Предмет, объекты и задачи второй геологии


Термин «вторая геология» в настоящее время уже получил достаточно широкое распространение и даже употребляется в действующих нормативных актах (например, ГОСТ 30772-2001 «Ресурсосбережение. обращение с отходами. Термины и определения», раздел «Область применения»; ГОСТ Р 53692-2009 «Ресурсосбережение. Обращение с отходами. Этапы технологического цикла отходов», пункт 5.10.2). В большинстве случаев в это понятие используется для обозначения деятельности по переработке крупных образовавшихся в прошедшие годы скоплений отходов. Благодаря развитию новых технологий извлечение из них остаточных количеств ценного сырья или иное использование становится экономически целесообразным и может приносить значительную экономическую выгоду. Подобные образования, которые мы рассматриваем как одну из разновидностей техногенных геологических тел, в настоящее время уже обозначаются как «техногенные месторождения». Это понятие в Российской Федерации уже приобрело правовую основу. Так, определение данного термина «техногенные месторождения вторичных ресурсов» содержится в ГОСТ Р 54098-2010 «Ресурсосбережение. Вторичные материальные ресурсы. Термины и определения» (пункт 3.2.6). Но спектр проблем, обусловленный возникновением в литосфере различных техногенных тел значительно более широк. Актуальность многих из них как научная, так и практическая постоянно возрастает, что обусловливает востребованность развития второй геологии как научной дисциплины и как практической деятельности, охватывающей значительно более широкий круг вопросов, чем исследование возможностей использования скоплений вторичного сырья.


Обсуждая предмет и востребованность развития второй геологии необходимо кратко охарактеризовать основные черты современного техногенеза литосферы. На протяжении всего предшествующего развития цивилизации процесс освоения ее ресурсов носил практически односторонний характер – человек добывал из недр Земли полезные ископаемые. На современном этапе земная кора все чаще используется для размещения в ней отходов, что нередко трактуется как их вывод за пределы биосферы. Происходящее при этом разрушение геологических структур носит локальный характер. В отличие о загрязнения волной или воздушной среды техногенная трансформация земной коры пока очень редко сказывается на условиях существования людей и состоянии природных экосистем. По этой причине современное общество мало озабочено данным вопросом. Недостаточный интерес к изучению общих закономерностей техногенеза геологической среды проявляют и научные круги. Куда большее внимание привлекают процессы по переработке-обогащению полезных ископаемых, осуществляемые на земной поверхности, а также обусловленные этой деятельностью изменения ее рельефа (образование карьеров, терриконов и т.п.). То есть процессы и явления, затрагивающие сиюминутные интересы многих людей и которые они могут увидеть или непосредственно ощутить. Иными словами, техногенные процессы, протекающие в толще земной коры, почти не оказывают влияния на жизнь современного общества и, поэтому, оно не проявляет к ним должного внимания. Образование проседаний земной поверхности над горными выработками, непосредственно затрагивающие интересы населения, события относительно редкие. Информация о связи крупных землетрясений с добычей полезных ископаемых во многих случаях преподносится скорее в форме научных гипотез, а не фактов установления неоспоримой причинно-следственной связи. Но на современном этапе характер проблем, связанных с освоением ресурсов литосферы и приоритетность их изучения постепенно претерпевает кардинальные изменения. Происходит это по нескольким причинам.


Во-первых, масштабы техногенной трансформации (техногенеза) литосферы достигли предела, когда последствия этой деятельности приобретают глобальный характер. В первую очередь это касается нарушения биогеохимических циклов, т.е. круговоротов химических элементов, обеспечивающим функционирование биосферы как единой системы. Дальнейшее практически неконтролируемое развитие этих тенденций может привести не только к практически необратимым экологическим последствиям и глобальным социально-политическим потрясениям. Примером нарушения биогеохимических циклов является не только повышение содержание углекислого газа в атмосфере, обусловленное добычей нефтепродуктов и их последующим сжиганием. Не меньшую, а скорее даже большую опасность, представляет собой уменьшение запасов фосфора в земной коре, в результате добычи сырья для производства минеральных удобрений. Близящееся их исчерпание неминуемо повлечет падение урожайности сельскохозяйственных культур и усугубление глобального продовольственного кризиса, развитие которого уже стало причиной перманентного голода населения и роста социально-политической напряженности в мире.


Во-вторых, растущее по своим масштабам и многоплановости вторжение человеческой деятельности в геологическую среду все чаще вызывает изменение экологических условий на земной поверхности. Например, добыча сланцевой нефти, основанная на трансформации условий в недрах земли в ряде районов привела к сильному загрязнению нефтепродуктами подземных вод, ресурсы которых использовались в качестве источника питьевой воды. Возведение новых городских районов на участках захораниваемых скоплений промышленных отходов и свалок, создает угрозу для здоровья проживающего в них населения из-за возможного высачивания токсичных газообразных токсичных веществ (свалочного газа, паров ртути и др.).


В-третьих, возникла востребованность разработки механизмов управления процессами техногенной трансформации литосферы. До недавнего времени априрорно полагалось, что в отличие о других частей природной среды доступные для добычи полезных ископаемых слои литосферы, так называемые «недра» можно использовать, но управлять сопутствующими этой деятельности процессами нет необходимости. В этом заключалось принципиальное отличие геологических ресурсов от других их категорий – водных, почвенных, биологических и даже, как бы непривычно это не звучало, ресурсов атмосферы. Так, восстановление эродированных почв, лесоразведение на подверженных опустыниванию участках и попытки воспрепятствовать развитию парникового эффекта в современном мире воспринимаются как традиционные меры по улучшению состояния окружающей среды. Мысли о необходимости управления процессами, протекающими в земной коре, с целью сохранения благоприятной среды на ее поверхности, представлялась почти абсурдной. Но на современном этапе, как уже рассматривалось выше, поиск путей решения данной проблемы становится все более актуальным. В перспективе человечество может ликвидировать все ненужные и, тем более, опасные техногенные тела и, одновременно, научиться создавать новые, обладающие той или иной ценностью. Примерами может служить возведение искусственных земельных участков и островов с благоприятными экологическими условиями. Но осуществление этой деятельности требует создания серьезной научной базы.


Таким образом, непрерывный рост масштабов и значимости последствий процесса техногенной трансформации литосферы обусловливает не только настоятельную необходимость его систематического изучения, но и востребованность осуществления научно-обоснованной практической деятельности по разработке мер по предотвращению нежелательных, а нередко опасных, последствий техногенеза земной коры. Поэтому, вторая геология развивается как область научно-практической деятельности (рисунок 1). В соответствии с этим в широком понимании вторая геология – это наука изучающая техногенные тела, как один элементов литосферы, их структуру, процессы образования и трансформации, а также разрабатывающая методы управления процессами формирования подобных тел и добычи, содержащегося в них ценного сырья.

Вторая геология

Рисунок 1. Вторая геология как область научно-практической деятельности


Термин «вторая геология» хорошо отражает суть предмета и задач этой научно-практической деятельности. С одной стороны, существующие в составе литосферы техногенные тела представляют собой участки земной коры и, следовательно, изучающая их наука относится к категории геологических. С другой стороны, техногенные тела, процессы их образования и трансформации следует рассматривать как вторичные, являющиеся результатом техногенеза естественной, т.е. первичной геологической среды. Таким образом прилагательное «вторая» отражает не второстепенность данной науки, а характер предмета исследования. Специфика техногенных тел, методов их изучения, а также возможных путей использования и, в случае необходимости, способов их ликвидации (преобразования) позволяет отделить «вторую геологию» от других геологических наук, занимающихся изучением естественных геологических процессов или возможносями добычи природных ресурсов из недр Земли.


Итак, основным объектом научной и практической деятельности второй геологии являются техногенные тела. Вместе с тем, процессы образования техногенных тел происходят в естественной геологической среде или в непосредственном контакте с ней. Они протекают под влиянием условий этой среды, но и сами способны влиять на ее состояние. По этой причине, во многих случаях можно говорить об образовании природно-техногенных тел. Их образование является совокупным результатом природных и техногенных процессов. Примером могут служить массивы горных пород, свойства которых претерпели изменения вследствие воздействия на них буровзрывных работ. По этой причине объекты изучения геологии и «второй геологии» тесно соприкасаются (рисунок 2).

Вторая геология

Рисунок 2. Взаимосвязь объектов изучения геологии и второй геологии

Основными задачами второй геологии являются:

Определение понятия техногенное геологическое тело


Термины «тело» и «геологическое тело» нередко употребляются в геологии для обозначения участков земной коры, обладающих определенными свойствами, благодаря котором их можно рассматривать как отдельные образования, имеющие достаточно четкие границы и форму. В качестве техногенных тел широком смысле можно рассматривать не только искусственно создаваемые скопления вещества, существующие в геологической среде, но и естественные тела, трансформированные в результате человеческой деятельности. К ним, в частности, можно отнести окультуренные почвы и сильно загрязненные водные объекты. Но, чтобы представлять собой предмет геологического исследования такое «тело», должно представлять собой нечто, что можно рассматривать как часть земной коры. То есть, это образование должно существовать достаточно длительное время, иметь определенные состав, свойства и границы, позволяющие рассматривать его как отдельную структуру в составе геологической среды. Кроме того, оно должно обладать относительно большим объемом. Учитывая это можно дать следующее определение техногенных тел, участвующих в формировании литосферы: «техногенное геологическое тело – это любое длительно существующее скопление вещества, в земной коре или на ее поверхности, возникшее как результат целенаправленной человеческой деятельности или ее побочный продукт, и сопоставимое по своим масштабам с естественными геологическими телами». Условно минимальный объем техногенного тела можно принять 100 м3, а наименьший срок сохранения 50% своей массы (без целенаправленных усилий человека по ее ликвидации) – не менее 10 лет. Для обозначения аналогичных скоплений меньших масштабов (100 м3 – 10 м3) можно предложить термин «техногенная геологическая структура», а для образований объемом от 10 м3 до 0,1 м3 – «техногенное включение». Под термином «элемент техногенного тела» понимается любая, содержащаяся морфологически обособленная частица размером менее 0,1 м3, содержащаяся в данном теле, а под термином «компонент техногенного тела» – вещество, участвующее в формировании в его химического состава.


Оценить общий объем техногенных тел в земной коре в настоящее время невозможно. Вместе с тем, не вызывает сомнений, что он очень велик и существует хорошо выраженная тенденция в его увеличению. Процесс техногенной трансформация литосферы сопутствовал человеческой цивилизации еще на самых ранних этапах ее развития. В связи этап геологической истории, начавшийся около 8000 лет назад было предложено назвать технозойский период или техногей . Темпы техногенеза литосферы, постоянно возрастают с ростом народонаселения планеты и объемов мирового производства. Расширяется и область значимого проявления этих процессов. На современном этапе техногенные тела в верхних горизонтах земной коры приобретают все большую значимость и распространенность. Это не только отвалы горных выработок. Техногенными телами являются грунты, подстилающие подавляющую часть урбанизированных участков поверхности нашей планеты. Состав осадочных отложений Мирового океана также все в большей степени формируется под воздействием человеческой деятельности. Осадки, образующиеся на многих прибрежных участках морского дна уже сейчас можно рассматривать как один из видов техногенных тел. Еще в большей степени техногенными телами являются отложения большинства водохранилищ, количество которых ежегодно возрастает на несколько сотен, а площадь еще в начале XXI века достигла 600 тыс. км2.


Между естественными и техногенными геологическими телами существует ряд принципиальных отличий:


1. Присутствующие в техногенных телах вещества, могут не встречаться в естественных условиях. Это так называемые «ксенобиотики», примером которых могут служить отходы из искусственных полимеров (пластмасс и др.).


2. Процессы образования и трансформации техногенных тел, как правило, происходят с несравненно большей скоростью. Они в значительно в большей степени подвержены разрушению при воздействии внешних факторов (эрозии, суффозии, дефляции и др.).


3. Возникновение техногенных тел представляет собой нарушение естественных процессов формирования литосферы, а в более широком понимании процесс, ведущий к нарушению структурно-функциональной организации биосферы. По этой причине данные явления могут рассматриваться как потенциальная угроза ухудшения состояния окружающей среды.

Процессы возникновения и трансформации техногенных тел


Возникновение техногенных тел происходит как путем их целенаправленного формирования, так и в результате образования в качестве побочного эффекта деятельности (рисунок 3). При целенаправленном формировании человеком преследуется цель – создать техногенное тело, как скопление массива каких-то веществ. В большинстве случаев это отходы, от которых хотят избавиться, откладывая их на определенном участке земной поверхности или в толще горных пород. Этот процесс не всегда желателен и допустим с правой точки зрения. Например, это формирование пояса несанкционированных свалок. В качестве целенаправленно сформированных техногенных тел можно рассматривать и различные искусственные образования, размещаемые человеком в геологической среде для выполнения определенных функций. К ним можно отнести основания крупномасштабных гидротехнических и иных сооружений.

Вторая геология

Рисунок 3. Процессы возникновения техногенных геологических тел


Образование техногенного тела в литосфере как побочного эффекта деятельности – это сопутствующее ей изменение участка земной коры, не преследовавшее каких-либо практических целей. Во-первых, это происходит при трансформации недр, окружающих их участки, целенаправленно использовавшиеся в тех или иных целях. Так, при подземных испытаниях ядерного оружия, вокруг шахты, в которой осуществлялся взрыв, образуется участок геологической среды, обладающий уже иными свойствами. Во-вторых, образование подобных техногенных тел является результатом неконтролируемого проникновения в литосферу различных загрязнителей. Так, в настоящее время в ряде районов РФ в результате утечек нефтепродуктов, происходивших с различных объектов в течение многих лет, произошло загрязнение ими не только почвогрунтов, но и подстилающих их горных пород. Отмечается изменение значительных участков геологической среды и условий недропользования. Например, подземные воды в этих районах становятся непригодными для использования в качестве источников питьевого водоснабжения.


Субъекты, побочные аспекты деятельности которых приводят к образованию техногенных тел нередко не осознают в полной мере последствия своих действий, в частности, их экологическую опасность. Так, сбрасывая загрязненные стоки руководство предприятия, как правило, не задумывается о том, что их компоненты могут аккумулироваться в донных отложениях удаленной от их объекта части речного бассейна. Граница между целенаправленным формированием техногенных тел и их образованием как побочного продукта весьма условна. Например, одна категория процессов переходит в другую после установления причинно-следственной связи между определенной деятельностью и образованием техногенного тела, а также распространения этой информации. Заранее спрогнозированный побочный эффект, вызвавший изменение свойств участка геологической среды, может с уже достаточным основанием рассматриваться как целенаправленное изменение недр. Таким образом, можно выделить следующие основные механизмы образования техногенных тел:


1. Управляемое формирование техногенных тел – представляет собой производственный процесс размещения в окружающей среде отходов или побочных продуктов по определенному графику, в специально подготовленном для этого участке. Структура и состав таких тел заранее определены. Во многих случаях для осуществления этой деятельности требуется возведение специальных сооружений и создание инфраструктуры по их обслуживанию. Примером могут служить разделенные на последовательно заполняемые секции хранилища отходов современных горнодобывающих предприятий.


2. Контролируемое формирование техногенных тел, к которому относятся все случаи возникновения масштабных искусственных скоплений вещества, на участках с установленными границами. При образовании подобных тел соблюдается ряд правил, но их состав и структура могут существенно варьировать. При этом, в одних случаях (например, на полигонах захоронения ТБО), требуется сооружение специальных барьеров, препятствующих распространению в среде загрязнителей. В других случаях, (например, при засыпке строительным мусором котлованов или выработанных карьеров) подобное требование может не выдвигаться.


3. Несанкционированные формирование техногенных тел, т.е. их целенаправленное создание без соблюдения каких-либо правил. Как правило это происходит в результате противозаконных действий большой группы физических лиц, а также организаций. Примером, являются так называемые «неорганизованные свалки», т.е. самовольное размещение хозяйственно-бытовых и промышленных отходов вокруг населенных пунктов или вдоль транспортных коммуникаций.


4. Образование техногенных тел как побочного эффекта при добыче полезных ископаемых и строительства (эксплуатации) подземных сооружений (коммуникаций). Так, в нефтегазодобывающей отрасли широко практикуются гидроразрывы, закачка в пласты различных флюидов. При поземных способах добычи полезных происходит образовании пустот, обводнение и изменение их структуры породных массивов. В результате подобной трансформации естественной геологической среды происходит образование техногенного тела, обладающего иными свойствами. При строительстве и эксплуатации подземных сооружений (коммуникаций) нарушается сплошность породных массивов, происходит попадание в них различных жидкостей, внедрение (отсыпка) в подземную среду инородных материалов (иногда – отходов), просачивание вод с земной поверхности. Это также приводит к образованию техногенных тел.


5. Возникновение техногенных тел в результате спонтанной аккумуляции и депонирования продуктов человеческой деятельности. Под аккумуляцией в данном случае понимается процесс образования техногенного тела путем накопления продуктов человеческой деятельности, происходящий без участия в нем людей. Примером может служить накопление агентов химического загрязнения и взвесей промышленного происхождения в подводных впадинах или в форме отложений на участках застойных зон водных объектов. В отличие от этого депонирование – это включение (поглощение) техногенных компонентов первоначально естественными телами. Например, это естественные донные отложения озера, постепенно накапливающие в себе агенты загрязнения и засорения. В результате их свойства изменяются, но в отличие от техногенных тел, образовавшихся в результате аккумуляции в их составе в значительном количестве присутствуют вещества естественного происхождения.


Техногенные тела в большинстве случаев характеризуются более высокой степенью мобильности, чем естественные. В течение относительно короткого времени может произойти существенное изменение их структуры и состава. Эти явления включают совокупность разнородных процессов, среди которых можно выделить механическую, физическую, химическую и биологическую трансформацию.


Механическая трансформация техногенных тел заключаются в изменении формы (границ) их залегания, а также разрушении текстуры. Это может происходить вследствие естественных процессов перемещения их массы под действием гравитационных сил (обвалов, оползней) или суффозии, а также при целенаправленном изменении рельефа. Так, строительство новых районов городов, нередко происходит при на участках, окружавших их ранее свалок. В ходе этой деятельности осуществляется рытье котлованов, а также выравнивание поверхности, сопровождающееся запечатыванием, перемещением массы исторических техногенных тел, а также отсыпки над ними слоя грунта.


Физическая трансформация техногенных тел включает изменение их температурного режима, плотности и влагосодержания (фазового состояния). Эти процессы также могут происходить как самопроизвольно, так при участии человека. Так плотность техногенных тел, формирующихся из твердых бытовых отходов может увеличиться в результате их слеживания. Изменение теплового режима, способное повлечь нежелательные экологические последствия возникает при прокладке городских теплотрасс в толще захороненных техногенных тел. При подтоплении или временном затоплении территории твердые тела могут трансформироваться в полифазные. В условиях, способствующих уходу несвязанной воды и дегазации возможен обратный процесс.


Химическая трансформация техногенных тел – это процессы, изменяющие состав слагающих их веществ. Они могут быть обусловлены как внутренними факторами, так и внешними факторами (экзогенные процессы). Трансформация состава техногенных тел, например, может быть обусловлена реакциями, между их компонентами, в результате чего образуются новые вещества. Они, нередко, более токсичные или более легко распространяются в окружающей среде. Например, в техногенных телах, формировавшихся из отходов бурения на территории Тюменского нефтегазового месторождения в течение длительного периода происходило окисление содержащихся в них ароматических углеводородов до фенолов. Эти вещества хорошо растворяются в воде и весьма опасны для здоровья людей. Химическая трансформация происходит также при проникновении в техногенные тела различных веществ или воздействии каких-либо иных внешних факторов. Например, это процессы окисления обусловленные контактом с воздушной средой. Подобные процессы могут протекать весьма интенсивно с выделением большого количества тепла. Так, на территории угледобывающих предприятий иногда наблюдается самовозгорание шахтных терриконов – конусообразных отвалов высотой до 60–80 м. Обычно это происходит в форме тления, которое может длиться 10 лет и сопровождаться обильным выделением в атмосферу газообразных продуктов. Но сильный ветер способен раздуть очаги тления до появления открытого пламени. Их температура в такие периоды повышается до 1000°С. Материал терриконов спекается в пласты.


Процессы физической и химической трансформации техногенных тел могут быть неразрывно связаны. Например, при горении отвалов угольных шахт одновременно происходит изменение как их химического состава, так физических характеристик, т.е. физико-химическая трансформация техногенных тел.


Биологическая трансформация заключается в изменении химического состава и текстуры техногенных тел в результате жизнедеятельности микроорганизмов (различных групп бактерий и грибов). Подобные процессы могут происходить спонтанно, как например, разложение органических веществ, содержащихся в твердых бытовых отходах (ТБО), сопровождающееся выбросом в атмосферу, так называемого «свалочного газа», а также просачиванием в подстилающие породы и сбросом в водные объектом (стоком по рельефу) жидких и легкорастворимых продуктов разложения. Но биологическая трансформация техногенных образований может осуществляться и целенаправленно. Так, существуют технологии извлечения из техногенных тел ценных компонентов путем внесения в них определенных групп бактерий и создания условий для их интенсивного развития.

Виды техногенных геологических тел


Техногенные геологические тела весьма разнообразны и могут быть классифицированы по целому ряду признаков. Используя эти же критерии можно выделять аналогичные виды техногенных геологических структур, обладающих меньшим объемом (100 м3 – 10 м3), чем техногенные тела (более 100 м3).


По происхождению техногенные геологические тела можно разделить на организованные, целенаправленно формирующиеся с определенной целью и спонтанные, возникшие стихийно, главным образом, в результате желания людей без дополнительных затрат избавиться от отходов. В отдельную категорию можно выделить техногенные геологические тела смешанного происхождения. Они могут, например, возникнуть при утрате контроля за местами хранения, твердых бытовых отходов, когда одновременно с их регламентированным накоплением, происходит самовольный неконтролируемый вывоз на эти же площадки различных материалов, в т.ч. и опасных.


В основу классификации техногенных тела можно также положить механизм образования. Например, некоторые из них возникают как скопления побочных продуктов деятельности (отходов, пустой породы и др.), в связи с чем их можно обозначить как продуцируемые.


Аккумулятивные тела возникают вследствие самопроизвольного накопления техногенных материалов. В качестве их отдельной категории можно выделить барьерно-аккумулятивные тела, образующиеся на естественных (например, во впадинах рельефа) или специально создаваемых барьерах.


Седиментационные тела образуются в результате осаждения техногенных взвесей и отходов (мусора) на дне водных объектов. В реальных условиях осаждению техногенного материала во многих случаях сопутствует процесс естественной седиментации. По этой причине в подобных телах в относительно обычно присутствуют и компоненты природного происхождения. Примером подобных тел являются участки грунта подводных грунтов интенсивно загрязняемых водных объектов.


Вторичные техногенные тела возникают в процессе пространственного перемещения ранее образовавшихся техногенных тел, которые в данном контексте рассматриваются как первичные. Примером может служить скопление вещества, возникшее в результате переотложения техногенных наносов (рисунок 4). Нередко в процессе перемещения в наносы включаются новые компоненты. Условия их аккумуляции на новом месте также могут быть иными. По этим причинам структура и состав первичных и вторичных техногенных тел могут иметь существенные отличия.

Вторая геология

Рисунок 4. Образование вторичного техногенного тела виде донных отложений, формирующихся из материалов отвала горной выработки


В некоторых случаях миграция компонентов из техногенного тела в окружающую среду, приводит к ее химической трансформации. Таким образом, возникновению в зоне контакта первичного техногенного тела со средой образуется еще одно техногенное тело, для обозначения которого можно обозначить как сопряженное техногенное тело. Их примером могут служить грунты, расположенные под хранилищами отходов и свалок, состав которых претерпел существенные изменения. Содержание многих элементов, таких как например, Zn, Сu, Sn, Ag, Pb, Cr может повыситься в них в десятки и даже сотни раз (рисунонок 5). То есть такие вторично-сопряженные техногенные тела образуются в результате депонирования чужеродных предметов и загрязнителей в естественных телах, что приводит к принципиальному изменению их состава и свойств.

Вторая геология

Рисунок 5. Образование сопряженного природно-техногенного тела в результате загрязнения грунтов и горных пород, подстилающих свалку.


Новое техногенное тело может возникнуть не только при внедрении в естественные тела каких-то чужеродных материалов, но и изъятия из них определенных компонентов, а также воздействий, вызывающих образование полостей, трещин и другие изменения структуры. Участки недр, остающиеся после извлечения из них полезных ископаемых, например, содержащие выработанные нефтегазоносные или угольные пласты, уже обладают иными породным составом и структурой. Так, в породном массиве, окружающем подземную горную выработку нередко развивается сеть трещин. По окончании работ выработки могут заполнятся пустой породой или иными материалами, в т.ч. отходами. Это сопровождается изменением свойств геологической среды, например, ее геодинамических характеристик. Подобные результаты техногенеза геологической среды могут рассматриваться как отдельный вид техногенных тел – реструктурированные техногенные тела. Нарушение структуры горных пород может возникать не только как побочный эффект деятельности, но осуществляться целенаправленно. Примером могут служить действия по химическому укреплению породных массивов путем нагнетания в них различных затвердевающих жидких субстанций, а также их замораживания.


Техногенные тела отличаются по скорости процессов трансформации слагающего их материала и продолжительности времени своего существования. По этому признаку, т.е. устойчивости во времени, можно различать: стабильные техногенные тела, состав и масса которых остается неизменной в течении длительного времени; трансформируемые техногенные тела, состав которых претерпевает существенные изменения в результате химических и микробиологических процессов, но это не приводит к потере большей части их массы; деградирующие техногенные тела, объем и масса которых закономерно сокращаются.


По характеру размещения техногенные тела можно разделить на поверхностные, запечатанные, подповерхностные (захороненные), подземные (глубинные), стволовые, подводные, прибрежные и островные. Под запечатанными техногенными телами в данном случае подразумеваются образования, ранее выходившие на поверхность и контактировавшие с воздушной средой, а затем изолированные от нее асфальтобетонными покрытиями. Подобные техногенные тела практически неизбежно возникают в процессе урбанизации территории. Необходимость их выделения в отдельную категорию обусловлена тем, что после запечатывания поверхностных техногенных тел, характер протекающих в них процессов их воздействие на окружающую среду могут существенно измениться. Иные аспекты приобретает существование запечатанных техногенных тел и с точки зрения обеспечения здоровья и безопасности жизни населения (высачивание вредных газообразных веществ в подвальные и иные поземные сооружение, скрытое образование промоин с последующим обрушением покрытий и др.) (рисунок 6).

Вторая геология

Рисунок 6. Опасные последствия разрушения запечатанных техногенных тел на урбанизированных территориях.


Подповерхностные техногенные тела отличаются от запечатанных, тем что поверх их существует слой, имеющий иное происхождение. Например, он образуется при отсыпке плодородного слоя в ходе рекультивации отвалов и хвостохранилищ.


Подземные или глубинные техногенные тела формируются как при целенаправленном размещении отходов или других искусственных материалов в толще горных пород (например, в выведенных из эксплуатации закрытых горных выработках), так и при спонтанном (неконтролируемом) образовании в них скоплений инородного вещества или накоплении его при просачивании из вышележащих слоев.


Стволовые техногенные тела простираются от поверхности земли до ее глубоких слоев, пронизывая толщу горных пород на значительном протяжении. Примером могут служить засыпанные шахты, участки недр, трансформированные в ходе буровых работ.


Подводные техногенные тела возникают как целенаправленно (например, организованное захоронение отходов в море), так и спонтанно в результате отложения (аккумуляции) загрязнителей и мусора на дне водных объектов.


Прибрежные техногенные тела уже много веков создаются в ряде стран с высоким уровнем населения для расширения территорий, пригодных для хозяйственного освоения. Кроме того, они могут выполнять функцию сооружений, защищающих от наводнений и абразионного разрушения берегов. В Нидерландах такие техногенные тела, получившие название польдеров, создаются уже в течении более 600 лет. Эти работы включают не только отгораживание прибрежного участка моря и его осушение. Помимо этого, осуществляется удаление слоя засоленных поверхностных отложений, а затем отсыпка на их место другого материала (заполняющего грунта, плодородного слоя земли). Таким образом, польдер это не просто осушенный участок моря, а новое искусственное образование, т.е. техногенное тело. В предшествующие времена подобные прибрежные техногенные тела предназначались главным образом для ведения сельского хозяйства. На современном подобная деятельность в большинстве случаев осуществляется с целью создания новых участков для городской застройки и строительства крупномасштабных портовых сооружений. Островные техногенные тела – это массивы из различных материалов, возникающие при возведении искусственных островов на морском шельфе.


По динамике поступления материала техногенные тела могут быть разделены на пополняемые, законсервированные и исторические. Первый их этих видов техногенных тел характеризуется постоянным поступлением в него новых количеств вещества, что приводит к увеличению массы и объема данного тела. К законсервированным относятся организованные техногенные тела, внесение в которых нового материала официально запрещено. Под термином «исторические техногенные тела» понимаются образования искусственного происхождения, возникшие в предшествующие периоды, и длительное время не вовлекаемые в сферу человеческой деятельности. Например, хвостохранилища и отвалы заброшенных горных выработок, захороненные скопления отходов уже несуществующих предприятий и т.п.


По источникам возникновения техногенные тела могут быть промышленными, горнопромышленными, нефтепромысловыми, агропромышленными (биотехногенными), агротехническими, урбанизационными, селитебными, хозяйственно-бытовыми, ядерновзрывными. Промышленные и агропромышленные техногенные тела возникают в результате накопления в окружающей среде отходов производственных предприятий и сельскохозяйственной деятельности. Выделение горнопромышленных и нефтепромысловых техногенных тел в отдельные категории обусловлен их масштабностью и спецификой процессов формирования, отличных от образования техногенных тел при осуществлении иных видов промышленной деятельности. Так, на долю горных отраслей промышленности приходится 70-80% объёма всех отходов. Ежегодно в мире при добыче и переработке минерального сырья образуется свыше 15-18 млрд т так называемых «пустых пород», которые формируют крупномасштабные техногенные тела – отвалы, хвостохранилища и др. Под урбанизационными техногенными телами понимается широкий спектр скоплений вещества, возникновение которых связано с формированием городской застройки (урбосистемы). К ним относятся запечатанные и захороненные массивы строительного мусора, некоторые виды городских почвогрунтов, поземные линзы жидких техногенных тел, образовавшиеся в результате просачивания загрязненных вод с поверхности, а также протечек из подземных коммуникаций и сооружений (например, канализационных коллекторов) и др. Селитебные техногенные тела образуются в результате аккумуляции продуктов жизнедеятельности человека на территории его поселений. К подобным образованиям некоторые исследователи относят так называемый «культурный слой», формировавшийся в течении столетий на территориях населенных пунктов. Основная масса хозяйственно-бытовых техногенных тел образуется необходимые для жизнедеятельности населения. Их отличие от селитебных тел заключается в том, что они возникают¸ главным образом, за пределами городской застройки или¸ реже¸ на специальных участках, окруженных городской застройкой. Наиболее распространенный тип – пополняемые или законсервированные городские свалки. Агропромышленные (биотехногенные тела) образуются при накоплении в среде отходов и побочных продуктов сельскохозяйственной деятельности (биотехнологий). Примером могут служить масштабные отложения навоза вблизи животноводческих предприятий, иногда захораниваемых или запечатываемых при стремительном распространении городской застройки. Биотехногенные тела могут также возникнуть в результате отложения продуктов жизнедеятельности организмов на дне на участках садкового рыбоводства. При использовании этой биотехнологии при выращивании 1 т товарной рыбы в среднем образуется более 8 м3 донных отложений. За несколько лет общий объем отложений под садками одного хозяйства может составлять тысячи м3. Агротехнические тела формируюттся в процессе переработки повчв и грунтов для выращивания сельскохозяйственных культур, а также в ходе их последующей, как правило, многолетней обработки. Ядерновзрывные техногенные тела возникают в результате подземных испытаний ядерного оружия. Огромное количество выделяющейся при этом энергии приводит к образованию массива горных пород, протяженностью в сотни метров, которая по своей структуре и свойствам существенно отличен от окружающей ее геологической среды.


По перспективности хозяйственного освоения техногенные геологтические тела подразделяют на техногенные образования, техногенные месторождения и потенциальные техногенные месторождения. Техногенные образования не содержат каких-либо ценных компонентов. Техногенные месторождения – это ранее искусственно образовавшиеся скопления вещества, которые в настоящее время могут рассматриваться как сырьевые источники. Потенциальные техногенные месторождения также содержат значительные количества ценных компонентов, но их добыча при современном уровне технологического развития экономически еще нецелесообразна. Однако в обозримой перспективе подобный взгляд на эти запасы сырья может принципиально измениться. В нормативных актах также употребляется близкий по смыслу термин – «техногенные накопления вторичных ресурсов» – специально обустроенные или необустроенные, в том числе на открытом рельефе местности, накопления отходов, предусматривающие их хозяйственное использование в ближайшем или отдаленном будущем в качестве вторичных материальных ресурсов (ГОСТ Р 54098-2010 «Ресурсосбережение. Вторичные материальные ресурсы. Термины и определения», пункт 3.2.7).


Исходя из особенностей структуры техногенных тел среди них можно выделить различия: гомогенные, относительно однородные по всему объему; равномерно-гетерогенные, состоящие из нескольких структурных элементов, относительно равномерно распределенных по всему объему этого тела; гетерогенные агрегированные, содержащие отдельные включения (агрегации), отличающиеся по своему составу от основной массы тела; гетерогенные стратифицированные, толща которых состоит из нескольких различных слоев и гетерогенные зональные, состоящие из отдельных участков (зон), каждая из которых отличается по своему составу, но имеют общее происхождение. В этом заключается их принципиальное отличие от «вторичных (сопряженных) техногенных тел».


Классифицировать техногенные тела можно также по характеру пространственного распределения объема. Они могут быть целостными и раздельными, т.е. формирующиеся как несколько близкорасположенных, но отделенных друга от друга крупных тел, которые можно рассматривать как единый объект окружающей среды. Примером могут служить секции хвостохранилища. Отдельную категорию составляют фрагментарные техногенные тела, представляющие собой значительное количество небольших по объему скоплений инородных веществ и предметов, сосредоточенных на относительно небольшой площади. Например, это небольшие неорганизованные свалки вдоль автотрасс или точечные места захоронения отходов на территориях бывших промзон. При анализе обусловленных ими процессов, например, загрязнения почв и подземных вод их обычно рассматривают как единый фактор.


По фазовому состоянию вещества можно выделить твердые, жидкие, газообразные, двухфазные и полифазные техногенные тела. Очевидно, что подобное деление не может иметь четких границ. Большинство техногенных тел можно отнести к категории твердых. Но, в них, как правило, присутствует некоторое количество жидкостей и газов. Поэтому, к данному виду следует отнести образования, в которых твердая фаза составляет не менее 90% их массы. Примером жидких техногенных тел могут служить линзы нефтепродуктов или каких-либо иных жидкостей, образовавшиеся в результате их просачивания в подземные слои с территорий промышленных предприятий или городской застройки. К данному виду следует также отнести различные техногенные рассолы, образующиеся в горных выработках. Наиболее распространенной формой газообразных техногенных тел в настоящее время являются так называемые бесшахтные газохранилища, организуемые в искусственно создаваемых полостях в пластах каменной соли. В структуре двухфазных техногенных тел присутствуют более или менее равномерно распределенные в твердом материале небольшие полости, заполненные либо жидкими, либо газообразными веществами. В полифазных техногенных телах слагающее их вещества в сопоставимых количествах (объемах) одновременно присутствуют во всех фазах ( твердой, жидкой, газообразной).


Существуют категории техногенных тел, которые следует рассматривать как источники радиационной или химической опасности, а также создающие угрозу для жизни и здоровья людей (например, образование провалов или обвалов на занятых ими участках).


Приведенные классификации отражают отдельные аспекты, которые могут быть одновременно свойственны одному и тому же техногенному телу. Например, конкретный объект такого рода можно охарактеризовать, как стабильное подповерхностное стратифицированное техногенное тело.

Техногенные геологические тела как компоненты литосферы, биосферы и биотехносферы

С точки зрения «второй геологии» все техногенные тела, находящиеся на поверхности и в толще земной коры, являются компонентами литосферы. Вместе с тем в отношении некоторых их видов данное утверждение носит скорее «концептуальный характер» и принимается для удобства обобщенного анализа процессов их формирования. Например, некоторые виды техногенных грунтов, описываются специалистами как особые виды почв – урбоземы. Их возникновение (формирование) и трансформация представляются как процессы почвообразования, происходящие в особых условиях. В этой сфере граница между объектами исследования геологии и почвоведения весьма условна, хотя методологические подходы этих наук имеют принципиальные отличия. Например, это взгляд на протекающие в этих грунтах биологические процессы или на вопрос об их плодородии. Аналогичное заключение можно сделать и относительно подходов к исследованию многих современных подводных отложений, которые нередко образуются нередко главным образом из материалов техногенного происхождения. В области второй геологии они рассматриваются как один из видов техногенных тел – седиментационные тела. Но, с точки зрения гидрологов и геоморфологов – это донные отложения и наносы. В настоящие геологические тела они могут превратиться лишь в процессе длительного диагенеза.

Основная часть техногенных тел в настоящее время возникает (формируется, образуется) и залегает в пределах биосферы. Вспомним, что в ее границы В.И. Вернадским были включены слои земной коры, не населенные живыми организмами, но образовавшиеся при их активном участии в предшествующие геологические эпохи. Таким образом, большинство техногенных тел существует в пределах биосферы (биосферного пространства) и могут рассматриваться как элементы этой системы. Но техногенные тела существуют и за пределами ее границ (рисунок 7). Примером могут служить подземные горные выработки вместе с окружающей их трансформированной геологической средой (реструктурированными техногенными телами) существующие в горных массивах, на формирование которых жизнедеятельность биологических объектов непосредственного влияния не оказывала. Но находясь за границами биосферы такие техногенные тела способны оказывать на нее значимое воздействие, например, в форме трансформации биогеохимических циклов элементов, необходимых для развития растений. Таким образом эти техногенные тела, не являясь элементами биосферы, составляют с ней другой системное целое – биотехносферу.

Вторая геология

Рисунок 7. Область существования техногенных геологических тел.

Биотехносфера – это биосфера, состояние которой все в большей степени формируется под значимым воздействием техногенных факторов. Образующаяся в результате система приобретает новые свойства. Границы биотехносферы постоянно расширяются, распространяясь на все участки пространства, в котором благодаря человеческой деятельности происходит трансформация (техногенез) естественных тел или образование искусственных скоплений вещества. Например, это происходит при непрекращающихся попытках освоения человеком ресурсов все более глубоких слоев земной коры. Одновременно в состав биотехносферы постепенно включается околоземное космическое пространство, заселяемое микроорганизмами, способными существовать на внешних конструкциях космических аппаратов, на поверхности которых происходит отложение пригодной для их существования органических субстратов. Можно предположить, что по мере освоения космоса силами частных компаний техногенные тела будут возникать и в пространстве, окружающем планету, например, в результате накопления отходов и продуктов жизнедеятельности персонала постоянно существующих крупных орбитальных комплексов.

Состояние всех элементов биотехносферы, как и любой иной системы, взаимозависимо. Следовательно, процессы, происходящие в техногенных телах способны оказывать воздействие на жизнь живых организмов и условия существования человека, которые также являются элементами этой системы. Это воздействие весьма многообразно и складывается из множества разнородных факторов. Для их анализа может быть использована получившая широкое распространение классификация форм воздействия на экологическую ситуацию процессов, протекающих в земной коре, обозначаемых как «экологические функции литосферы», основными из них являются: георесурсная, геодинамическая, геохимическая и геофизическая. Значимость техногенных тел в характере проявлений каждой из этих функций требует уделить им отдельное внимание.

Значение техногенных тел в георесурсной экологической функции литосферы

Понятие «георесурсная экологическая функции литосферы» включает две различных аспекта условий существования живых организмов и человека:

Для краткости эти аспекты георесурсной функции литосферы можно обозначить как «вещественный» и «топический».

Процессы техногенной трансформации георесурсной экологической функции литосферы по своему характеру весьма многоплановы. Это обусловлено многообразием видов человеческой деятельности и тем, что большинство видов этой деятельности, достигая определенного уровня, неизбежно приводит к перераспределению вещественных и топических ресурсов земной коры. Вместе с тем, практически всем эти явлениям в той или иной мере свойственны две черты:

1. Они либо порождают образование новых техногенных тел, либо трансформируют ранее существовавшие тела, в частности, изымая из них ценные компоненты. Первый из этих аспектов связан с тем, что в процессе деятельности практически неизбежно возникают отходы. Значительная часть из них, особенно в предшествующий исторический период, накапливалась на поверхности земной поры или размещалась на небольшой глубине, формируя техногенные тела различных видов. В некоторых из этих тел оставались вещества, извлечение которых с развитием новых технологий или изменения экономической ситуации стало приносить прибыль. Такие техногенные тела стали рассматриваться как «техногенные месторождения». Их роль, т.е. значимость вещественного аспекта георесурсной функции техногенных тел постоянно возрастает. Например, количество скандия в горнопромышленных техногенных телах уже превышает 100000 т – это составляет более 60% мировых запасов данного химического элемента.

2. Перераспределение вещественных и топических ресурсов литосферы в подавляющем большинстве случаев оказывает негативное воздействие на окружающую среду, сопровождается ухудшением ее состояния. Причем это происходит, когда техногенез вызывают утрату запасов необходимых для организмов веществ, так и при возникновении их повышенного содержания в среде. Примером, сможет служить эвтрофирование водных объектов при поступлении в них соединений фосфора, вымываемого открытых выработок. Еще более негативные последствия наблюдаются при поступлении в среду, населенную живыми организмами, токсичных соединений, содержащихся в горных породах. Аналогичное заключение можно сделать и относительно перераспределения топических ресурсов. Вся поверхность земной коры за исключением участков, покрытых ледниками, является средой обитания живых организмов. Поэтому, практически всегда, человек создавая для своих целей новое жизненное пространство (искусственные земельные участки и искусственные острова) одновременно уничтожает ранее существовавшие местообитания других видов. Следует отметить, что для отсыпки прибрежных техногенных тел нередко применялись отходы. Более того, это рассматривалось как один из путей их рациональной утилизации. Так, столица Ирландии г.Дублин в ХХ веке ежегодно отвоевывал моря 68 га новой территории за счет складирования вдоль побережья бытовых отходов и грунта из строительных котлованов.

Значение техногенных тел в геодинамической экологической функции литосферы

Геодинамическая экологическая функция литосферы проявляется во влиянии на организмы и условия существования людей процессов, связанных пространственным перемещением участков земной коры. Техногенные тела в масштабах геологического времени возникают мгновенно. В отличие от естественных горных массивов их образование идет не в направлении достижения стабильного состояния, а определяется целями и возможностями человеческой деятельности. Нередко, характер этих процессов зависит от сиюминутной экономической выгоды, при игнорировании последствий дальнейшего существования этих образований. Поэтому, в большинстве случаев техногенные тела – это «очаги нестабильности» в земной коре. В процессе глобального техногенеза их количество, масштабы и разнообразие видов неуклонно возрастают, в соответствии растет и значимость их влияния на геодинамические процессы.

Существуют две основные категории геодинамических процессов: процессы внутренней динамики или эндогенные геологические процессы (тектонические движения, землетрясения, магматизм и др.) и процессы внешней динамики или экзогенные геологические процессы, происходящие под воздействием воздуха, воды, колебаний температуры и др. факторов окружающей среды.

Влияние техногенных тел на эндогенные процессы проявляется, главным образом, в форме сейсмических явлений силы, искусственно создаваемых при их образовании или трансформации. Подобные явления обозначаются как техногенные землетрясения. Очаги вызванных человеческой деятельностью землетрясений (гипоцентры), как правило располагаются на значительно меньшей глубине, чем у естественных. Это обусловливает их опасность для зданий и сооружений. По этой причине даже относительно слабые землетрясения подобного рода способны вызвать локальные катастрофы. Их небольшие магнитуды компенсируются близостью очагов к поверхности. Кроме того, искусственно создаваемые землетрясения могут происходить в регионах с низкой естественной сейсмичностью, где строительство объектов ведется без учета данного фактора. Это также повышает опасность таких явлений.

Различают первичную и наведенную техногенную сейсмичность. Первичная техногенная сейсмичность – это распространение колебаний в земной коре результате непосредственного вызываемых человеческой деятельностью. Поверхностная первичная техногенная сейсмичность (рисунок 8а) может быть обусловлена различными причинами. Источником техногенного воздействия (ИТВ) может, например, быть взрыв или даже удар при сбросе воды на гидроэлектростанциях. Так, пропуск паводковых вод через плотину Жигулевской ГЭС вызывает сейсмические волны хорошо ощущающихся людьми, проживающими в многоэтажных домах, расположенных на расстоянии 2-4 км. На некоторых из этих зданий были зафиксированы признаки интенсивного разрушения строительных конструкций. Глубинными источниками первичной техногенной сейсмичности (рисунок 8б) являются так называемые «горные удары», возникающие при разрушение (обрушении) подземных горных выработок. Наиболее сильные из них, сопровождающиеся разрушением прилегающего к выработке массива горных пород обозначают термином «горно-тектонические удары».

Вторая геология

Рисунок 8. Первичная техногенная сейсмичность.

Первичная техногенная сейсмичность может быть не связана с существованием каких-либо техногенных тел. Но такие тела могут возникать одновременно с сейсмическими явлениями в результате воздействия на участок литосферы порождающего их фактора. Например, при подземном ядерном взрыве происходят не только колебания земной коры, но и возникает глубинное реструктурированное техногенное тело. В результате масштабных взрывных работ на земной поверхности практически неизбежно образуется поверхностное реструктурированное техногенное тело.

Наведенная техногенная сейсмичность или наведенная сейсмичность возникает не в результате непосредственного воздействия фактора, связанного с человеческой деятельностью, а как его последствие, иногда отсроченное на длительный период времени. В упрощенном виде все эти явления можно представить в виде следующей цепочки событий: источник техногенного воздействия (ИТВ) провоцирует дестабилизацию естественной геологической структуры, при котором высвобождающаяся энергия распространяется в толще горных пород в форме сейсмических волн. Процессы, приводящие к наведенной сейсмичности, во многих случаях связаны с образованием реструктурированных техногенных тел, возникающих при подземной добыче полезных ископаемых.

Существуют две формы наведенной сейсмичности – индуцированная и триггерная, отличающиеся по реакции геологической среды на техногенные воздействия.

Индуцированная сейсмичность, иногда также обозначаемая как «вынужденная сейсмичность», возникает в результате разрушения под воздействием техногенных факторов горного массива или активизации в нем процессов, приводящих к деформации его структуры, т.е. и в этом случае одним из условий также является формирование реструктурированного техногенного геологического тела. Таким образом формируется «искусственный источник сейсмичности» (ИИС) (рисунок 9а). Эти процессы могут развиваться длительное время. В определенный момент созданный очаг дестабилизация геологической структуры активизирует геодинамические процессы (подвижки участков недр и др.), генерирующие сейсмические волны. Воздействиями, создающими условия для индуцированной сейсмичности могут быть горные удары, возникающие во время буровзрывных работ, формирование гидроразрывов в пластах, осуществляемое с целью повышения нефтеотдачи и некоторые другие виды деятельности. Энергия колебаний при индуцированной сейсмичности, как правило, невелика (магнитуды не превышают 2-3).

Триггерная сейсмичность возникает за счет высвобождения запасов энергии (разрядки напряжений) естественном образом накопленных в геологической среде, а не формирует их искусственно как при индуцированной сейсмичности. Техногенное воздействие в этом случае только ускоряет или запускает (является триггером, т.е. спусковым крючком) процесса высвобождения собственных запасов упругой энергии в горном массиве или вызывает срабатывание практически готового очага землетрясения – естественного источника сейсмичности (рисунок 9б). В таких случаях даже слабые воздействия могут привести к возникновению колебаний земной коры очень большой силы. Гипоцентр триггерного землетрясения может находиться на значительном удалении от источника породившего его техногенного воздействия.

Наведенная сейсмичность, связанная с использованием недр, возникает не только при добыче полезных ископаемых и формировании реструктурированных техногенных тел. Подобные явления могут также возникнуть при формировании поземных техногенных тел, относящихся к категории «продукционных» т.е. при целенаправленном размещении отходов и иных чужеродных материалов в глубоких слоях земной коры. Так, было установлено, что землетрясения в штате Колорадо США были вызваны закачкой отработанных радиоактивных вод в скважину глубиной 3671 м. Техногенные землетрясения также вызываются закачкой жидкостей для поддержания пластовых давлений с целью повышения нефтеотдачи.

Возникновение техногенных тел, характеризующихся меньшей устойчивостью, чем естественные горные массивы, стимулирует развитие различных опасных экзогенных геологических процессов: оползней; обвалов, селевых потоков; суффозии, карст и др. Опасность этих явлений, как правило, увеличивается с развитием техногенного тела и его трансформацией. Нередко до определенного момента они не привлекают к себе внимания. Например, в окрестностях шахтерского города Гандлова (Словакия) на почву в течение длительного времени оседала зола, образующаяся сжигания бурого угля. Это привело к образованию неустойчивого поверхностного техногенного тела. В период обильных дождей в декабре 1960 г. на нем образовался оползень разрушивший 150 домов.

Вторая геология

Рисунок 9. Наведенная техногенная сейсмичность.

Во многих случаях в ходе экзогенных процессов из одних техногенных тел формируются другие техногенные тела, часто столь же нестабильные. При определенных условиях может возникнуть цепочка взаимообусловленных опасных явлений. Например, гипотетически можно представить следующий комплекс сопряженных экзогенных геологических процессов (рисунок 10). Проведение буровзрывных работ может привести к разуплотнению и разжихению горных пород (образованию реструктурированного техногенного тела). В результате возникают плывуны, обвалы и оползни. Переотложение в процессе интенсивной водой эрозии слающего оползни рыхлого материала приводит к возникновению вторичного аккумулятивного техногенного тела. Интенсивно развивающиеся в нем процессы карста и суффозии также порождают ряд опасных явленний, в т.ч. провалы. При выпадении обильных осадков могут возникнуть селевые потоки, из материала которых образуются либо новые нестабильные аккумулятивные тела, либо, попадая в водные объекты, они формируют седиментационные техногенные или природно-теногенные тела, что обычно сопровождается масовой гибелью водных организмов. Таким образом, возникновение техногенного тела, как правило, создает очаг нестабильносати на участке земной коры. Прямо или косвенно оно может обусловить обширный комплекс опасных экзогенных геологических процессов и явлений.

Вторая геология

Рисунок 10. Гипотетическая цепь взаимообусловленных процессов возникновения техногенных тел и развития опасных экзогенных геологических явлений.

Значение техногенных тел в геохимической экологической функции литосферы

Геохимическая экологическая функция литосферы представляет сбой совокупность значимых для состояния окружающий среды геохимических процессов. Этот фактор всегда во многом определял как развитие жизни на отдельных участках планеты, так и условия биосферы как единой системы. Повсеместное возникновение техногенных тел оказывает на него существенное влияние, которое постоянно усиливается. К наиболее важным явлениям данной категории следует, прежде всего, отнести:

Следует отметить, что все эти явления представляют собой различные аспекты техногенной трансформации химических процессов, протекающих в литосфере. Они тесно взаимосвязаны и их разграничение носит условный характер, необходимый для систематизации наблюдаемых явлений и их абстрагированного анализа. Так, существование геохимических барьеров неразрывно связано с повышением содержания на данном участке каких-то химических элементов, т.е. закономерно влечет возникновение геохимической аномалии. Часть этих элементов может находится в форме соединений, которые в естественных условиях не образуются. Но именно свойствами этих новых соединений (например, их плохая растворимостью в воде, устойчивостью к химическому или биохимическому разложению) может обеспечиваться возможность выполнения техногенным телом как функции геохимического барьера. Пространственное перераспределение скоплений вещества, слагающего земную кору, изменение характера и скорости его трансформации, обусловленное возникновением техногенных геохимических аномалий и барьеров, не может не сказаться на круговороте химических элементов. Эти аномалии и барьеры являются ничем иным, как новыми, не встречавшимися ранее в естественных условиях звеньями геохимических (биогеохимических) циклов. Результатом становится постепенное становление новой системы взаимосвязанных потоков вещества в планетарном масштабе. Это одна из основных причин преобразования естественной глобальной системы – биосферы, в глобальную природно-техническую систему – биотехносферу. Если этот процесс будет продолжать развиваться практически бесконтрольно, то его экологические и социально-экономические последствия рано или поздно примут катастрофический характер. Следовательно, необходимо создавать систему управления биогеохимическими циклами. Важно подчеркнуть необходимость не только системности этих усилий, но и столь же настоятельную необходимость перехода от запретительно-ограничительных мер при осуществлении этой деятельности к выработке решений, позволяющих сочетать практически необратимое нарушение естественных круговоротов вещества с необходимостью создания благоприятных условий для жизни населения планеты и сохранения ее биоразнообразия. По сути, это организация искусственных биогеохимических циклов. Данное направление научно-практической деятельности, развитие которой настоятельно требует изучения закономерностей процессов техногенного перемещения элементов и разработки методов управления ими можно обозначить как вторую биогеохимию. Принятие подобной креативной парадигмы в сфере охраны окружающей среды и рационального использования ресурсов это не очередная попытка «переделать природу», а единственный оставшийся путь достижения реальных эффектов. Разрозненные запретительно-ограничительные меры, даже если их количество очень велико не даст желаемого результата. Негативные последствия техногенеза литосферы только усиливаются и предотвращение становится все более трудновыполнимым. Примером может служить процесс повышения содержание углекислого газа в атмосфере, который многие специалисты считают основным фактором происходящих глобальных климатических изменений «парникового эффекта». Все существующие способы предотвращения борьбы с парниковым эффектом ничто иное как попытки контролировать техногенез биогеохимического цикла углерода. В настоящее время основное направление этой деятельности в соответствии с господствующей ограничительно-запретительной парадигмой заключается в усилении контроля за промышленными выбросами. Вместе с тем, не менее значимым источником эмиссии углекислого газа в атмосферу становиться деградация многолетней мерзлоты. Оттаивание грунтов при контакте с атмосферным кислородом сопровождается окислением накопленных в них огромного количества органических веществ. Данный процесс обусловлен потеплением климата и непосредственно с промышленной деятельностью не связан. Хотя косвенная связь, вероятно, существует. С складывающейся ситуации с позиций креативной парадигмы более перспективным является не ограничении эмиссии парниковых газов в атмосферу, а реализация крупномасштабных проектов по их изъятию из атмосферы (организации их искусственного стока). Эта идея в настоящее время уже реализуется, главным образом, в форме культивирования наземной и водной растительности. Аккумулирующийся в фитомассе углерод может быть с помощью специальных технологий переработан в углеподобные соединения и захоронен в земной коре на неограниченно длительный срок, например, в форме особых техногенных геологических тел (рисунок 11). В научно-технической литературе для обозначения данного метода используется аббревиатура CCS (carbon capture and storage – захват и хранение углерода). В тех случаях, когда искусственно связанный углерод (например, в форме наказываемого «биоугля») также используется и в биоэнергетике, т.е. осуществляется контролируемый рециклинг сжигаемого топлива, для обозначения этой деятельности используется аббревиатура BECCS (bioenergy with carbon capture and storage). В совокупности деятельность по изъятию из атмосферы СО2 его последующая фиксация углерода в форме твердых веществ обозначается термином «секвестрация углекислого газа».

Вторая геология

Рисунок 11. Схема секвестрации атмосферного углекислого газа и его хранение в форме техногенных геологических тел.

Не менее необходим поиск путей управления биогеохимическим циклом фосфора. Внесение содержащих этот элемент удобрений позволяет устойчиво получать высокие урожаи сельскохозяйственных культур. Однако запасы минерального сырья, из которого производятся фосфорные удобрения, близки к исчерпанию. Естественный биогеохимический цикл фосфора относит к категории осадочных, т.е. основной фонд данного элемента содержится в осадочных горных породах. В естественных условиях заключенный в них фосфор становился доступным для растений в результате двух процессов. Во-первых, это вулканические выбросы, содержащие продукты «сгорания» осадочных пород при опускании из в верхние слои магмы. Во-вторых, это эрозия осадочных пород, поднятых в ходе движений земной коры на поверхность суши. Продолжительность этих процессов составляет десятки миллионов лет. За последние 100-150 лет естественный круговорот фосфора подвергся глубокой техногенной трансформации. В течении десятков лет человек интенсивно изымал из литосферы доступные ему запасы фосфорсодержащих горных пород, перерабатывал их в минеральные удобрения и вносил в почву. Но растения усваивали только часть этого фосфора. Значительное количество этого элемента уносилось поверхностным смывом в водные объекты, вызывая в них вспышки развития водорослей («цветения»). В конечном счете фосфор попадал в донные отложения, а для поддержания высоких урожаев требовалось внесение в почву все новых партий минеральных удобрений, а, следовательно, непрекращающаяся добыча необходимого для их производства сырья. Сейчас возникла реальная угроза разрыва звеньев естественного биохимического цикла фосфора. Ограничение добычи фосфорсодержащих пород не может дать какого-либо полезного эффекта. Вместе с тем, обусловленное этим уменьшение возможности использования фосфорных удобрений неминуемо привет к скачкообразному усилению развития глобального продовольственного кризиса, катастрофической нехватки продовольствия во многих регионах Земли. С позиций креативной парадигмы решением проблемы могла бы стать организация «биогеохимических фосфорных ловушек» (рисунок 12). В простейшей форме они создаются в виде системы соединенных каналами специальных водных объектов, окружающих поля. Фосфор, поступающий в них в составе стока с сельхозугодий может аккумулироваться либо специально организованными биофильтрами из водных растений и затем возвращаться на поля в виде сидератных удобрений или продуктов переработки растительной массы (компостирования). Фосфор также акккумулируется в иловых отложениях, так называемых сапропелях, образующихся на дне подобных водоемов в результате разложения растительной массы, в частности фитопланктона и нитчатых водорослей (тины), которые трудно использовать в качестве сидератов или изготовления компоста. Поскольку, подобные пруды-биогеохимические ловушки фосфора являются искусственно эвтрофицируемыми водными объектами, образующиеся в них сапропели и можно рассматривать как биотехногенные тела и использовать как органические удобрения. Таким образом, рассеиваемый поверхностным смывом с полей фосфор собирается и несколькими путями возвращается в почву. Искусственно формируется локальный биогеохимический круговорот, позволяющий если не избежать, то хотя бы сцщественно замедлить настуление фосфорного дефицита и катастрофического снижения плодородия посв. Попытка реализовать данный метод на практике была предпринята российскими специалистами в конце ХХ века и прекратилась в связи с развалом СССР. Неизмеримо большие количества фосфора аккумулированы в отложениях водохранилищ. Разведка подобных техногенных месторождений, определение их запасов, а также рпзработка методов обработки сырья (обогащения, очистки от сопутствующих загрязнителей) является одной задач второй геологии. Не менее важно организовать на основе сети водохранилищ крупномасштабные фосфорные ловушки, создать условия для образования аккумулирующих фосфор биотехногенных тел. Все эти действия также могут служить примером создания искусственного биогеохимического цикла.

Вторая геология

Рисунок 12. Схема биогеохимической фосфорной ловушки.

Значение техногенных тел в геофизической экологической функции литосферы

Геофизическая экологическая функция литосферы включает широкий спектр физических воздействий элементов земной коры на жизнедеятельность организмов. Несмотря на то, что изменение параметров естественных геофизических полей (гравитационного, магнитного и др.), как правило, непосредственно не ощущается людьми, являются значимым экологическим фактором. Некоторые формы геофизических воздействий, например, исходящие из геологических пород и грунтов ионизирующие излучения, могут даже вызывать заболевания и гибель организмов.

Геофизические условия на протяжении всего времени существования нашей планеты были подвержены различным изменениям. Они, несомненно, оказывали влияние на эволюцию организмов, которые способны существовать в определенном диапазоне геофизических флуктуаций и к которым процессы их жизнедеятельности адаптировались в течении сотен миллионов лет. Скорость, с которой происходит изменение геофизических условий среды процессе техногенеза несравнима по скорости с аналогичными естественными процессами. В этой ситуации до определенного предела организмы могут выживать в новых условиях, но не эволюционировать. Поэтому, в большинстве случаев искусственная трансформация геофизических условий среды рассматривается как негативный экологический фактор. Одна из причин подобных явлений – постоянно приобретающее все большие масштабы образование техногенных тел.

Формирование в земной коре различных техногенных тел способно оказывать оказывает значимое воздействие на геофизические условия двумя основными путями, которое заключаются в:

Примером последних являются не только захоронения радиоактивных отходов. Источником ионизирующих излучений могут являться и некоторые другие виды техногенных и природно-техногенных тел (рисунок 13). К ним, например, могут относится скопления золошлаковых отходов, образующиеся при сжигании углей некоторых месторождений, отвалы горнодобывающих предприятий, а также почвогрунты и донные отложения, накапливающие рассеянные в среде техногенные радионуклиды.

Вторая геология

Рисунок 13. Техногенные и природно-техногенные тела, способные являться источниками ионизирующих излучений.


Некоторые из рассмотренных выше проблем обсуждаются в опубликованных работах, которые можно скачать бесплатно и без регистрации на этой странице


Суздалева А.Л., Горюнова С.В. Биотехносфера: экология и безопасность жизнедеятельности. – М.: МГУП, 2017. – 245 c., (монография).
Аннотация. Биотехносфера – это биосфера, изменившаяся под воздействием техногенных факторов. В монографии рассматриваются различные явления, обусловленные техногенезом атмосферы, гидросферы, педосферы, литосферы и биологических сообществ, а также негативные явления, сопутствующие техногенной трансформации окружающей среды и наносящие экологический и социально-экономический ущерб. Анализируются меры борьбы с этими явлениями. По мнению авторов монографии, по своей структурно-функциональной организации биотехносфера представляет собой потенциально управляемую природно-техническую систему (ПТС) глобального масштаба, состоящую из иерархии ПТС более низкого ранга и сохранившихся экосистем. Рассматриваются возможные способы управления процессами, происходящими в биотехносфере. Для их разработки необходима смена парадигмы природоохранной деятельности. Ограничительная парадигма должна уступить приоритет креативной парадигме, подразумевающей активное вмешательство в ход экологических процессов с целью предотвращения их техногенной трансформации. Для описания новых подходов к решению экологических проблем разработана специальная терминология, приведенная в словаре специальных терминов в приложении к монографии.

Suzdaleva A.L., Goryunova S.V. Biotechnosphere: ecology and life safety. – Moscow: Moscow City University, 2017, 245p., (monograph).




файл 4p10.docx



файл 4p10.pdf
ВВЕРХ