Современные особенности экологических функций литосферы

Вид материала

Подобный материал:

Лекция 3

Современные особенности экологических функций литосферы

Рассматривая техногенно-природный этап развития экологических функций литосферы, можно выделить ряд присущих только ему особенностей, обуславливающих индивидуальность и экологическую значимость этого интервала времени. Отметим здесь три таких особенности.

Первой основной отличительной чертой является краткосрочность протекания, измеряемая физическим временем порядка 200 лет. Как следствие этого в целом ряде районов Земли активнейшим образом проявился антропогенный фактор в трансформации экологических функций литосферы. И хотя в целом для планеты Земля энергетика природных процессов выше по сравнению с техногенными (см. табл. 1), локально за столь короткий период эффект техногенного воздействия может превышать природный.

Еще одной особенностью техногенно-природного этапа является высокая динамика развития экологических функций литосферы, тесно связанная с индустриальной, научно-технической и военной деятельностью и резким ростом населения. Экологическим следствием этих процессов стало прогрессирующее загрязнение продуктами жизнедеятельности природных сред, в том числе и верхних горизонтов литосферы, огромное по объему изъятие минерально-сырьевых ресурсов (и геологического пространства. Особенно контрастно эти процессы проявляются в локальном и региональном плане, тяготея к индустриально развитым и добывающим странам и территориям. Годовое количество добываемого человечеством из литосферы вещества уже более 40 лет превышает аналогичный показатель, производимый биотой сухопутных экосистем (рис. 4). наконец, техногенно-природный этап развития экологических функций литосферы как в теоретическом, так и в практическом аспектах может быть антропогенно регулируемым путем принятия согласованных управляющих решений и нормативного законодательства. Это его принципиальное отличие от сугубо природного по своему генезису, этапа развития экологических функций литосферы.

2. Саморегуляция в развитии экологических функций литосферы

Одной из важнейших особенностей литосферы, связанных с :реализацией ее экологических функциях, является способность литосферы к саморегуляции системы и поддержание определеннго уровня напряженно-деформированного состояния горизонтов литосферы на протяжении исторических отрезков времени, содержания различных элементов в приповерхностных сферах Земли, обеспечивающего деятельность биоты. Сказанное справедливо как для каждой из экологической функции литосферы, так и их совокупности.

Наиболее ярким примером саморегуляции ресурсной экологической функции литосферы является возобновление в физическом времени ресурсов подземных вод, солей в самоосадочных озерах, а по данным последних исследований и жидких углеводородов. Как пишут Б.А.Соколов и В.Е.Хаин (2002), в местах перекрытия рифов осадочными отложениями по периферии океанов, где метан и водород, выделяемые в гидротермах рифтовых зон, не рассеваются в водах открытого океана, углеводороды могут накапливаться в осадочных толщах и формировать в них нефтегазовые месторождения. При этом, главным фактором преобразования СН₄, Н₂ и H₂S в более сложные углеводороды, по-видимому является жизнедеятельность аэробных бактерий. Важно подчеркнуть, что «кормовой» базой таких органических углеводородов являются абиогенные СН4, Н2 и H2S.

О.Г. Сорохтиным, А.Ю Леиным, И.Е. Баланюком приводится классический пример современного накопления углеводородов в осадочных толщах над рифтовой зоной В Калифорнийском заливе кулисообразно расположенные рифтовые зоны перекрыты слоем осадков мощностью около 400-500 м. Благодаря тепловой конвекции, эти осадки активно промываются океаническими водами и горячими гидротермами, питающими собой обильную бактериальную флору, как в самой осадочной толще, та к и на ее поверхности. Об этом, в частности, свидетельствуют обильные бактериальные массы, окружающие собой выходы горячих и теплых гидротерм. Кроме того, из океанических вод Калифорнийского залива в осадочный бассейн также поступает органическое вещество. В результате осадочная толща бассейна в местах разгрузки гидротерм содержит жидкие нафтоиды, концентрация которых достигает 3-4%. В составе этих нафтоидов содержится около 65% алифатических УВ, 15% ароматических УВ и 20% асфальтенов.

Понятно, что это частный случай саморегуляции в накоплении жидких углеводородов, несопоставимый с объемом их техногенного извлечения. Однако факт саморегуляции в возобновлении ресурсов имеет место.

Саморегуляция качества ресурса геологического пространства происходит постоянно во времени за счет самоочищения почвенно- грунтовой толщи от загрязнителей, а также при регрессиях- трансгрессиях мирового океана и внутренних морей. С этими геологическими процессами связано и количественное соотношение площадей «море-суша»,

Саморегуляция геодинамической экологической функции литосферы проявляется в обмене веществом и разгрузке напряжений. В рамках Земли и ее экосферы происходит циркуляционное. движение вещества большой «геологический» круговорот, объединяющий разрушение и снос горных пород с аккумуляцией и трансформацией продуктов разрушения. «Любой глобальный круговорот вещества состоит из запасов (резервуаров) и потоков (Голубев, 1999, с. 45). Первыми являются литосфера и океаны.

Так, суммарный объем перемещаемых пород с континентов в океаны (объем твердого стока) в третичное время оценивается в 40-50' 10¹⁴ г/год, а в плейстоцене 100. 10¹⁴ г/год (Гаррелс, Макзи, 1974). В ХХ столетии он возрос до 240 . 10¹⁴ г/год (1 км3/год). Это природный фон, природная динамика процессов, связанная с проявлением новейшего тектонического этапа и наглядный пример регуляции тектонических поднятий, усиление процессов денудации пород и сноса в депрессии продуктов выветривания. По сути, рассматриваемое явление - природное нивелирование, выравнивание рельефа. Проявление таких эндогенных процессов как вулканизм и землетрясения следует рассматривать не только как катастрофическое геологическое явление для биоты, но и как регулятор напряженного состояния глубинных сфер Земли, механизм сброса напряжений и сохранение нашей планеты в состоянии, равновесном для жизни биоты. В последнем случае (сброс напряжений) эндогенные процессы можно квалифицировать и как природный регулятор состояния геофизических полей, а, следовательно, и геофизической экологической функции литосферы.

Эффекты саморегуляции геохимической экологической функции литосферы наиболее контрастно проявляются при рассмотрении балансовых характеристик химических и биохимических циклов различных элементов и соединений. Это можно видеть на примере углекислого газа, который большинством исследователей считает основным «виновником» глобального потепления климата и разрушения озонового слоя, понятно, что любые колебания давления углекислого газа в атмосфере по закону Генри вызывают соответствующие изменения концентрации СО₂ в океанических водах и наоборот. Постоянство парциального давления углекислоты в атмосфере обусловлено реакциями с участием углекислоты и депонированием ее в карбонатных толщах. Это например переход оливина в серпентин и анортита в каолин, реакции имеющие место в зоне эндо- и гипергенеза. По данным О.Г.Сорохтина и др.(2001), через океаническую кору с водой океанов проходит около 2,32* 10¹⁴ г/год углекислоты и 6,21* 10¹⁵г/год SO₄. Почти весь этот углекислый газ при гидратации базальтов, габброидов и пород серпентенитового слоя связывается в карбонатах или восстанавливается до метана. А результат - накопление карбонатных толщ и сульфидных руд -накопительное развитие ресурсной функции.

Скорость установления нового равновесия в содержании углекислоты в океанических водах измеряется периодами от первых до сотен тысяч лет. Баланс углекислоты в атмосфере связан с расходованием ее на разложение силикатных и карбонатных минералов, с выносом ионов кальция, магния и НСОз. в океан, где они осаждаются в виде карбонатов, связывая около 100.10⁶ тонн углерода в год. Возврат углерода в атмосферу происходит в результате магматических и метаморфических процессов.

До появления техногенного источника, дегазация недр была одним из основных факторов, сохраняющих баланс атмосферной СО₂ (Общий объем СО₂, выбрасываемый наземными и подводными вулканами, оценивается В.М. Красиловым по минимуму в 130-175.106 тонн в год. Скорее всего, эта цифра существенно занижена, т.к. только одна Этна выбрасывает 25.106 тонн в год, что составляет порядка 10-15% от приведенной интегральной суммы выбросов.

Несмотря на несколько разные количественные оценки депонированного СО₂ в карбонатных толщах и океанических водах, именно рассмотренные реакции и механизмы саморегуляции поддерживают баланс атмосферной и океанической СО₂. Следует добавить, что природный процесс саморегуляции в содержании СО₂ в атмосфере происходит не только в океане, но и на континентах. На них в определенные (перигляциальные) эпохи избыток углекислоты депонируется в лессовых толщах (Горшков, 1998).

Не останавливаясь на глобальных круговоротах серы, азота и фосфора, имеющих близкий механизм саморегуляции их содержания в геосферах Земли и отсылая читателя к соответствующим публикациям (Голубев, 1999; Горшков, 1998,2000), отметим главное. Процесс саморегуляции экологических свойств и функций литосферы - геологическое явление планетарного масштаба. Однако оно протекает достаточно длительное время- сотни, тысячи лет.

На локальном и региональном уровнях процесс саморегуляции экологических свойств и функций связан с самоочищением подземных и поверхностных вод, донных осадков и, в меньшей степени, горных пород. По понятным причинам он гораздо активнее протекает в динамически активных средах.

Резюмируя сказанное, отметим, что литосфера и Земля в целом - это инерционные, саморегулирующиеся системы, которые за свою многомиллионную геологическую историю развития саморегулировали и поддерживали жизнеобеспечивающие условия существования биоты, соответствующий этому состав атмосферы и экранирующую способность озонового слоя. Сказанное справедливо и в отношении энергетических и вещественных, в том числе, и биохимических круговоротов в природе, тесно связанных с литосферой и ее экологическими свойствами. Они являются контролирующим фактором эволюционного развития экосферы и состояния эколого-геологических условий. Следовательно, эволюционное развитие экологических функций литосферы ее экологических свойств и состояния в своей основе процесс природный, с четкими циклами, обусловленными земным космическими факторами. Без их учета невозможна объективная оценка современного экологического состояния любой территории, в том числе, и техногенно преобразованной.

3. Тектонические процессы как определяющие формирование экологических функций литосферы

Тектонические процессы - ведущие в геологической истории Земли. Именно они обусловили формирование кристаллического «каркаса» литосферы и его расчленение на океанические впадины и континентальные блоки современных очертаний. Деятельность вулканов, землетрясения с очагами на глубине в сотни километров, движения земной коры как в наше время, так и в глубоком геологическом прошлом - все это свидетельствует об активной жизни нашей планеты, о взаимодействии ее оболочек, об изменнии их состава и функций (Трухин и др., 2000).

Естественно что все эти процессы отражались и в формировании экологических функций литосферы, т.к. недра планеты определяют характер развития ее внешних оболочек, а, следовательно, всей области, где появилась и существует жизнь на Земле. Появившиеся в последние годы новые данные позволяют раскрыть проблему природной эволюции экологических функций литосферы с учетом развития тектонических процессов и их функционального воздействии на твердую оболочку Земли.

Тектонические nроцессы и ресурсная экологическая функция литосферы

Этот вопрос имеет два аспекта: 1) формирование минеральных, органо-минеральных ресурсов, необходимых для функционирования биоты, и, прежде всего, человеческого сообщества; 2) формирование ресурсов геологического пространства, используемого биотой. Они, особенно первый аспект, широко освещены в геологической литературе (Беневольский и др., 1995; Быковер, 1984; Митчел, Гарсон, 1984; Сидоров, 1995; Смирнов, 1984 и др.), поэтому далее сделаем лишь краткие, но необходимые пояснения. При этом влияние тектонических процессов в ходе эволюции Земли на формирование первой (из ранее названных) составляющей ресурсной экологической функции литосферы рассмотрим на примере месторождений металлических полезных ископаемых, используя разработки В.И.Старостина и О.Г.Сорохтина(2003) по эволюционной металлогении.

Судя по фундаментальным работам В.И.Смирнова, В.Е.Хаина, Д.В.Рундквиста, ААМаракушева, АД.Щеглова, Н.Л.Добрецова, Н.А Шило, В.И.Старостина и других исследователей, в истории Земли выделяется три крупных металлогенических эона: архейский (4,0-2,6), протерозойский (2,6-0,54) и фанерозойский, или современный, эон (0,54 - 0 млрд. лет), тесно связанные с особенностями тектонического развития нашей планеты. В.И.Старостин и О.Г.Сорохтин (2003) предприняли попытку оценить основные закономерности образования во времени металлических полезных ископаемых. При этом они приняли в своей работе новый подход - стоимостное выражение разведанных запасов для оценки минерального потенциала различных геологических эпох. Поясняя содержание такого подхода, авторы писали: «Очевидно, что в таком виде распределение запасов каждого из видов полезных ископаемых в Земле, например, золота, должно быть полностью подобным его количественному распределению в тоннах. Тоже относится и к другим видам полезных ископаемых данного типа, а также и к их сумме (во всяком случае, на качественном уровне). Поэтому и принятая нами стоимостная оценка распределений полезных ископаемых в общих чертах и качественно, по-видимому, все-таки должна отражать действительную картину.

Для составления искомых распределений вначале производились подсчеты достоверных запасов руд разного возраста или объемы их добычи, а затем по современной конъюнктуре сырьевого рынка (с осреднением за 10-20 лет) определялась потенциальная стоимость этих запасов или добытого сырья. После этого, по двум типам полезных ископаемых, соответственно объединяющих основные сидерофильные (Fe, Ni, V, Cr, ", минералы платиновой группы) и халькофильные элементы (Hg, Pb,Zn, Си, Мо, Sn и др.), проводилась оценка их стоимости по геологическим периодам (на интервалах около 100-200 млн. лет), а их сумма за всю геологическую историю Земли по каждому из типов принималась за 100%. В результате удалось, хоть и косвенно, но с единых позиций выявить общие черты в распределении однотипных месторождений и принципиальные различия в распределениях сидерофильных и халькофильных полезных ископаемых» (Старостин, Сорохтин, 2003, с. 7).

Полученные результаты, показывающие общие закономерности проявления сидерофильных и халькофильных элементов в месторождениях полезных ископаемых и в целом отражающие важнейшие эволюционные изменения в истории Земли, показаны на рис….. Результаты привели авторов к следующим выводам: «...железорудные месторождения в максимальных объемах формировались только в раннем протерозое, после выделения земного ядра и первое время после этого момента.

Близким к этому распределением оказались и запасы золота за исключением лишь того, что металлогенические импульсы золота более узкие и резко выраженные. Металлогенический потенциал сидерофильных полезных ископаемых в максимальной степени также проявился в раннем протерозое, но в дальнейшем заметно снизился и вновь несколько повысился только в фанерозое за счет рециклинга земной коры и активизации рудного вещества более древних месторождений. Поведение халькофильных элементов оказалось совершенно иным: их проявления в докембрии носили более умеренный характер, зато в фанерозое возникает резкий максимум суммарной массы месторождений халькофильных полезных ископаемых, также связанный с рециклингом, но проявленный значительно сильнее, чем у сидерофильных элементов. Последнее, вероятно, связано с тем, что сульфиды являются более подвижными соединениями, чем окислы черных металлов.

Blog

Современные особенности экологических функций литосферы