ресурсы

К основным полезным ископаемым относятся топливно-энергетические ресурсы, которые используются для производства энергии и в качестве топлива. К топливно-энергетическим ресурсам относится нефть, каменный и бурый уголь, газ, сланцы, уран. Каждый вид топливного сырья обладает определенной теплотворностью. Теплотворность – это количество энергии, выделяющееся при сжигании единицы топлива. Значительной теплотворностью выделяется нефть и газ.

Топливное сырье неравномерно размещено на территории земного шара. Самыми значительными объемами обладает Северная Америка и Евразия (здесь сосредоточено 87% общего энергопотенциала). К основным видам топливного сырья относятся нефть, газ, уголь.

Нефть - наиболее важный и эффективный вид топливного сырья. Отличается высокой калорийностью и теплотворностью, низким содержанием загрязняющих соединений. Нефть легко транспортируется и в процессе переработки из нее получают широкой ассортимент продуктов.

Месторождения нефти неравномерно размещены по земному шару. 62% всего нефтяного запаса мира сосредоточено на Аравийском полуострове и акватории Персидского залива; 11% мировых запасов нефтив Северной Америке, 7% в Африке и России, 9% в Южной Америке Перспективными являются месторождения нефти в шельфовой зоне морей и океанов, на материковом склоне (600-900 м). На морские месторождения в настоящее время приходится 25% общемировой добычи нефти. Крупные запасы нефти – в нефтеносных песках, горючих сланцах, битуминозных породах (содержат так называемую тяжелую нефть). Освоить эти запасы в промышленных масштабах пока не удается. Мировые энергетические потребности на 32% удовлетворяются за счет нефти.

Природный газ размещен в недрах Земли еще более неравномерно. Первое место в мире по ресурсам газообразного топлива занимает Россия (месторождения Западной Сибири). Значительные месторождения газа расположены в странах Ближнего и Среднего Востока (особенно велики ресурсы в Иране, Саудовской Аравии, на акватории Персидского залива). Меньше запасы в США, Северной Африке, Венесуэле. Перспективны – шельфовые зоны Мирового океана.

В мировом энергетическом балансе на долю природного газа приходится 17%, в ряде стран (США, Западной Европе, Японии) выше. В отличие от нефти газовый потенциал увеличивается быстрее добычи (примерно в 2 раза), кроме того более половины площади шельфа еще не исследовано в отношении газоносности, а на подводные газопромыслы приходится 15% общемировой добычи газа. На суше изучены лишь 30% перспективных на это сырье тектонических структур. Еще один резерв этого вида топливного ресурса – газосбережение.

Угленосные бассейны размещены неравномерно на территории земного шара. На долю России и сопредельных государств, США, Китая и ЮАР приходится более 90% извлекаемых ресурсов каменного угля. Крупными запасами обладают Польша, Германия, Австралия, Великобритания и другие страны.

До 60-х годов в структуре топливного баланса доминировал уголь (более 50%). В 80-х годах в связи с использованием нефти и газа доля угля сократилась (до 28%). В настоящее время за счет углей производилось до 30% энергии мира (причина – нестабильность мирового рынка).

Ядерным сырьем земной шар обеспечен неодинаково. Более 28% ресурсов ядерного сырья приходится на США и Канаду, 23% – на Австралию, 14% на ЮАР, 7% – на Бразилию. В остальных странах запасы урана незначительны. Ресурсы тория находятся в Индии (почти половина ресурсов), в Австралии, Бразилии, Малайзии и США.

Альтернативные источники энергии

К нетрадиционным энергетическим ресурсам относятся солнечная, ветровая, приливная, геотермальная, биоконверсионная энергии.

Общее количество солнечной энергии в 20 тысяч раз превышает современное потребление энергии мировым хозяйством. Так как плотность солнечного излучения на поверхности суши столь мала (даже в тропических пустынях днем она равна 5-6 кВт ч/м 2 в день, в умеренных – 3-4 кВт ч/м 2), то ее трудно технически освоить. Сейчас используются солнечные печи для получения низкотемпературного топлива.

Ветровая энергия издавна используется в Англии, Голландии, Франции и других странах, в небольших масштабах. Общие ресурсы ветровой энергии огромны, но строго локализованы. В Дании и других странах Европейского Севера ветряные двигатели дают не менее 12% энергии. Однако технические трудности при освоении энергии ветра значительны.

Приливная энергия реально используется на нескольких ПЭС: в России (Кислогубская), во Франции (устье Гаронны). Трудность использования энергии заключается в преобразовании ударной силы волны в гравитационнные, тепловые и электрические формы энергии.

Биоконверсионная энергия – энергия, аккумулированная в биомассе. Издавна древесина используется в качестве источника топлива. Существуют опытные разработки по получению биогаза из отходов сельского хозяйства, но в промышленных масштабах этот процесс еще не разработан. Биогаз состоит на 60-70% из метана (с теплотворной способностью – 5000 ккал на 1 м 3), при этом процесс выходов газа непрерывен, а получаемый остаток – шлам – является хорошим удобрением.

Геотермальная энергия – внутренняя энергия Земли. Нормальный температурный градиент Земли – 3 о С на 100 м глубины, в отдельных местах до 5 о С на 100 м. Геотермальные электростанции действуют в Италии, США, Японии, Исландии и др. В Калифорнии 7% энергии получают от гидротермальных источников. Ресурсы разогретых эндогенным теплом горных пород в 20 раз превышают запасы горючих ископаемых.

Нефть и газ (добываются)

Белорусские месторождения нефти и попутного газа расположены в восточной части Припятского прогиба.

На 2010 год было обнаружено и разведано около 75 месторождений, крупнейшие из которых: Речицкое, Осташковичское и Вишанское.

Почти все нефтяные залежи месторождений приурочены к девонским отложениям (подсолевая терригенная, подсолевая карбонатная, межсолевая, верхняя солевая толщи девона), и лишь 2 залежи – к верхнепротерозойским.

Промышленная добыча началась в 1965 и за все время было добыто уже более 115 млн тонн. Сейчас ежегодная добыча нефти составляет 1,5 млн т в год (для нужд республики необходимо более 12 млн т нефти в год). Максимальная годовая добыча была в 1975 г. - 8 млн т.

Горючие сланцы (не добываются)

Месторождения горючих сланцев Беларуси – Любанское и Туровское, приурочены к надсолевой девонской толще Припятского прогиба. Качество низкое - высокое зольность.

Про­гнозные ресурсы горючих сланцев в Припятскомсланценосном бассейне до глубины 600 м составляют 11 млрд т, в том числе до глу­бины 300 м - 5,5 млрд т.

Бурые угли (не добываются)

Месторождения бурых углей Беларуси обнаружены в отложениях различного возраста: в карбоне, юре, палеогене и неогене . Однако наибольшую ценность пока представляют именно неогеновые угли.

В западной части Припятского про­гиба выявлено 3 месторождения именно неогенового возраста: Житковичское, Бриневское и Тонежское. Глубина залегания 20-80 м, что позволяет добывать угли открытым (карьерным) способом.

Запасы на этих 3 месторождениях – более 100 млн т.

Торф (добывается)

Месторождения торфа в Беларуси распространены почти повсеместно, возраст этого полезного ископаемого четвертичный .

В Беларуси выявлено около 9200 месторож­дений, в которых сосредоточено 3 млрд т торфа. Эксплуатируется по­рядка 400 месторождений, ежегодно добывается 13-15 млн т. За все годы разработки торфяных залежей добыто 1,1 млрд т торфа.

Химическое сырье Беларуси

Калийные соли (добываются)

Калийные соли- основное минеральное богатство Беларуси, важнейший экспортный товар.

Они залегают в Припятском прогибе и связаны с нижней и верхней солевыми толщами верхнегодевона.

Основные месторождения калийной соли в Беларуси – Старобинское (запасы 2,7 млрд т) – разрабатывается, Петриковское (запасы 1,28 млрд т) и Октябрьское месторождения (запасы 637,2 млн т).

Общие промышленные запасы калийных солей – более 5 млрд т, по этому показателю Беларусь занимает 3 место в мире после Канады и России.

Промышленная добыча калийной соли была начата в 1961 году, сейчас годовая добыча калийных солей в Беларуси составляет около 20 млн тонн, из которых ежегодно производится более 8 млн т калийных удобрений.

Каменная соль (добывается)

Каменная соль - одно из важнейших полезных ископаемых Беларуси. Ее ресурсы, приуроченные кдевонским солевым толщам Припятского прогиба, практически неисчерпаемы.

В настоящее время разведаны три крупнейших месторождения: Мозырское, Старобинское и Давыдовское. Два первых эксплуатируются.

Суммарные запасы – около 22 млрд т.

Доломиты (добываются)

Месторождения доломита в Беларуси расположены на Оршанской впадине, приурочены к девонским отложениям.

Разведанное и разрабатываемое месторождение доломитов - Руба (Витебский район). Среднее содержание карбонатов около 94 %.

Месторождение разрабатывается открытым способом (карьер Гралево). Ежегодная добыча 3-4 млн т доломита. Основная продукция - доломитовая мука для известкования кислых почв.

Общие разведанные запасы месторождения составляют 755 млн т.

Фосфориты (не добываются)

Месторождения фосфоритов в Беларуси расположены на Оршанской впадине, приуроченыверхнемеловым отложениям.

Разведанные месторождения фосфоритов – Мстиславское (запасы 175 млн т), Лобковичское (запасы 246 млн т).

Металлические полезные ископаемые Беларуси

Пески (добываются)

Стекольные пески Беларуси разведаны (пока не добываются) в Гомельской (Лоевское) и Брестской (Городное) областях. Их общие запасы 15 млн м3. Стекольные пески пригодны для получения оконного и тарного стекла.

Формовочные пески Беларуси – Жлобинский и Добрушский р-ны. Суммарные запасы – 100 млн т. Ежегодно добывается около 0,6 млн м3 формовочных песков.
Песчано-гравийные смеси – север и центр Беларуси, 136 месторождений с об­щими запасами более 700 млн м 3 ; эксплуатируется 82 месторождения., суммарные запасы – 660 млн т. Ежегодно добывается около 3 млн м3 песчано-гравийныхматериалов. Они применяются, в основном, для приготовления бетонов и строительных растворов.

Глины (добываются)

Месторождения расположены на юге территории Беларуси.

Разведано более 210 месторождений легкоплавких глин (Витебская обл.) с об­щими запасами около 200 млн м 3 . Разрабатывается более 110 место­рождений, ежегодно добывается 2,5-3,5 млн м 3 сырья.

Тугоплавкие глины – на юге Беларуси (Лунинецкий, Лоевский, Столинский р-ны), около 20 месторождений.

Мел и мергель (добываются)

Месторождения мела и мергелей расположены в основном на востоке Беларуси, встречаются на западе страны. На площадях их неглубокого залегания, главным образом, в Кричевском, Климовичском, Костюковичском и Чериковском районах Могилевской области, Волковысском и Гродненском районах Гродненской области разведан целый ряд месторождений. Одни из них (например, Кричевское) представлены писчим мелом, другие (Коммунарское) - мергелем, третьи (Каменка) - мергелем и писчим мелом.

Суммарные запасы - около 270 млн т.

Гипс (не добывается)

Бриневское месторождение гипса расположено на западе Припятского прогиба и приурочено кверхнедевонским отложениям.

Запасы гипса 400 млн т.

Строительный камень (добывается )

Месторождения строительный камень в Беларуси Микашевичи и Ситница (Брестская область), Глушкевичи и Карьер Надежды (Гомельская область).

На месторождении Микашевичи (самое крупное) годовая добыча камня составляет около 3,5 млн м 3 , производство щебня - 5,5 млн м 3 , на месторождении Глушкевичи - 0,1 млн м 3 и 0,2 млн м 3 соответственно.

Лекция 2.1. Общие сведения о ресурсах литосферы

1. Полезные ископаемые и их классификация

2. Топливно-энергетические ресурсы

3. Альтернативные источники энергии

4. Минеральные ресурсы Беларуси.

Состояния поверхностных и подземных вод суши, состояния и охраны почв, степени трансформации природных ландшафтов, т. е. в основном географической оболочке. Литосфера как таковая в них никак не выделяется, несмотря на то что она служит геологической основой ландшафта и является к тому же средой обмена веществом и энергией с другими геосферами. В определенных аспектах внимания удостоены проблемы истощения минерально-сырьевых ресурсов, которые заключены в поверхностной части литосферы, и загрязнения природной среды в процессе добычи, обогащения и переработки минерального сырья.

Однако надо учитывать и то обстоятельство, что литосфера является накопителем и хранителем поверхностных и подземных вод. Она обеспечивает биоту неорганическими питательными веществами, содержит минеральные и энергетические ресурсы, необходимые для существования и развития человеческого общества.

Экологические функции литосферы как планетарной геосистемы вместе с протекающими в ней геологическими процессами (как природными, так и антропогенными) можно определять на основании той роли, какую они играют в жизнеобеспечении и эволюции биоты и главным образом человеческого общества.

Ресурсная функция литосферы

Ресурсная функция литосферы определяет значение минерального, органического и органоминерального сырья литосферы, составляющего основу для жизни и деятельности биоты как в качестве биогеоценоза, так и антропогенеза. По мнению В. Т. Трофимова и др. (1997), она включает следующие аспекты: ресурсы, необходимые для жизни и деятельности биоты; ресурсы, необходимые для жизни и деятельности человеческого общества; ресурсы как геологическое пространство, необходимое для расселения и существования биоты, в том числе человеческого общества. Первые два аспекта связаны с минерально-сырьевыми ресурсами, а последний - с экологической емкостью геологического пространства, в пределах которого происходит жизнедеятельность организмов.

Минерально-сырьевые ресурсы относятся к категории исчерпаемых, и все они, за исключением подземных вод, являются невозобновляемыми. На протяжении всей своей истории человеческое общество в разных объемах использовало минеральные ресурсы, причем объем добываемого сырья непрерывно возрастал. Одновременно увеличивалось число извлекаемых химических и соединений: если в XVIII в. - 18 химических элементов и соединений, в XIX в. - 35, в 1917 г. - 64, в 1975 г. - 87, то в 90-е годы XX в. - 106 элементов Периодической системы Д. И. Менделеева. В настоящее время ежегодно из недр добывается около 100 млрд. т. минерального сырья. Возникает угроза истощения месторождений полезных ископаемых. По прогнозам некоторых специалистов, запасы многих видов минерального сырья иссякнут к середине XXI в., а свинца и цинка хватит только на первые десятилетия третьего тысячелетия.

В литосфере заключены горные породы, которые содержат в себе биофильные элементы, т.е. химические элементы, растворимые в водной среде и в то же время жизненно необходимые организмам. Они еще называются биогенными элементами. Литосфера, кроме того, является вместилищем подземных вод, а также содержит вещества, употребляемые в пищу определенными животными - литофагами.

Жизнедеятельность биоты обеспечивают существующие в природе, в том числе и происходящие в литосфере, биогеохимические циклы. Согласно Г. А. Богдановскому (1994), это более или менее замкнутые пути циркуляции химических элементов, входящих в состав клеточной протоплазмы, из внешней среды в организм и уходящих вновь во внешнюю среду. Выделяют два типа биогеохимических цикла: круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере и океане; осадочный цикл с резервным фондом в земной коре.

Развитие человеческого общества невозможно без использования минеральных ресурсов. Благодаря им человечество обеспечивает свои потребности в энергии, удобрениях, жилье, транспорте, связи. Сегодня к этой категории добавились средства получения, передачи, обработки и анализа . Ежегодно из недр извлекается порядка 17-18 млрд. т. горной массы.

К числу полезных ископаемых относятся и подземные . Они используются в качестве хозяйственно-питьевого водоснабжения (10,34 км 3 /год), для технического водоснабжения (2,66 км 3 /год), орошения земель и обводнения пастбищ (0,51 км 3 /год), в лечебных целях, в качестве геотермальных источников, для добычи ряда ценных компонентов (йод, бром, бор, литий, стронций, поваренная и калийная соль).

Большую роль литосфера играет в качестве геологического пространства, необходимого для расселения и существования биоты, в том числе и человека. С одной стороны, приповерхностные участки литосферы являются местом обитания биоты (обитатели пещер, норные и землеройные животные, микроорганизмы), а с другой, ее подземные пространства используются на урбанизированных территориях: для строительства подземных коммуникаций, транспортных магистралей, расположенных на подземном уровне объектов, а также как вместилища для захоронения высокотоксичных и радиоактивных отходов. Однако продолжающееся строительство подземных инженерных объектов нередко приводит к обострению экологических проблем. Объекты геологической среды, используемые для этих целей, весьма ограничены и в большинстве регионов довольно быстро становятся источниками острых экологических кризисных ситуаций.

Долгое время существовало представление о том, что территории континентов неисчерпаемы для расселения и жизнеобеспечения биоты, в том числе человека. Однако в эпоху техногенеза земная поверхность и геологическая среда стали важным природным и экологическим ресурсом. Сегодня человечеством освоено около 55% поверхности суши, причем существует тенденция нарастания этого процесса. В настоящее время человечество сталкивается с тем, что дальнейшее размещение урбанизированных территорий сопряжено как с преодолением природных трудностей, так и с большими материальными затратами.

Как отмечают в своей монографии В. Т. Трофимов с соавторами (1997), специфика земельного ресурса заключается в том, что его изучением и оценкой занимаются науки не только геологического, но и географического и почвоведческого направлений. Геологи рассматривают ресурсную сторону с позиций рационального использования геологического пространства, географы - с позиций рационального использования ландшафта, а почвоведы - с позиций рационального использования почв для сельского хозяйства. Все вместе они должны оценивать рациональность и возможность использования той или иной территории с позиций .

Геодинамическая функция литосферы

Согласно В. Т. Трофимову с соавторами (1997), под геодинамической функцией литосферы понимается способность последней к проявлению и развитию природных и антропогенных геологических процессов и явлений, в той или иной мере влияющих на условия жизнеобитания и жизнедеятельности биоты и особенно человеческого общества. Надо особо подчеркнуть, что данная функция осуществляется с момента возникновения биоты, а ее становление и развитие неразрывно связаны с эволюцией Земли и биосферы. Как известно, вся история Земли полна кризисных ситуаций и катастрофических явлений глобального и регионального масштабов. Наряду с катастрофическими ситуациями в истории Земли существовали эпохи относительного спокойствия, когда развитие органического мира протекало плавно в соответствии с установившимися природными (физико-географическими) условиями. На современном этапе для геоэкологического направления важно оценить геологическую роль и значимость антропогенных процессов, выявить их направленность и определить возможность перерастания в глобальные катастрофические геологические процессы.

Характерной чертой геодинамической функции литосферы является ее возможность проявляться в форме как негативного, так и позитивного отношения к развитию и пространственному распространению биоты. Это отношение может быть прямым и опосредованным, т. е. может проявляться через ресурсную или геофизико-геохимическую функции.

В рамках этой функции должны рассматриваться геодинамические процессы и явления, непосредственно влияющие на условия существования биоты. Исходя из степени воздействия на биоту, в том числе и на человека, все геодинамические процессы можно разделить на две группы. Одни процессы в силу своей масштабности и скорости проявления не способны оказывать прямого негативного влияния на , а другие действуют на биоту в форме катастрофических явлений и стихийных бедствий и, таким образом, являются опасными природными процессами. К первым относятся, например, перемещения литосферных плит, тектонические медленные вертикальные и горизонтальные движения, такие геологические процессы, как выветривание, денудация, транспортировка осадочного материала и осадконакопление. К катастрофическим геологическим явлениям относятся те из них, которые из-за кратковременности своего проявления быстро разрушают привычную природную структуру и систему обитания биоты, нарушают условия жизни человека и приводят к жертвам.

По данным ЮНЕСКО, в настоящее время около 0,5 млрд. человек проживают в районах с высокой повторяемостью катастрофических землетрясений. Около четверти населения земного шара проживает в районах, подверженных риску стихийных природных явлений.

Все известные катастрофические и неблагоприятные природные и антропогенные явления, связанные с литосферной оболочкой, можно разделить на две крупные группы. К первой группе относятся процессы и явления, не несущие непосредственной угрозы для существования биоты, но влияющие на условия проживания человека, изменяя их. Однако в силу высокой приспособляемости органического мира нередко их воздействия на биоту оказываются минимальными. Для человека эти природные явления меняют только условия комфортности жизни. К их числу относятся ветровая эрозия и дефляция, водная эрозия, перенос вещества и аккумуляция, суффозия, заболачивание, формирование термокарста, новообразование и деградация многолетней мерзлоты, формирование карста. Негативность воздействия катастрофических природных явлений весьма высока. К особо опасным природным явлениям относятся землетрясения, извержения взрывного характера, оползни, обвалы и камнепады, провалы и т.д.

Геофизико-геохимическая функция литосферы

Эта функция определяется как свойство геофизических и геохимических полей (неоднородностей) природного и антропогенного происхождения, способное влиять на состояние биоты и здоровье человека.

Вся земная поверхность состоит из мозаично распределенных неких усредненных значений разнообразных химических элементов и физических параметров среды. Участки с высоким содержанием химических элементов, сильно отличающимся от геохимического фона, называются участками с геохимической аномалией. Выделяются естественные геофизические поля - магнитное, гравитационное, геотермическое и искусственно возбужденные электрические поля постоянных токов и геофизические аномалии. Геохимические и геофизические аномалии в оболочках Земли нередко называют геопатогенными зонами, хотя трактовка данного термина до сих пор неоднозначна.

Ряд ученых рассматривает геопатогенные зоны как области аномального проявления свойств атмосферы, гидросферы, литосферы и глубинных недр планеты, негативным образом отражающихся на состоянии органического мира, в том числе и человека. В связи с этим геопатогенезом называют совокупность геолого-геофизических условий, сопутствующих развитию патогенных отклонений в живых организмах.

Существование аномалий, или геопатогенных зон, связано с тем, что в литосфере имеются вертикальные и горизонтальные неоднородности и существуют проницаемые зоны, через которые вносятся заметные искажения в состав энергетических полей и в распределение химических элементов в областях тектонических нарушений.

Ресурсные функции литосферы

Литосфера представляет собой одну из главнейших составляющих геологической среды, с геодинамической деятельностью и составом которой человечество сталкивается ежеминутно. Ресурсная функция литосферы предопределена минеральными, органоминеральными и органогенными ресурсами, которые принимают участие в ее строении. Они крайне необходимы для жизни и деятельности биоты, выступая в качестве одной из составляющих экосистем, а также для жизнедеятельности человеческого общества. Ресурсы литосферы включают следующие аспекты: ресурсы, необходимые для жизнедеятельности биоты; ресурсы, необходимые для жизни и деятельности человеческого общества; ресурсы как геологическое пространство, которое необходимо для расселения и существования биоты и человеческого общества. Если два первых аспекта напрямую связаны с минеральными ресурсами Земли, то последний - исключительно с геологическим пространством, которое охватывает приповерхностную и поверхностную части литосферы.

Минеральные ресурсы относятся к категории исчерпаемых ресурсов и абсолютное большинство из них являются невозобновляемыми. Они играют первостепенную роль в жизни человеческого общества, определяя его материальный и научно-технический уровень. Начиная с глубокой древности число минеральных ресурсов и объемы их добычи и использования непрерывно возрастали. В палеолите добыча сырья ограничивалась лишь теми горными породами, которые могли явиться сырьем для изготовления каменных орудий. Позднее в сферу деятельности стали вовлекаться руды - сначала олова и меди, а затем и железа. Динамика извлечения и использования минерального сырья за последние века резко выросла. Исходя из существующих прогнозов запасы ряда видов минерального сырья начнут иссякать к середине XXI в.

Ресурсы литосферы, необходимые для жизнедеятельности биоты

Они представлены горными породами и минералами, которые включают химические элементы биофильного ряда, жизненно необходимые для роста и развития организмов, кудюриты - минеральное вещество кудюров, являющегося минеральной пищей литофагов, и подземные воды. Углерод, кислород, азот, кальций, фосфор, сера, калий, натрий и ряд других элементов требуются организмам в значительных количествах, поэтому они называются макробиогенными. Микробиогенными элементами для растений являются Fe, Мn, Cu, Zn, В, Si, Mo, Сl, V, Са, обеспечивающие процессы фотосинтеза, азотного обмена и метаболическую функцию. Для животных требуются те же элементы, кроме бора. Часть из них они получают, используя в пищу продуценты, а часть - из минеральных соединений и природных вод. Кроме того, для животных (консументов первого и второго порядков) дополнительно требуются селен, хром, никель, фтор, йод и др. Эти элементы в малых количествах жизненно необходимы для деятельности организмов и выполнения биогеохимических функций.

Одни из перечисленных элементов находятся в газообразном состоянии в атмосфере, другие растворены в водах гидросферы или находятся в связанном состоянии в почвенном покрове и в литосфере. Растения (продуценты) извлекают в процессе своей жизнедеятельности эти элементы непосредственно из грунтов вместе с почвенными и грунтовыми водами.

Минеральные вещества кудюров являются эпизодической пищей травоядных (консументы первого порядка) и всеядных (консументы третьего порядка) животных. Они употребляют их вместе с пищей по крайней мере два раза в год. Кудюры предназначены для регуляции солевого состава организма. В основном это минералы группы цеолитов. Стимуляторами роста растений, животных и рыб кроме цеолитов являются такие глинистые минералы, как бентониты, палыгорскиты, а также глауконит и диатомит.

Подземные воды - основа для существования биоты, определяют направленность и скорость биохимических процессов растений и животных.

Минеральные ресурсы, необходимые для жизни и деятельности человеческого общества

К ним относятся все существующие полезные ископаемые, которые используются человечеством для производства необходимых материалов и энергии. В настоящее время из недр извлекается более 200 видов полезных ископаемых и объем годовой добычи минерального сырья достигает порядка 20 млрд. Т. горной массы в год.

Геологическое пространство

Оно заключается в рассмотрении литосферы как области обитания биоты (поверхность литосферы используется норными и землеройными животными и микроорганизмами), так и инженерно-геологической деятельности человека.

Любая хозяйственная деятельность человека немыслима без осуществления строительства зданий жилого и промышленного назначения, строительства предприятий, подземных коммуникаций, транспортных магистралей, подземных выработок или открытых карьеров при добыче полезных ископаемых. Все строительные работы проводятся только после детальных изыскательских работ, определяющих способность грунта нести соответствующую нагрузку.

Наряду с этим оценка ресурсной функции литосферы связана с размещением в геологическом пространстве захоронений высокотоксичных и радиоактивных отходов. Надо учитывать, что объемы геологического пространства, пригодные для этих целей, весьма ограничены. Все проблематичнее становится отыскивать пригодные и безопасные места для размещения отходов и промышленно-бытовых свалок.

В эпоху техногенеза земная поверхность стала важным природным и экологическим ресурсом. В настоящее время освоено немногим более 55% поверхности суши и существует тенденция дальнейшего нарастания этого процесса. И если для стран с большими земельными ресурсами проблема размещения промышленных, сельскохозяйственных и селитебных отходов еще не стала актуальной, то для небольших по площади государств с высокой плотностью населения она превратилась в важнейший фактор социального развития. Ярким примером в этом отношении стала Япония, которая вынуждена засыпать прибрежные участки морских акваторий и осуществлять строительство на насыпных грунтах. Другие страны, например Голландия, с помощью дамб защищают земельные угодья от затопления морем. Следовательно, не только земли сельскохозяйственного назначения являются ценным природным ресурсом, но и земли, предназначенные для промышленного, гражданского и транспортного строительства, имеют большую ценность.

Литосфера представляет собой верхнюю твердую оболочку планеты толщиной от 50 до 200 км, имеющую большую прочность и переходящую без определенной резкой границы в нижележащую астеносферу. Сверху литосфера ограничивается гидросферой и атмосферой, частично проникающими в нее. Литосфера является геологической основой ландшафта, почв, средой обмена веществом и энергией с атмосферой и поверхностной гидросферой, через нее осуществляется круговорот воды в природе. Она служит накопителем пресных вод, входящих в структуру наземной биоты, обеспечивая процессы ее жизнедеятельности. Литосфера – среда сосредоточения природных минеральных ресурсов, необходимых для функционирования и развития человечества как общественной социальной структуры. В связи с этим свойства литосферы требуют особого рассмотрения в первую очередь с позиции ее геоэкологических функций, как продукта природного и техногенного развития верхней части земной коры. Под геоэкологическими функциями литосферы понимается все многообразие функций, определяющих ее роль и значение, в жизнеобеспечении биоты и человеческого общества. Все геоэкологические функциональные зависимости между природной и техногенно преобразованной литосферой, с одной стороны, и биотой и человечеством, с другой, можно свести к четырем основным группам: ресурсной, геодинамической, геофизической и геохимической.

Ресурсная геоэкологическая функция литосферы определяет роль минеральных, органических и органоминеральных ресурсов, геологического пространства литосферы для жизнедеятельности биоты и человеческого общества. Она включает в себя минеральные ресурсы литосферы, необходимые для жизни биоты; минеральные ресурсы, необходимые для человеческого общества как социальной структуры; ресурсы геологического пространства – площадные и объемные ресурсы литосферы, необходимые для расселения и существования биоты, включая человека как биологический вид и человечество как социальную структуру. Первые два аспекта связаны с изучением и оценкой минеральных, органических и органоминеральных ресурсов литосферы, в том числе подземные воды. Последний вид ресурсов обусловлен геоэкологической емкостью геологического пространства, охватывающего приповерхностную часть литосферы как в площадном, так и объемном измерении. Ресурсы литосферы, необходимые для жизни биоты, включая человека как биологический вид, представлены четырьмя составляющими: 1) горными породами, включающими в себя элементы биофильного ряда – растворимые элементы, жизненно необходимые организмам и называемые биогенными элементами; 2) кудюритами – минеральными веществами кудюров, являющихся минеральной пищей животных – литофагов; 3) подземными водами. Элементы и их соединения, составляющие основу биофильного ряда и требующиеся биоте в больших количествах, называют макробиогенными (углерод, кислород, азот, водород, кальций, фосфор, сера), а в малых количествах – микробиогенными. Для растений это Fe, Mn, Cu, Zn, B, Si, Mo, Cl, 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 и выполнения живыми организмами биогеохимических функций. Важным аспектом, связанным с пониманием жизнедеятельности биоты, являются биогеохимические циклы. Это в большей или меньшей степени замкнутые пути циркуляции химических элементов, входящих в состав клеточной протоплазмы из внешней среды в организм и опять поступающих во внешнюю среду. В таком круговороте вещества различают два фонда – резервный и обменный. Первый, как правило, небиологический компонент – большая масса медленно движущихся веществ, второй – быстрый обмен между организмами и их окружением. На этой основе выделяются два типа биогеохимических циклов: 1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере и океане; 2) осадочный цикл с резервным фондом в земной коре, который является предметом изучения геологических наук. Он включает в себя такие элементы, как фосфор, железо, сера и др. Минеральные вещества кудюров являются эпизодической пищей травоядных и всеядных животных, употребляемой ими два раза в год с целью регуляции солевого состава организма. В основном это минералы группы цеолитов. Эта группа минеральных ресурсов включает в себя так называемые «нетрадиционные» источники минерального сырья, к которым относятся цеолиты, бентониты, полыгорскиты, глаукониты, диатомит. Все они являются стимуляторами роста растений, животных и рыб. Подземные воды как основа существования биоты пояснений не требуют. Как отмечал В. И. Вернадский, «живое вещество в течение всего 7–10 млн лет пропускает через себя такое количество воды, которое равно по объему и количеству Мировому океану». Минеральные ресурсы, необходимые для жизни и деятельности человеческого общества относятся к категории исчерпаемых ресурсов и группе невозобновляемых, за исключением пресных подземных вод. Особенно важную роль они играют в социально-экономическом развитии человеческого общества. По сути, минеральные ресурсы являются базисом пирамиды, отражающей социально-экономические и геоэкологические проблемы развития материальной основы современного общества. Эти проблемы взаимосвязаны между собой и в сумме определяют роль ресурсной функции литосферы (состояние ее минерально-сырьевой базы) в функционировании геосистем высокого уровня организации. В настоящее время из недр извлекается около 200 видов полезных ископаемых, включающих все элементы таблицы Менделеева, а годовой объем мировой добычи минерального сырья достигает порядка 17–18 млрд т. горной массы в год. По прогнозам некоторых экономистов запасы многих видов минерального сырья иссякнут к 2050 г., а свинца и цинка хватит лишь до начала XXI в. Геоэкологическое значение подземных вод определяется объемами и направлениями их использования. Основными из них являются: хозяйственно-питьевое водоснабжение, техническое водоснабжение, орошение земель, обводнение пастбищ, лечебное (использование минеральных вод в бальнеологических целях), геотермальные (использование геотермальных вод для отопления и получения электроэнергии), промышленное (использование подземных вод для извлечения ряда полезных компонентов – йода, брома, бора, лития, стронция, поваренной соли и др.). Рассматривая геологическое пространство как ресурс, необходимый для расселения и существования биоты, можно констатировать, что и здесь его резервы лимитированы. В настоящее время на нашей планете освоено 56 % поверхности суши. Интенсивно осваивается подземное пространство литосферы на урбанизированных территориях и в местах захоронения и складирования экологически опасных (токсичных и радиоактивных) отходов.

Влияние хозяйственной деятельности человека на геологическую среду усиливается с каждым годом и приобретает все более неуправляемый характер. В зависимости от размеров проявления подобных процессов различают широкомасштабное (региональное), локальное (площадное, ограниченное), линейное (латеральное) и точечное техногенное воздействие . По времени воздействие может быть постоянным и эпизодическим. В природных условиях трудно выделить преобладающий фактор воздействия, в большинстве случаев наблюдается результат суммарного влияния нескольких. По характеру влияния на геологическую среду различают воздействия, приводящие, с одной стороны, к истощению ее ресурсов (водоотбор для нужд водоснабжения, осушительные мелиорации, добыча полезных ископаемых и др.), а с другой – к положительным и отрицательным изменениям (искусственное восполнение запасов, орошение земель, подтопление территории и др.).

Среди основных факторов техногенного воздействия выделяют следующие: сельскохозяйственный, промышленно-селитебный, горнотехнический, водохозяйственный, транспортный. Значительное влияние на ход развития (динамику) геологической среды оказывают промышленно-селитебный и горнотехнический факторы. Подобное воздействие вырабатывается трансформацией рельефа земной поверхности, различного рода деформациями массивов горных пород, химическим загрязнением почв и подземных вод, активизацией экзогенных и сейсмотектонических процессов.

Различные факторы техногенного воздействия на верхнюю часть литосферы приводят к нарушению естественного экологического состояния геологической среды либо к загрязнению ее компонентов, прежде всего почв и подземных вод.

Нарушенность геологической среды обусловлена физическим (механическим, гидродинамическим и т. п.) воздействием на массивы горных пород, при котором они деформируются и способствуют развитию неблагоприятных, часто опасных явлений. На примере систем разработки месторождений полезных ископаемых можно получить представление об основных процессах и явлениях подобного рода (табл. 6).

Изъятие и перемещение больших объемов горных пород обусловлены тем, что объемы полезного ископаемого по отношению к массам извлекаемой породы невелики. Для железа и алюминия это 15–30 %, свинца и меди примерно 1 %, серебра и олова – 0,01 %, а для золота и пла- тины – 0,00001 %. В связи с этим внушительны объемы отвалов, которые в мировом масштабе равны для рудных ископаемых более 1200 км 3 , нерудных около 100 и топливных около 300 км 3 . Открытая разработка минерального сырья в среднем в 3–4 раза дешевле шахтной, поэтому доля карьерной добычи равна 70 %. В среднем карьеры мира углубляются на 5–10 м в год, их максимальные глубины равны 500–700 м, а высоты отвалов и терриконов превышают 100 м. В настоящее время в крупных угольных бассейнах насчитывается до 1000–1500 терриконов. Таким образом, амплитуды техногенного рельефа приближаются к 1 км. Открытыми разработками полезных ископаемых нарушены сотни тысяч гектаров земли, на которых образовались своеобразные карьерно-отвальные ландшафты. Современные драги перерабатывают продуктивные на россыпные месторождения на глубину до 50 м. Ежегодно техногенные ландшафты промышленных зон расширяются на 35–40 тыс. га.

Откачка воды из карьеров, часто необходимая для создания условий разработки месторождений, вызывает ряд сложных процессов на днищах и стенках карьеров.

Существуют различные способы добычи полезных ископаемых.

Минеральные ресурсы, которые находятся на поверхности земной коры или же залегают неглубоко в недрах, добываются открытым способом . Открытый способ добычи полезных ископаемых представляет собой процесс создания на месторождении котлованов, которые называются разрезами или карьерами. Размеры таких разрезов и карьеров зависят от обширности месторождения и глубины залегания полезных ископаемых. При помощи открытого способа в основном добывают сырье, используемое для строительства: известняк, песок, мел и тому подобное. Также открытым способом добывают торф, некоторые виды угля, также железные и медные руды.

Твердые полезные ископаемые, которые залегают на большой глубине в недрах земли, добывают с помощьюсооружения подземных шахт . Чаще всего таким способом добывается уголь. Шахтный способ добычи полезных ископаемых считается наиболее опасным для жизни сотрудников таких предприятий.

Полезные ископаемые жидкого и газообразного типа извлекают из земли путем бурения специальных скважин , откуда полезные ископаемые поступают на поверхность по трубам. Для добычи полезных ископаемых определенного вида используют дополнительные методы. К примеру, для добычи соли ее растворяют под землей путем подачи в скважину воды. А такое сырье, как сера, предварительно расплавляется под действием горячего пара, подающегося через скважину.

Даже при добыче некоторых цветных металлов в горнодобывающем деле используется вода, точнее примеси из подземных вод. Именно таким образом добывается литий – его находят в подземных водах, где он растворен и находится в минеральной оде в виде соединений. Также можно встретить месторождения подземных вод, из которых осаждают медь. Ярким таки примером является Дегтярский рудник на Урале. Медь растворяется в подземных водах под действие бактерий, способных растворять соединения меди с серой, превращая их в медный купорос.

Такое сырье, как германий, по мнению многих специалистов, выгодно добывать из переработок тепловых электростанций, точнее из их золы.

Ежегодно разрабатываются новые способы добычи полезных ископаемых. Развитие современных технологий способствует появлению новых методов и оборудования для добычи тех или иных полезных ископаемых.