Экологическая геология и устойчивое развитие промышленно
advertisement
Р. Х. Сунгатуллин ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ГЕОЛОГИЯ И УСТОЙЧИВОЕ РАЗВИТИЕ ПРОМЫШЛЕННОУРБАНИЗИРОВАННЫХ РЕГИОНОВ Р. Х. Сунгатуллин ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ГЕОЛОГИЯ И УСТОЙЧИВОЕ РАЗВИТИЕ ПРОМЫШЛЕННО-УРБАНИЗИРОВАННЫХ РЕГИОНОВ Учебное пособие Казань - 2012 УДК 55:504 Печатается по решению заседания кафедры региональной геологии и полезных ископаемых Казанского (Приволжского) федерального университета, протокол № 2 от 2 ноября 2012 г. Рецензенты Б. В. Успенский – доктор геолого-минералогических наук, профессор кафедры геологии нефти и газа КФУ А. И. Шевелев – доктор геолого-минералогических наук, профессор кафедры общей геологии и гидрогеологии КФУ Сунгатуллин Р. Х. Экологическая геология и устойчивое развитие промышленно-урбанизированных регионов. Учебное пособие. – Казань: Казанский университет, 2012. – 220 с. Рассмотрены фундаментальные положения экологической геологии, история ее становления и развития, а также задачи, стоящие перед этой наукой, в том числе связанные с возможными воздействиями техногенных процессов на геологические сферы. В тесной связи с социальными аспектами проанализированы основные виды экологогеологических исследований, направленные на решение вопросов устойчивого развития регионов и промышленно-урбанизированных территорий. Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям «Геология», «Экологическая геология», «Геохимия», «Геофизика», «Гидрогеология», «Геология и геохимия горючих ископаемых», «Прикладная геология» и другим естественно-научным направлениям. Представляет интерес для аспирантов и специалистов в области геологии, экологии, географии, социологии. © Казанский (Приволжский) федеральный университет, 2012 © Р. Х. Сунгатуллин, 2012 2 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ В ЭКОЛОГИЧЕСКУЮ ГЕОЛОГИЮ............................... 5 1. ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ГЕОЛОГИИ................ 8 1.1 Глобальные проблемы экологии. Пределы роста.......................................... 8 1.2 Возникновение и развитие эколого-геологических исследований. 20 Экологическая геология, геоэкология и геология окружающей среды 1.3 Трансформация экологических функций литосферы при техногенезе. Образование техносферы………………………………………………… 26 2. ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ....................... 32 2.1 Основы экологической геохимии. Биогеохимия..................................... 32 2.2 Геохимические ландшафты и барьеры...................................................... 47 2.3 Миграция химических элементов в техносфере. Техногенные аномалии..................................................................................................... 2.4 51 Методика эколого-геохимических исследований. Математическая статистика в экологической геохимии...................................................... 54 3. ЭКОЛОГО-ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.......... 63 3.1 Уникальные свойства воды. Влияние подземных вод на экосистему человека....................................................................................................... 64 3.2 Основы экологической гидрогеологии..................................................... 69 3.3 Техногенная трансформация подземных вод........................................... 73 3.4 Эколого-гидрогеологический мониторинг............................................... 86 4. ЭКОЛОГО-ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ........................ 91 4.1 Основы экологической геофизики. Природные и техногенные физические поля.......................................................................................... 92 4.2 Медицинская геофизика............................................................................. 98 4.3 Методика эколого-геофизических исследований……………………… 102 4.4 Дистанционное зондирование. Эколого-геофизический мониторинг... 106 5. ЭКОЛОГО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОМЫШЛЕННО-УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ....... 111 3 5.1 Влияние урбанизации и промышленных объектов на биосферу и здоровье населения..................................................................................... 112 5.2 Эколого-геологические проблемы промышленно-урбанизированных территорий. Отходы производства и жизнедеятельности……………... 120 5.3 Подземное пространство мегаполисов…………………….……………. 126 5.4 Экологические аспекты при разработке месторождений полезных ископаемых……………………………………………………………….. 134 5.5 Техногенные залежи минерального сырья…………….……………...... 142 5.6 Мониторинг на промышленно-урбанизированных территориях........... 148 6. ЭКОЛОГО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ КАРТОГРАФИРОВАНИЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ........................................... 155 6.1 Цели, задачи и этапы эколого-геологического картографирования. Классификация карт.................................................................................... 155 6.2 Эколого-геологическое картографирование городов …………………. 161 6.3 Общие принципы эколого-геологического моделирования. Интегральные геоэкологические модели……………………………….. 169 7. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ГЕОЛОГИЯ И УСТОЙЧИВОЕ РАЗВИТИЕ 178 7.1 Особенности взаимодействия природы и общества. Концепция устойчивого развития.................................................................................. 180 7.2 Эколого-геологические проблемы регионов………………………….... 184 7.3 Прогнозирование и мониторинг состояния геологического пространства. Геоэкологический риск ….……………………………… 189 7.4 Экологическое регулирование и экологическое право. Управление эколого-геологическими системами ……………………………………. 200 7.5 Социальные проблемы недропользования. Геоэкологическое образование. Ноосфера и экологическая философия………………….. 207 ВМЕСТО ЗАКЛЮЧЕНИЯ. БУДУЩЕЕ, КОТОРОЕ МЫ ХОТИМ 215 РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА………………………………. 4 217 Чем ближе научный охват реальности к человеку, тем объем, разнообразие, углубленность научного знания неизбежно увеличиваются В. И. Вернадский ВВЕДЕНИЕ В ЭКОЛОГИЧЕСКУЮ ГЕОЛОГИЮ Становление большинства природных геосистем происходило в течение длительного времени - от первых тысяч до сотен миллионов лет. С развитием цивилизации на нашей планете появилась новая огромная геологическая сила – человечество [13]. Оно изменяет физические, химические и биологические системы ранее неизвестными способами, с более высокими скоростями и на больших территориях, чем это когда-либо раньше видела Земля. Вольно или невольно человек проводит на планете грандиозный эксперимент. Результаты его неизвестны, но уже сейчас заметно его глубокое влияние на все виды жизни на Земле. Под влиянием техногенеза сформировались техногеосистемы, где трансформация отдельных консервативных природных элементов осуществляется в геологическом отношении практически мгновенно - от первых секунд до первых сотен лет. Развитие техногеосистемы определяется постоянными, медленными и быстрыми факторами. К первым относятся геологическое строение (тектоника, литология и др.) и, преимущественно, рельеф, к медленным факторам - неотектонические движения, климат, гидрогеологические условия, почвы, к быстрым факторам – метеорологические, гидрологические, сейсмические условия и хозяйственная деятельность человека (техногенез). Постоянные факторы определяют генетические особенности техногеосистемы, медленные факторы отвечают за тенденции, а быстрые факторы – за режим ее развития. В скором будущем в науках о Земле, по-видимому, произойдет переход от исследований природных геологических процессов к исследованиям антропогенного и техногенного воздействий на природу, т. к. искусственные и естественные процессы в техногеосистемах выступают как единая постоянно функционирующая геологическая форма движения материи. Поэтому в настоящее время одной из главных проблем естествознания является разработка принципов и методов совместного исследования природных, техногенных и социальных систем. Интерес к данной проблеме обусловлен существующим уровнем науки и выражает две тенденции в развитии знания: его дифференциацию и интеграцию. Если 5 прошлое столетие отражало первую из них с появлением новых направлений и отраслей знания, то в ХХI веке все сильнее проявляется вторая тенденция с возникновением синтетических направлений. Сегодня узкая специализация при изучении природной среды дополняется комплексным исследованием больших систем (космоса, Земли, биосферы, общества и т. п.), раскрывающих общие закономерности их структурно– функциональной организации с одновременным прослеживанием развития таких систем методами различных наук. Учитывая неспособность предвидеть последствия техногенеза на окружающую среду, человечество обязано более ответственно относиться к геологическому пространству и процессам в нем. Этим определяется возможность включения человека в природу и их дальнейшее сосуществование, что требует комплексного анализа взаимодействия процессов на разных уровнях организации геологического пространства. Последнее представляет собой многоуровневую систему, развивающуюся под влиянием геологических, физических, химических, биологических, антропогенных и техногенных факторов. В подобной системе существуют прямые и обратные связи между природными и техногенными объектами в их разнообразных проявлениях. Наиболее трудной задачей здесь представляется синтез отдельных показателей системы и учет веса каждого из них при интегральной оценке экологической обстановки, которая должна основываться на системном и междисциплинарном подходах. В настоящее время при анализе различных проблем широко используется метод изучения экологических аспектов функционирования разнообразных систем, в том числе и геологических. В последние десятилетия очень активно стали объединяться науки геологического цикла в исследовании экологической проблематики в рамках единого научного направления — экологической геологии (экогеологии). Экологизация находит свое широкое применение при анализе глобальных, региональных и локальных проблем, а экологический подход является общенаучным подходом, тесно увязывающим в единую систему различные позиции и точки зрения, позволяя тем самым приблизиться к выработке геосистемного, многоаспектного взгляда на окружающую среду. Поэтому в предлагаемом пособии рассматриваются вопросы образования техносферы. Приводится характеристика источников техногенеза, техногенных потоков в верхней части литосферы, гидросфере, педосфере, а также процесса миграции химических элементов в разных системах. Рассмотрены главные геологические факторы развития техногенеза и дана подробная характеристика месторождений полезных ископаемых как основного источника техногенеза, формирующего основные геохимические потоки в окружающей среде. Затронуты проблемы экологических кризисов, которые 6 в последнее время перестали носить локальный характер и стали охватывать целые регионы, а иногда и весь земной шар. К природным стихиям стали «присоединяться» техногенные катастрофы, которые в большинстве случаев по масштабам и последствиям на локальном уровне значительно опаснее природных. Процесс антропогенеза в масштабах планеты грозит неуправляемостью и опасностью по своим последствиям для человеческого общества и биосферы. Отсюда, специалисты наук о Земле должны более активно участвовать в экологическом воспитании и образовании общества. В основу пособия положен анализ значительного количества учебных и научных публикаций по экологической геологии, преимущественно, за первое десятилетие настоящего века, а также выводы из личных экологогеологических исследований автора на территории Республики Татарстан – одного из самых промышленно-урбанизированных и наиболее изученных в геологическом отношении регионов Российской Федерации. Подобный регионализм полностью отвечает решению прикладной задачи рационального использования недр и окружающей среды в рамках административных границ отдельных субъектов, а также соответствует общепризнанной концепции устойчивого социально-экономического развития регионов и стран. 7 1. ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ГЕОЛОГИИ Истинная проблема человеческого вида на данной стадии его эволюции состоит в том, что он оказался неспособным в культурном отношении идти в ногу и полностью приспособиться к тем изменениям, которые он сам внес в этот мир А. Печчеи В конце второго тысячелетия человечество стало понимать, что дальнейшему существованию биосферы Земли угрожает глобальный экологический кризис, возникший, в основном, в результате антропогенных и техногенных воздействий на природную среду. Экологическим кризисом является резкое изменение условий внешней среды в глобальном, региональном или локальном масштабе, вызывающее массовую гибель доминирующих таксонов живых организмов. На протяжении фанерозоя произошло, по меньшей мере, четыре глобальных экологических кризиса, вызванных естественными причинами; пятый (современный) глобальный экологический кризис является по своему генезису антропогенным. Ученые расходятся в оценках сроков наступления глобального экологического кризиса и по поводу его причин. Однако все едины в том, что данный кризис есть следствие развития нашего типа цивилизации, ориентированной на безудержный рост потребления, прежде всего материальных благ. Расширение и углубление современного (последние 400 лет) кризиса представляет опасность для дальнейшего существования биоты на нашей планете, т. к. резкое уменьшение ее разнообразия, связанное с антропогенными причинами, сравнимо по своим последствиям с массовым вымиранием биоты на границе палеозойской и мезозойской эр. Чтобы человек вернулся в состояние равновесия с природой, необходимо, прежде всего, осознать место человека в биосфере, его природное предназначение. Человек не является царем природы и ее хозяином, он не управляет природой. Численность популяции человека определяют биосферные сообщества, так как биосфера обладает мощными механизмами регуляции. В осознании своего места в биосфере как раз и заключается разумность человека. 1.1 Глобальные проблемы экологии. Пределы роста Биосфера как саморазвивающаяся система за несколько миллиардов лет существования пережила огромное количество локальных и глобальных кризисов, всякий раз возрождаясь и продолжая 8 свое развитие на новом эволюционном уровне. Человек как любой биологический вид - временный житель на Земле. Однако своей деятельностью за относительно короткий срок он противопоставил себя биосфере и создал условия для антропогенного кризиса. Нет оснований считать, что экологический кризис приведет к полной гибели биосферы. Проблемными остаются вопросы: выживет ли человек и сохранится ли человеческая цивилизация на Земле? Ответ на этот вызов может дать только само человеческое общество. Промышленная эпоха (с начала XVIII века) завершила спокойное сосуществование человека и природы; началось постоянно возрастающее техногенное воздействие на природные геосферы. Вся история развития человеческого общества с самого начала промышленной революции основывается на количественном росте населения, производства, потребления, качества жизни. Такой путь развития породил противоположные тенденции: созидательную и разрушительную. Первая проявилась в дальнейшем расцвете цивилизации, развитии науки, искусства, образования. Разрушительная тенденция выразилась в массовой деградации природной среды. Негативные последствия этого процесса подавляют созидательную тенденцию и лишают индустриальное общество перспективы развития. К середине XX века некоторые экологические проблемы перестали быть локальными и местными, а стали уже затрагивать отдельные регионы, страны и даже весь земной шар с угрожающими последствиями для человечества. Сегодня большинство исследователей к глобальным проблемам экологии относят наступающий экологический кризис, изменения и загрязнения атмосферы, уничтожение тропических лесов, дефицит вод и, особенно, пресных, изменения и загрязнения Мирового океана, социально-экономические проблемы (рост численности населения и уровня урбанизации, недостаток пищи и др.). Все современные экологические проблемы являются, в конечном счете, результатом жизнедеятельности человека в природе. Хозяйственная деятельность людей проистекает из их стремления удовлетворить свои разнообразные материальные и нематериальные потребности. По мере развития человеческого общества нарастают противоречия между производственными и социальными интересами. Примером такого раздвоения интересов является растущее противоречие между стремлением людей к росту материального благополучия и стремлением жить в условиях здоровой природной среды. 9 Миллиардов человек Рис. 1. Численность городского и сельского населения (http://demoscope.ru) Рис. 2. Коэффициенты прироста (убыли) городского и сельского населения (http://demoscope.ru) 10 Невероятно высокие темпы технологического развития обусловили многократное увеличение промышленного производства и потребления энергетических ресурсов. Техногенные вмешательства в природную среду стали соперничать со многими природными процессами. Резко возросла добыча твердых полезных ископаемых и массированное воздействие на литосферу. В конце XX в. добывалось и перемещалось при добыче полезных ископаемых около 100 млрд. тонн горных пород в год, т. е. по 17 тонн на каждого жителя планеты. Рост объема продуктов питания и успехи медицины способствовали быстрому росту населения. За последние два столетия оно возросло от 1 до 7 миллиардов человек, а к 2050 г. на Земле будет уже 9 миллиардов человек (рис. 1). Никогда раньше популяция людей не наращивалась так быстро. Еще более быстрыми темпами развивается урбанизация и идет рост крупных городов и городского населения. Если численность населения планеты, начиная с 1976 г. возрастала в среднем на 1,7% в год, то население городов увеличивалось ежегодно на 4 %. Однако рост не может продолжаться долго. По прогнозам демографов, темпы роста городского населения мира будет замедляться, а сельское население после 2020 г. начнет сокращаться (рис. 1, 2). В 2009 г. число горожан впервые сравнялось с числом сельских жителей, составив 3,4 миллиарда человек, а уже через 1 год в городских поселениях, по оценкам ООН, проживало 3,5 миллиарда человек, в сельских – 3,4. На территории городов происходит территориально-сосредоточенное воздействие на природную среду. Рост городов приводит к недопустимому загрязнению воды, почвы и воздуха на их территориях. Поэтому жители городов проживают в наименее благоприятной экологической и социальной среде. Кроме того, урбанизация сопровождается резким снижением ресурса устойчивости городских территорий воздействию техногенных и техноприродных катастроф. Важным фактором активизации опасных природных процессов являются происходящие сейчас климатические изменения, приводящие к повышению температуры приземной атмосферы. Глобальное повышение температуры воздуха на Земле за период с 1860 по 1998 гг. составило около 0,8°С. На региональных уровнях наблюдаются более значительные изменения температуры. Так, анализ имеющихся данных по северным районам России показывает, что за последние 30-35 лет температура воздуха здесь возросла на 1,0-1,5°С. Одна из наиболее серьезных опасностей, связанная с ожидаемым глобальным потеплением климата - таяние ледовых покровов в Гренландии и высокогорных ледников, которое может привести к повышению уровня Мирового океана. В настоящее время уровень океана испытывает незначительные 11 изменения - за последние 100 лет он повысился на 10-20 см. Ожидается, что уровень океана будет подниматься в начале XXI в. в 5-10 раз быстрее, чем в последнем столетии. Максимальная величина подъема уровня океана в 2030 г. ожидается около 60 см. Самым хищническим образом продолжается уничтожение лесов. За последние 10 лет потеря лесных массивов в мире составила 94 млн. га (примерно 2,4 % от общей площади лесов). Площадь тропических лесов ежегодно уменьшается на один процент. По последним данным взрослые леса с сомкнутой кроной составляют сейчас 21,4% от общей площади суши Земли. В Европе за последние 100 лет сведено почти 50 % лесов и 2/3 болот - важнейших природных регуляторов поверхностного стока воды. Деградация природной среды прямым образом влияет на активизацию опасных природных процессов с тяжелыми экологическими последствиями. В 1995-1999 гг. среднее ежегодное количество природных катастроф в мире возросло по отношению к 1965-1969 гг. более чем втрое. С экономическим ростом напрямую связано производство отходов - продуктов метаболизма человеческой деятельности. Большинство побочных материалов, образующихся в ходе производства, так же, как производственные машины и товары потребления после их износа, оказываются в отходах. Таким образом, почти 99 % исходного промышленного сырья и изделий из него исключаются из биосферных процессов. В связи с непрерывным ростом на земном шаре населения и экономическим развитием регионов стремительно повышается спрос на воду, и сегодня многие страны испытывают острый дефицит ресурсов пресной воды, т. к. имеющиеся источники воды загрязняются с большой скоростью. Более одной трети населения Земли сегодня использует некачественную воду, еще одна треть имеет ограничения в использовании воды. Обеспеченность пресными водами различных регионов крайне неравномерна, а более 2 млрд. человек страдает от нехватки питьевой воды. В настоящее время ряд стран (Алжир, Голландия, Сингапур и др.) используют привозную воду, а во многих — работают опреснители морской воды. По прогнозам к 2030 г. объем глобального потребления пресной воды сравняется с объемом экономически доступных ресурсов (рис. 3). Поэтому проблема чистой воды выходит на одно из первых мест в мире и по своей значимости опережает такие глобальные проблемы человечества, как изменение климата, деградация озонового слоя, засоление и эрозия почв, защита атмосферы от загрязнения, сохранение чистоты океана и др. Это обусловлено той особой ролью воды, которую она играет в становлении биосферы и развитии жизни. 12 Загрязнение водных ресурсов как важнейший аспект проблемы охраны окружающей среды привлекло внимание мирового сообщества в конце 1960-х годов в связи с осложнениями в обеспечении населения чистой водой как в странах с дефицитом водных ресурсов, так и в странах, обеспеченных ими. Вследствие роста численности населения и капитала наблюдается экспоненциальный рост потребности в воде (рис. 3). Глобальная потребность в ней обгоняет темпы наращивания водных ресурсов. С точки зрения глобальных запасов, на Земле имеется огромный Рис. 3. Прогнозы роста глобального водопотребления (Данилов-Данильян, 2009) избыток водных ресурсов, но из-за существующего загрязнения их хватит на удовлетворение в лучшем случае лишь вдвое возросших потребностей в ближайшие 20-30 лет. В истории человечества возникла необходимость введения нормативов качества на питьевую воду, начали вырабатываться общечеловеческие, всемирные подходы к оценке качества питьевой воды. Дальнейшего развития заслуживают исследования по генотоксичности, цитотоксичности и мутагенности веществ и препаратов, используемых на разных этапах водоподготовки. Переход на добычу подземных вод, импорт воды и опреснение могут лишь на некоторое время удовлетворить возрастающие потребности в воде, но ни одна из них не может быть эффективной в течение длительного времени или в глобальном масштабе. Все это породило проблему чистой воды и связанную с этим проблему здоровья и жизни людей. Проблема питьевой воды заключается не столько в ее количестве, сколько в ее качестве (Шварцев, 1994). Пути выхода из водно-экологического кризиса: 13 1) уменьшение водопотребления; 2) резкое сокращение, а в перспективе полное прекращение сброса неочищенных сточных вод в водоемы; 3) переход на подземное водоснабжение. Природные и антропогенные условия влияют на факторы заболеваемости населения. По Ю. П. Лисицкому (1992) загрязнение внешней среды увеличивает риск следующих заболеваний (%): пневмония 43, астма - 40, рак - 19, сердечно-сосудистые - 17, сосудистые поражения мозга - 13, ишемическая болезнь сердца - 12, цирроз печени - 9, сахарный диабет - 2. Таким образом, промышленная революция привела к усилению техногенного давления на окружающую среду и создала условия для нового экологического кризиса на Земле. Наступающий кризис будет принципиально отличаться от прошлых кризисных ситуаций. Его основная причина - не дефицит питания, как это случалось неоднократно ранее, а совершенно новое явление - превышение хозяйственной емкости биосферы и разрушение ее природных биологических циклов [30]. Развитие человечества и сохранение природы чаще всего рассматривается как выбор между технократическим и биологическим императивами, т. е. о совмещении во времени и пространстве функционирования двух систем (техносферы и биосферы), что реально при одном условии - их взаимодействие не мешает эволюции каждой из них. А какая мера допустимого воздействия техносферы на естественную биоту Земли ? Точно ответить на этот вопрос способна сама биота - сообщество растений, животных и микроорганизмов, которое проживает на данной территории. Поэтому необходимо разработать методику биологически обоснованных ограничений для техногенных факторов, за которыми наступают необратимые изменения для живого вещества. В 1968 г. итальянский экономист А. Печчеи пригласил в Рим более 100 известных ученых из разных стран для обсуждения вопросов о будущем человечества, перспектив роста населения Земли и экономики. Результаты исследований Римского клуба сыграли важную роль в понимании мировым сообществом опасности экологического кризиса, а изданные книги «Пределы роста», «За пределами роста», «Пределы роста. 30 лет спустя» [24, 25] стали бестселлерами и заставили многих жителей Земли осознать особенности экологической революции. В них было показано, что развитие человечества ограничено наличием различных пределов. Достижение пределов или их превышение приводит к катастрофическим последствиям для всего человечества. Для экологической революции характерно экспоненциальное развитие основных определяющих ее процессов, что отличает ее от сельскохозяйственной и промышленной революций. В условиях 14 экспоненциального развития важную роль начинает играть фактор времени, его дефицит определяет важность выбора правильной стратегии действий человечества, так как времени на исправление ошибок может просто не быть. Для прогнозирования развития человечества авторами работы «За пределами роста» (1972) была создана модель WORLD 3, в которой прослеживается развитие следующих элементов системы: население, капитал, загрязнение, пахотные земли. В модели учитывается экспоненциальный рост элементов системы, наличие пределов роста, изменение потоков ресурсов, конкуренция, а также время, необходимое для совершения того или иного действия, и наличие запаздывания во временных цепях. Элементы системы оказываются связанными между собой, эмпирические зависимости и связи часто носят нелинейный характер. Модель предназначена для определения емкости планеты, т. е. той численности населения, которая может поддерживаться окружающей средой как угодно долго. Всего был рассчитан временной ход более чем 200 переменных на интервале 1990-2100 гг. с дискретностью полгода. Модельный расчет по стандартному сценарию, при котором сохраняются все наблюдаемые в наше время тенденции развития, показывает, что должна наступить экологическая катастрофа. Возможность устранения катастрофы появляется только после того, как принимается программа стабилизации численности населения и объема промышленного производства, обеспечивается внедрение технологий, уменьшающих выбросы загрязняющих веществ в окружающую среду. Только в этом случае у человечества появляется возможность перехода к устойчивому развитию, когда общество способно обеспечить существование на планете жизни будущих поколений людей. Основные выводы работы состояли в следующем. 1. При сохранении существующих темпов развития человечества в ближайшие 100 лет будут достигнуты и превзойдены пределы. В результате будет наблюдаться резкое неконтролируемое снижение численности населения, уменьшение объемов производства, других показателей, характеризующих степень развития человечества. 2. Эти тенденции развития можно изменить и создать условия экологической и экономической стабилизации. В условиях глобального равновесия каждый член общества имеет возможность удовлетворить свои материальные потребности и иметь равные возможности для реализации своего творческого потенциала. 3. При выборе варианта стабилизации, вероятность его реализации тем выше, чем быстрее человечество к нему приступит. Через 20 лет вышла новая работа «За пределами роста», в которой 15 подводятся итоги развития человечества за период с начала 70-х до начала 90-х годов XX века. К основным выводам этой работы можно отнести нижеследующее. 1. Темпы использования человечеством многих видов ресурсов и темпы производства загрязнений уже превышают допустимые пределы. Без существенного сокращения материальных потоков в ближайшее время произойдет падение производства продуктов питания. 2. Это сокращение не является неизбежным. Для его предотвращения необходимо: пересмотреть политику роста населения и потребления материальных благ; повысить эффективность использования материальных ресурсов. 3. Человечество еще не потеряло возможность перехода к устойчивому обществу. Переход к этому типу общества означает отказ от роста и переход к достаточности потребления. В работе «Пределы роста. 30 лет спустя» делается вывод, что рост загрязнений, обусловленный экспоненциальным развитием промышленности и сельского хозяйства, имеет экспоненциальный вид. Практически рост населения приводит к росту нищеты. Несмотря на различие в темпах роста производства и населения, конечный результат развития общества согласуется с прогнозом Мальтуса. Чтобы выбраться из этого порочного круга, человечеству необходимо рассмотреть в единой связи экономику и окружающую среду (рис. 4). В процессе производства из недр Земли извлекается основная масса сырья, большинство видов энергии, в землю же возвращаются отходы и тепло. Для Земли характерно постоянство естественных потоков вещества и энергии от источников к стокам. Существуют естественные пределы использования человечеством вещества и энергии и пределы темпов поступления отходов в планетарные стоки. Чтобы избежать выхода за пределы устойчивого потребления, необходимо руководствоваться следующими правилами: а) для возобновимых источников темпы потребления не должны превышать темпов регенерации; б) для невозобновимых источников темпы потребления не должны превышать темпов их замены на возобновимые ресурсы; в) для загрязняющих веществ предельная интенсивность выбросов не должна превышать скорости, с которой эти вещества перерабатываются или поглощаются. В модели, основанной на теории биотической регуляции, под глобальным экологическим кризисом понимается потеря устойчивости биосферы, которая приводит к резкому изменению потоков биогенных элементов в биосфере. Важнейшим проявлением кризиса является 16 Солнечная энергия Планетарные источники Ископаемое топливо Высококачественная энергия Экономическая подсистема Отходы и загрязнение Низококачественная энергия Планетарные стоки Потери в виде тепла Рис. 4. Население и капитал в глобальной экосистеме [25] разрушение природных экосистем. В настоящее время на Земле ненарушенные территории занимают только 27 % поверхности. Другим важнейшим показателем глобального экологического кризиса является потеря разнообразия биосферы. Ежегодно на Земле исчезает 5000-15000 видов животных и растений. Химизация окружающей среды привела к нарушению циклов многих элементов в биосфере. Нарушение природных экосистем приводит к потере устойчивости биосферы, нарушается ее способность гасить на основе обратных связей возникающие возмущения. Причиной наступления глобального экологического кризиса авторы указанного выше пособия считают то, что человек уже превысил экологический предел потребления чистой первичной продукции. Так, например, ископаемое топливо является одним из главных видов невозобновимых ресурсов. За период с 1860 по 1989 г. объем энергии, потребляемой человечеством, возрос в 60 раз. В настоящее время до 90 % энергии получают из ископаемого топлива. Для потребления энергии 17 характерна высокая пространственная неравномерность. Например, житель Северной Америки потребляет энергии в 40 раз больше, чем житель Африки или Азии. Большинство ученых сходятся во мнении, что запасы ископаемого топлива на Земле ограничены. Решить проблему получения энергии, с учетом ограниченности ископаемого топлива, можно двумя путями. Во-первых, необходимо повысить эффективность использования топлива с помощью применения прогрессивных технологий. Во-вторых, необходимо развивать и широко использовать возобновимые виды получения энергии. Отсюда, единственным способом избежать дальнейшего углубления экологического кризиса является возвращение в природные пределы потребления человечеством чистой первичной продукции. Только в этом случае может возродиться регулирующая функция биосферы. При величине времени удвоения численности населения мира, чуть превышающей 30 лет и продолжающей уменьшаться, обществу будет очень сложно удовлетворять быстро растущие нужды и ожидания такого большого количества людей, и в нем усилятся стремления к обеспечению большего экономического роста за меньшее время. Велика вероятность того, что мы попытаемся удовлетворять потребности такого роста за счет чрезмерной эксплуатации окружающей среды и, отсюда, снижения жизнеобеспечивающей способности нашей планеты. Только теперь, когда численность населения и запасы капитала на планете достигли беспрецедентно высоких уровней и когда человек начал понимать механизм взаимодействия между демографическим и экономическим ростом, ему приходится сталкиваться с необходимостью учитывать ограниченные размеры своей планеты и накладываемые вследствие этого ограничения на численность населения и масштабы его деятельности на планете. Впервые жизненно важным стал вопрос о плате за неограниченный материальный рост и об альтернативах этому росту. Термин «пределы роста» многими воспринимается неправильно, его слишком часто используют как упрощение, как пределы ископаемых видов топлива и некоторых других ресурсов на планете. На самом же деле опасения гораздо глубже: текущие тенденции могут привести мир к выходу за пределы и к катастрофе в результате бесплодных и безнадежных попыток победить экологические пределы. Экспоненциальный рост в ограниченном пространстве с ограниченными ресурсами ни при каких условиях не может продолжаться вечно [24, 25]. Тогда почему современный мир основан на таком росте? И как его можно остановить? Существует три основных причины выхода за пределы. Во-первых, это рост и слишком быстрые изменения. Во-вторых, всегда существует некий предел или ограничение, за которыми деятельность системы перестает быть 18 безопасной. В-третьих, часто между событием и откликом на него бывает запаздывание, вдобавок не всегда этот отклик интерпретируется правильно, так, чтобы вернуть систему в допустимые пределы. Эти три причины необходимые и достаточные условия для выхода за пределы. Что делать? Чтобы достичь устойчивости, человечество должно увеличить уровни потребления в бедных странах мира, но при этом одновременно снизить нагрузку на окружающую среду в целом по планете [25]. Нужно и развитие технологий, и изменение поведения людей, и планирование в долговременной перспективе. Нужно больше понимания, уважения и заботы без оглядки на политические границы - на это уйдут годы. Ни одна современная политическая партия пока не оказала поддержки такой программе, и уж, конечно, ни одна из развитых и богатых стран не поступилась своим уровнем потребления. Между тем общемировая нагрузка на природу растет с каждым днем. Таким образом, для выживания человечеству необходимо перейти к устойчивому обществу, человек должен отказаться от сложившегося представления прогресса и перейти к концепции устойчивого развития. Конференция ООН по охране окружающей среды в 1992 г. (Рио-деЖанейро) разработала принципы и рекомендации перехода стран планеты к концепции устойчивого развития. В «Концепции перехода РФ к устойчивому развитию» (1996) обосновывается необходимость и возможность постепенного перехода страны к устойчивому развитию, которое должно обеспечить сбалансированное решение социальноэкономических задач и проблем сохранения окружающей среды в целях удовлетворения жизненных потребностей нынешнего и будущих поколений. В качестве конечной цели перехода России на модель устойчивого развития выдвигается формирование нового состояния общества, в котором важнейшим мерилом национального богатства станут духовно-нравственные ценности и знания человека, живущего в гармонии с окружающей средой. Переход к устойчивому развитию означает создание нового мышления, новых общественных ценностей, предполагает постепенное восстановление естественных экосистем до уровня, гарантирующего стабильность окружающей среды. Общепринятый взгляд на развитие цивилизации и рост населения заключается в том, что этот рост воспринимается как естественный процесс, который должен сопровождаться непрерывным улучшением жизни людей. Этот традиционный взгляд на развитие цивилизации должен быть заменен, поскольку дальнейшее развитие цивилизации натолкнется на тот или иной предел, превышение которого приведет к ее гибели. Существование пределов в развитии человечества является естественным, эти пределы принципиально неустранимы. Для сохранения человечества необходимо 19 изменить направление развития цивилизации. Необходим переход от безграничного материального обогащения к творчеству, гармонии с природой. Такое развитие человека должно явиться основой изменения демографической ситуации на планете. 1.2 Возникновение и развитие эколого-геологических исследований. Экологическая геология, геоэкология и геология окружающей среды В истории развития геологии четко обособились три этапа, связанных с решением экологических проблем человечеством [41]. Первый этап (созерцательный). Геологи, за исключением гидрогеологов и инженеров-геологов, считали, что экологические проблемы - это сфера деятельности и изучения исключительно медико-биологических наук. Даже инженеры-геологи занимались этими проблемами опосредованно, решая, главным образом, вопросы геологического обоснования создания и надежного, безаварийного функционирования инженерных сооружений и схем инженерной защиты сооружений, объектов и территорий. Второй этап (семидесятые - первая половина восьмидесятых годов прошлого века) - период признания огромной роли техногенного воздействия на литосферу и биоту и становления представлений о геологической среде, геологии окружающей среды. Представители инженерной геологии, гидрогеологии, геохимии и геокриологии начали разработку теоретических и практических геологических вопросов, направленных на решение проблем окружающей среды. Третий этап начался с широкомасштабного выполнения «геоэкологических» исследований представителями многих геологических наук. Это привело к формированию новых научных направлений в геологии, связанных с решением прикладных и теоретических экологических задач: экологическая геохимия, экологическая геофизика, экологическая гидрогеология и др. Однако скоро стало ясно, что эти исследования, направленные, главным образом, на оценку изменения верхних горизонтов литосферы под влиянием техногенеза, не отвечают в полном объеме содержанию задачи геологического обоснования устойчивого функционирования экосистем. Поэтому многообразие экологических направлений в геологии сконцентрировалось в крупное современное направление — экологическую геологию (геоэкологию, экогеологию, геологию окружающей среды), совместно изучающую приповерхностные геосферы Земли и хозяйственную деятельность человечества. Становление ее в системе геологических наук насчитывает более четверти века и с появлением экологической геологии начался новый 20 этап в изучении литосферы науками геологического цикла, принципиально отличающийся по своей ориентации от традиционных геологических наук. Во второй половине XX века произошла экологизация многих естественных (включая и геологию) и социальных наук. Отчетливо сформировался целый ряд различных по объему и направленности экологически ориентированных разделов традиционных геологических наук (экологическая минералогия, экологическая геохимия, экологическая геофизика, экологическая гидрогеология и др.) и новых направлений. Последние возникли, когда стало понятно, что каждый из таких экологизированных разделов геологии не способен самостоятельно решить в полном объеме задачу геологического обоснования устойчивого функционирования экосистем. Конструирование единой науки и единого подхода к интерпретации полученных многочисленных данных о воздействии окружающей среды на человека и, наоборот, о воздействии человека на окружающую среду стало возможно на путях познания причин и факторов развития техносферы как единой концепции функционирования природной и антропогенной среды, относящихся к базисным технологиям наук о Земле и окружающей среде. На всех уровнях исследования природы и взаимоотношения человека с нею необходимы единая идеология и единый методологический аппарат выявления факторов развития техногенеза, путей и способов сбора информации о положительных и отрицательных сторонах техногенного процесса для будущего всего человечества. Наиболее оптимальный вариант представления объективной информации о техногенных процессах (искусственных и природных) заложен в единении наук о земле и окружающей среде. Каждая из отдельных наук, изучающих природу, процессы, структуру и состав техносферы, раскрывает фактор и причину развития техногенеза в рамках своей науки и метода. Сбор, обработка и компьютерный анализ информации о техногенезе могут быть осуществлены через комплексные экологические исследования. Разнообразные подходы к совместному использованию геологии и экологии в решении теоретических и прикладных задач, которые постепенно оформились в три междисциплинарные (интегральных) направления: геология окружающей среды (Environmental Geology), экологическая геология (экогеология) и геоэкология (геологическая экология). Пути их становления часто пересекались, но по современным представлениям они достаточно самостоятельны, хотя некоторые исследователи продолжают их отождествлять из-за общих геологических корней. Термин «экологическая геология» впервые был использован Е. А. Козловским, А. И. Жамойдой и В. Б. Кушевым (1984), определившими ее как принципиально новое направление геологических наук, задачей 21 которого является сохранение природной среды на основе специального изучения геологических процессов, связанных с развитием биосферы и техногенного воздействия человека на природу, включая рациональное использование минерально-сырьевых ресурсов, в том числе сохранение их в недрах (особенно энергетического сырья). Второй раз термин «экологическая геология» появился в геологической литературе в 1992 г. Н. И. Плотников, А. А. Карцев и И. И. Рогинец под термином «экологическая геология» предложили понимать «комплексную и очень сложную по содержанию науку, охватывающую геологические аспекты (гидрогеологические, инженерно-геологические, геохимические, геокриологические и др.) общей проблемы охраны биосферы и, прежде всего, человека от негативного влияния техногенеза». В. Т. Трофимов и Д. Г. Зилинг дали следующее определение [41]. Экологическая геология новое направление геологических наук, изучающее экологические функции литосферы, закономерности их формирования и пространственновременного изменения под влиянием природных и техногенных причин в связи с жизнью и деятельностью биоты и человека. В такой трактовке экологическая геология является, с одной стороны, новым научным направлением в геологии, а с другой стороны - составной частью геоэкологии, которая также включает в свою структуру экологическое почвоведение и экологическую географию. Синонимом экологической геологии в конце прошлого века считались геоэкология и охрана геологической среды. Экологическая геология зародилась на стыке геологии и биологии и изучает воздействие «неживого» (косного) вещества в виде компонентов литосферы, в том числе техногенно-измененных, на «живое» вещество (биота, включая человека). Как следствие предметное поле экологической геологии формируется на пересечении предметных полей биологии и геологии. Таким образом, можно дать следующее определение экологической геологии – это научное направление, объединяющее исследования состава, строения, свойств, процессов литосферы как среды существования биоты и жизнедеятельности человека. Объект исследования экологической геологии - это литосфера со всеми ее компонентами, в прикладном плане - ее приповерхностная часть, расположенная в зоне возможного природного и техногенного воздействия. Она исследуется как многокомпонентная динамическая система, включающая породы, подземные воды и газы, и влияющая на существование и развитие биоты, в том числе и человеческого сообщества. При таком определении объекта экологическая геология исследует системы «литосфера - биота», «техногенно-измененная литосфера - биота», либо «литосфера - инженерное сооружение - биота», прямые и обратные связи 22 между абиотическими и биотическими подсистемами, а, в конечном счете, взаимодействие литосферы и живого. Все эти названные системы с содержательной точки зрения являются системами эколого-геологическими. Главное их отличие - наличие живого и неживого компонентов. Биота как живое живет и функционирует в литосфере или непосредственно на ее поверхности. С практических позиций нижняя граница этих систем не является стабильной. Для природно-технических эколого-геологических систем она большинством исследователей проводится на глубинах от первых сотен метров до 12 км и соответствует глубине проникновения в литосферу техногенного воздействия. Верхняя граница объекта исследования экологической геологии пока неодназначна, т. к. в понятие геологическая среда многие исследователи включают не только породы, но также почвы, поверхностные воды и биоту. Предмет исследования экологической геологии - знания (система данных) об экологических функциях (свойствах) литосферы. При этом рассматриваются функциональные связи в системе «литосфера - биота» или «природно-техническая система - биота». Основные задачи экологической геологии: - изучение изменений приповерхностных частей литосферы под влиянием природных и техногенных катастрофических (быстрых) и эволюционных (медленных) процессов и оценка их экологических последствий; - создание методов оценки экологической устойчивости литосферы и способов сохранения ее экологических функций; - медико-биологическое и социально-экологическое обеспечение деятельности людей, связанное с геологической средой и геофизическими процессами. По мнению большинства ученых, экологическая геология является составной частью геоэкологии, которая формируется на стыке геологии, географии, почвоведения, биологии и социологии и относится к классической междисциплинарной науке. Термин «геоэкология» введен немецким ученым К. Троллем в 1939 г. и ознаменовал собой возникновение нового научного направления в естественных науках. В настоящее время геоэкология рассматривается как междисциплинарное направление. Она изучает состав, структуру, закономерности функционирования и эволюции естественных и антропогенно-измененных экосистем высокого уровня организации. Несмотря на достаточно широкое распространение термина «геоэкология», понятийная и концептуальная основы этой науки находятся все еще в стадии становления. Поэтому существует довольно много споров относительно самого термина «геоэкология», структуры этой науки, 23 объекта и предмета ее исследований, ее роли в устойчивом развитии общества. Содержание понятия «геология окружающей среды», которое преимущественно применяется в англоязычных странах, является неопределенным. Она исследует проблемы взаимоотношения социума и окружающей среды, т. е. относится к сугубо антропоцентрической области знаний. Обобщая вышеприведенное, можно констатировать (Трофимов, 2008), что геология окружающей среды по содержанию представляет набор сведений, полученных традиционными геологическими науками, не имеет специально разработанной понятийной базы, является антропоцентрически ориентированной наукой, в отличие от экологической геологии, которая ориентирована биоцентрически и шире по объему. Геоэкология является междисциплинарной наукой, изучающей влияние всех абиотических сфер на живое. Сегодня развивается обширный комплекс исследований взаимного воздействия человеческого общества и окружающей среды (рис. 5). Компоненты окружающей среды объединяются в следующие группы: литосфера (включает геолитосферу (земля, недра) и педосферу (почвы)); гидросфера (включает поверхностную и подземную гидросферы); Рис. 5. Структура окружающей среды [8] 24 атмосфера (включает атмосферный воздух, озоновый слой атмосферы и околоземное космическое пространство); биосфера (включает растительный (флора) и животный (фауна) мир и иные организмы); техносфера (включает природно-антропогенные и антропогенные объекты). Возникло мнение, что человек вполне овладел материальной составляющей геосфер земли и процессами, происходящими на границах этих геосфер, «заставил» антропогенную природу (техносферу) работать на общество, но тем самым он вызвал ответную реакцию искусственной среды на это воздействие. На человека стали оказывать влияние две силы: природные (стихии и процессы - вулканы, землетрясения, цунами, оползни, обвалы, сели, наводнения и др.) и техногенные (аварии на транспорте, на нефте-, газопроводах, предприятиях, зараженность почв, воды, воздуха металлом, мусором, ядохимикатами и др.). Значительное внимание стали уделять познанию влияния природных факторов и условий на состояние и развитие человеческого общества, а в связи с резко возросшей технической вооруженностью общества определяющие позиции приобрели исследования воздействия человека на окружающую среду. Эти два направления в исследовании взаимосвязи человека и окружающей среды: влияние техносферы (природной и искусственной) на человека и воздействие человека (технические системы) на окружающую среду рассматриваются в тесной взаимосвязи. Следует признать тревогу многих исследователей о большой мощности технических систем и процессов, иногда преобладающих над природными. Техническая составляющая взаимодействия общества и природы была введена в методологический аппарат практически всех экологических и геоэкологических исследований и направлений в учении об окружающей среде и месте в ней человека (экология человека). Учет естественных факторов развития техногенеза (геологические и географические) совместно с социальными факторами (хозяйственная деятельность человеческого общества) позволит дать полную «техногенную» картину окружающей среды и влияние ее на общество (положительное и отрицательное). Взаимная связь между человеком и окружающей средой определяется не столько тем, что человек является составной частью природы, а скорее тем, что антропогенная составляющая техносферы стала присутствовать практически во всех геологических и географических дисциплинах. Эта связь устанавливается многочисленными видами мониторинга на всех уровнях: локальном (местный), региональном и глобальном (планетарный). В зависимости от результатов мониторингов принимают ответные меры: устройство защитных сооружений, ликвидация техногенных аварий, создание разнообразных служб, резервов питания и питьевой воды, создание средств индивидуальной и коллективной защиты от химического и радиационного 25 заражения и т. п. Природа взаимодействует с окружающей средой по новым (техногенным) законам. Эти законы взаимодействия техноприродных систем с окружающей средой, очевидно, предстоит еще изучить, но географические и геологические факторы развития техногенеза вполне контролируемые и прогнозируемые на перспективу. В настоящее время проводятся специальные, основанные на экологических методах, геохимические и геофизические исследования, осуществляются литомониторинг и эколого-геологические исследования в городах, на разрабатываемых месторождениях полезных ископаемых. В рамках гидрогеологии развивается экологическая гидрогеология (гидроэкология), изучающая с экологических позиций значение подземных вод в сохранении и развитии биосферы. 1.3 Трансформация экологических функций литосферы при техногенезе. Образование техносферы В начале подраздела приведем выдержку из отчета «Предостережение человечеству от ученых мира» (1992): «Человечество и природа находятся в состоянии конфликта. Человеческая деятельность наносит глубокий и часто непоправимый вред окружающей среде и ключевым ресурсам. Если не взять это под контроль, под ударом окажутся и будущее человечества, и места обитания животных и растений. Мир изменится, в нем уже не будет жизни в том виде, в котором мы ее знаем. Если мы хотим избежать мирового кризиса, необходимо принимать срочные меры». Под экологическими функциями литосферы понимаются такие ее свойства, благодаря которым в биосфере поддерживаются условия, обеспечивающие жизнедеятельность всей совокупности живых организмов, включая человека (Прозоров, 2002). Изучение экологических функций литосферы имеет важное значение для понимания и определения возможностей литосферы в саморегулировании экосистем, а также для выработки стратегии человека, согласованной со стратегией природы. Если жизненные потребности биоты в целом определяются неизменными долговременными (тысячелетия) природными законами, то потребности человеческого сообщества могут многократно возрастать за период жизни всего одного поколения, не согласуясь с естественными закономерностями. Человек берет у природы для своих все возрастающих потребностей многие ресурсы Земли, нанося природной среде часто не всегда оправданный и восполнимый экологический ущерб. По мнению В. Т. Трофимова и Д. Г. Зилинга, все многообразие зависимостей между природной и техногенно-преобразованной литосферой и биотой можно свести к четырем экологическим функциям: ресурсной, геодинамической, геофизической и 26 27 Рис. 6. Систематика экологических функций литосферы [41] геохимической (рис. 6). Каждая из этих функций, в сою очередь, обусловлена проявлением многочисленных категорий экологических свойств литосферы. Общие закономерности трансформации экологических функций литосферы могут быть сформулированы в виде следующих положений (Трофимов, 2011): а) их трансформация, или изменение в пространстве и времени, закономерный процесс, один из этапов их развития в ходе эволюции Земли, включающей период техногенеза; б) трансформацию претерпели все экологические функции литосферы, причем наиболее резко это выражено в отношении ресурсной и геохимической функций; в) формирование и трансформация эколого-геологических условий на современном этапе определяются природными региональными геологическими, ландшафтными и техногенными факторами, причем первые их них являются определяющими; г) техногенное воздействие обусловливает локальную, местами региональную, очень быструю трансформацию ранее сформировавшихся эколого-геологических условий, а часто - формирование техногенных аномалий - принципиально новое явление в истории развития экологогеологических условий; эти аномалии являются новым явлением по месту образования, интенсивности проявления и характеру воздействия на биоту; д) трансформация эколого-геологических условий на этапе техногенеза привела к усложнению полей их пространственного распределения, особенно в промышленных и горнодобывающих районах и на территориях мегаполисов, и связана с развитием техногенных загрязнений физической, химической и биологической природы. Техногенное влияние, оказываемое человеческим сообществом на геологическое пространство, определяет необходимость дополнительного исследования социальной (или техногенной) формы материи. Техногенез является процессом изменения геологического пространства под воздействием производственной деятельности человека, который можно сопоставить по времени с локализованным в пространстве гипергенезом [37]. Он относится к ведущим современным геологическим процессам, так как преобразует природные системы планетарного уровня: атмо-, гидро-, био- и литосферы. При этом природная и техногенная системы находятся в таких взаимоотношениях, когда абсолютный приоритет интересов одной означает прекращение функционирования другой. Таким образом, техногенез приводит к образованию и развитию природно-техногенных (геотехногенных) систем, в которых природные и технические элементы объединены потоками вещества, энергии и информации. Учитывая 28 широчайшее развитие техногенеза и вступление в антропогенный мир, актуальным объектом изучения приходится считать уже не природную среду, а техногеосистему как целостную совокупность элементов геологического пространства и продуктов техногенной и антропогенной деятельности. Техногеосистема как самоорганизующаяся система реагирует на внешние воздействия перемещением и упорядочением огромных масс горных пород, деформациями, миграцией флюидов, фазовыми, химическими и биологическими превращениями, формированием аномалий и другими явлениями. При этом масштабы производства нового вещества и энергии в техногеосистеме, а также последствия антропогенного воздействия на природную среду (отходы, катастрофы, влияние на климат и т. п.) способны нарушить устойчивость геологического пространства. Отметим, что созданные человеком искусственные технические сооружения (здания, карьеры, дороги и др.) являются таким же низкоэнтропийным продуктом эволюции, как и биологические структуры. Именно поэтому технические устройства, выполняющие функции и несущие информацию, сращиваются с природными (биологическими, косными) носителями функций и информации, замещают их, а в будущем могут и полностью заменить. Геологические процессы, развивающиеся под воздействием инженерной и хозяйственной деятельности человека, называются техногенными. Они развиваются по тем же физическим законам, что и природные (естественные) геологические процессы, и приводят к сходным результатам: преобразованию рельефа местности, изменению состава и свойств породного массива, почв и гидрогеологических условий. Техногенные процессы отличаются от природных бóльшей интенсивностью, меньшей площадью проявления и более разнообразным характером. Техногенная активизация природных процессов приводит к появлению нарушений в литосфере, которые являются нетипичными или редко встречаются в природе. Почти вся биосфера и литосфера, в той или иной мере, стратифицированы, т. е. состоят из отдельных слоев, условия в которых существенно отличаются. Развитие техногенных процессов приводит к многочисленным нарушениям стратифицированности лито- и биосферы, т. е. их дестратификации. Последняя всегда сопровождается переносом вещества, энергии и живых организмов в пространстве. В результате на затронутых нарушением стратификации участках появляются несвойственные им химические, физические и биологические агенты, т. е. дестратификация вызывает загрязнение среды. Примеры изменений в литосфере под действием техногенных процессов. 29 1. Создание крупных водохранилищ приводит к изменению напряженного состояния, гидрогеологических условий в земной коре на значительной территории. 2. Откачка больших объемов нефти, газа и воды приводит к просадкам земной поверхности и иногда к землетрясениям. 3. Создание подземных полостей приводит к разрядке полей напряжений, дренированию подземных вод и газов. 4. Взрывы при добычных и горно-строительных работах приводят к увеличению трещиноватости пород и к обрушению неустойчивых частей склонов и откосов. 5. Откачка воды из водозаборных скважин вызывает резкую активизацию суффозионных и карстовых процессов. 6. Химическое воздействие сточных вод в горном массиве вызывает изменение состава и свойств пород, кольматацию трещин и полостей, активизацию карстообразования. 7. Постоянное обводнение ранее необводненных пород приводит к нарушению водного баланса и экологического состояния геологического пространства. 8. Пересечение подземного стока коммуникационными тоннелями приводит к подтоплению и осушению территорий. В результате многовекового хозяйствования общества в окружающей среде сформировалась оболочка - техносфера. Впервые о химической составляющей биосферы антропогенного генезиса написал А. Е. Ферсман, назвав ее техносферой, под которой он понимал совокупность геохимических, минералогических процессов, вызываемых технической (инженерной, горнотехнической, сельскохозяйственной) деятельностью человека - техногенезом. Современное понятие техносферы объединяет совокупность геохимических, минералогических процессов, обусловленных круговоротом вещества и техногенных потоков, причем техносфера здесь не уступает по объемам круговорота химических элементов природным средам. Основной причиной образования техносферы считается нерациональное природопользование в последние столетия. Пришло время отразить место и роль техногенеза в составе биосферы и выделить ее в самостоятельную сферу, так как в развитии ее участвуют природные геолого-географические факторы и антропогенные процессы. Наряду с этим не менее актуальным стало практическое решение задач по выявлению антропогенных источников техногенеза и вопросов, связанных с освоением и функционированием техноприродных систем и комплексов. В решении поставленных задач и вопросов ведущее место принадлежит наукам геологического и географического цикла, связанных экологической 30 направляющей, в составе других социальных и естественных дисциплин [18]. Закончим раздел словами Гете: «Природа! Окруженные и охваченные ею, мы не можем ни выйти из нее, ни глубже в нее проникнуть. Непрошеная, нежданная, захватывает она нас в вихре своей пляски и несется с нами, пока, утомленные, мы не выпадем из рук ее. Она вечно говорит с нами, но тайн своих не открывает. Мы постоянно действуем на нее, но нет у нас над ней никакой власти. Она - единственный художник: из простейшего вещества творит она противоположнейшие произведения, без малейшего усилия, с величайшим совершенством и на все кладет какое-то нежное покрывало. Она беспрерывно думает и мыслит постоянно, но не как человек, а как природа. У нее собственный всеобъемлющий смысл. Нет числа ее детям. Ко всем она равно щедра, но у нее есть любимицы, которым много она расточает, много приносит в жертву. Великое она принимает под свой покров. Жизнь — ее лучшее изобретение; смерть для нее средство для большей жизни. Она окружает человека мраком и гонит его к свету. Всякое ее деяние благо, ибо всякое необходимо; она медлит, чтобы к ней стремились; она спешит, чтобы ею не насытились. У нее нет речей и языка, но она создает тысячи языков и сердец, которыми она говорит и чувствует… Она сурова и кротка, любит и ужасает, немощна и всемогуща. Не вырвать у нее признания в любви, не выманить у нее подарка, разве добровольно она подарит. Как она творит, так можно творить вечно». 31 2. ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ Автономного организма вне связи с земной корой в природе не существует В. И. Вернадский Жизнь и здоровье живых организмов зависят от содержания химических элементов в окружающей их среде, а организмы могут нормально развиваться только при определенных концентрациях химических элементов. По данным ВОЗ из 50 миллионов ежегодной смертности в мире 75 % обусловлены воздействием факторов техногенеза. Еще В. В. Ковальский писал: «Различия геологических и геохимических процессов приводят к географическим изменениям химического элементарного состава почв, природных вод, растительных и животных организмов, к изменчивости у них обмена веществ, появлению морфологической изменчивости, иногда — эндемических заболеваний, обострению естественного отбора, появлению новых таксономических единиц. Таким образом, геохимическая среда может приобрести значение важного фактора органической эволюции». Научно-технический прогресс вовлекает в техногенный круговорот тяжелые металлы, химические соединения, которые существуют в природе и нехарактерные для нее. Значительную часть составляют токсичные и канцерогенные соединения, вызывающие патологию у человека и животных. Поэтому познание взаимосвязи между химическими элементами и соединениями, а также влияния их на природную среду позволит оптимизировать взаимодействия человека с природой, разработать мероприятия по оптимизации среды и профилактике заболеваний, связанных с техногенными факторами. Все это послужило основой для развития в последние десятилетия экологической геохимии как составной части экологической геологии. 2.1 Основы экологической геохимии. Биогеохимия Экологическая геохимия является частью геохимии. Последняя, по мнению ее основателя В. И. Вернадского, изучает всю историю атомов (ионов) химических элементов Земли. Экологическая геохимия занимается изучением химических элементов только в биосфере - верхней оболочке Земли, населенной животными и растительными организмами [5]. Отличительной особенностью биосферы является связь и взаимопроникновение живых организмов и неживой (косной) материи. Все химические реакции в биосфере происходят или с участием живых 32 организмов, или в среде, созданной под их влиянием. Это подчеркивает отличие процессов, происходящих в биосфере, от химических реакций и процессов в других оболочках Земли. Экологическая геохимия исследует морфологические, ретроспективные и прогнозные задачи, связанные с изучением геохимических полей и геопатогенных аномалий (неоднородностей земной коры) природного и техногенного происхождения на биоту [41]. Среди этих полей выделяются литогеохимические, гидрогеохимические, сноугеохимические, биогеохимические и атмогеохимические. Объектом исследований является вещественный (минеральный) состав литосферы, миграция подвижных соединений химических элементов, их аномальных концентраций и характер воздействия на биоту с использованием методов геохимии, минералогии, петрографии, гидрогеологии и данных медикобиологических оценок состояния биоты. В практическом аспекте такие исследования подразумевают тесное сотрудничество экологов-геологов с медиками и санитарной службой, так как оценка аномалий должна проводиться с медико-санитарных позиций. Перед экологической геохимией стоит задача исследования следующих направлений [43]: 1) разработка способов снижения уровня загрязнения природной среды; 2) совершенствование технологических процессов переработки сырья, утилизации отходов, очистки газовых выбросов и сточных вод; 3) разработка способов управления техногенезом; 4) прогнозирование поведения загрязняющих веществ с учетом природных и антропогенных факторов. Поэтому развитие экологической геохимии происходит во взаимодействии с другими научными дисциплинами (геохимия, география, биохимия, аналитическая химия, экология и др.) с возникновением специальных разделов: геохимия окружающей среды, геохимия ландшафта, геохимия техногенеза, инженерная геохимия, геохимическая экология. Воздействие на природную среду различных факторов в истории Земли постоянно и постепенно изменялось. Первоначальный состав атмосферы был сходен с составом газообразных соединений вулканической деятельности (80 % водяных паров, 10 % диоксида углерода, 5-7 % сероводорода, азота, оксида углерода, следы метана, хлороводорода, благородных газов и др.). С появлением свободного кислорода (до 23 %) стало возможным окисление и разрушение энергетически богатых субстратов, появились эукариоты, что привело к возникновению дыхания и бурному развитию новых форм и видов живых организмов. Таким образом, для определенного этапа в эволюции атмосферы возникали одни экологические проблемы и исчезали другие. Естественные изменения происходили медленно, и живые организмы имели возможность 33 генетически приспособиться к изменениям окружающей среды. Антропогенное же вторжение в природу не всегда позволяет адаптироваться, так как резкие изменения происходят за несколько десятилетий. В природной среде для утилизации отходов постепенно вырабатывались различные биохимические, геохимические, физические и механические процессы, которые поддерживали природную среду в оптимальном санитарно-гигиеническом состоянии. При антропогенных и техногенных изменениях геосред воздействуют разнообразные нейтральные или высокотоксичные соединения, с утилизацией которых не справляются природные процессы, что приводит к созданию опасных условий для живых организмов. Для управления динамически равновесным состоянием природной среды в условиях техногенеза необходимы знания химических механизмов взаимодействия между человеком, средой обитания и отдельными геологическими подсистемами-средами (почвы, донные осадки, литосфера, подземная гидросфера и т. п.). Биологическими показателями полноценности среды обитания служат видовое разнообразие и биологическая продуктивность экосистемы. В земной коре встречаются участки с резко повышенными содержаниями определенных химических элементов, находящихся, как правило, в минеральной форме и реже в виде растворов и газовых смесей. Это месторождения полезных ископаемых площадью обычно до 100 км2, которые представляют скопления химических элементов, т. е. крупные природные геохимические аномалии. Последние из-за довольно высокой концентрации отдельных химических элементов могут оказывать весьма существенное влияние на растительные и животные организмы. Например, именно в районах месторождений выявлены растения-индикаторы высокой концентрации определенных элементов в окружающей их среде. Над месторождениями часто выявляются локальные и региональные физиологические и морфологические изменения растений и животного мира. Из-за небольших размеров месторождения не могли оказать воздействия в глобальном масштабе на развитие биоты на Земле в прошлом и, по-видимому, не смогут влиять на данный процесс в настоящем и в будущем. Процессы выветривания и разрушения месторождений полезных ископаемых приводят к формированию над ними вторичных геохимических полей рассеяния с зонами повышенной концентрации элементовиндикаторов. В зависимости от формы нахождения элементов-индикаторов выделяются литохимические, биогеохимические, гидрогеохимические и атмохимические поля рассеяния. Вторичные лито- и биогеохимические поля образуются над месторождениями нефти и газа, находящимися на 34 глубинах несколько километров, и над рудоносными структурами, расположенными на глубине до 1 км. Поля рассеяния представляют собой, в отличие от месторождений полезных ископаемых, гораздо более крупные по площади аномалии с относительно невысоким содержанием элементовиндикаторов. Влияние таких аномалий на развитие организмов практически не изучено [5]. Довольно часто в породах, почвах, растениях, водах, атмосфере ряд химических элементов накапливается совместно, что может свидетельствовать об общности условий миграции и концентрации в геосредах. В тех случаях, когда на концентрацию определенных элементов решающее влияние оказывают сходные внутренние факторы, ассоциации элементов с повышенной концентрацией сохраняются в широком диапазоне различных геологических и ландшафтно-геохимических условий [5]. Так, устойчивые ассоциации U—Pb—He, Th—Pb—He, K—Ar связаны с радиоактивным распадом. Если же основное влияние оказывают внешние факторы, то совместное нахождение элементов характеризует определенные условия. Например, ассоциация Au—Cu—As—Pb—Zn—Fe типична для золотосульфидных руд, а при их выветривании могут возникнуть новые ассоциации Au—As—Fe и Cu—As—Zn—Au—Fe. Ассоциации химических элементов в почвах на месторождениях нефти и газа, возникают из-за того, что в почвы периодически поступают газообразные продукты от углеводородных залежей [29]. К ним в первую очередь относятся сами углеводороды, водород, углекислый газ, инертные газы. Их бактериальное разложение, сопровождающееся различными химическими реакциями, приводит к формированию в почвах над месторождениями многочисленных и разнообразных геохимических барьеров (см. далее). Происходящие на таких участках окислительновосстановительные реакции с участием бактерий, разлагающих углеводороды, могут увеличить подвижность восстанавливающихся элементов переменной валентности, которые концентрируются по периферии месторождений. В результате в почве образуются аномалии Pb, Zn, Мn, Сu, Ва, Со, V, Ni, Сr, отвечающие месторождениям нефти и газа. По мнению В. А. Алексеенко [5], природные геохимические аномалии в пределах месторождений можно рассматривать как своеобразные природные полигоны-лаборатории по воздействию химических элементов на живые организмы на локальных участках, а также рассматривать месторождения как аналог антропогенного загрязнения. Важным разделом экологической геохимии является биогеохимия, основателем которой является академик В. И. Вернадский. Биогеохимия рассматривает химический состав различных организмов и его изменения, связанные с меняющимися условиями существования этих организмов. 35 Если исходить из того, что жизнь как химический и геохимический процесс реализуется в форме обмена веществ между организмами и средой их обитания, то к биогеохимическим процессам следует отнести любые формы прямого и опосредованного химического взаимодействия организмов с абиотической средой. При этом в случае опосредованного взаимодействия изучаемое биогеохимией пространство может быть значительно шире биосферы. Связанная с деятельностью живых организмов биогенная миграция химических элементов протекает как в самих организмах, так и вне их, поэтому объектами биогеохимии являются и биота, и окружающая абиотическая среда. Такое понимание биогеохимии как науки, изучающей биогенную миграцию химических элементов в биосфере, наиболее распространено. В основе биогеохимии лежит концепция биогеохимических циклов, которые представляют собой наиболее полное выражение биогенной миграции и вообще способ существования жизни на Земле. В. И. Вернадский наметил три основные линии биогеохимических исследований: 1) биологическую - познание явлений жизни, 2) геологическую - познание среды жизни и 3) прикладную - изучение биогеохимической роли человечества. Особо В. И. Вернадский подчеркивал единство элементарного состава живых организмов и неживой природы и основную активную роль живого вещества (совокупность всех живых организмов) в биосфере, которая не может даже быть сравнима по своей интенсивности и направленности во времени ни с какой геологической силой. Живое вещество (по А. В. Лапо) обладает рядом специфических особенностей. • Огромнейшая свободная энергия. В неорганическом мире сопоставимыми с живым веществом могут быть только незастывшие лавовые потоки, но последние, очень быстро остывая, теряют энергию. • Скорость протекания химических реакций в живом веществе в тысячи и миллионы раз выше, чем в неживом. Отсюда, незначительное по массе и энергии живое вещество может вызвать переработку огромных объемов вещества. • Для живой природы характерно гораздо бóльшее морфологическое и химическое разнообразие, чем для косной природы. Так, размеры вирусов в миллиарды раз меньше размеров слона или кита, а химический состав живого вещества определяют более 2 миллионов различных органических соединений, в то время как количество природных минералов составляет чуть более 4 700. • Тела живых организмов могут состоять из веществ, находящихся одновременно в твердом, жидком и газообразном состояниях и представлять при этом единое целое. 36 • Живое вещество генетически связано с организмами прошлых геологических эпох. Со сменой поколений идет и эволюция живого вещества: данный процесс особенно проявлен для высших организмов, а примитивные организмы более консервативны. Более 90 % химического состава клеток живых организмов определяется 4 элементами: С, Н, О, N, которые определяют состав, структуру и главные свойства белков, ферментов и других составных частей живой клетки, входят в структуру ряда специфических белков и т. п. 9 % массы растений, животных и человека состоит из Na, Cl, Р, Са, Mg, К, S, которые необходимы в процессе обмена углеводов, липидов, белков и нуклеиновых кислот. Особый интерес представляет накопление химических элементов в организме человека. Содержания главных (структурообразующих) элементов в организме человека значительно превосходят их содержание в земной коре, т. е. кларк элемента (рис. 7). Рис. 7 Коэффициент концентрации главных элементов в организме человека Пунктирная линия – кларк элемента 37 Рис. 8. Распространенность химических элементов в золе органов и тканей человека по их минимально и максимально встречающимся значениям (Рихванов и др. 2011) Цифры на графике соответствуют органу и ткани человека: 1 – ж. головной мозг, 2 – м. головной мозг, 3 – ж. пищевод,4 – м. толстый кишечник, 5 – ж. тонкий кишечник, 6 – ж. 12_перстная кишка, 7 – м. 12_перстная кишка, 8 – ж. желудок, 9 – ж. печень, 10 – м. печень, 11 – ж. трахея, 12 – ж. бронхи, 13 – м. бронхи, 14 – м. легкие, 15 – ж. аорта, 16 – м. аорта, 17 – ж. полая вена, , 18 – ж. щитовидная железа, 19 – м. щитовидная железа, 20 – м. поджелудочная железа, 21 – ж. надпочечники, 22 – ж. кожа, 23 – ж. скелетная мускулатура, 24 – м. скелетная мускулатура, 25 – м. мочевой пузырь, 26 – ж. почка, 27 – ж. молочная железа, 28 – ж. яичник, 29 – ж. матка; (ж –женщина, м – мужчина). 38 Важную роль в обмене веществ в живом организме выполняют микроэлементы (Mn, Cu, Zn, Ni, Co, J, F, Mo, As и др.), составляющие около 1 % его массы. Каждый из микроэлементов содержатся в организме в количестве 10-3-10-12 % (рис. 8). Обращает на себя внимание тот факт, что ряд элементов (Na, Р, S, Ni, Си, Zn, Rb, Sr, Ba, Cs, Br и др.) имеют сравнительно узкий диапазон колебаний в уровнях их накопления, что может свидетельствовать об их постоянном и сравнительно равномерном нахождении в органах и тканях человека, по-видимому, играющих определяющую физиологическую роль в их функционировании. В то же время, существует группа элементов с чрезвычайно высокими диапазонами их содержаний: Be, Cr, Sc, Zr, Cd, La, W, Bi, Th и др. Роль данных элементов в функционировании живого вещества является еще совсем слабо изученной. Возможно, что уровень накопления их в живом веществе, определяется факторами среды обитания. По оценке Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), из более 6 миллионов известных химических соединений практически используются до 500 тысяч. Из них около 40 тыс. обладают вредными для человека свойствами, а 12 тыс. являются токсичными. Экологические исследования химического загрязнения биосферы охватывают все те ситуации, которые изменяют отношения между организмами и средой, ухудшают условия существования животных, растений и человека, формируют экологогеохимические условия. В настоящее время установлено, что поступившие в организм химические элементы оказывают заметное влияние на различные биохимические и биофизические процессы, а их недостаток или избыток приводит к развитию микроэлементозов у растений, животных и человека (табл. 1). Нарушение метаболизма микроэлементов приводит к нарушению равновесия и формированию патологических заболеваний у людей и животных [2]. Так, избыток или недостаток физиологически важных элементов вызывают многие болезни: кариес, фтороз, болезнь щитовидной железы и др. Тем не менее, исследования по этому вопросу весьма ограничены и касаются, как правило, одного или нескольких микроэлементов. Сегодня достаточно информации о воздействии на здоровье населения отдельных природных и техногенных факторов, но недостаточно разработаны критерии оценки эколого-геохимической и гигиенической ситуации, нет единых методологических подходов к оценке здоровья населения, изучению элементного состава органов и тканей человека при диагностике патологий и мониторинге территорий, слабо исследована трансформация и взаимодействие химических соединений, пока нет высокоэффективных способов очищения природной среды от загрязнителей 39 Таблица 1. Важнейшие заболевания у человека и сельскохозяйственных животных, связанные с дефицитом или избытком микроэлементов, по [2] с сокращениями Микроэлемент Железо Медь Цинк Марганец Хром Селен Заболевания, связанные с дефицитом микроэлемента Анемия. Низкий иммунитет. Миокардиопатия. Ринит. Гастрит. Атония скелетных мышц. Цирроз печени. Медьдефицитные заболевания костного скелета и суставов, анемии. Врожденные пороки развития плода и новорожденных. Карликовость. Дерматит. Диабет. Гипохолестеринемия. У коров – снижение оплодотворяемости, пониженная упитанность, повышенная смертность телят. Повышение инсулина и холестерина в крови, увеличение атеросклеротических бляшек в аорте, снижение оплодотворяющей способности Дефицит эритроцитов, тромбоцитов в крови. Дистрофия. Кистозный фиброз поджелудочной железы. Инфаркт миокарда. Заболевания, связанные с избытком микроэлемента Гемохроматоз. Сидероз поджелудочной железы. Бронзовый диабет. Медная лихорадка. Пневмокониоз. Отравления цинксодержащими соединениями. Манганозы – избыточное поступление марганца в организм. Синдром Паркинсона. Психические нарушения. Хромовый дерматит, изъязвление слизистой оболочки носа. Хромовый гепатоз. Селеноз с дерматитом, повреждением эмали зубов, анемиями и нервными расстройствами. Увеличение селезенки. Дегенерация печени. и нейтрализации токсических соединений [43]. Эти вопросы должны быть приоритетными направлениями исследований в экологической геохимии и в медицинской геологии. В. И. Вернадский ввел представление о биогенной миграции атомов переходе химических элементов из неживой природы в живую и обратно, т. е. о биологическом круговороте. Закон биогенной миграции атомов В. И. Вернадского гласит: «миграция химических элементов в биосфере 40 происходит при непосредственном участии живого вещества, или же она протекает в среде, геохимические особенности которой обусловлены живым веществом, существовавшим и существующим в биосфере со времени ее образования». Для живых организмов характерны две формы движения: пассивная, определяемая их размножением (характерна для всех организмов) и активная, осуществляемая за счет направленного перемещения (характерна для животных). Особенностью пассивного движения организмов является стремление заполнить большинство пространства. В. И. Вернадский назвал этот процесс давлением жизни. Его сила (т. е. скорость размножения) в целом обратно пропорциональна размерам организмов. Очень большим давлением обладают бактерии, вирусы, грибы. У отдельных видов бактерий новое пополнение образуется через 22-23 мин. При отсутствии преград к размножению они за сутки заняли бы всю поверхность Земли. Рассмотренной особенностью пассивного движения организмов объясняется быстрое распространение эпидемий, вызываемых бактериями и вирусами. В этих же условиях гриб-дождевик (каждый экземпляр дает около 7,5 млрд. спор) уже во втором поколении имел бы объем, в 800 раз превышающий размеры нашей планеты. Слонам же для заселения поверхности Земли потребуется более 1000 лет. С саморазмножением организмов связана колоссальная скорость миграции атомов, и оно представляет, таким образом, мощный геохимический процесс. Через живые организмы проходят все химические элементы периодической системы. Кроме того, живые организмы способны перерабатывать и разлагать отбросы и отходы, устранять их вредное воздействие на жизнь. Один из основоположников биогеохимической экологии В. В. Ковальский указывал, что «живое вещество поглощает атомы из оболочек, биосферы (литосферы, гидросферы, атмосферы), включает их в процессы биогенной миграции, в процессы рассеивания и концентрации, перемещает массы их в биосфере. Живое вещество изменяет формы их химических соединений, включает в новые и этим оказывает значительное влияние на жизнедеятельность организмов (например, синтез ферментов, гормонов и других активных веществ) и изменение химических свойств среды жизни (состав атмосферы, содержание микроэлементов в осадочных породах, почвах, водах)». Одним из важнейших показателей комфортности существования и выживания животных и растений является характеристика окружающей среды проживания животных или произрастания растений. Одна из основных задач экологической геохимии - химическая оценка условий существования организмов. В природе химические элементы распределяются неравномерно. Поэтому А. П. Виноградов разработал 41 учение о биогеохимических провинциях и влиянии особенностей химического состава почвы, воды на живые организмы, с одной стороны, и продуктов питания на состояние здоровья человека, с другой. Эти положения актуальны не только в экологической геохимии, но и в гигиене, медицинской географии, социологии. В экологической геохимии особое внимание уделяется формам нахождения мигрирующих элементов, так как часто от этого зависит доступность химических элементов организмам. Основной особенностью миграции химических элементов в биосфере можно считать наличие ее биогенной формы. Она определяет биологический круговорот элементов, процессы фотосинтеза и обуславливаемое ими накопление свободного кислорода в атмосфере и гидросфере. В результате создается окислительная кислородная обстановка. Разложение организмов, наоборот, приводит к поглощению свободного кислорода и формированию в пределах биосферы восстановительных обстановок (глеевой и сероводородной). Отсюда, любое перемещение химических элементов происходит при непосредственном участии живого вещества или в среде, геохимические особенности которой обусловлены живым веществом. Ходом биологического круговорота химических элементов в земной коре обуславливается своеобразная вертикальная зональность окислительно-восстановительных обстановок, которая относится к важнейшим геохимическим характеристикам биосферы. Так, окислительная обстановка в почвах ландшафтов суши часто с глубиной сменяется глеевой и, как правило, резко восстановительной в подземных водах. А. И. Перельман вывел следующее правило: геохимическая работа живого вещества создала преобладание резко окислительной обстановки на земной поверхности, сменяющейся с глубиной на восстановительную. Люди сами относятся к живым организмам и их жизнь, как и жизнь всех организмов, ограничивается многими внешними условиями, характерными для биосферы. Однако существование людей невозможно без взаимосвязи и между собою, и с другими организмами. Чисто биологические особенности такой связи обычны для всех организмов и в этом смысле не отличаются от взаимосвязей, изучаемых в экологии животных. Но в отличие от других животных жизнедеятельность людей включает в себя и так называемые техногенные процессы. Техногенез создает совершенно новые условия поступления элементов в больших дозах, что приводит к острой интоксикации, например, при поступлении As, Tl, Hg. Согласно принципу Ле Шателье-Брауна «при внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, равновесие смещается в том направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабляется». Например, под воздействием техногенеза происходит 42 постепенное искажение биогеохимических циклов химических элементов, изменяется перемещение атомов, уменьшается разнообразие живого вещества планеты. Лишь некоторый запас прочности у живой природы позволяет на современном этапе сохранять свой облик до определенного искажения биогеохимических циклов атомов. В последние десятилетия началось глобальное техногенное изменение условий существования организмов. Но в еще большей мере изменяются условия существования живых существ за счет техногенного изменения ландшафтно-геохимической обстановки. Для живых организмов к числу важнейших последствий рассматриваемого изменения относится невозможность существования определенных видов в изменившихся условиях. При этом данные виды либо погибают, либо начинается процесс их существенного изменения — мутация. Наиболее высокоорганизованные виды погибают скорее, а менее организованные, включая вирусы и бактерии, часто изменяясь, приспосабливаются к новым условиям. При этом, например, бактерии выполняют целый ряд специфических биогеохимических функций [5]. Углекислотная — бактерии в процессе жизнедеятельности выделяют в окружающую среду углекислый газ. Особенно велико в этом значение почвенных бактерий, за счет которых в почвенных газах содержание СО 2 намного больше, чем в атмосферных. Растворяясь в воде, СО2 влияет также на ее рН и образование ряда комплексных соединений. Углеводородная — бактериальное разложение органических остатков может приводить к образованию углеводородных соединений. Сероводородная — ряд сульфатредуцирующих бактерий, отнимая при окислении органики кислород у сульфатов, выделяет сероводород. Этот процесс часто приводит к образованию промышленных концентраций сульфидов. Водородная — разложение некоторыми бактериями органического вещества сопровождается образованием атомарного водорода. Последний является чрезвычайно активным агентом, приводящим, в частности, к восстановлению сульфатов при жизнедеятельности сульфатредуцирующих бактерий. Азотная — при микробиологическом разложении азотсодержащего белкового вещества идет образование аммиака, накапливающегося в атмосфере и гидросфере. В природных условиях выделяющийся аммиак либо улетучивается в атмосферу, либо растворяется в воде. Взаимодействуя с кислотами, он образует обычно хорошо растворимые соли аммония. В большинстве из них довольно высок процент хорошо усвояемого растениями азота, и они являются удобрениями. 43 Окислительно-восстановительная — разложение органического вещества сопровождается окислением этого вещества, серы, сульфидов, части карбонатов, а также восстановлением ряда элементов (Fe, Мn, Сu). Можно выделить три основных фактора, определяющих концентрацию химических элементов в растениях. 1. Концентрация химических элементов определяется видом растения. 2. На содержание в растениях целого ряда элементов (Pb, Сu, Zn, Mo и др.) оказывают ландшафтно-геохимические условия произрастания. При этом особая роль принадлежит почвам. Так как основная часть минеральных веществ поступает через корни, то избыток или недостаток определенных элементов в почве сказывается на их содержании в растениях. На данной закономерности основан биогеохимический метод поисков месторождений полезных ископаемых. 3. Содержание в растениях целого ряда элементов определяется закономерностями связи между элементами. В некоторых ландшафтногеохимических условиях в растения попадает большее или меньшее, по сравнению с нормальным содержанием, количество элементов. В результате нарушаются обычные связи между элементами в организме. Существенно повышенные концентрации определенных химических элементов на отдельных участках в биосфере привели к тому, что в процессе эволюции некоторые растения стали произрастать только при высоких содержаниях этих элементов. Такие растения получили название растений-индикаторов. Растения по особенностям поглощения определенных химических элементов можно разделить на концентраторы и деконцентраторы. В первых элемент всегда находится в повышенных концентрациях (по сравнению с обычными растениями иногда до 100 раз), а во вторых — в пониженных. Поступление в растения повышенных количеств определенных элементов довольно часто вызывает ряд физиологических и морфологических изменений (табл. 2) и они могут служить индикаторами загрязнения окружающей среды. После отмирания часть высших растений становится основой для образования углей. Они являются не только своеобразными аккумуляторами солнечной энергии, но концентрируют целый ряд химических элементов. К ним в первую очередь относятся Si, Fe, А1. Постоянно в повышенных концентрациях встречаются Hg, F, As, U, Sc, Se, Be, Y и другие элементы. Часто эти элементы (например, U, Ge) становятся более ценным ископаемым, чем вмещающий их уголь. Однако при неразумном использовании углей они могут стать опаснейшими загрязняющими веществами. Сжигание угля, как правило, приводит к загрязнению ландшафтов многими элементами. Они поступают как с 44 Таблица 2. Физиологические и морфологические изменения растений, обусловленные токсичностью металлов, по [5] с сокращениями Элемент Al B Cr Co Cu Fe Mn Mo Ni U Zn Признаки Короткие шишковатые корни, покоробленные листья, пятнистость Темная листва, ползучие формы, сильное опушение Желтые листья с зелеными прожилками Белые омертвевшие пятна на листьях Омертвевшие пятна на кончиках нижних листьев, багровые стебли, хлорозные листья с зелеными прожилками, задержанные в росте корни Задержание в росте верхушки, утолщенные корни Хлорозные листья, пораженные стебли и черешки, скрученные и сухие участки по краям листьев Задержка в росте, желто-оранжевая окраска Белые омертвевшие пятна на листьях, безлепестные бесплодные формы Аномальное число хромосом в ядре, плоды необычной формы, безлепестные бесплодные формы, собранные в розетку листья Хлорозные листья с зелеными прожилками, белые карликовые формы, омертвевшие пятна на кончиках листьев, задержание в росте корня дымом через атмосферу, так и при развеивании золы. Исследования показывают, что ТЭЦ, сжигающая 500 т угля в сутки, за год выбрасывает в атмосферу только с дымом: As - около 20 т, F - 13 т, V - 37 т, Рb - 21 т, Ni 10 т. При этом максимально проявляются их токсичные свойства. Это связано с тем, что загрязняющие вещества через атмосферу попадают в легкие, а из них — непосредственно в кровь животных организмов, включая человека. Как и растения, животные участвуют в биологическом круговороте элементов. Хотя их масса значительно меньше, чем у растений, они выполняют свою функцию в этом процессе. Среди животных выделяются одноклеточные (простейшие) и многоклеточные. С точки зрения экологической геохимии можно выделить несколько основных функций, выполняемых животными. Переводя растительную органику в рассеянное состояние, животные транспортируют ее на большие расстояния и в направлениях, противоположных поверхностному и подземному стокам. При этом создаются благоприятные условия для развития следующих поколений растительности. 45 Потребляя первичное и вторичное органическое вещество, животные возвращают его в биосферу в форме соединений, наиболее благоприятных для усвоения автотрофами. Животные участвуют в процессе стабилизации подвижного равновесия в биосфере, не допуская «перепроизводства» отмершей и неразложившейся органики. Вмешательство человека в эту функцию (например, уничтожение животных-хищников) практически всегда имеет отрицательные последствия. Многоклеточные животные в процессе жизнедеятельности формируют среду своего обитания. Происходит это за счет преимущественного поглощения определенных элементов и выделения продуктов метаболизма. Особо наглядным примером этой функции животных является жизнедеятельность фильтраторов в водных бассейнах. Чрезвычайно велико значение преимущественного поглощения многоклеточными животными определенных химических элементов, их концентрации и последующего отложения в определенных участках биосферы. Планетарное значение имеют осадочные образования СаСО3, SiO2 и Р2О5, связанные со скелетами и оболочками морских животных. Так же, как и растения, животные являются аккумуляторами солнечной энергии и одним из первичных источников месторождений нефти и газа (концентрируются Н и С). Один из важнейших геохимических выводов, обусловленный законом Вернадского-Кларка (в любом природном объекте земли содержатся все химические элементы, находящиеся в ее коре): все живые организмы в процессе своего развития и эволюции существовали в условиях, определяемых наличием всех химических элементов, находящихся в земной коре. Естественно, что концентрация различных элементов в среде обитания этих организмов могла колебаться в широких пределах. В этих условиях организмы, живущие в конкретных регионах, «привыкали» к определенным концентрациям, а также формам нахождения химических элементов в окружающей их среде. Однако при этом не было элементов «полезных» и «бесполезных». Для нормального развития организмов нужны все элементы. Вопрос может только стоять об их необходимых и вредных концентрациях (см. табл. 1, 2). Следует отметить, что отрицательное воздействие на развитие организмов может оказать как очень высокое, так и очень низкое содержание практически каждого химического элемента. Например, в некоторых биогеохимических провинциях Латвии, Ярославской области недостаточность кобальта в окружающей среде явилась причиной возникновения у 46 сельскохозяйственных животных тяжелых анемии, которые были ликвидированы после введения кобальта в пищевой рацион. Недостаток марганца в окружающей среде вызывает специфическое заболевание птиц, так называемый перозис (утолщение и укорочение трубчатых костей), деформации суставов у птиц (цыплят, индюков, фазанов, куропаток, перепелок) и особое заболевание молодых свиней, носящее название хромоты поросят. Добавление к пищевому рациону марганца излечивает эти болезни. Сегодня по уровню накопления химических элементов в органах и тканях человека, представляется возможным выделить органы и ткани – концентраторы элементов (кожа, легкие, бронхи, селезенка и др.) и органы и ткани – носители определенных элементов (тонкий, толстый кишечник и др.). Содержание и особенности распределения элементов в организме человека определяются не только биохимическими особенностями функционирования живых органов и тканей, но и половыми, а также возрастными особенностями, патологическими изменениями и факторами природной среды обитания человека. Условия проживания человека (среда, особенности питания), несомненно, сказываются на элементном химическом составе популяции населения, о чем свидетельствуют данные по составу биоматериала, отобранного в различных регионах России (Рихванов, 2011). Поэтому в ряде случаев анализ биопсийного материала может служить индикатором антропогенных изменений и формирования биогеохимических провинций. Знания о полном и точном количественном элементном составе человека с учетом региональных и других особенностей, могут способствовать более эффективному проведению коррекции здоровья людей и своевременной профилактики различных заболеваний. 2.2 Геохимические ландшафты и барьеры Наиболее удобным уровнем при изучении антропогенного воздействия на окружающую человека среду является ландшафтногеохимический [5]. Он включает два основных типа биокосных систем: элементарный и геохимический ландшафты. Элементарный ландшафт, по мнению основателя учения о геохимии ландшафта Б. Б. Полынова, «...в своем типичном проявлении должен представлять один определенный тип рельефа, сложенный одной породой или наносом и покрытый в каждый момент своего существования определенным растительным сообществом. Все эти условия создают определенную разность почвы и свидетельствуют об одинаковом, на протяжении элементарного ландшафта, развитии взаимодействия между 47 горными породами и организмами». К факторам, о которых писал Б. Б. Полынов, следует добавить особенности атмосферной миграции элементов, состав подземных вод, вероятное наличие многолетней мерзлоты, режим кислорода и серы. А важнейшим постоянным источником химических элементов в ландшафте являются почвообразующие (подстилающие) горные породы. Одинаковые элементарные ландшафты должны также характеризоваться аналогичными химическим составом подземных вод, особенностями миграции (концентрации) химических элементов, переносимых в атмосфере, условиями развития (отсутствия) многолетней мерзлоты и распространения по вертикальному профилю свободного кислорода. Геохимические ландшафты - это парагенетическая ассоциация сопряженных элементарных ландшафтов, связанных между собой миграцией элементов. Учение о геохимических ландшафтах является гораздо более разработанным для решения многоцелевых проблем охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов. Ландшафтно-геохимический подход позволяет гораздо полнее оценить особенности биологического круговорота химических элементов. Без более полного его рассмотрения невозможно объективно и правильно решать экологические проблемы. Геохимические ландшафты имеют, в отличие от экосистем, довольно четкие границы. Их основные эколого-геохимические характеристики выражаются в конкретных числах, поддающихся математической обработке, и могут иметь качественный, количественный и экономический характер. Ландшафтно-геохимический подход позволяет по одной методике оценивать территории, занятые природными и техногенными ландшафтами. Геохимические ландшафты должны рассматриваться как «кирпичики, составляющие биосферу». Сами же ландшафты, по определению А. И. Перельмана, «...такое же фундаментальное понятие естествознания, как «химический элемент», «живой организм», «почва», «минерал»». Геохимические ландшафты объединяют с учетом различных факторов миграции элементов в самостоятельные геохимические системы. Так, возможно объединение различных техногенных и биогенных ландшафтов. При этом обе группы ландшафтов могут рассматриваться как относительно самостоятельные системы со своими закономерностями распределения химических элементов. Подобное объединение можно проводить и при крупномасштабных работах, выделяя, например, среди техногенных ландшафтов только сельскохозяйственные и т. д. Центром геохимических ландшафтов считаются почвы, также представляющие собой сложную биокосную систему. Для их верхнего гумусового горизонта характерно максимальное напряжение 48 геохимических процессов. Изучение этих процессов позволяет переходить к закономерностям распределения химических элементов в ландшафте и в его отдельных частях. Следовательно, экологическая геохимия довольно тесно связана с почвоведением и геохимией почв. Составной частью геохимических ландшафтов являются также растительные и животные организмы, коры выветривания, поверхностные и подземные воды, почвоподстилающие породы. Без изучения геохимических особенностей этих составных частей ландшафта часто невозможно прогнозировать поведение химических элементов в конкретном ландшафте в целом. Следовательно, экологическая геохимия теснейшим образом связана с гидрохимией и гидрогеохимией, изучающими поверхностные и подземные воды, а также с биогеохимией, геохимией пород и кор выветривания. Геохимические барьеры — одно из основных понятий современной геохимии. По А. И. Перельману, это «участки земной коры, на которых на коротком расстоянии происходит резкое уменьшение интенсивности миграции химических элементов и, как следствие, их концентрация». Выделяются два основных типа геохимических барьеров - природные и техногенные, которые образуются на участках изменения факторов миграции. В первом случае смена факторов, а соответственно и смена одной геохимической обстановки другой обуславливаются природными особенностями конкретного участка биосферы, во втором - такая смена геохимических обстановок происходит в результате антропогенной деятельности. Все барьеры подразделяются на четыре класса: физикохимический, механический, биогеохимический и социальный. К настоящему времени детально разработана классификация физикохимических барьеров, среди которых выделяются кислородный, сероводородный, глеевый, щелочной, кислый, испарительный, сорбционный, термодинамический барьеры. Зная класс барьера, направление мигрирующего потока и условия миграции перед барьером, можно уверенно прогнозировать осаждение на конкретном барьере определенных элементов. Возможно решение и обратной задачи: по комплексу сконцентрировавшихся элементов определить класс барьера и условия миграции элементов. На биогеохимических барьерах происходит резкое уменьшение интенсивности миграции химических элементов под воздействием организмов. Это может быть относительно кратковременное накопление химических элементов растительными и животными организмами. При этом после их отмирания (а жизнь отдельных организмов может продолжаться от часов до столетий) сконцентрировавшиеся элементы практически сразу вовлекаются в процесс миграции (в биологический круговорот). При изучении биогеохимических барьеров основное внимание 49 уделяется общим закономерностям процесса накопления химических элементов организмами. Однако процесс накопления химических элементов животными организмами и особенно его последствия часто имеют важное значение для человека. Впервые проблема массового изучения состава живых организмов и процесса накопления ими химических элементов была поднята В. И. Вернадским. Без изучения концентраций загрязняющих веществ в организмах практически невозможно оценивать и последствия антропогенной деятельности. К настоящему времени в живых организмах выявлены почти все химические элементы периодической системы Д. И. Менделеева. Поэтому, можно считать, что на биогеохимических барьерах сконцентрирована основная масса практически всех химических элементов. Социальный геохимический барьер [6] представляет собой зоны складирования и захоронения промышленных и бытовых отходов (см. раздел 5). Сравним природные и социальные барьеры. На социальных и природных барьерах прекращается перемещение и миграция целого ряда веществ, участвующих в определенном виде миграции — социальной (техногенной). Социальные барьеры созданы искусственно там, где в природных условиях они не возникали. По специфике концентрации веществ и способу образования эти барьеры не имеют аналогов среди природных барьеров. Концентрирующиеся на социальных барьерах вещества не объединяются ни одним общим физическим или химическим свойством. Все вещества на подобных барьерах объединяет только одно социальное условие: ненужность обществу на данном этапе его развития. Широкое распространение социальных барьеров, их возрастающее воздействие на геологические среды и непосредственно на здоровье людей делают необходимым не только их самостоятельное выделение, но и детальное эколого-геохимическое изучение. К основным геохимическим особенностям социальных барьеров относятся [5]. 1. Химические элементы и соединения, накапливающиеся в повышенных концентрациях на данных барьерах, не соответствуют ни одной природной ассоциации. Например, практически в одном месте могут быть обнаружены Ni и Ва, не встречающиеся вместе в минералах, или Сu и Мn, также относящиеся к запрещенной ассоциации. Нахождение вместе химических элементов из разных генетических и даже запрещенных ассоциаций объясняется техногенной миграцией элементов. 2. Распределение большинства химических элементов на барьере отличается крайней неравномерностью, что приводит к их мозаичному распределению на территории, что нехарактерно для биосферы. 3. Неравномерное распределение участков с различной геохимической обстановкой (разный режим кислорода и серы, щелочно50 кислотными условиями), что создает условия с непрогнозируемыми процессами миграции химических элементов. 4. Чрезвычайно высокая концентрация элементов в форме самых разнообразных техногенных соединений, не имеющих природных аналогов. 5. Миграция химических элементов от социальных барьеров идет в основном в виде растворов, а для ряда соединений — в газообразной форме. Скорость миграции может быть самой различной в зависимости от климата, ландшафтно-геохимических, гидрологических, гидрогеологических и температурных условий. Часто появление одного геохимического барьера обуславливает возникновение второго, а их совместное положение — третьего и т. д. Такая геохимическая особенность существует в районах создаваемых техногенных и социальных геохимических барьеров. Ее необходимо учитывать человечеству, формируя новые барьеры. Накопление химических элементов и соединений на геохимических барьерах, в большинстве случаев, приводит к их аномальным концентрациям. При определенных условиях концентрация и общее содержание элементов на барьере резко возрастают и здесь образуются месторождения полезных ископаемых. До недавнего времени рассматриваемые процессы были только природными. Сейчас техногенные процессы достигли таких масштабов, что и на природных, и на техногенных барьерах под их воздействием возможно накопление определенных элементов (соединений) в промышленных концентрациях. Так формируются техногенные месторождения различных полезных ископаемых (см. раздел 5). В экологической геохимии аномалией является отклонение от эколого-геохимических норм, свойственных определенному району, геохимическому ландшафту, типу почв, растений, вод, животных организмов и т. п. Элементы, по содержанию которых выявляются аномалии, обычно называют элементами-индикаторами. По особенностям распределения элементов аномалии могут быть положительными или отрицательными. Первые отличаются повышенными концентрациями элементов-индикаторов, а вторые — пониженными. Хотя одни из первых экологически неблагоприятных районов были выявлены по недостатку йода и фтора, отрицательным аномалиям в эколого-геохимической оценке территорий пока уделяется незначительное внимание. 2.3 Миграция химических элементов в техносфере. Техногенные аномалии На протяжении истории Земли шла постепенная эволюция процессов миграции химических элементов. В последнее столетие в число важнейших 51 факторов перемещений химических элементов вошла антропогенная деятельность. В античном мире люди использовали только 19 элементов, в XVIII в. - 28, в XIX в. - 50, а в начале XX в. - 60. В последние десятилетия стали использовать не только все 89 известных химических элементов, имеющихся в земной коре, но и искусственные радиоактивные элементы, т. е. элементы практически всей таблицы Д. И. Менделеева. Большинство продуктов переработки минерального сырья представляют собой соединения химических элементов, которые или не образуются в результате природных процессов, или не встречаются в тех частях биосферы, в которые они попадают в результате антропогенной деятельности. В связи с этим их поведение в биосфере отличается от поведения природных соединений. Попав в биосферу, техногенные соединения начинают оказывать своеобразное и возрастающее воздействие на живые организмы, большинство последствий которых мы пока еще не знаем. Сегодня геохимик ни для одного вида загрязнителя не знают точного значения верхнего предела способности Земли поглощать его, не говоря уже о способности Земли поглощать все виды загрязнителей вместе [24]. Однако не учитывать геохимическую (и биогеохимическую) роль техногенных соединений становится невозможно. XX век нашей эры и особенно его последние десятилетия ознаменовались резко возросшей техногенной (или социальной) миграцией химических элементов. Она стала соизмеримой с другими видами миграции, происходящими в биосфере – механической, физико-химической и биогенной. К последствиям техногенной миграции следует отнести образование локальных геохимических аномалий с концентрациями определенных химических элементов, в тысячу раз превышающими их кларковое содержание, и региональных геохимических аномалий, захватывающих сотни тысяч квадратных километров (например, сельскохозяйственные угодья). В региональных аномалиях содержание химических элементов гораздо ниже и пока лишь не более чем вдвое превосходит фон. Начинают исчезать природные геохимические различия между регионами, и происходит техногенное выравнивание фоновых содержаний элементов разных геосред. Последствия техногенной миграции химических элементов приближаются к последствиям космических катастроф, а скорость такой миграции резко возрастает. Например, природная миграция элементов в минеральной и изоморфной формах (руда, нефть) раньше происходила на десятки и сотни километров, а теперь — на десятки тысяч километров морским, автомобильным и железнодорожным транспортом, а также по нефтепроводам. Точно так же увеличилась миграция газов (главным образом углеводородов, азота, кислорода, водорода) за счет 52 транспортировки по газопроводам, на специальных морских судах, автомобилях. Металлы в самородном состоянии и в виде смесей встречаются в земной коре, но для большей части биосферы они не характерны. Можно говорить о происходящей в настоящее время «металлизации биосферы». Особо опасны аномалии тяжелых металлов в городских почвах и растениях, где концентрация металлов в сотни и тысячи раз превосходит природные содержания. Человечество тратит огромное количество энергии для того, чтобы из различных соединений получить Fe, А1, Mg, Ti, Сu, Pb, Zn, Ni, Cr, Co, W и другие металлы и их сплавы. Практически все они неустойчивы в условиях биосферы, и необходимы дополнительные затраты на их сохранение в свободном состоянии. Свободный кислород и вода способствуют их окислению и переходу в другие минеральные виды. Например, коррозия приводит к самопроизвольному разрушению металлических материалов в биосфере, а окисленные (корродированные) металлы обычно возвращаются в биосферу. Однако с коррозией связаны не только затраты на поиски и разведку месторождений металлов, последующую их отработку и ежегодное выплавление более 20 млн. тонн металлов (потеря от коррозии). Затраты на ремонт или замену коррозированных деталей могут во много раз превосходить стоимость составляющего их металла. С коррозией связаны и многие экологические катастрофы: утечки газов и нефти, различных техногенных растворов из трубопроводов и цистерн, порча продуктов питания. Как и природные, техногенные геохимические аномалии образуются на участках с резко изменяющимися ландшафтно-геохимическими условиями и интенсивностью миграции химических элементов (их соединений), т. е. на различных геохимических барьерах. Но, в отличие от природных, техногенные аномалии образовываться не только на природных, но и на техногенных геохимических барьерах. На природных барьерах техногенные аномалии образуются за счет поступления веществ, вызванного антропогенной деятельностью. На техногенных барьерах они образуются в результате накопления любых веществ (природного и техногенного происхождения), резко изменяющих интенсивность миграции в пределах барьеров. Размеры крупных техногенных аномалий могут колебаться в довольно больших пределах — от нескольких километров до 100 и более километров. В зависимости от особенностей формирования они могут быть в изометричными, эллипсовидными, ленточными или неправильной формы. Техногенные геохимические аномалии могут образовываться в почвах (литохимические аномалии), растительных и животных организмах (биогеохимические аномалии), атмосфере (атмохимические аномалии газов 53 и аэрозолей), подземных (гидрогеохимические аномалии) и поверхностных (гидрохимические аномалии) водах. В. А. Алексеенко вывел следующий эколого-геохимический закон: ассоциации химических элементов, образующих крупные техногенные геохимические аномалии, определяются в основном уровнем развитием науки и техники в период загрязнения. Из закона можно отметить 2 практических следствия [5]: 1) при проведении природоохранных мероприятий основные затраты должны быть связаны не с установлением состава загрязняющих элементов (как это еще делается в большинстве случаев), а с выявлением ландшафтно-геохимических особенностей загрязняемых территорий; 2) ассоциация химических элементов, образующих современные крупные техногенные аномалии, в ближайшее время несколько изменится. К этому нужно готовиться, чтобы избежать катастроф, способных оказать влияние на существование современных живых организмов, включая человека. В конце подраздела приведем слова В. И. Вернадский: «Эта новая форма энергии (культурная биогеохимическая – Р. С.), связанная с жизнедеятельностью человеческих сообществ, сохраняя в себе проявление обычной биогеохимической энергии, вызывает в то же самое время нового рода миграции химических элементов, по разнообразию и мощности, далеко оставляющие за собой обычную биохимическую энергию живого вещества планеты». 2.4 Методика эколого-геохимических исследований. Математическая статистика в экологической геохимии Геохимическая оценка состояния окружающей среды базируется на данных специализированных эколого-геохимических исследований, целью которых является обнаружение источников загрязнения, прослеживание путей миграции поллютантов и выявление территорий, где их концентрация может быть опасной для здоровья населения или угрозы для живых организмов. Эколого-геохимические исследования можно разделить на четыре основные стадии: 1) региональные работы (масштаб 1:2000000-1:200000); 2) среднемасштабные работы (1:100000-1:50000); 3) крупномасштабные работы (1:25000-1:10000); 4) режимные наблюдения. Проведение экологогеохимических работ включает следующие основные этапы: проектирование; составление схематических ландшафтно-геохимических карт; полевые эколого-геохимические исследования; геохимическое опробование и проведение анализов; обработка результатов анализов и 54 выявление отдельных аномалий и аномальных участков; написание и защита отчета. Эколого-геохимическая трансформация геосред изучается, прежде всего, с помощью геохимических съемок — литогеохимических, атомохимических (газовых), гидрогеохимических (снегохимических, биогеохимических) с отбором проб пород, почв, грунтов, воздуха, воды, снега, растительности. В лабораториях проводятся химические анализы проб с определением качественного и количественного состава элементовзагрязнителей (бериллий, фтор, хром, мышьяк, кадмий, ртуть, таллий, свинец и др.). Для количественной оценки состояния окружающей среды на подстадии «геохимическое опробование» систематическому опробованию по сетке, соответствующей запроектированному масштабу работ, в обязательном порядке подвергаются почвы и наиболее распространенные растения. С повышением степени планируемой точности количественной оценки надо не только увеличивать число опробуемых растений, но и подвергать систематическому опробованию поверхностные и подземные воды. При этом необходимо проектировать проведение таких анализов проб, которые позволяли бы делать выводы о формах нахождения определяемых элементов в опробуемых объектах. Особое значение при количественной оценке состояния окружающей среды имеет изучение фоновой радиоактивности геохимических ландшафтов и их составных частей. Для этого следует предусматривать специальные радиометрические исследования. Основной целью исследований стадии региональных работ является общая комплексная региональная оценка состояния окружающей среды территории края, области или республики. При качественной оценке состояния окружающей среды проведение региональных исследований должно дать объективную и разнообразную характеристику региона с оценкой общего развития техногенных процессов и их влияния на био-, гидро- и литосферы. При количественной оценке на стадии региональных работ должны определяться фоновые содержания всех элементов (их соединений) в каждом выделенном геохимическом ландшафте. На отдельных картах выделяются региональные аномалии отдельных элементов, устанавливается их вероятная природа и основные источники. На этой же стадии исследований должны выделяться и отрицательные аномалии, т. е. участки с резко пониженным содержанием химических элементов. На стадии среднемасштабных работ оценивается состояние окружающей среды отдельных территорий, расположенных вблизи крупных городов или территориально-промышленных комплексов. Среднемасштабные исследования должны проводиться и на аномальных 55 участках, выявленных на стадии региональных работ, и только после окончания последних. Проектировать и организовывать эколого-геохимические исследования можно как в комплексе с другими видами работ, так и самостоятельно. Основным документом на производство экологогеохимических работ является проект, составляемый в соответствии с требованиями инструктивных документов. Проект должен быть составлен с учетом его использования в качестве руководства при проведении работ. Он должен включать в себя расчет сметных стоимостей проектируемых исследований. Для этого в нем достаточно полно должны быть освещены следующие основные вопросы: целевое задание и задачи проектируемых исследований; обоснование масштаба ландшафтно-геохимического картирования; обоснование методики отбора проб, их обработки и анализа с указанием чувствительности и точности определения химических элементов (их соединений); научно-экономическое обоснование объемов полевых, аналитических и камеральных работ, способов и объемов транспортировки людей и грузов, календарного плана работ, мероприятий по технике безопасности ведения всех проектируемых исследований; потребность в оборудовании, материалах и специальных реактивах. Для составления схематических ландшафтно-геохимических карт собирают все имеющиеся опубликованные данные и изданные карты соответствующего масштаба, включая космические и аэроснимки, используя которые можно получить информацию о следующих особенностях района работ: 1) распределение различных сельскохозяйственных угодий, расположение населенных пунктов, автомобильных и железных дорог, лесополос, карьеров, отвалов горных выработок, отдельных крупных заводов и фабрик, курортных зон и зон массового отдыха; 2) расположение площадей, занимаемых различными растительными сообществами (леса, поля, луга, болота, пустыни, солончаки); 3) распределение типов почв; 4) cостав подземных и поверхностных вод; 5) наличие и распространение участков, подверженных интенсивной ветровой эрозии, с современным отложением эолового материала; 6) геоморфология района; 7) геологическое строение изучаемой территории; 8) наличие многолетней мерзлоты. Полевые эколого-геохимические исследования решают следующие основные задачи: уточнение ландшафтно-геохимической карты, создание кондиционной карты геохимических ландшафтов, выявление ландшафтногеохимических аномалий. При описании точек наблюдения должны быть указаны все основные ландшафтно-геохимические особенности. В маршруте проводится описание экологической и ландшафтногеохимической обстановок между точками наблюдения. 56 При эколого-геохимических исследованиях необходим отбор требуемого количества проб из почв для определения щелочности среды и наличия в водных вытяжках типоморфных элементов. На каждый ландшафт требуется отбор 30-50 проб. Пробы следует отбирать на точках наблюдения, стараясь, чтобы они равномерно охарактеризовали всю площадь каждого выделенного ландшафта. Если проектом предусматривается количественная оценка состояния окружающей среды, то должны проводиться литохимическое, биогеохимическое и гидрогеохимическое опробования на всех точках наблюдений. После анализов проб и их статистической обработки дается общая количественная характеристика состояния окружающей среды изучаемого района, и выделяются отдельные аномалии и аномальные участки. Определение содержания химических элементов в почвах, водах и растениях, а также других показателей, характеризующих состояние окружающей среды, может проводиться различными методами или совокупностью нескольких методов. Основные требования к методам следующие: достаточная точность (воспроизводимость и правильность); необходимая чувствительность анализа, позволяющая получить значимые цифры содержаний меньше фоновых; возможность определения элементов, находящихся в различных формах (минеральная, водные растворы и др.); максимальная комплексность проводимых определений; высокая производительность. В настоящее время наиболее распространены спектральный, рентгено-спектральный флуоресцентный и различные химические методы определений. При региональных работах в почвах, илах и золе растений целесообразно первоочередное определение широкого круга элементов (Ag, Al, As, Au, B, Ba, Be, Ca, Cd, Ce, Co, Cr, Cu, Fe, Ga, Ge, Hg, K, La, Li, Mg, Mn, Mo, Na, Nb, Nd, Ni, P, Pb, Pt, Rb, Sb, Sc, Se, Si, Sm, Sn, Sr, Th, Ti, U, V, W, Y, Yb, Zn, Zr) преимущественно с помощью приближенноколичественного атомно-эмиссионного спектрального анализа. Выбор аналитических методов осуществляется с учетом специфики производства потенциальных загрязнителей и наиболее вероятного способа их поступления в окружающую среду. Например, в районе действия химических заводов, производящих моющие средства, следует проводить анализы вод, позволяющие определить содержание поверхностно-активных веществ. На последующих стадиях эколого-геохимических исследований число элементов можно сократить до 15-20 за счет элементов, которые по данным предыдущих работ не образуют в районе аномалий и зон повышенной концентрации. Однако при этом обычно бывает необходимо увеличивать число специальных методов анализов (атомно-эмиссионный в индукционно-связанной плазме, атомно-абсорбционный и др.) для 57 установления концентраций загрязняющих веществ, наиболее вероятных для изучаемого района. При работах, проводимых в пределах аномальных участков, перечень определяемых элементов можно сократить до 10-15. Однако в данном случае снова требуется увеличить число специальных методов анализа. Они должны обеспечить установление формы нахождения и вида соединений, в которых имеются загрязняющие элементы, и, кроме того, определение концентрации загрязняющих веществ, не определяемых спектральным или химическим анализами. Результаты анализов следует выражать в конкретных цифрах содержаний определяемых компонентов: в биогеохимических и литохимических пробах целесообразно выражать в г/т, а в гидрогеохимических — в мг/л или мкг/л. Для проверки качества лабораторных исследований необходимо проводить внутрилабораторный и внешний контроль. Внутрилабораторный контроль (3-5 % от общего числа проб) осуществляется путем повторного анализа проб, отправляемых под зашифрованными номерами. Внешний контроль проводится не в той лаборатории, где определялось содержание в рядовых пробах. Число проб, отсылаемых на внешний контроль, должно примерно равняться числу проб, подвергаемых внутрилабораторному анализу. Повторному анализу должны подвергаться пробы с фоновым содержанием, аномальным содержанием для одиночных (изолированных) точек опробования, а также с содержанием, соответствующим геохимическим аномалиям. Режимные эколого-геохимические наблюдения могут проводиться как в пределах ранее выявленных аномалий, так и на эталонных участках без видимых техногенных изменений, т. е. с фоновыми содержаниями элементов. Целью режимных наблюдений на аномальных участках является определение закономерностей изменения аномалий (их контрастности) в пространстве в зависимости от времени года (дня), интенсивности работы загрязняющих предприятий, проведения мероприятий по охране окружающей среды и др. Основной целью режимных наблюдений в пределах фоновых площадей является установление геохимических изменений, которые происходят на участке в зависимости от времени года (месяца, дня). Особой разновидностью режимных наблюдений являются выборочные повторные работы, осуществляемые через определенный срок (год, три года, пять лет) на территориях, ранее подвергнутых экологогеохимическому изучению. Эти наблюдения могут рассматриваться как мониторинговые исследования. Основное условие правильности их выполнения - проведение повторных работ на ранее выявленных аномалиях и на фоновых территориях. Выбор участков для повторных исследований и периодичность их проведения определяются конкретными ландшафтно58 геохимическими и социальными условиями изучаемого района. При количественной оценке состояния окружающей среды по результатам повторных исследований в инструментально закрепленных точках должны быть представлены конкретные данные об увеличении или уменьшении содержания того или иного элемента (соединений) в почвах, водах, атмосфере и различных видах растений. Сеть отбора при мониторинговых наблюдениях устанавливается в зависимости от задачи исследований и конкретных ландшафтно-геохимических условий. Эколого-геохимический мониторинг является одной из составных частей экологического мониторинга. При его проведении наблюдения должны ответить на вопросы как происходят геохимические изменения в среде проживания организмов и какое они оказывают влияние на эти организмы. К числу геохимических изменений, за которыми ведутся наблюдения при эколого-геохимическом мониторинге, могут относиться следующие: изменения концентрации (распространенности) химических элементов (их соединений); изменения форм нахождения элементов даже при их неизмененных концентрациях; изменения распределения химических элементов в рассматриваемой геохимической системе. Обычно при эколого-геохимическом мониторинге наблюдения за перечисленными изменениями ведутся отдельно в пределах таких геохимических систем, как литосфера, педосфера, атмосфера, живое вещество и гидросфера. При этом мониторингом чаще всего охватываются не целиком эти системы, а их отдельные части, приуроченные к определенным территориям. Как правило, такие территории выбираются с учетом развития определенной антропогенной деятельности. По способу сбора данных мониторинговые работы можно разделить на дистанционные и контактные. В настоящее время эколого-геохимический мониторинг в основном выполняется контактным способом с прохождением полевых маршрутов и отбором геохимических проб. В будущем роль дистанционных методов определения содержаний элементов в различных частях биосферы будет возрастать. Для количественной характеристики состояния окружающей среды результаты анализов проб подвергаются статистической обработке. К. Маркс считал, что наука только тогда достигает совершенства, когда ей удается пользоваться математикой, а В. И. Вернадский указывал, что «научное мировоззрение, проникнутое естествознанием и математикой, есть величайшая сила не только настоящего, но и будущего». В этой связи наметившийся в последние десятилетия процесс интенсивного проникновения математики в экологическую геологию можно считать закономерным. Математические методы позволяют преодолеть разобщенность наук о Земле. Наиболее эффективны математические методы исследований в тех случаях, когда объектом исследования является большой объем информации как, например, в экологической геохимии. 59 С помощью математических методов становится возможным вскрыть механизм, связывающий данные процессы, и тем самым подойти к выяснению причин, вызывающих их. Отметим, что математика занимается не только изучением количественных закономерностей в мире чисел, но и качественных отношений между объектами любой природы. Математические методы позволяют вскрыть много неизвестных в природе процессов и общих законов, что, в свою очередь, открывает возможность более широкого и эффективного использования имеющихся данных и более целенаправленного нахождения новых качеств системы. Применение количественных методов при изучении механизмов природных процессов, их сопряженности с техногенными процессами и взаимообусловленности является перспективным направлением исследований геологического пространства как сложной самоорганизующейся среды. При математической обработке эколого-геохимических данных в первую очередь необходимо установить величину местного геохимического фона (Сф) изучаемых элементов в почвах, водах, основных растениях для каждого ландшафта. Для выявления аномальных содержаний (Са) необходимо определить величину минимального (максимального) аномального содержания относительно фона. Для этого очень важно правильное объединение в одну выборку определенной группы проб с учетом ландшафтно-геохимического районирования территорий. При выявлении геохимических аномалий нижнее значение аномальных содержаний для отдельных проб вычисляется по формуле Са = Сф + 3S, где S - стандартное отклонение. Кроме набора стандартных методов статической обработки экологогеохимических данных (среднее содержание, стандартное отклонение, дисперсия, коэффициент вариации, корреляционный и регрессионный анализы и др.) в настоящее время наиболее часто используются многомерные кластерный и факторный анализы. Первый выделяет на основе множества переменных, характеризующих геологические объекты или среды, классы (кластеры) параметров таким образом, чтобы объекты, входящие в один класс, были более сходными по сравнению с объектами, входящими в другие классы. На основе численно выраженных параметров объектов вычисляются расстояния между ними. Наиболее распространенным методом кластерного анализа в научных исследованиях является метод объединения (древовидной кластеризации), в результате которого создается иерархическое дерево с возможностью обнаружения кластеров (ветвей) и их интерпретации. Факторный анализ применяется для исследования статистически связанных признаков с целью выявления определенного числа скрытых факторов, а системный характер изучаемого явления, выражающийся во взаимосвязях и взаимообусловленности 60 признаков, является основой использования факторного анализа в экологической геохимии и эколого-геологическом моделировании. С помощью факторного анализа определяется мера связи между параметрами, и выявляются обобщенные факторы, лежащие в основе изменений характеристик. Целью подобного анализа выступает выражение большого числа рассматриваемых параметров через меньшее число более емких внутренних характеристик явления (редукция данных с помощью метода главных компонент). При этом предполагается, что наиболее емкие характеристики (факторы) являются одновременно и наиболее существенными, определяющими. Основные результаты подобного анализа выражаются в виде факторных нагрузок и факторных весов. Факторная нагрузка есть степень влияния фактора на изменение наблюдаемого признака или смену одного состояния объекта другим. Чем теснее связь данного признака (объекта) с рассматриваемым фактором, тем выше значение факторной нагрузки. Положительный знак факторной нагрузки указывает на прямую, а отрицательный знак - на обратную связь данного признака с фактором. Факторные веса представляют собой количественные значения выделенных факторов для каждого из имеющихся объектов. Объекту с большим значением факторного веса присуща большая степень проявления свойств, определяемых данным фактором. Обычно факторный анализ используется для сокращения параметров с выделением главных компонент (для объяснения наблюдаемых вариаций), классификации переменных параметров с выделением главных факторов (для объяснения корреляционных связей) и расчета факторных нагрузок. Результаты эколого-геохимических исследований могут быть изложены в самостоятельном отчете, а также представлены в виде отдельных разделов в специальных отчетах, посвященных экологическому описанию конкретных регионов, воздействию предприятий или промышленных комплексов на окружающую среду и др. В отчете в обязательном порядке должны быть приведены принятые для изучаемого района схемы выделения геохимических ландшафтов и ландшафтногеохимические карты и модели с их описанием и методикой составления и построения. Необходимо указать принятые методы отбора, обработки и анализа эколого-геохимических проб. Целесообразно в табличной форме привести данные о пределах обнаружения отдельных элементов, воспроизводимости и правильности использования методов анализа проб с указанием объема контрольных работ. Все точки рядового отбора проб, наблюдений, контрольного отбора проб, горные выработки выносятся на карты фактического материала. В отчете должны быть приведены полные геохимические характеристики всех выделенных геохимических и 61 межбарьерных ландшафтов. Они должны включать в себя данные о фоновом и аномальном содержании изучаемых элементов в геообъектах. Для каждого элемента должны быть составлены отдельные карты (модели) лито-, био- и гидрогеохимических аномалий. Кроме моноэлементных карт (моделей), должны составляться полиэлементные карты (модели) аномалий с выделением аномальных участков. В отчете должны приводиться данные о вероятных источниках загрязнения и способах образования техногенных геохимических аномалий. По результатам эколого-геохимических исследований должны быть разработаны рекомендации и мероприятия по предотвращению дальнейшего загрязнения и по наиболее рациональным способам устранения последствий уже происшедшего загрязнения окружающей среды. 62 3. ЭКОЛОГО-ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ Вода! Нельзя сказать, что ты необходима для жизни: ты сама жизнь Антуан де Сент-Экзюпери Вода — самое распространенное вещество на Земле, которое покрывает земную поверхность и пронизывает земную кору, участвует в природных процессах, в ней нуждаются все. Но она также природный минеральный ресурс и в силу присущих ей свойств ничем незаменима. Этим определяется уникальность и ценность водных ресурсов. Существует мнение, что развитие цивилизации можно измерять в литрах потребляемой на душу населения воды. Проблема чистой воды выходит на одно из первых мест в мире и по своей значимости опережает такие глобальные проблемы человечества, как изменение климата, деградация озонового слоя, засоление и эрозия почв, защита атмосферы от загрязнения, сохранение чистоты океана и др. Это обусловлено той особой ролью воды, которую она играет в становлении биосферы и развитии жизни. На нашей планете возникла кризисная ситуация: вода - создатель жизни и всего окружающего мира, сегодня как никогда нуждается в помощи человека. Чтобы сохранить гидросферу, необходимо бороться с загрязнением водной среды, обеспечить ее природное равновесие и многообразие, приумножить ресурсы, защитить воду как уникальное вещество Земли. Это требует коренного изменения отношения человека к воде не только как к ценному природному ресурсу, но и как к важнейшему компоненту окружающей среды. Вода уже не является бесплатным природным ресурсом, она требует крупных капиталовложений, без которых проблему водного кризиса решить невозможно. Понимание воды как основы жизни должно быть уточнено: чистая вода — это жизнь, загрязненная вода — опасность для жизни. Кризисное взаимоотношение человека с гидросферой определяется тремя причинами (Шварцев, 1994): 1) убеждение человека в неограниченности водных ресурсов, их изобилии, природной чистоте, способности к непрерывному самоочищению; 2) недостаточное понимание человеком фундаментальных свойств воды и гидросферы, определивших развитие всего окружающего мира; 3) человек, став геологической силой, качественно усложнил взаимоотношения общества и гидросферы; при этом он неосознанно затронул основы самой жизни. 63 Водные растворы составляют отдельную оболочку Земли — гидросферу. На поверхности нашей планеты формируется внешняя, прерывистая часть поверхностной гидросферы - океаны, моря, реки, озера, болота и т. д. Под поверхностью Земли формируется подземная гидросфера. В верхней части подземной гидросферы (зона активного водообмена) образуются преимущественно наиболее ценные пресные воды с минерализацией менее 1 г/л. Такой воды содержится на Земле всего около 2 % (28,3 млн. км3). Пресную воду люди используют не только для питья, но и в самых разнообразных технологических процессах. Годовое потребление воды одного человека составляет около 800 м3, а на одного городского жителя приходится около 200 л в сутки. Около 70 % потребляемой воды приходится на долю сельского хозяйства. Значительное количество воды требуется также для разведения рыб и водоплавающих птиц, а также для водоснабжения. Более 20 % воды используется промышленностью. Значительное количество пресных вод расходуется на удовлетворение бытовых нужд населения. Несмотря на ограниченность запасов пресных вод (см. раздел 1), человечество практически еще не начало эксплуатировать их основную часть - ледники (табл. 3). Используются в основном воды рек, озер и водохранилищ, а они составляют всего около 3 % объема пресных вод. Даже подземные воды в мире используются незначительно, хотя за последние три десятилетия XX века в мире пройдено более 300 миллионов скважин для отбора воды. Только в США ежегодно проходится около миллиона скважин, воды которых используются для хозяйственно-бытовых нужд, орошения и технического водообеспечения. Тенденция более широкого обеспечения населения, и прежде всего жителей городов, подземными водами понятна: они более защищены от загрязнения, чем поверхностные. Кроме того, по сравнению с поверхностными водами, у подземных вод имеются следующие преимущества: 1) они содержат ряд микро- и макрокомпонентов, необходимых для жизни человека; 2) они более широко распространены; 3) они в меньшей степени зависят от изменений климата; 4) водозаборы подземных вод можно вводить в эксплуатацию по мере роста потребности. 3.1 Уникальные свойства воды. Влияние подземных вод на экосистему человека Вода — одно из самых удивительных соединений на Земле — давно уже поражает исследователей необычностью многих свойств. Температура 64 Таблица 3. Запасы воды на Земле (по М. И. Львовичу с дополнениями) Виды природных вод Океан Ледники Озера Реки Болота Водохранилища Подземные воды в литосфере Подземные льды в литосфере Вода в атмосфере Вода в живых организмах Доля в мировых запасах, % от общих от запасов пресной запасов воды 96,4 1,86 70,3 0,013 0,25 0,0002 0,005 0,0008 0,003 0,0004 0,016 Среднее время возобновления запасов, лет 2,65х103 9,7х103 1,7х101 5 х10-2 5х100 1,4х10-1 1,68 - 1,4х103 0,022 0,82 1х104 0,001 0,04 2х10-2 0,0001 0,003 1х10-3 плавления воды (по аналогии с гидридами других элементов) должна была составить минус 120°С, а не 0°С, как это наблюдается на самом деле. Температура ее кипения должна быть равной минус 112°С, а фактически она равна +100°С. Не менее удивительным является тот факт, что плавление воды сопровождается не расширением (как у подавляющего большинства соединений), а сжатием, т. е. закон «все тела при нагревании расширяются» вблизи точки замерзания для нее неверен. Наибольшей плотностью, а следовательно, и наименьшим удельным объемом вода обладает при температуре, равной 4°С, а не при 0°С, как это можно было бы предположить. При замерзании, то есть переходе в кристаллическое состояние, вода не уменьшает, а почти на 1/10 увеличивает свой объём. Благодаря этому образующийся на водоёмах лёд не опускается на дно, а остаётся на поверхности, предохраняя водоёмы от промерзания. Без этого свойства вся вода Земли, скорее всего, быстро собралась бы в полярные ледяные шапки, и жизнь стала бы невозможна. Поэтому существование водных экосистем, да и биосферы в целом, полностью зависит от уникальных свойств воды как одного из главных минералов Земли. Ценность воды как природного минерала связана с ее исключительными свойствами. Главные среди них следующие: 1) исключительная подвижность; 2) способность к фазовым переходам в земной коре; 3) чрезвычайная химическая активность; 4) «всюдность» 65 (по В. И. Вернадскому) является одним из самых удивительных свойств воды. Все основные свойства воды обусловлены ее структурой, которая окончательно не выяснена, несмотря на существование множества гипотез. По общепринятым из них молекулу воды можно представить в виде равнобедренного треугольника с двумя протонами водорода и одним атомом кислорода в вершинах. При таком строении каждая молекула может участвовать в четырех водородных связях: одной зеркально-симметричной (между молекулярными слоями воды) и трех центросимметричных (внутри каждого слоя). Для структуры воды характерна только ближняя упорядоченность, осложняемая тепловым движением. В процессе растворения часть ионов растворенных веществ соединяется с молекулами воды, образуя гидратированные ионы. По мере увеличения концентрации такого раствора структура воды (из-за гидратации) все более изменяется. Когда же число молей воды, приходящихся на один моль соли, становится равным сумме координационных чисел гидратированных ионов, структура рассола приближается к структуре твердых кристаллогидратов. Это является одной из причин уменьшения растворимости веществ в таких рассолах. Молекулы воды сильно электрически поляризованы, и поэтому ей свойственны чрезвычайно мощное взаимное притяжение молекул, очень высокая диэлектрическая проницаемость, и она является уникальным и почти универсальным растворителем для солей. Из всех жидкостей вода самый могучий растворитель, т. к. она растворяет почти все вещества. Её молекулы притягивают, окружают и отделяют ионы от кристаллов солей, образуя комплексы гидратированных ионов. Например, положительные ионы металлов притягивают отрицательные («кислородные») концы молекул воды, создавая и удерживая вокруг себя слой из них не только в растворе, но даже в кристаллах после выпаривания. Вода обладает очень сильным поверхностным натяжением и способностью подниматься по капиллярам. Всё это делает воду идеальным средством для транспортировки питательных веществ как внутри живых организмов, так и вне них. А. И. Перельман называл воду «кровью ландшафта», поскольку она находится во взаимодействиях с организмами, горными породами и атмосферой. Природные воды представляют собой сочетание истинных (ионных и молекулярных) и коллоидных растворов и суспензий. Ландшафты характеризуются круговоротом воды, сравнимым с единым биологическим круговоротом атомов. Вода выполняет химическую работу (растворение, выщелачивание и др.), но эта работа осуществляется 66 преимущественно за счет биогенной энергии: или за счет организмов, находящихся в данной воде, или за счет продуктов их жизнедеятельности. Вода является основным природным растворителем минералов, газов и техногенных соединений, не имеющих аналогов в природе. Считается, что в воде взаимодействие между ионами в 80 раз слабее, чем в кристаллах, поэтому для растений и животных облегчено выборочное поступление необходимых им ионов. В большинстве случаев именно наличие воды контролирует развитие живых организмов, а основными факторами, влияющими на биоту водных экосистем, являются: солёность, то есть процентное содержание растворенных в воде солей, главным образом NaCl, КСl и MgSO4; прозрачность, характеризуемая относительным изменением интенсивности светового потока с глубиной; концентрация растворенного кислорода; доступность питательных веществ, прежде всего, соединений химически связанного азота и фосфора; температура воды. В условиях нарастающего ухудшения качества поверхностных вод в многих регионах мира и, в частности, на промышленно-урбанизированных территориях России, использование пресных подземных вод для питьевых целей имеет целый ряд преимуществ. Они обусловлены бóльшей устойчивостью подземных вод к загрязнению и воздействию климатических факторов, стабильностью качества во времени и защищенностью от загрязнения, возможностью получения воды при меньших затратах и расположении водозабора вблизи потребителей. Во многих регионах подземные воды являются не только альтернативными, но и единственно возможными источниками водоснабжения. Трудности применения подземных источников водоснабжения обусловлены главным образом двумя причинами: отсутствием достаточных ресурсов подземных вод и неприемлемым качеством подземных вод — повышенной минерализацией, жесткостью, высоким содержанием хлора, сульфата и другими отклонениями от действующих нормативов. Подземным водам принадлежит большая роль в накоплении органического вещества в недрах Земли. В бассейнах седиментации органическое вещество при захоронении в историческом геологическом масштабе проходит следующие этапы: окисляется до образования СO2; растворяется в подземных водах в форме разнообразных органических кислот, фенолов, углеводородов и других соединений; участвует в новообразовании нефтяных и газовых продуктов; концентрируется в горных породах. Из всех компонентов горных пород наиболее интенсивно 67 изменяется органическое вещество. По мере роста давления и температуры оно метаморфизуется с выделением воды, газов биохимического генезиса, органических кислот и других соединений. В горных породах и почвах биосферы вода находится в свободном и в связанном видах. К связанной воде относятся гигроскопическая, пленочная, поровая воды. Поровые воды отличаются повышенной кислотностью, уменьшением диэлектрической постоянной, резким увеличением температуры замерзания (от -70°С до 200°С). Концентрация растворенных в них солей может колебаться в широких пределах. В целом проблема питьевой воды - это проблема качества жизни человека, его здоровье и долголетие. Качественное питьевое водоснабжение стало одной из главных составляющих общей экологической безопасности населения, способной вызвать большую социальную напряженность в обществе. Сегодня по данным ВОЗ 80 % проблем здоровья человека связаны с неудовлетворительным качеством питьевой воды и нарушениями санитарно-гигиенических норм водоснабжения. Вода является фактором, в значительной степени определяющим образ жизни, ориентировочный вклад которого в здоровье человека составляет около 50 %. Заболевания, связанные с водой, подразделяются на 5 типов: 1) вызываемые зараженной водой (тиф, холера, дизентерия, полиомиелит, гепатит и др.); 2) возникающие при использовании загрязненной воды для умывания и мытья (заболевания кожи и слизистых оболочек от трахомы до проказы); 3) провоцируемые мелкими моллюсками, живущими в воде (шистосоматоз, ришта и др.); 4) вызываемые размножающимися в воде насекомыми переносчиками инфекции (малярия, желтая лихорадка и т. п.); 5) возникающие при использовании воды, загрязненной токсическими веществами — металлами, ядохимикатами и т.д. (аллергические заболевания, болезни печени, почек и др.). Масштабы заболеваний, связанных непосредственно с водой, остаются очень высокими – около 2 миллиардов человек в год. За последние десятилетия в мире в связи с биологическим, токсическим и радиоактивным загрязнениями водоисточников значительно повысились уровни детской и взрослой инфекционной кишечной и паразитарной заболеваемости, а также онкологической, сердечно-сосудистой, аллергической и других, дефектов умственного и физического развития детей. Сокращение в ряде стран средней продолжительности жизни человека и повышение уровня смертности (особенно детской) в значительной мере связано с потреблением загрязненной воды. В частности, данные о детской смертности в зависимости от степени обеспеченности качественной водой свидетельствуют о следующем. В странах на 100 % обеспеченных качественной водой (США, Швеция и 68 Новая Зеландия) детская смертность в возрасте до 5 лет не превышает 57/1000 жителей, для Ирана при обеспеченности водой 97 % данный покзатель составляет 30 детей, для Судана (75 %) - 120 детей, а для Республики Конго (43 %) - 210 детей. Все это отражается на демографических показателях в целом ряде стран мира, включая Россию. Ущерб здоровью населения от потребления недоброкачественной воды соизмерим с потерями от стихийных бедствий, неблагоприятных экологических ситуаций, голода и других глобальных факторов. Еще академик А. Е. Ферсман отмечал: «Да ведь и в жизни человека воду оценивают, подобно здоровью, лишь когда ощущают в ней недостаток…». Поэтому основная стратегия водной политики всех стран должна базироваться на обеспечении приоритета здоровья населения и восстановлении данного природой права каждому человеку пить чистую воду. 3.2 Основы экологической гидрогеологии Как отмечалось в разделе 1, использование подземных вод в мире растет, но оно уже сейчас сопровождается истощением и загрязнением, связанными с возрастающей урбанизацией, интенсивностью сельскохозяйственного и промышленного производств. Вмешательство человека в подземную гидросферу затрагивает основы мироздания и влечет к необратимым последствиям, которые сказываются на состоянии биосферы. Сегодня активно развивается экологическая гидрогеология, которая призвана выяснить роль подземной гидросферы в становлении и развитии современной биосферы, а также в деградации последней в обстановке сложившейся кризисной экологической ситуации. Термин «экологическая гидрогеология» предложил в 1992 г. Н. И. Плотников, который рассматривал экологическую гидрогеологию как прикладную науку с социальной направленностью. Главной причиной ее выделения как самостоятельного направления гидрогеологии является то, что подземные воды по мере увеличения объема и разнообразия техногенной нагрузки на подземную гидросферу начинают все более активно влиять на экосистемы и биосферу в целом, а также на условия жизнедеятельности человека и его здоровье. Техногенное воздействие на подземные воды значительно выше, чем на поверхностные, что обусловлено следующими факторами: а) подземные воды - последний источник высококачественной воды на Земле; б) водообмен подземной гидросферы многократно меньше и для ее восстановления требуется многократно больше времени (см. табл. 3); в) подземные воды наиболее тесно взаимодействуют с горными породами, 69 газами и органическим веществом, участвуя в разных геологических и биологических циклах и круговоротах, что определяет их особую роль в формировании окружающей среды. По [8], экологическая гидрогеология - наука о гидрогеологических, гидродинамических и гидрогеохимических трансформациях подземной гидросферы под влиянием антропогенной нагрузки и природнотехногенных катастроф. Она решает задачи обеспечения населения качественной питьевой водой, создания приемлемой экологической обстановки в районе инженерных объектов, сохранения подземной гидросферы как одной из жизнеобеспечивающих систем на планете, рассматривает важнейшие социальные аспекты экологии, связанные с влиянием качества подземных питьевых вод на здоровье населения. По С. Л. Шварцеву (1994), основной целью экологической гидрогеологии является раскрытие механизмов и масштабов взаимодействия подземной гидросферы с биосферой. Отсюда, экологическая гидрогеология - это раздел гидрогеологии, изучающий роль и значение воды в становлении литосферы и биосферы, их взаимодействия и изменения под влиянием техногенной (геологической) деятельности человека. Поэтому задачами экологической гидрогеологии должны стать раскрытие механизмов взаимодействия воды с породами, самоорганизация и геологическая стабилизация на определенном уровне системы «вода – порода», механизмы и источники передачи информации в этой системе, роль геохимической среды в развитии минерального и геохимического разнообразия, история геологической эволюции формирующихся геологических систем и их переход в биокосные и биологические, механизмы воздействия техногенной деятельности человека на естественную эволюцию системы «вода - порода - газ - живое вещество» и масштабы возможной трансформации этой системы под влиянием экологической ситуации на планете Процесс формирования основных и прикладных направлений экологической гидрогеологии продолжается. Пока еще нет общепринятого определения объекта и предмета экологической гидрогеологии [8], хотя многие аспекты этого научного направления исследовались в гидрогеологии и ранее, особенно в таких ее дисциплинах, как гидрогеодинамика и гидрогеохимия. Основное внимание до конца прошлого века уделялось воздействию окружающей среды на гидрогеологические объекты (прямые связи), но практически не изучалось их воздействие на окружающую среду (обратные связи), не рассматривалась и социальная направленность этих воздействий. В настоящее время обстановка существенно изменилась: воздействие 70 гидрогеологических объектов на окружающую среду стало определяющим в силу своей мобильности и активности проявления. В общем случае гидрогеологические системы разделяются на природные и природно-техногенные [8]. Вторые отличаются от первых тем, что в качестве подсистем (элементов) содержат искусственные объекты (инженерно-технические сооружения) или существенно измененные человеком природные объекты. Именно это обстоятельство придает природно-техногенным (эколого-гидрогеологическим) системам новое важнейшее качество - возможность управлять своим развитием и функционированием. При этом под эколого-гидрогеологической системой понимается гидрогеологическую систему определенного ранга и содержания, которая находится в активном социально-биотехногенном взаимодействии с окружающей средой. Эколого-гидрогеологическая система обладает свойством адаптации, т. е. может приспосабливаться к изменяющейся внешней среде, меняя в определенных рамках свои свойства, взаимодействия и структуру. Эколого-гидрогеологической системой и ее функционированием можно (нужно) управлять, руководствуясь определенными требованиями, законодательством и т. п. Направленное развитие данной системы наблюдают, контролируют и корректируют с помощью специально созданной наблюдательной сети – эколого-гидрогеологического мониторинга. Геологические последствия техногенного воздействия на подземную гидросферу связаны с закачкой техногенных вод в недра и с откачкой подземных вод из водоносных горизонтов. К техногенным подземным водам относят воды, появление которых в литосфере обусловлено естественным проникновением или принудительной закачкой измененных человеком вод в подземные водоносные системы. Выделяют три группы техногенных вод [8]: 1) воды, специально направляемые или нагнетаемые в подземные водоносные горизонты и трещиноватые зоны; 2) воды, инфильтрующиеся вглубь из-за несовершенства эксплуатируемых сооружений или технических устройств, нарушения правил их эксплуатации или возникновения аварийных ситуаций; 3) подземные воды, которые становятся техногенными при водоотборе из подземных водоносных систем. В первую группу входят воды, используемые для восполнения запасов подземных вод инфильтрационных водозаборов, при выщелачивании рудных компонентов или солей на месторождениях полезных ископаемых, для законтурного заводнения на месторождениях нефти и газа, при промывании засоленных земель на мелиоративных системах, для поливов на орошаемых землях, захоронения сточных вод, создания подземных теплообменников в целях получения геотермической 71 энергии и др. К водам второй группы относятся воды, образовавшиеся в результате утечек из водопроводно-канализационных сетей, коллекторов поверхностного стока, ирригационных каналов, прудов-накопителей или прудов-охладителей, шламоотвалов обогатительных фабрик, терриконов, при инфильтрации с орошаемых массивов. В третью группу входят подземные воды, откачиваемые из водоносных горизонтов для целей водоснабжения и мелиорации, водоотливы из горных выработок или при добыче минеральных вод. Геологические последствия, возникающие от воздействия на геологическую среду вод первой группы, регулируются заданным режимом поступления в недра этих вод или заблаговременно учитываются в технологическом цикле эксплуатации производственных комплексов. Геологические последствия от деятельности техногенных вод второй группы, как правило, бывают неожиданными, и их предотвращение требует проведения специальных инженерных мероприятий. Последствия от деятельности третьей группы подземных вод связаны, главным образом, с деформациями земной поверхности и регулируются технологическим режимом эксплуатации месторождений. При оценке геологической деятельности техногенных подземных вод выделяются четыре аспекта [33]. 1. Геохимическая деятельность техногенных подземных вод проявляется в изменении геохимической обстановки в пределах территории их воздействия, что может привести к выщелачиванию скоплений рудных минералов и солей при добыче полезных ископаемых и образованию минералов и коллоидов при закачке в недра концентрированных стоков; перераспределению геохимического режима на мелиорируемых землях; формированию техногенных гидрогеохимических ореолов рассеяния. Геохимическая деятельность техногенных подземных вод вызывает также изменение физических и геоэлектрических свойств геологического разреза. Положительным является формирование линз пресных подземных вод, образующихся под ирригационными каналами, которые могут использоваться для водоснабжения в засушливой зоне. Негативным моментом воздействия техногенных подземных вод являются их агрессивность по отношению к бетону и повышенная выщелачивающая способность, приводящая к образованию карста. 2. Геодинамическая деятельность техногенных вод проявляется в изменении подвижности подземных вод и возникновении тех или иных геодинамических (и даже сейсмических) эффектов. Одно из проявлений геодинамического эффекта возникает в результате закачки воды на нефтяных и газовых месторождениях для поддержания пластового давления. При эксплуатации полигонов подземного захоронения 72 промышленных стоков возможны гидродинамические разрывы пластов водоупорной кровли, с последующим загрязнением вышезалегающих водоносных горизонтов. Кроме того, при интенсивной откачке подземных вод из водоносных горизонтов образуются обширные воронки осушения и оседания земной поверхности. 3. Геотермическая деятельность техногенных вод выражается в изменении температурных условий в результате инфильтрации или нагнетания вод с другой температурой в недра Земли. Термический эффект наиболее ярко проявляется в регионах распространения многолетней мерзлоты при разработке россыпных и коренных месторождений, при утечках из водопроводных и канализационных систем. Геотермическая деятельность техногенных вод в сочетании с иными факторами техногенеза может привести к коренной перестройке гидрогеодинамической обстановки. 4. Инженерно-геологическая деятельность техногенных вод заключается в изменении прочностных или других свойств горных пород в основании инженерных сооружений, либо в развитии экзогенных геологических процессов. 3.3 Техногенная трансформация подземных вод Человек только потому и создал современную цивилизацию, что использовал природные ресурсы. Жить, не оказывая воздействия на природную среду, нельзя. Среди других элементов окружающей среды на всех этапах развития цивилизации антропогенному воздействию подвергалась и подземная гидросфера. Создание оросительных систем, вырубка лесов, водоотбор из недр земли - эти и другие мероприятия изменяли режим подземных вод. Кроме того, человек пытался регулировать качественное состояние и ресурсы подземной гидросферы. В настоящее время, естественный режим подземных вод постепенно переходит в нарушенный (искусственный). В. М. Гольдберг загрязнение подземных вод определял следующим образом: это вызванные хозяйственной деятельностью изменения качества воды (физических, химических, биологических свойств) по сравнению с естественным состоянием и нормами качества воды по видам водопользования, которые делают эту воду частично или полностью непригодной для использования по целевому назначению. Под воздействием загрязняющих веществ в природных водах происходят изменения, которые можно подразделить на 3 типа. Первичные изменения возникают вследствие прямого воздействия загрязняющих веществ на природные воды. Это вызывает изменение физико-химических и 73 биологических свойств воды, ее состава, температуры, газового режима и некоторых других условий существования водных организмов. Вторичные изменения проявляются при взаимодействии загрязняющих веществ между собой или с составными частями воды, из-за чего образуются новые вещества, оказывающие вредное влияние на состав воды. Третичные изменения являются следствием вторичных изменений и характеризуются нарушением сложных взаимосвязей водных организмов с внешней средой. Главную роль в загрязнении подземных вод играют антропогенные источники загрязнения, они способствуют формированию областей распространения интенсивного загрязнения подземных вод. Природные источники загрязнения могут обусловить загрязнение подземных вод на очень больших площадях, но интенсивность загрязнения при этом может быть гораздо меньшей, чем от антропогенных (техногенных) источников. Загрязняющие вещества, содержащиеся в отходах, образованных в результате деятельности человека, проникают в подземные воды и могут вызвать химическое, бактериальное, радиоактивное и тепловое загрязнение. Химическое загрязнение подземных вод наиболее распространено, так как его вызывают наибольшее число загрязняющих веществ. Химическое загрязнение проявляется в виде увеличения минерализации подземных вод, концентраций выше фоновых различных компонентов химического состава подземных вод (макро- и микрокомпонентов), появления химических элементов и синтетических веществ, нехарактерных для природного состава подземных вод (табл. 4). В подземных водах при этом не только увеличивается минерализация, но могут появиться интенсивная окраска, запах, повыситься температура. Химическое загрязнение является стойким, сохраняется в течение длительного времени и распространяется на большие расстояния. Основными химическими загрязнителями выступают макрокомпоненты, нефтепродукты, тяжелые металлы, нитраты, пестициды и др. По составу загрязняющих веществ загрязнение подземных вод может иметь различную степень токсичности. Примером химического загрязнения может служить загрязнение водоемов нефтепродуктами и смазочными маслами в результате работы горно-строительного и транспортного оборудования. Многие компоненты нефти обладают очень острой и хронической токсической активностью по отношению к целому ряду организмов. В результате в водоемах 74 Таблица 4. Химические компоненты в подземных водах возле техногенных объектов [8] Вещества, обнаруженные в подземных водах в концентрациях, превышающих гигиенические нормативы Нефтепродукты, СПАВ, фенолы, железо, бром, Нефтебазы аммоний, марганец Нефтепродукты, фенолы, СПАВ, свинец, хлориды, Нефтеперерабатывающие сульфаты, ХПК, формальдегид, аммоний, нитраты, предприятия толуол, этилбензол, ксилол Аэропорты Нефтепродукты, фенолы Нефтяные Нефтепродукты, хлориды, фенолы, СПАВ, ртуть, месторождения марганец, железо Нефтепродукты, фенолы, аммоний, железо, Полигоны ТБО кадмий, акриламид, стирол, хлориды, СПАВ, свинец, марганец Полигоны Нефтепродукты, фенолы, железо, кадмий, свинец, промышленных отходов ртуть, сурьма, аммоний, никель, хром, бензол Нефтепродукты, бензол, формальдегид, Предприятия этилбензол, кадмий, свинец, хлороформ, никель, органического синтеза ртуть, хром, ПАВ, кобальт, мышьяк, марганец, бром, бор, аммоний, цинк, медь Городские очистные Нефтепродукты, фенолы, железо, аммоний, сооружения нитриты, нитраты, бром, СПАВ Пестициды, аммиак, нефтепродукты, фенолы, Сельскохозяйственные СПАВ, нитриты, нитраты, минерализация, предприятия хлориды Нефте-, газопроводы Нефтепродукты, СПАВ Нефтепродукты, железо, минерализация, СПАВ, Пруды-отстойники бром, бор, аммоний Нефтепродукты, фенолы, аммоний, Поля орошения минерализация, нитраты, нитриты, хлориды Нефтепродукты, фенолы, хлориды, сульфаты, Предприятия СПАВ, аммоний, никель, свинец, марганец, теплоэнергетики железо, алюминий, вольфрам Ксантогенаты, марганец, железо, барий, сульфаты, Рудообогатительные и минерализация, никель, стронций, титан, фтор, металлургические алюминий, мышьяк, цинк, свинец, медь, молибден, предприятия цианиды,роданиды Объекты хозяйственной деятельности 75 эмульгируются тяжелые масла, которые контактируют с водными организмами и абсорбируются ими. Осаждение смол на донных отложениях воздействует на флору и фауну водоема. Вредное воздействие химического загрязнения может быть различным: 1) группа загрязнителей оказывает тормозящее действие на процесс самоочищения, в результате которого воды по истечении какого-то времени освобождаются от органических загрязнителей, способных к ферментации. Увеличение времени самоочищения усиливает опасность биологического загрязнения; 2) имеет место усиление вредного воздействия в результате синергизма загрязнителей, т. е. реакция организма на комбинированное действие двух или нескольких веществ, при котором суммарное воздействие больше, чем действие каждого вещества в отдельности. Бактериальное (микробное) загрязнение. В коммунальных и сельскохозяйственных отходах содержатся различные микроорганизмы, которые при попадании в водоносные горизонты изменяют биологические свойства и ухудшают санитарное состояние вод. Показателем бактериального загрязнения подземных вод является наличие повышенных концентраций, по сравнению с природными фоновыми содержаниями, патогенных и санитарно-показательных микроорганизмов. К первым относятся бактерии (энтеробактерии - шигеллы и сальмонеллы, бактериофаг Е, этеровирусы - вирус полиомиелита), вызывающие проявления инфекционных заболеваний. К санитарно-показательным микроорганизмам относятся бактерии группы кишечной палочки, энтерококки. Безопасность питьевой воды в эпидемическом отношении определяется ее соответствием нормативам по микробиологическим и паразитологическим показателям. Бактериальное загрязнение является лишь частью более общего биологического загрязнения, которое кроме бактерий может вызываться водорослями, вирусами и другими представителями микрофлоры и микрофауны. Особенностью бактериального загрязнения является ограниченность его распространения внутри водоносного горизонта, что обусловлено сравнительно небольшим временем выживаемости бактерий в подземных водах. Согласно отечественным и зарубежным публикациям, данное время составляет 30-400 суток. Радиоактивное загрязнение подземных вод является следствием выбросов в атмосферу и на поверхность Земли радионуклидов в результате ядерных взрывов, аварий на атомных станциях, сбросом сточных вод предприятий, добывающих или использующих радиоактивные вещества в научных, лечебных и производственных целях. Подземные воды относятся к загрязненным, если концентрации в них радионуклидов превышают их фоновые значения, а степень их загрязнения определяется по соотношению 76 фоновых и наблюдаемых концентраций. Авария на Чернобыльской АЭС (1986 г.) показала, что подземные воды чувствительны к радиоактивному загрязнению. В Белоруссии и Украине на загрязненных территориях радионуклиды обнаружены не только в грунтовых, но и в глубокозалегающих подземных водах. В 70-километровой зоне в результате водной миграции постепенно загрязняются подземные воды. Радионуклиды в поверхностных и подземных водах образуют концентрации, в 3-5 раз превышающие фоновый уровень. Тепловое загрязнение подземных вод проявляется в виде повышения их температуры по сравнению с фоновой. Тепловое загрязнение формируется обычно в районах расположения крупных промышленных предприятий, главным образом, предприятий энергетического комплекса (тепловые, атомные электростанции), а также на территориях городов за счет сброса нагретых промышленных и коммунальных сточных вод. Как правило, тепловое загрязнение характеризуется повышением температуры подземных вод на 5-10°С и более. Повышение температуры вызывает изменение газового и химического состава подземных вод, растворение или осаждение различных химических веществ, нарушение гидрогеохимического равновесия в системе «порода – вода», развитие микрофлоры и микрофауны («цветение» воды). С увеличением температуры воды увеличивается и ее растворяющая способность, что интенсифицирует карстовые и суффозионные процессы. Изменение температуры влияет на усиление токсичности загрязняющих веществ, содержащихся в подземных водах. Тепловое загрязнение, наряду с химическим, вызывает наиболее негативные изменения химического состава подземных водах. Источники антропогенного загрязнения подземных вод объединяются в несколько групп (см. табл. 4): а) промышленные предприятия, деятельность которых не связана с недропользованием; б) горнодобывающие предприятия, деятельность которых связана с добычей полезных ископаемых; в) сельскохозяйственные предприятия; г) предприятия энергетического комплекса; д) транспортные и коммунально-бытовые предприятия. В зависимости от протяженности источников загрязнения определяется масштаб техногенного воздействия на подземные воды: локальный, региональный и глобальный. В качестве основных факторов, влияющих на формирование химического состава подземных вод на глобальном уровне, рассматривается рост парциального давления СО2 в атмосфере, на региональном - химический состав атмосферных осадков, который в естественных условиях достаточно устойчив для отдельных климатических зон, а на локальном уровне - химические компоненты, 77 поступающие в подземные воды от различных техногенных и антропогенных источников загрязнения. Таким образом, влияние современной антропогенной деятельности на химический состав подземных водах на глобальном гидросферном уровне минимально (десятые доли мг/л год) и максимально (до тысячи мг/л год) на локальном, где концентрации макрокомпонентов могут изменяется в пределах четырех порядков (Зверев, 2002). Локальное загрязнение подземных вод вызывается локальными (точечными) источниками загрязнения, к которым относятся отдельные сооружения (шламо- и хвостохранилища, гидрозолоотвалы, пруды накопители, отстойники, испарители, поля фильтрации промстоков, могильники хранения радиоактивных отходов, скважины на нефтяных и газовых месторождениях, нефтезаправочные станции, свалки, животноводческие фермы, карьеры и др.). Загрязнение подземных вод из данных источников происходит за счет утечек загрязняющих веществ и попадания их в водоносный горизонт через почву и зону аэрации. В случае, когда водоносные горизонты сложены проницаемыми породами с хорошими фильтрационными свойствами, загрязнение от точечного источника, характеризующегося большим объемом загрязняющих веществ (сточные воды, твердые отходы), может распространиться от источника загрязнения по водоносному горизонту на большие расстояния, при этом масштаб загрязнения может приобрести региональный характер. Региональное загрязнение подземных вод вызывается рассредоточенными источниками загрязнения, имеющими большую площадь распространения. Основными источниками регионального загрязнения являются урбанизированные территории с концентрацией промышленных предприятий и разработка месторождений полезных ископаемых (рис. 9). Загрязнение подземных вод от этих источников охватывает огромные площади. Кроме того, выделяются линейные источники загрязнения подземных вод, к которым относятся загрязненные реки, автомагистрали, нефтепроводы, коллекторы промышленной и коммунальной канализации. Современный техногенез подземных вод обусловлен интенсивным и широкомасштабным освоением углеводородных залежей. В настоящее время в результате техногенного воздействия в районах длительной эксплуатации нефтяных и газовых месторождений формируются специфические техногенные гидрогеологические системы, резко отличающиеся условиями водообмена, тепломассопереноса и особенностями формирования подземных вод от природных гидрогеологических систем. В техногенных системах протекают соответствующие виды гидрогеологических процессов: эжекционные, 78 инжекционные и взаимодействующие (комплексные). При инжекционных технологических процессах основное негативное влияние на гидрогеологическую обстановку оказывает загрязнение подземных вод, а при эжекционных процессах - истощение их запасов. Изучением механизма взаимодействия урбанизации и состава подземной воды решается блок экологических, социальных, демографических, медицинских и других задач, которые должны быть положены в основу устойчивого развития городов. Результаты последних гидрогеологических исследований на урбанизированных территориях показывают, что градостроительство способствует, с одной стороны, увеличению питания подземных водоносных горизонтов (положительный фактор), а, с другой стороны, повышает их минерализацию, что рассматривается большинством ученых как отрицательный фактор. Увеличение минерализации в водоносных горизонтах урбанизированных территорий обычно обусловлено усилением растворения пород при контакте с агрессивными кислыми грунтовыми водами и сверхэксплуатацией месторождений пресных подземных вод на крупных водозаборах. В условиях быстрого роста города подобные аномалии за короткий отрезок времени резко увеличиваются, а минеральные воды начинают «сверху вниз» по разрезу («нисходящее загрязнение») вытеснять пресные воды, вызывая, таким образом, сокращение запасов последних. При этом в пределах аномальных участков происходит локальная и быстрая смена типов подземных вод от гидрокарбонатных к хлоридногидрокарбонатным и хлоридным водам. Урбанизированные территории проходят 3 этапа в своем развитии: доиндустриальный, индустриальный и постиндустриальный. С данными этапами связано и развитие подземной техногенной гидросферы (рис. 9, Б). В отличие от водоносного техногенного ареала при разработке месторождений полезных ископаемых (рис. 9, А), техногенный водоносный ареал урбанизированной территории развивается несколько по другому сценарию. При росте городской агломерации в индустриальный этап II площадь водоносного техногенного ареала увеличивается (рис. 9, Б), что наблюдается и при разработке месторождений. Когда же мегаполис входит в постиндустриальный этап III с формированием и дальнейшим площадным развитием пригородных зон с малоэтажной застройкой, то здесь глубина развития водоносного техногенного ареала значительно уменьшается по сравнению с индустриальным этапом (рис. 9, Б). Это отличает 79 Рис. 9. Развитие водоносного техногенного ареала на промышленно-урбанизированных территориях А – развитие ареала при разработке месторождений полезных ископаемых: I-III – стадии разработки месторождения: I – начальная; II – основная; III – завершающая; Б – развитие ареала на урбанизированных территориях: I-III – этапы развития урбанизации: I – доиндустриальный; II – индустриальный; III – постиндустриальный. Стрелками показаны глубина и площадь распространения водоносного техногенного ареала Рис. 10. Изменение содержаний химических компонентов по разрезу в подземных водах А - природная гидросфера, Б - техногенный водоносный ареал 80 урбанизированные территории от площадей добычи полезных ископаемых, где техногенный водоносный ареал развивается, преимущественно, в сторону расширения своих границ. Известно, что в результате антропогенного воздействия в природные воды могут поступать как ионы, аналогичные тем, что обычно входят в состав природных вод (хлориды, сульфаты, натрий, кальций и др.), так и компоненты, которые являются «запрещенными» для данных естественных условий. Промышленные сточные воды вносят в водные объекты значительные количества неорганических и органических веществ, среди которых присутствует большинство макрокомпонентов (Сl-, SO42+, НСО3, Na+, Са2+, Mg2+), некоторые микроэлементы (Сu, Zn, Pb, Mn, Cd, Co, As и др.), а также чуждые природной среде соединения (цианиды, нефтепродукты, фенолы, ацетон и др.). Сельскохозяйственная деятельность способствует росту содержания в водных объектах соединений азота, фосфора, хлора, органических веществ. Коммунально-бытовые стоки на урбанизированных территориях являются причиной бактериального и органического загрязнения; здесь возрастают минерализация вод, содержания азота, фосфора, Сl-, SO42+. Поведение основных компонентов в водоносном техногенном ареале и в природных гидростратиграфических подразделениях существенно различаются (рис. 10). В отличие от природных вод, воды техногенного ареала не имеют четкой стратиграфической приуроченности и не обладают вертикальной гидрохимической зональностью, т. е. являются азональными водами. Ареал отличается от природных минеральных вод повышенной (в среднем в 2 раза) минерализацией и, преимущественно, сульфатно-хлоридным магниево-натриевым составом. По-видимому, в дальнейшем доля техногенных вод и объем водоносного техногенного ареала в гидролитосфере будут только возрастать. Наиболее подвержены загрязнению подземные воды, приуроченные к зоне активного водообмена - это преимущественно пресные воды с минерализацией до 1 г/л. Например, В. И. Данилов-Данильян утверждает, что в настоящее время невозможно получить пробу верхнего горизонта подземных вод, в которой не нашлось бы заметных следов антропогенных загрязнений. В связи с этим проблема трансформации качества подземных вод в условиях антропогенной нагрузки становится все более актуальной, а оценка трансформации качества подземных вод должна быть комплексной, учитывающей весь спектр действующих фактов, включая индикаторы и индексы устойчивого развития подземной части гидросферы. Важно установить какими показателями будет определяться степень загрязнения подземных вод. Существуют две оценки загрязнения подземных вод: 1) нижний предел определяется по фоновым 81 концентрациям химических ингредиентов, содержащихся в подземных водах и характеризующих их природный химический состав; 2) верхний предел определяется по значениям предельных допустимых концентраций (ПДК) химических компонентов, содержащихся в подземных водах питьевого назначения согласно СанПин 2.1.4.1074-01. Количество нормируемых веществ в данном документе порядка 1500, включая компоненты природного (макрокомпоненты, тяжелые металлы и др.) и искусственного (СПАВ, пестициды, нефтепродукты и др.) происхождения. Изменения гидрохимической обстановки во многом определяются нарушениями гидродинамического режима, которые выражаются: 1) в интенсивном понижении напоров подземных вод на больших площадях и резком возрастании скоростей фильтрации; 2) в увеличении степени взаимосвязи поверхностных и подземных вод; 3) в появлении новых областей питания и разгрузки водоносных пластов; 4) в изменении интенсивности инфильтрационного питания подземных вод; 5) в усилении взаимосвязи между водоносными горизонтами посредством перетекания; 6) в обезвоживании верхних зон гидрогеологических структур, приводящем подчас к многократному увеличению мощности зоны аэрации. Экологические проблемы затрагиваются и геокриологией, которая представляет собой науку, изучающую закономерности формирования и развития во времени и пространстве толщ мерзлых горных пород, а также мерзлотно-геологических процессов и явлений. Данную отрасль ряд ученых предлагает называть «экокриогидрогеологией», «геокриоэкологией», «экологией криолитозоны» или «экологическим мерзлотоведением». В рамках экокриогидрогеологии рассматриваются экологически значимые для криолитозоны компоненты природной среды, осуществляется геоэкологическое районирование территории, мониторинг изменений температуры мерзлых пород, динамических характеристик подземных вод и исследования криогенных процессов (термокарст, бугры пучения, наледи, солифлюкция, каменные потоки - курумы, деградация мерзлоты) при воздействии природных процессов и искусственных режимообразующих факторов. Существование зоны развития многолетней мерзлоты в основном обусловлено величиной инсоляции и геологической историей региона. Скорость химических реакций в криосфере (за исключением некоторых биохимических) резко замедлена по сравнению с жидкой гидросферой. В связи с этим поступление химических элементов (например, тяжелых металлов) из пород через толщу льда в почвы, где эти элементы становятся наиболее доступными живым организмам, идет в значительной мере через поровые воды капилляров. 82 Возможное потепление климата может привести к повышению температуры многолетнемерзлых пород и деградации криолитозоны. Например, данный процесс приведет к негативным последствиям в России, бóльшая часть территории которой находится в зоне развития многолетней мерзлоты. Данные мониторинга криолитозоны показывают, что вслед за повышением температуры воздуха идет потепление многолетнемерзлых пород, а это, в свою очередь, сопровождаться развитием таких опасных процессов, как термокарст, опускание территории в результате вытаивания льдов, активизацией термообразии, оползней-сплывов, наледеобразования и др. Активизация таких процессов усугубит проблему безопасности объектов газовой и нефтяной отраслей при освоении минеральных ресурсов Севера. Выделяют три категории территорий по степени их устойчивости к развитию криогидрогеологических процессов под влиянием техногенных факторов: 1) весьма неустойчивые территории, на которых под влиянием быстрых температурных колебаний происходит промерзание влажных или протаивание льдистых и сильнольдистых пород, которое приводит к интенсивному развитию термокарста, термоэрозии, пучения, солифлюкции и т. п.; 2) неустойчивые территории, на которых под влиянием короткопериодных температурных колебаний границы между мерзлыми и водоносными породами практически остаются неизменными, слабовлажные породы при этом промерзают, а безльдистые - протаивают, что приводит к усилению мерзлотных и гидрогеологических процессов; 3) устойчивые территории, где происходит промерзание слабовлажных или протаивание безльдистых пород без усиления существующих или возникновения новых криогидрогеологических процессов. Влияние техногенеза в северных районах особенно значительно. Криолитозона способствует сохранению последствий техногенного воздействия и наиболее чутким индикатором при этом является гидросфера. В геохимическом плане усиливается миграция природных компонентов (железа, марганца, реже фтора, сероводорода), появляются устойчивые концентрации техногенных загрязняющих веществ (органических и неорганических соединений, фенолов, нефтепродуктов, элементов и веществ, несвойственных для природных вод). Отклонения от фоновых условий свидетельствуют о наличие либо природных, либо техногенных аномалий. Рассмотрим техногенного влияния на свойства криолитозоны на примере подземного захоронения дренажных рассолов карьера кимберлитовой трубки Удачная (Якутия). Карьер трубки Удачная - самый глубокий карьер в России. На сегодняшний день его глубина достигла 585 м, при ширине около 1,5 км. При разработке карьера возникли 83 проблемы обводненности рабочих зон подземными минерализованными рассолами и загазованности карьеров работающей техникой, были допущены нарушения экологической обстановки как непосредственно в районе деятельности самих производственных объектов. Рассолы хлоридного типа, обогащенные кальцием, натрием и магнием, дренажируют в карьер трубки Удачная, что осложняет их добычу и требует постоянного удаления рассола. С другой стороны, благоприятные показатели объектов криосферы позволяют использовать некоторые участки многолетнемерзлых пород и подмерзлотных водоносных горизонтов за пределами карьера как полигоны для захоронения промышленных стоков и снизить ущерб окружающей среде при алмазодобыче. Немаловажным фактором перспективности участка является и мощность мерзлых отложений, которая на разведанных и эксплуатируемых полигонах захоронения района тр. Удачная составляет 100–180 м. Было установлено, что захоронение дренажных рассолов в толщи многолетнемерзлые породы значительно эффективнее, нежели их обратная закачка в подмерзлотные водоносные толщи. Основное требование при использовании коллекторов в многолетнемерзлые породы – безнапорный режим сброса рассолов с поддержанием их уровней в формирующемся резервуаре на определенных экологически безопасных отметках, исключающих разгрузку воды в эрозионные врезы. Если выполнять это обязательное условие, то метод захоронения стоков в многолетнемерзлые породы для данного района наиболее приемлем. Экологическая надежность применяемого способа захоронения дренажных рассолов в многолетнемерзлые породы испытана уже в течение более 20-летнего периода промышленной эксплуатации трубки Удачная. Поступающие из карьера дренажные стоки по водоводам перекачиваются на один из полигонов захоронения и сбрасываются в закачные скважины методом свободного налива (рис. 11). Температура пород на глубинах 30–80 м в пределах участков закачки изменяется от –1,5 до –8,0 °С. Всего захоронено во внутримерзлотные коллектора криолитозоны свыше 19,3 млн. м3 дренажных рассолов. Приёмистость скважин в среднем оставляла 50100 м³/час. В толще многолетнемерзлых пород происходит понижение минерализации рассолов за счет разбавления их при растворении в породах льдистой составляющей. Установлено, что в процессе захоронения рассолов происходит деградация подошвы многолетнемерзлых пород и образование 84 Рис. 11. Гидрогеологический разрез в районе карьера Удачный перетока рассолов вниз по разрезу, т. е. устанавливается прямая гидравлическая связь между многолетнемерзлыми породами и подстилающим их водоносным комплексом. В то же время переток захороняемых вод в подмерзлотный водоносный комплекс является дополнительной и существенной гарантией достаточности ёмкостных показателей для закачки и гарантией экологической безопасности технологии захоронения дренажных вод. Отток существенно снижает темп заполнения ёмкости многолетнемёрзлых пород, положительно влияя на динамику уровня в этом интервале захоронения стоков. Анализ положения уровней поверхности показывает, что отметки уровня техногенного горизонта находятся на экологически безопасной глубине от дневной поверхности, исключающей попадание захороняемых стоков в защищаемые объекты. Мощность насыщенных рассолами пород уменьшается от границы центральной части участка захоронения по фронту растекания со 120-130 м до 5-10 м (см. рис. 11). Средняя глубина залегания уровня рассолов 120 м. Техногенная зона дренажных рассолов в многолетнемерзлых породах оказывает незначительное влияние на степень обводненности месторождения трубки Удачная. При захоронении дренажных вод в массиве многолетнемерзлых пород формируется техногенный талик (см. рис. 11), у которого фильтрационные и миграционные свойства осадочных отложений на полигонах изменяются главным образом в сторону увеличения (в 2–4 раза) в зависимости от 85 характера закачки и продолжительности взаимодействия с рассолами. При этом в образующемся техногенном талике существенно изменяется также подвижная жидкая фаза. Преобладающей формой миграции рассолов в массиве мерзлых пород, особенно на начальном этапе, является механический перенос под воздействием гидравлического градиента, возникающего в области фильтрации от точки сброса. Процессы диффузии, дисперсии, физико-механических превращений и взаимодействий в этот период имеют подчиненный характер. По мере фильтрации рассолов по межблоковым пространствам происходит растворение жильных и трещинных льдов, их переход в жидкую фазу с увеличением емкости коллектора, тем самым значительно улучшается проницаемость и емкость криогенных толщ. Далее происходит внедрение минерализованных вод в коллекторы внутриблоковых пространств. Данный процесс сопровождается капиллярным всасыванием рассолов в пористую матрицу пород. Без поступления новых порций концентрированного раствора в поровых блоках при равновесных концентрациях и температурах процесс внедрения стоков практически прекращается. 3.4 Эколого-гидрогеологический мониторинг Суть гидросферного мышления заключается в признании особой фундаментальной роли воды в развитии всего окружающего мира и согласованности деятельности людей с естественной эволюцией воды. Главенствующим приоритетом должна стать мысль о недопустимости загрязнения водных источников, а не идея очистки загрязненных вод. Это требует разработки принципиально новой парадигмы сохранения гидросферы в условиях интенсивного ее использования и мощного техногенного воздействия. Подобная парадигма должна включать концепции защиты водных ресурсов и сохранении водного бассейна как среды обитания живых организмов, управления водными ресурсами и экосистемами. Следовательно, система управления должна быть такой, чтобы обеспечить при использовании воды выгоду каждого человека, предприятия, поселка, города на фоне общей выгоды для всех, включая саму природу. При этом главным является включение в эту систему принципов сохранения ресурсов, предупреждения опасности, ответственности каждого водопользователя и кооперации всех, кто может своими действиями влиять на водную среду и ресурсы. Трудность решения данной задачи состоит в том, что вода выполняет в природе и обществе не менее 30 разнообразных функций, многие из которых находятся в прямой конкуренции. Вода - одновременно среда жизни, важный природный ресурс, транспортное средство, источник энергии, водообменная система, 86 геохимическая среда, геологическое тело, осложняющий фактор разработки полезных ископаемых и строительства, место отдыха, лечения, сброса всех отходов и т. д. Из такого рода конкуренции в ее использовании возникает множество организационных, правовых, экономических и экологических проблем. В основу управления водными ресурсами должны быть положены несколько важных принципов. 1. Принцип единства природных вод: управлять надо одновременно всеми типами вод. 2. Бассейновый принцип заключается в том, что управление ведется не водой, как физическим телом, а водообменной системой, за единицу которой принимается водосборный бассейн. 3. Принцип коллективного управления: вода принадлежит всем и законно право отдельного человека или предприятия на воду без ущемления прав других пользователей водными ресурсами. Данный принцип напрямую связан с концепцией устойчивого развития. 4. Принцип «загрязнитель платит»: кроме платы за водоотбор, взимается плата за любое изменение водной среды (уровня, расхода, качества, температуры воды, изменение русла, подтопление и т. п.). Сегодня мало у кого вызывает сомнение необходимость разработки и реализации водоохранных мероприятий практически во всех «техногеннонагруженных» регионах. Все водоохранные мероприятия можно разделить на две группы: 1) профилактические, направленные на предотвращение загрязнения, например, организация зон санитарной охраны подземных водозаборов: 2) активные, связанные с восстановлением качества подземных вод. Учитывая, что профилактика от загрязнения подземных вод многократно дешевле, нежели борьба с ним, повсеместный упор должен делаться на мероприятия первой группы; к активным и гораздо более дорогим мероприятиям приходится прибегать обычно как к вынужденной мере, а сам факт обращения к ним должен часто восприниматься как свидетельство каких-то серьезных просчетов, допущенных в проектных решениях или при их реализации. Поэтому «консервативное» проектирование с профилактическими мерами оказывается выгоднее решений, ориентирующихся на ликвидацию возможного загрязнения. В основе охраны и управления качеством подземных вод лежит эколого-гидрогеологический мониторинг специальная система наблюдений, позволяющая осуществлять слежение за процессами, возникающими в подземных водах под влиянием техногенных воздействий, оценивать существующее состояние и прогнозировать изменения подземных вод с целью рационального управления за их использованием и контроля за их сохранностью. Выполняя важнейшую контрольную 87 функцию, мониторинг одновременно ориентирован на информационное обеспечение экологических прогнозов, на обоснование систем защиты и реабилитации качества водных ресурсов. Мониторинг может вестись на разных уровнях (государственный, региональный и локальный), методика которых находится в стадии разработки. Программа внедрения и развития эколого-гидрогеологического мониторинга предполагает следующую последовательность действий: 1) выбор полигонов и проведение специальных работ (бурение, геоэкологическая съемка, разведочный мониторинг); 2) строительство наблюдательных скважин и постов; 3) проведение стационарных наблюдений и опробований; 4) интерпретация результатов и анализ данных; 5) оценка и прогноз. Структура эколого-гидрогеологического мониторинга включает (рис. 12): вход в систему — исходная информация о текущем состоянии системы; систему гидрогеологического мониторинга, состоящую из трех подсистем, — наблюдения (режима), оценки и прогноза; выход из системы — мероприятия по улучшению природнотехногенной обстановки (выход из системы гидрогеологического мониторинга является входом в систему управления водными ресурсами). Рис. 12. Система мониторинга гидросферы Исходная информация о подсистеме (вход в систему мониторинга) обеспечить функционирование подсистем наблюдений и прогноза, которые находятся в прямой зависимости от научной обоснованности проектирования, оптимизации и строительства режимной сети. Работа подсистемы прогноза связана с построением математической модели, адекватной природной обстановке, и ее калибровкой. Исходная информация, содержащая сведения о начальных и граничных условиях 88 модели, должна обладать требуемыми точностью и полнотой, иначе даже самый совершенный метод прогнозирования может оказаться бессилен, если прогнозы строятся на информации, не являющейся своевременной, точной и непрерывной. Режимная наблюдательная сеть - основной инструмент экологогидрогеологического мониторинга. Разработка методики проектирования режимной сети является одной из первостепенных и сложных задач гидрогеологического мониторинга. Сложность здесь заключается в большом наборе составляющих мониторинга. Для проектирования и создания системы эколого-гидрогеологического мониторинга необходимо иметь сведения о геологических, гидрогеологических, гидродинамических, геотермических, гидрогеохимических условиях зон полного и неполного насыщения; механизмах переноса и торможения ингредиентов загрязнения; параметрах процессов инфильтрации, фильтрации и массопереноса; математических моделях переноса компонентов; геофильтрационных моделях. Основу эколого-гидрогеологического мониторинга составляет стационарная режимная сеть специальных наблюдательных скважин, дополняемая пунктами наблюдений на родниках и увязанная с сетью наблюдений за поверхностными водами и пунктами гидрометеорологических наблюдений. В состав пунктов наблюдений могут включаться эксплуатационные скважины любого целевого назначения (водозаборные, дренажные и пр.), а также стационарные пункты наблюдений в горных выработках. Подавляющее большинство наблюдательных скважин стационарной режимной сети должно обеспечивать возможность замеров уровней, расходов, температуры и ряда других определяемых показателей, а также отбора представительных проб воды для последующего анализа ее качественных показателей. Сеть наблюдательных и режимных скважин, постов и ключевых участков рекомендуется размещать с учетом следующих факторов: местоположения источников загрязнения, направления наиболее реальных путей воздушной и водной миграций загрязняющих веществ, местоположения объектов потребления воды, геологических и гидрогеологических особенностей строения; гидрогеохимических условий. Цели и масштаб эколого-гидрогеологического мониторинга диктуют преимущественно площадное распределение опорных пунктов наблюдений на основные водоносные комплексы. Решение вопросов изменений эколого-гидрогеологических условий является одной из важных задач мониторинга и позволяет: 1) выявить существующие эколого-гидрогеологические условия; 2) составить ретроспективный анализ их формирования, т. е. провести эпигноз; 89 3) выполнить серию прогнозов изменения эколого-гидрогеологических условий под влиянием работы проектируемых или реконструируемых инженерных сооружений, рассматривая конкурирующие варианты режимов их эксплуатации, выбирая наиболее рациональный с экологических позиций; 4) составить рациональный план создания и развития целенаправленной сети наблюдательных скважин (мониторинг); 5) рассмотреть различные схемы и варианты природоохранных мероприятий, предупреждающих нежелательное развитие экологически негативных процессов; 6) рассмотреть различные варианты ликвидации и уменьшения опасных зон экологического риска. Экологические аспекты в гидрогеологических исследованиях заняли в настоящее время одно из главных мест ввиду того, что экологическое состояние окружающей среды стало определять жизнь и деятельность людей. Несомненно, эти аспекты вносят существенные изменения в традиционные приемы гидрогеологических исследовании и, в частности, в проведение эколого-гидрогеологического мониторинга. Эти изменения связаны с тремя особенностями эколого-гидрогеологических воздействий: локализацией, способностью развиваться и оказывать чаще всего неблагоприятное воздействие на окружающую среду. 90 4. ЭКОЛОГО-ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ Для физика интересны не столько сами законы, сколько отклонения от них П. Л. Капица К настоящему времени геофизика активно используется во всех без исключения отраслях геологии как эффективная, экспрессная и сравнительно недорогая технология изучения состава геологической среды. Геофизические методы исследований также средство контроля за качеством среды обитания человека, поскольку с их помощью можно с высокой точностью и чувствительностью фиксировать напряженность и вариации физических полей любой природы, следить за изменением физических параметров в пространстве-времени. Это обусловлено тем, что антропогенная деятельность привела к созданию на планете огромного числа мощных искусственных источников физических полей (радиостанции, радары, атомные и тепловые электростанции, линии электропередач, транспортные магистрали, городские агломерации, горнодобывающие карьеры, горнообогатительные комбинаты, промышленные предприятия и др.). Постоянное совершенствование возможностей геофизических методов стало причиной их активного внедрения в экологию. В экологической и в разведочной геофизике изучают аномалии физических полей. Однако разница заключается в том, что источники физических аномалий в экологической геофизике известны заранее, а в разведочной геофизике физические аномалии являются лишь индикаторами, с помощью которых опосредованно ведут поиск и разведку залежей полезных ископаемых. Поэтому одни и те же геофизические методы исследований играют в геологии и экологической геологии принципиально разную роль. В первой они выступают как косвенные методы поисков, и, проявляющаяся при этом многозначность решения обратной задачи геофизики, существенно снижает их эффективность. При решении экологических задач геофизические методы служат прямыми средствами изучения геологической среды. Интерпретация экологогеофизических данных почти всегда вполне определенна и однозначна. 91 4.1 Основы экологической геофизики. Природные и техногенные физические поля Экологическая геофизика (экогеофизика) - это раздел экологической геологии, предназначенный для решения прикладных задач экологии, связанных с природными и техногенно-природными изменениями состояния биосферы. Главная ее цель - исследование масштабов и параметров воздействия физических полей на среду обитания человека, выявление физических условий, благоприятных для жизни людей и других живых организмов. Предметом исследования экологической геофизики являются природные (естественные) и техногенные (искусственные) физические поля, их изменения и воздействия на биоту. Возможность и необходимость широкого практического внедрения геофизических методов исследований в экологическую геологию обусловлены следующими особенностями: - высокими чувствительностью, точностью и воспроизводимостью измерений широкого спектра естественных и искусственно создаваемых физических полей (геомагнитное, гравитационное, тепловое, радиационные, электромагнитные, волновые, сейсмические) в геологическом пространстве; - возможностью записи параметров любого физического поля в варианте непрерывного профилирования и дистанционного зондирования; - относительной простотой реализации мониторинга любых показателей разнообразных природных и техногенных процессов за счет использования новейших образцов цифровой геофизической аппаратуры, характеризующейся высоким уровнем автоматизации измерений параметров физических полей; - достаточной разработанностью методологических принципов геофизических исследований при решении геологических и экологических задач; - готовой информационной средой, в качестве которой можно использовать распределенные базы данных и общее программное обеспечение; - высокими экономичностью и производительностью геофизических исследований, определяющими их экспрессность. Земля как небесное тело постоянно подвержена сильному влиянию изменяющихся физических полей, в частности, гравитационного взаимодействия перемещающихся в космическом пространстве небесных тел, солнечного ветра, космического излучения и др. Следствия 92 Рис. 13. Схема взаимодействий в окружающей среде под действием природных и техногенных источников (Адушкин, 2012) комплексного воздействия энергетических космических полей на состояние и развитие планеты Земля весьма разнообразны (рис. 13): они непрерывны или периодичны во времени и характеризуются колоссальными масштабами проявления. Это конвекция мантийного вещества в теле планеты, движение литосферных плит земной коры, проявление сейсмической и вулканической активности в разных районах земного шара, апериодические изменения климата, приливно-отливные перемещения водных масс в океанах, вариации доз радиоактивного и ультрафиолетового облучения поверхности Земли, последствия вспышек сверхновых звезд или других одноактных случайных катастрофических космических явлений и многое другое. Наиболее интенсивно энергетический обмен между Землей и космическим пространством идет через узлы глубинных разломов, часть из которых играет роль энергоактивных («горячих») точек планеты. Жизнь на Земле возникла в условиях абсолютного преобладающего влияния естественных полей (гравитационного, геомагнитного, сейсмоакустического, температурного и др.), к непрерывному воздействию которых живые организмы хорошо приспособились за длительное (даже в геологическом понимании) время своего существования. Поэтому прямое и 93 сильное воздействие природных физических на биосферу Земли и экологические условия существования человеческой цивилизации неоспоримо. Техногенное загрязнение представляет собой присутствие в атмосфере, литосфере и гидросфере физических полей, создаваемых человеком в процессе реализации антропогенной и техногенной деятельности (см рис. 13). Благодаря влиянию человечества, в настоящее время наблюдается устойчивая тенденция к сдвигу энергетического баланса в сторону искусственных полей, к насыщению окружающей среды электромагнитными полями в широком частотном диапазоне, упругими полями наведенной микро- и макросейсмичности, тепловыми и другими искусственно создаваемыми физическими полями. Поэтому живым организмам приходится приспосабливаться к новым условиям, что не всегда согласуется с адаптационными возможностями биоты, в том числе человека. Техногенное физическое загрязнение наиболее характерно для крупных городов и промышленных районов. В пределах подобных территорий, благодаря большому количеству производимой, преобразуемой и потребляемой энергии, возникает и устойчиво существует повышенный фон техногенных физических полей. Не будучи в состоянии воспринять полностью поступающую в избытке энергию техногенных физических полей, окружающая среда часть энергии «расходует» на изменение своих свойств, на подготовку, активизацию и поддержание экзогенных геологических процессов, которые становятся, таким образом, в значительной мере техногенными. Избыточная энергия техногенных физических полей может также оказывать повреждающее и разрушающее воздействие на инженерные сооружения и коммуникации. Таким образом, техногенное физическое загрязнение можно определить как суммарный энергетический потенциал искусственно создаваемых физических полей, значительно превосходящий по величине потенции естественных геофизических полей и оказывающий в силу этого негативное воздействие на окружающую среду, инженерные сооружения, живые организмы и человека. Основными видами техногенного физического загрязнения окружающей среды являются: 1) шумовое (акустическое); 2) вибрационное (механические колебания); 3) тепловое; 4) электрическое; 5) электромагнитное; 6) радиационное. Шумовое загрязнение среды относится к категории чисто экологических факторов прямого воздействия, поскольку оказывает непосредственное влияние на живые организмы. Основным и повсеместным источником шума является наземный, подземный, воздушный и водный транспорт, промышленные предприятия, 94 строительные машины, механизмы и др. Воздействие шума на человека можно выделить в три основных блока: 1) физиологическое воздействие расстройство центральной нервной системы, неврозы, заболевание сердечно-сосудистой системы, гипертония, заболевание желудочнокишечного тракта (язва и др.); 2) эмоциональное воздействие - раздражение и иногда угнетение организма; 3) информационное воздействие - мешает восприятию необходимой информации. Вибрационное воздействие на геологическое пространство создается многочисленными и разнообразными источниками, наиболее значимыми из которых являются движущиеся транспортные средства, оборудование промышленных предприятий, строительные машины и механизмы, техническое оборудование зданий и инженерных сооружении. Поле вибрации можно квалифицировать как экологический фактор двойного действия прямого (например, при работе с ручными перфораторами, на транспорте) или косвенного, когда вибрация воспринимается через передающую среду (например, фундаменты зданий и сооружений, расположенных недалеко от железнодорожных путей, линий метрополитена, промышленных предприятий и стройплощадок). Воздействие полей вибрации непосредственно на горные массивы может приводить к изменению рельефа поверхности, снижению механической прочности пород или, наоборот, к их уплотнению и улучшению прочностных характеристик. Длительное вибрационное воздействие способно вызывать или активизировать экзогенные геологические процессы, такие, например, как оползни и обвалы на крутых склонах, карст и др. Тепловое загрязнение, вызываемое техногенным изменением температурного режима верхних слоев литосферы, в настоящее время представляет собой серьезную экологическую проблему. Источниками теплового загрязнения могут служить горячие цеха и подземные газоходы металлургических предприятий, теплотрассы, сборные коллекторы, туннели коммуникационные и метрополитена, обогреваемые подземные сооружения, а также сбросы горячих технологических вод в реки, озера и др. Тепловое воздействие городских агломераций увеличивает температуру воздуха на 2-5°С. С другой стороны, в качестве охладителей пород могут рассматриваться установки, используемые для промораживания слабосвязанных грунтов и плывунов при строительстве, подземные хранилища сжиженного газа и др. Концентрация большого числа источников тепловой энергии в верхних частях литосферы, например, под большими городами (мегаполисами), создает предпосылки формирования на глубинах 10-50 м так называемых тепловых куполов — прогретых до 610°С объемов пород. В регионах с сезонно-промерзающими грунтами 95 прогрев горных пород не оказывает существенного влияния на их прочностные свойства. В регионах, где распространены многолетнемерзлые породы, температура которых обычно составляет -0,6 - -4,2°С, даже небольшие флуктуации температуры (2-3°С) в верхних частях литосферы могут приводить к заметным изменениям прочностных и деформационных свойств грунтов, ухудшению их несущей способности. Температурное воздействие на породы способствует проявлению некоторых экзогенных геологических процессов (термопросадка, термокарст, деградация многолетней мерзлоты, наледеобразование, морозное пучение) и может квалифицироваться как экзогенно-техногенный фактор. Электрическое загрязнение включает воздействие блуждающих токов и атмосферное электричество. Загрязнение блуждающими токами создается разными источниками, например, электрифицированными железными дорогами, различными энергоустановками. Оно способствует электрохимической коррозии заземленных металлических и бетонных конструкций, приводит к более быстрому выходу из строя подземных коммуникаций, в том числе различных трубопроводов. Атмосферное статическое электричество связано с ионизацией воздуха, является важным природным и экологическим фактором. В естественных условиях ионизация воздуха происходит под действием газовых (радон, гелий и др.) излучений Земли, космического и ультрафиолетового солнечного излучения. Экспериментально установлено, что легкие отрицательные аэроионы (в основном это ионы кислорода) благоприятно влияют па жизнедеятельность органического мира, тогда как положительные аэроионы в большинстве случаев оказывают негативное, угнетающее воздействие на биоту. Загрязнение воздуха пылью, дымом, а также увеличение влажности воздуха уменьшают подвижность отрицательных аэроионов при сохранении подвижности положительных, например, в городах. В пределах промышленных зон концентрация тяжелых положительных аэроионов значительно выше, чем в пригородных лесных массивах и на территориях парков и зон отдыха в пределах городской черты. Электромагнитное загрязнение создается источниками тока промышленной частоты (50 и 400 Гц), а также неионизирующими излучениями (радиорелейными, радиоволновыми и телевизионными в диапазоне 0,100 МГц - 300 ГГц), опасными с экологической точки зрения. В полосе шириной 60-90 м под высоковольтными линиями и в пределах прямой видимости радио- и телепередающих антенн, радиолокаторов возможно опасное электромагнитное облучение. Количество источников электромагнитных полей постоянно растет, в отдельных регионах уровень созданных техногенной деятельностью человека полей в сотни раз 96 превышает средний уровень естественных полей. Электромагнитное облучение оказывает как прямое воздействие на живые организмы, так и косвенное - посредством индуцированных токов, текущих через живые ткани. Реальная опасность облучения электромагнитным полем для людей и биоты еще недостаточно изучена. Известно негативное влияние на нервную и эндокринную системы, а также на обменные процессы человеческого организма, поэтому актуальным становится вопрос об электромагнитной совместимости технических и биологических объектов. Радиационное загрязнение представляет собой довольно опасный с экологических позиций фактор прямого воздействия па живые организмы. Источниками естественного радиационного поля являются космические лучи и ионизирующее излучение природных радиоактивных веществ, содержащихся в почве, горных породах, воде. К естественному радиационному фону добавляется техногенное ионизирующее излучение, поступающее в окружающую среду от новообразованных (создаваемых в процессе реализации промышленных технологий) радионуклидов, используемых строительных материалов с повышенной радиоактивностью, а также от складируемых отходов атомного производства. Техногенное физическое воздействие, степень вызываемого им физического загрязнения, а также создавшуюся экологическую обстановку и условия жизнедеятельности людей можно оценивать посредством условного деления всего диапазона изменения условий на четыре категории: слабое, умеренное, сильное и опасное воздействие; низкая, средняя, высокая и очень высокая степень загрязнения; экологическая норма, экологический риск, экологический кризис и экологическое бедствие; комфортные, дискомфортные, очень дискомфортные и опасные условия для жизнедеятельности людей. К первой категории можно отнести такое воздействие, при котором не возникают ситуации, выходящие за рамки естественных вариаций состояния окружающей среды и условий существования живых организмов, включая человека. Ко второй категории относятся воздействия такого уровня, при котором могут возникать заметные изменения окружающей среды и условий существования живых организмов, не требующие, однако, специальных мероприятий для устранения последствий этих изменений. Третья категория предполагает воздействие такого уровня, при котором возникающие в окружающей среде и условиях существования живых организмов изменения требуют специальных мероприятий, направленных на предотвращение негативных последствий воздействия. Четвертая категория предполагает такой уровень воздействия, при котором возможны разрушительные и катастрофические изменения в окружающей среде, гибель представителей животного и растительного мира и в том числе 97 патологические и генетические изменения в организме человека с самыми серьезными негативными последствиями. В качестве значений при разделении уровней воздействия или степени загрязнения окружающей среды на указанные четыре категории выбираются количественные показатели, регламентируемые действующими санитарными и техническими нормативными документами или определяемые опытным путем, которые отвечают определенному состоянию среды, совокупности условий существования живых организмов и, в первую очередь, людей. К сожалению, некоторые из модификаций разведочной геофизики в ходе их практической реализации сами оказывают отрицательное влияние на природу. Необходимость предварительной рубки просек, визирок в лесных массивах, прокладывание маршрутов по пашне, езда по профилям на автотранспорте, особенно в условиях тундровых, мерзлотных ландшафтов, нарушает растительный и почвенный покров. Под влиянием электрического тока, пропускаемого через землю при проведении многих методов электроразведки, происходит преобразование структуры водонасыщенных пород, в частности, их агрегация и упрочение. После снятия внешнего электрического поля эти процессы продолжают развиваться самопроизвольно, вследствие чего увеличивается проницаемость глинистых пород. Особенно вредное воздействие на геологическую среду оказывает взрывная сейсморазведка, хотя справедливости ради следует заметить, что она активно вытесняется невзрывными сейсмическими методами. Использование взрыва для возбуждения упругих колебаний оказывает мощное динамическое воздействие на горные породы, проявляющееся в образовании воронок на дневной поверхности, обрушении забоев взрывных скважин, развитии сети трещин и увеличении проницаемости пород. Вокруг взрывной полосы формируется зона пластических деформаций, в объеме второй наблюдаются необратимые нарушения горного массива вплоть до вскрытия пласта водоупора, что, в свою очередь, вызывает переток подземных вод и углеводородов вплоть до образования техногенных залежей. Ядерногеофизические методы, в которых используют радиоактивные изотопы, также несут опасность загрязнения литосферы, гидросферы и биосферы. К счастью, радиусы проникающего воздействия используемых радиоактивных излучений невелики и редко превышают десятки сантиметров. 4.3 Медицинская геофизика Медицинская геофизика - раздел экологической геофизики, в рамках которого проводится исследование влияния естественных (природных) и 98 искусственных (техногенных) физических полей на здоровье людей. Медицинская геофизика стала формироваться в XX веке, когда были обоснованы представления о воздействии физических полей на сложные биогеохимические процессы в организме человека, на выработку организмом биологически активных веществ, а в лечебных целях начали использоваться специально создаваемые управляемые физические поля. Изучение геопатогенной (вредной) и витагенной (полезной) роли физических полей, используемых для диагностики и терапии, является целью и основной задачей медицинской геофизики. Угнетение зоны комфорта человека проявляется не только в социальном, но и в физическом, физико-химическом и медикобиологическом аспектах, доступных объективному контролю. В качестве индикаторов степени угнетения зоны комфортной среды обитания человека можно использовать разнообразные показатели: 1) физические: уровень радиационного фона, электромагнитных, вибрационных и других полей; 2) физико-химические: газовое и аэрозольное загрязнение воздушного бассейна; 3) биологические: антигенное заражение атмосферы различными аллергенами. Доказано, что рост числа аллергических заболеваний населения стимулируется микроволновым электромагнитным излучением в диапазоне 0,1-10 см, а также наличием в воздушной среде газообразных и твердых примесей тяжелых металлов, переходящих в окислы и сульфиды [12]. Характерна синхронная ритмичность естественных геофизических полей и биологических процессов у людей, т. е. изменения интенсивности (энергии или амплитуды) естественных физических полей и биологической активности происходят с определенной периодичностью в виде квазигармонических и квазиимпульсных изменений во времени. Имеются убедительные данные о том, что преобладающей формой существования природных геологических процессов и физических полей на Земле является спокойная, фоновая, штилевая, эволюционная форма, которую можно назвать нормальной. Лишь малая часть таких процессов (около 5 %) является аномальной, неспокойной, катастрофической, проявляющейся в виде геодинамических процессов (землетрясения, вулканизм, обвалы и др.), вариаций физических полей (солнечной активности, геомагнитного, магнитотеллурического, радиационного, электростатического, инфразвуковых колебаний в атмосфере, корпускулярных излучений и др.), погодно-климатических явлений и факторов (циклоны, антициклоны, изменения освещенности, приземной температуры и др.). За миллионы лет существования биосферы эволюция «приспособила» биоту к нормальной штилевой ритмичности, когда изменения физических процессов и полей происходят в узких пределах, регулярно, длительное 99 время. Поэтому в организмах выработались автоколебательные процессы того же частотного спектра, что и природные. Практически у животных и человека наблюдается система взаимосвязанных многолетних, годовых, сезонных, месячных, солнечно- и лунно-суточных, часовых, минутных, секундных и меньших по времени биоритмов (биовибраций). Они соответствуют ритмичным физиологическим процессам на уровне организма, отдельных органов и клеток. Ритмы (вибрации) являются механизмом целесообразной приспособляемости и информационной управляемости организмов, а их нарушения приводят к болезням. Таким образом, произошла синхронизация внутренних биоритмических автоколебательных процессов (вибраций) в клетках, телах, организмах с природными физическими полями, их энергией, а может быть, и передаваемой информацией. В период катастроф, магнитных и ионосферных бурь, штормов и других резких изменений физических полей нормальные природные ритмы нарушаются, и происходит десинхронизация внешних (природных) и внутренних (биологических) ритмов. У здоровых людей внутренние биоритмы управляются иммунной и другими системами организма таким образом, чтобы сохранить внутреннюю ритмичность до восстановления нормальной природной ритмики, т. е. имеется запас прочности автоколебательных систем. У детей, пожилых и больных людей при десихронозе ослабляется иммунная система. Установлено, что нарушения синхронизации биоритмов могут быть восстановлены путем воздействия на людей низкочастотными магнитными и электрическими полями определенных амплитуд и спектров, т. е. за счет «навязывания» заболевающему организму таких же биоритмов, как у здоровых людей. В разных регионах Земли средняя интенсивность (амплитуда) полей определяется совокупностью нормальной и аномальной природных составляющих, которые зависят от физических параметров (для гравитационных, геомагнитных, магнитотеллурических полей) или общих геологических и геодинамических условий (для электромагнитных, сейсмоакустических, радиационных, тепловых полей). На них накладываются поля, обусловленные антропогенной и техногенной деятельностью. Например, современный человек может попадать в физические поля разных уровней интенсивности и различные климатические условия при пользовании авиатранспортом. Перемещаясь из одного суточного времени в другое, из одного сезона года в другой, из одного среднего уровня геофизических и техногенных полей в другой, человек часто сталкивается с десинхронозом. Накопленный опыт изучения источников физического воздействия разных полей на людей в зависимости от длительности и интенсивности воздействия позволил подойти к разработке санитарных норм или 100 предельно допустимых доз (ПДД) воздействия физических полей, превышение которых может вызвать различные заболевания. ПДД рассчитываются для проживания или работы в условиях повышенных уровней полей. Так, для радонового загрязнения помещений или воздействия радиоактивных изотопов на предприятиях или в геодинамических активных зонах ПДД равно 0,1 Бэр/год. Санитарные нормы для электромагнитных полей всевозможных радиопередатчиков с частотой от 0,06 до 300 МГц по напряженности электрического поля не должны превышать соответственно 50-5 В/м, а от шумового воздействия 50 дБ. Вариации геомагнитного, гравитационного и теплового полей вредны, если они превышают соответственно 1 нТл, 0,25 мГл, 10°С (в интервале ±30°С) в час. Магнитное поле Земли (геомагнитное поле) влияет на организмы животных и человека вследствие наличия магнетита органического происхождения в различных частях тела. В живых организмах могут возникать магнитные поля и за счет ионных биотоков. В целом напряженность магнитных полей организмов на 2-5 порядков меньше, чем геомагнитного поля. Тем не менее, взаимодействия между ними существуют. Геомагнитные вариации являются самыми интенсивными среди изменений естественных физических полей. В годы максимумов солнечной активности возрастает число и интенсивность магнитных бурь, особенно весной и осенью, увеличивается плотность потоков инфракрасного, видимого и ультрафиолетового излучения Солнца, повышается уровень радиационного фона и интенсивность потоков корпускулярного излучения, увеличивается вертикальная составляющая естественного электростатического поля атмосферы, возрастают вариации напряженности геомагнитного и электрических полей ионосферы, а также индуцированного ими магнитотеллурического поля в Земле, увеличиваются потоки радона, гелия и других газов в районах разломов и геоактивных зонах, возникают опасные инфранизкочастотные (0,03 Гц) упругие колебания и др. Подобные аномальные по интенсивности и частоте изменения практически всех физических полей сказываются на состоянии биосферы и здоровье людей. Геофизический мониторинг в медицине, т. е. организация специальной службы для прогнозирования уровня солнечной активности, слежения за патогенными вариациями других геофизических нолей, является важным направлением медицинской геофизики. В настоящее время созданы специальные приборы и разработаны методики наблюдений для осуществления в клинических условиях медико-ориентированного мониторинга естественных и техногенных физических полей, а также для выявления превышающих санитарные нормы физических аномалий на 101 локальных территориях, конкретных производственных помещениях. объектах, в жилых и 4.3 Методика эколого-геофизических исследований Экологическая геофизика практически целиком заимствует опыт разведочной геофизики. Поэтому при решении разнообразных экологических задач в настоящее время преимущественно используют методы геофизического картирования изучаемых территорий в вариантах профилирования и зондирования. Эколого-геофизические съемки могут быть однометодными (например, радиометрическое обследование отдельного участка) или комплексными, выполняемыми несколькими геофизическими методами по специальной технологии в определенной последовательности [12]. Оценка экологической безопасности территории, микросейсморайонирование, контроль за экологическим состоянием среды городов, включающий радиационную экспертизу, оценку шумового загрязнения, уровней электромагнитных, тепловых, вибрационных и других физических полей - типичные примеры комплексных съемок. Экологическая геофизика обеспечивает оперативную оценку факторов антропогенного и техногенного воздействий на природу. Особое значение приобретает универсальность геофизической информации, позволяющей характеризовать свойства геологических тел любых размеров, а также их изменение во времени. Непосредственное измерение любых составляющих электромагнитных, радиоактивных, тепловых полей, полей упругих колебаний дает количественную информацию о напряженном состоянии массивов горных пород и физико-механических свойствах грунтов, позволяет фиксировать изменения минерализации подземных вод, вариации физических полей, изучать их анизотропию, определяя главные направления воздействия антропогенных нагрузок. Геофизические измерения можно повторять неоднократно, поскольку они не влияют на окружающую среду. Меняя частоты физических полей, размеры установок и их ориентировку в пространстве, можно оперативно варьировать объемом изучаемых пород и глубиной исследования. Оценка геофизическими методами техногенного физического загрязнения окружающей среды и живых организмов сводится к определению параметров источников техногенного физического загрязнения и размеров зон их влияния. При определении параметров источников для акустического, вибрационного и электромагнитного полей обычно измеряются частотные и амплитудные характеристики соответствующих полей, тогда как для температурного, электрического и радиационного полей проводится измерение лишь одного параметра 102 температуры, напряженности поля и мощности дозы ионизирующего излучения. Проведение многократных измерений в течение длительного времени позволяет получать пространственно-временные характеристики источников техногенного физического загрязнения. Определение характеристик техногенных физических полей и размеров зон влияния источников осуществляется проведением в окрестностях этих источников геофизических съемок. Конфигурация сети наблюдений в пределах обследуемых территорий определяется в первую очередь геометрической формой и размерами источников. В случае точечного источника наблюдения следует проводить по радиальной системе профилей с центром схождения профилей в предполагаемом месте расположения источника. В случае линейного источника измерения следует проводить по профилям, ориентированным вкрест простирания источника. Изометрические объекты изучаются по равномерной квадратной сети площадных наблюдений. Во всех случаях расстояния между отдельными профилями и точками наблюдений на них должны быть не меньше 1 см масштаба графических материалов. Изучение характеристик техногенных физических полей проводится сейсмоакустическими, электромагнитными, термометрическими, радиометрическими методами в наземном, воздушном и скважинном вариантах. Результаты геофизических наблюдений представляются в виде графиков, карт, планов и схем. Далее проводится зонирование исследуемой территории на участки, различающиеся по уровню техногенного физического воздействия, по степени физического загрязнения и по сформировавшейся экологической ситуации. Экогеофизику можно разделить на наземную и подземную. Наземная экогеофизика включает специализированные наземные комплексные геофизические работы, выполняемые на эталонных и ключевых участках. Здесь решаются задачи, предусматривающие изучение природных и техногенных процессов, например, с целью выбора и инженерно-геологической подготовки участков под гражданское или промышленное строительство, картирования контура и оценки степени загрязнения грунтов нефтепродуктами, наземного обследования и детализации аэрогеофизических аномалий, наземного трассирования заброшенных горных выработок и карстовых полостей, изучения динамики оползневых склонов. Наземные эколого-геофизические работы проводят комплексом методов, состав и последовательность применения которых зависят от их целевого назначения и решаемых задач. Подземная экогеофизика объединяет геофизические методики решения экологических задач в горных выработках (шахтах, штольнях, скважинах). Целевое назначение может быть разнообразным: 103 дозиметрический контроль подземных выработок радиоактивного минерального сырья; мониторинг напряженно-деформированного состояния горных массивов; локализация возможных проявлений аномально высоких пластовых давлений, горных ударов, сдвижения пластов; оценка газоопасности горных выработок; слежение за путями подземной миграции сточных вод; поиск пластов-экранов для захоронения токсичных промышленных отходов; оконтуривание и ревизия блоков пород, пригодных для создания подземных резервуаров под долговременное хранение нефтепродуктов, гелия и других стратегических полезных ископаемых. Для решения подобных задач широко используют каротажные исследования и геофизические методы интраскопии горных массивов. Вышеприведенный перечень экологических задач, решаемых геофизическими методами исследований, свидетельствует о значительном разнообразии целевых комплексов экологической геофизики. Многие из них еще не сформировались окончательно [12]. Традиционные геофизические методы (радиометрия, магниторазведка, электропрофилирование, метод естественного электрического поля, вертикальные электрические зондирования, сейсморазведка) используются в экологической геофизике весьма широко и успешно. Более того, некоторые из них настолько эффективны и универсальны для решения многих важных экологических задач, что с полным правом можно говорить о становлении новых специализированных модификаций прикладной геофизики с четко выраженной экологической направленностью. Примером могут служить экорадиометрия, гамма-спектрометрия и микросейсморайонирование. Экорадиометрия - это научно-прикладное направление в экологии, изучающее объемное распределение и геохимическое поведение естественных и искусственных радионуклидов в пределах техносферы с помощью радиометрических методов. В соответствии с технологией и спецификой решаемых задач сформировались следующие виды экорадиометрических работ: аэро-, автогамма-спектрометрическая и пешеходная гамма-съемки, детальная радиометрическая разведка очагов загрязнения и постдезактивационный контроль, радиационное обследование промышленных предприятий и жилых массивов. 1. Аэрогамма-спектрометрическая экосьемка проводится в самолетном либо вертолетном вариантах в масштабах 1:50000 - 1:25000. Методики экологических и выполняемых традиционно поисковоразведочных аэрогеофизических съемок во многом аналогичны. Имеются два различия: 1) в количестве и типе регистрируемых каналов; 2) в составе сопутствующих методов при комплексных аэрогеофизических работах. 104 При геологическом картировании и поисках месторождений полезных ископаемых используют четырехканальный вариант аэрогаммасъемки с регистрацией уран-радиевой, ториевой, калиевой составляющих и суммарного гамма-излучения, что отвечает естественным источникам радиоактивности. Основными источниками радиоактивного загрязнения территорий крупных городов, последствий ядерных взрывов или аварий атомных реакторов служат долгоживущие радионуклиды: Cs-137, Co-60 и Ra-226. В соответствии с интервалами энергии испускаемого ими гаммаизлучения при экологических съемках приходится использовать дополнительные дифференциальные каналы для регистрации искусственных радионуклидов. Комплексирование геофизических методов в составе аэрогеофизических съемок в геологии и экологии различается весьма существенно. При поисках минерального сырья и геологическом картировании аэрогамма-спектрометрию проводят одновременно с высокоточной магнитной и электромагнитной съемками с помощью комплексных автоматизированных станций. При экологическом картировании и контроле окружающей среды гамма-спектрометр комплектуют с тепловизором, а также с аэрозольными съемками, чтобы одновременно фиксировать различные виды радиоактивного, геохимического и теплового загрязнения городских и промышленных территорий (рис. 14). 2. Автогамма-спектрометрическая экосъемка проводится в масштабах 1:25000 - 1:10000 и крупнее с целью поисков участков радиоактивного загрязнения, расположенных на дорожном полотне, в непосредственной близости от проезжей части дорог, а также для экспрессного определения уровня фонового гамма-излучения в районе исследований. Автогаммаспектрометрическая станция обеспечивает непрерывную автоматизированную запись мощности экспозиционной дозы гаммаизлучения по интегральному каналу в диапазоне энергий 0,3-3,0 Мэв и по дифференциальным каналам в заданных диапазонах энергий. В качестве последних чаще настраивают три канала: «радиевый» (1,5-1,9 Мэв), «цезиевый» (0,5-0,8 Мэв) и «кобальтовый» (1,0-1,5 Мэв). 3. Пешеходная радиометрическая экосъемка выполняется в масштабах 1:10000 - 1:2000 с целью детализации радиоактивных аномалий, выявленных аэро- и автогамма-спектрометрическими работами, а также поисков локальных источников радиоактивного загрязнения. Пешеходную съемку обычно выполняют гамма-радиометрами, которые обеспечивают измерение мощности эффективной дозы гамма-излучения до 3000 мкР/час. При необходимости природа радиоактивности выявленных гамма- 105 Рис. 14. Выявление сбросов в водоем с помощью тепловой инфракрасной аэросъемки (Пируева, 2011) аномалий определяется концентрометром с вычислением содержаний урана, тория и калия. Информация о радиоактивных аномалиях с мощностью эффективной дозы гамма-излучения более 60 мкР/час доводится до сведения местной и областной администрации. Решение о дезактивации участка радиоактивного загрязнения принимают органы Роспотребнадзора. Ликвидация, транспортировка и захоронение ионизирующих объектов выполняется специализированным предприятием. 4.4 Дистанционное зондирование. Эколого-геофизический мониторинг В результате техногенного загрязнения геологической среды меняются физические свойства литосферы. Поэтому искажаются существующие или создаются новые геофизические поля разной интенсивности и частоты. Изучение техногенного загрязнения геофизическими методами сводится к выявлению статических и динамических (изменяющихся во времени) геофизических аномалий. При 106 этом многие экологические задачи требуют не эпизодического одноактного исследования, а непрерывного слежения (мониторинга) за состоянием и изменением контролируемых параметров изучаемого объекта или объема среды. Геофизические методы позволяют проводить с помощью современной цифровой автоматизированной аппаратуры объективную количественную оценку состояния геологической среды наиболее экономично и эффективно, в реальном масштабе времени, с любой детальностью и информативностью. С позиций технической оснащенности они полностью приспособлены к проведению мониторинга, т. е. обеспечивают наблюдения за изменениями во времени в режиме непрерывной регистрации и прогноз любых физических, геохимических и иных параметров геологической и техногенной сред. Этому способствует широкое использование в практике геофизических работ современной цифровой электронной аппаратуры, предназначенной для измерений любых количественных показателей. Еще 400 лет назад Галилео Галилей написал: «Измеряй все доступное измерению и делай недоступное измерению доступным». Данное напутствие сопровождало геофизику XX века. Дистанционные экологогеофизические комплексы весьма разнообразны и позволяют проводить качественный анализ получаемых результатов с возможностью дальнейшего решения прогнозных эколого-геологических задач и создания нового знания о техносфере. Поэтому на рубеже тысячелетий более актуальным стало выражение Джона Несбитта: «Мы захлебываемся информацией и умираем от жажды знаний». Решению проблемы получения новых знаний о техносфере могут помочь дистанционные методы экологогеофизического мониторинга. К основным задачам эколого-геофизического мониторинга можно отнести: 1) наблюдение за состоянием литосферного пространства и физическими полями приповерхностных частей атмосферы; 2) выделение составляющих, обусловленных техногенными факторами; 3) ранжирование негативных загрязняющих факторов по приоритету их воздействия на природные и техногенно-природные экосистемы; 4) формирование динамических геофизических моделей и прогноз состояния среды на ближайшую и отдаленную перспективы. Спутниковая экогеофизика обеспечивает многоцелевой мониторинг ближайшего космического окружения нашей планеты, позволяет прогнозировать изменение солнечной активности, магнитные бури, вариации гравитационного поля, обусловленные изменениями взаимного расположения небесных тел, состояние верхних слоев атмосферы Земли, тренд конфигурации и размеров озоновых дыр, колебания уровня космического облучения дневной поверхности и т. п. Информация, 107 получаемая спутниковой экогеофизикой, помогает познавать общие тенденции развития биосферы Земли, уточнять долгосрочные прогнозы погоды, прогнозировать качество радиосвязи, коррегировать состояние диспансерных больных. Исследования Земли с больших высот несут глубинную информацию. За счет генерализации разрозненных элементов ландшафта отдельные фрагменты крупных геологических тел выстраиваются в единые зоны. Глубоко погребенные геоэкологические структуры четко просвечивают сквозь перекрывающие их осадочные отложения, так же как фигура статуи угадывается под накинутым на нее покрывалом. По этой причине спутниковые экогеофизические съемки относят к методам дистанционного зондирования верхних интервалов земной коры. Комплекс дистанционных методов спутниковой экогеофизики в основном сформировался. Он включает визуальные наблюдения, телевизионные съемки и фотографирование из космоса, в том числе на многозональные фотопленки, а также инфракрасную, радиолокационную спектрометрическую и другие виды съемок. Необходимо отметить прогрессирующее отставание РФ в разработке и применении современных технологий проведения дистанционных эколого-геофизических работ. Как известно, одно из бурно развивающихся направлений - изучение Земли из космоса, что позволяет оперативно получать качественную информацию об экологическом состоянии геологической среды. Эффективное использование космических снимков невозможно без применения компьютерных технологий их дешифрирования. Аэроэкогеофизика незаменимое средство среднеи крупномасштабного экспрессного многоцелевого обследования окружающей среды населенных и осваиваемых человеком территорий, сельскохозяйственных угодий, прибрежных частей акваторий. Аэроэкогеофизические исследования проводят с помощью высокоточной аэромагниторазведки, многоканальной гамма-спектрометрии, позволяющей раздельно фиксировать уран-радиевую, ториевую, калиевую, рубидиевую и другие составляющие радиоактивного излучения, электромагнитные, тепловые съемки, а также лазерные экологические исследования атмосферы с целью выявления источников загрязнения угарным газом, диоксидом серы, ртутью, утечек углеводородов из газо- и нефтепроводов. Экосейсмология служит для изучения сейсмологической устойчивости геологической среды и проведения сейсмомониторинга. Сейсмомоииторннг сводится к изучению деформации оснований сооружений с помощью деформографов и наклономеров, а также к расчету изменений напряженного состояния, физико-механических, прочностных свойств среды и сейсмоакустических шумов полевыми и скважинными 108 сейсмоакустическими методами. Если сейсмическое и микросейсмическое районирование обеспечивает прогнозирование места и балльности ожидаемых землетрясений, то предсказание времени землетрясений проблема более сложная. Она, являясь сердцевиной сейсмомониторинга, с той или иной степенью приближения решается комплексом режимных геофизических методов: изучением изменений упругих параметров среды и шумов (сейсмическая эмиссия или шумовая сейсмотомография); регистрацией естественных геомагнитных и электромагнитных полей космического, атмосферного и земного происхождения (электромагнитная эмиссия); анализом изменений концентрации газов (радон, гелий, аргон и др.); наблюдениями за изменением уровня, химизма и температуры подземных вод; наблюдением за поведением животных и другими методами. Лазерный дистанционный мониторинг. Уникальные свойства, лазерного излучения по сравнению с обычными источниками света обеспечивают широкие перспективы применения лазеров для решения эколого-геофизических задач. Датчиками на основе лазеров, предназначенные для индикации параметров окружающей среды, являются: лазерный радар, оптический радар, лазерный флуородатчик, лидар и лазор (сокращение от термина «лазерный сенсор»). Чаще других в последнее время используют лидары. Слово «lidar» составлено из первых букв английского выражения Light Detection and Ranging - обнаружение и определение дальности светового излучения. Подобно радарам лидарные системы позволяют проводить измерения с пространственным разрешением в истинном масштабе времени. Одно из важнейших достоинств лидаров состоит в том, что излучение, обнаруживаемое в диапазоне, отличном от длины волны самого лазера, содержит специфическую информацию о составе мишени. Этот подход стал особенно плодотворным после того, как появилась возможность широкого выбора длин волн излучения лазера и его точной настройки в случае резонансного возбуждения. Способность лидарных систем проводить эффективный спектральный анализ отдаленной мишени обусловила самое разнообразное их применение: от изучения внешних слоев атмосферы и до глубин гидросферы. Лидары устанавливают на земле, на вышках, самолетах, вертолетах и на спутниках; они обеспечивают возможность создания автоматизированных систем дистанционного экологического мониторинга для контроля качественного и количественного состава выбросов загрязняющих веществ и состояния воздушной среды в пределах крупных промышленных объектов. Лазерный мониторинг позволяет решать следующие задачи. 109 1. Дистанционно определять содержания озона, окиси азота и фторуглеродов, что помогает следить за эволюцией и деструкцией защитного озонового экрана нашей планеты. 2. Контролировать любое нарушение кислородно-азотного баланса в атмосфере методом лазерного комбинационного рассеяния. 3. Определять с помощью лазера такие газообразные вещества как CO, NO2, SO2 и O2 в концентрациях порядка нескольких частей на млн. вдоль общей траектории в 1 км и более. 110 5. ЭКОЛОГО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОМЫШЛЕННО-УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ Ибо кто из вас, желая построить башню, не сядет прежде и не вычислит издержек, имеет ли он, что нужно для совершения ее ? Евангелие от Луки, 14:28 Первые города на Земле появились почти пять тысяч лет назад. Численность населения городов росла медленно, что было связано с массовыми болезнями, легко распространявшимися при скоплении людей. Несмотря на это, города постепенно становились центрами цивилизации и притягивали к себе население планеты. В первой половине XIX столетия с началом технической революции началась массовая урбанизация, а темпы роста городского населения стали существенно превосходить общий прирост населения Земли. Так, во второй половине XX столетия ежегодный рост численности населения городов составлял 4 %, а рост общего населения планеты – 1,7 %. Первого миллиарда число горожан достигло в 1961 г., второго миллиарда - в 1986 г., то есть спустя 25 лет. На увеличение численности городского населения до 3-х миллиардов человек потребовалось 17 лет (к 2003 г.), а для достижения 4 миллиардов потребуется, согласно прогнозу, 15 лет (к 2018 г.) и примерно столько же, чтобы городское население мира увеличилось еще на один миллиард человек. В России в начале XX столетия рост населения городов происходил невысокими темпами, но уже к 1925 г. он существенно возрос, и в 1940 г. население городов России составило 33 %, в 1965 г. – 61 %, а в 1993 г. – 74 %. Интересна динамика роста количества городов в России. В X веке на территории нашей страны было всего лишь несколько городов, в начале XVIII века их число достигло примерно 500. В настоящее время в России 1092 города, из которых 84,5 % имеют население менее 100 тыс. человек, 12,7 % городов имеет население от 100 до 500 тыс. человек, 1,7 % (19 городов) с населением от 500 до 1 млн. человек и 1,1 % (12 городов) имеют население более 1 млн. человек. Под поселками и городами находится до 4 % земельных угодий. В течение наступившего столетия в нашей стране потребность в городских землях составит 1,07 млн. км2 (6 % площади России), а селитебные земли в больших городах примерно каждые пять лет расширяются на 20 %. В результате двух параллельно протекающих и взаимосвязанных процессов — индустриализации и урбанизации — происходит загрязнение 111 внешней среды как в самих городах, так и на прилегающих территориях промышленными выбросами, выхлопными газами, сточными водами, твердыми отбросами, ядохимикатами и др. Возникновение и развитие многих городов происходит в районах добычи полезных ископаемых. Особенно ярко такая тенденция проявилась в последние 50–70 лет при реализации программ освоения горючих и металлических полезных ископаемых северных, сибирских и дальневосточных регионов Российской Федерации с увеличением здесь количества городов в несколько раз. 5.1 Влияние урбанизации и промышленных объектов на биосферу и здоровье населения Урбанизация - это исторический процесс повышения роли городов в жизни общества, который характеризуется концентрацией большого количества населения на небольшой территории с резким увеличением несельскохозяйственных функций и распространением городского образа жизни. Сегодня процесс урбанизации приобрел всемирный характер, им охвачены страны с различным общественным строем и уровнем экономического развития. Рост городского населения за последние пятьдесят лет происходит экспоненциально в странах со слаборазвитой промышленностью и линейно – в промышленно развитых странах (см. рис. 1). При этом в первых удвоение городского населения происходит менее чем за 20 лет. Предполагается, что такая тенденция сохранится в ближайшие десятилетия и городское население продолжит расти быстрее, чем население мира в целом. Таким образом, ожидается, что весь прирост населения придется на городские территории, а численность горожан на Земле в 2050 г. достигнет 6,3 миллиарда человек. Урбанизация относится к наиболее трудноуправляемому процессу преобразования природы. Город потребляет из окружающей среды огромное количество природных ресурсов, а возвращает в нее отходы жизнедеятельности. Главная особенность городских территорий состоит в том, что в них невозможно экологическое равновесие как в биосфере. Все потоки регулирования потоков вещества и энергии в городских агломерациях человек берет на себя, а это связано с экстенсивным захватом новых территорий - «расползанием» городов. Гигантская концентрация людей в городах и рост потребления приводят к истощению ресурсов территории городов и прилегающих к ним районов. Недаром Ю. Одум рассматривал городскую среду как аномальное, геопатологическое явление, называя город «паразитом биосферы». На урбанизированной территории многократно возрастают объемы поставок воды, энергии, продуктов питания, часто вместе с наращиванием производства и услуг происходит 112 накопление на территории городов огромных объемов загрязненных вод, промышленных и бытовых отходов. В последнее время стал применяться термин «экологический след» города, под которым понимается площадь продуктивных земель и акваторий, необходимая для производства потребляемых городом ресурсов и ассимиляции отходов. Подсчитано, что для Лондона, имеющего площадь 170 тыс. га, «экологический след» составляет около 21 млн. га, что в 125 раз больше его собственной площади и равно всей площади продуктивных земель Великобритании. Интенсивная и многофункциональная деятельность человека в крупных городах приводит к существенному, и часто необратимому изменению окружающей среды. Концентрация огромного количества людей, транспорта, потребление значительного количества природных ресурсов и внушительные объемы отходов, рост заболевания населения все это характерно для крупных мегаполисов. Экологические проблемы крупных городов являются, с одной стороны, следствием неграмотного проектирования и организации урбанизированного пространства, а с другой, - откликом природы на техногенное вмешательство. Важно отметить, что учесть все многообразие ответных реакций природной среды на стадии проектирования и строительства городов достаточно сложно, т. е. формирование этих обратных связей имеет длительную задержку во времени и дифференцированно в пространстве. Знание о процессах отклика появляются только тогда, когда город уже построен, и урбанистические факторы начинают взаимодействовать с природными. Именно поэтому объект исследований - город, как целостность человека, техники и геологической среды - представляет собой огромное разнообразие качественно новых процессов и явлений, в изучении которых мы стоим в начале пути. Современный город представляет собой сложный экономикогеографический, архитектурно-строительный и культурный комплекс с широким спектром социальных, инженерно-технических и, особенно, экологических проблем. Общими чертами современной урбанизации являются: быстрые темпы роста городского населения; концентрация городского населения в крупных городах и уплотнение городской застройки; расширение границ города и создание городских агломераций – мегаполисов; строительство зданий повышенной этажности, создающих высокую удельную нагрузку на породы основания; расширение использования подземного пространства; насыщение городской инфраструктуры промышленными предприятиями. Все это приводит к быстрому и многократному росту сосредоточенных техногенных нагрузок на геологическое пространство, истощению его природного потенциала, дефициту площадок с благоприятными для строительства геологическими 113 условиями и как результат - к возрастанию вероятности возникновения чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, увеличению геологического и экологического риска. Проблема урбанизированных территорий усугубляется еще и тем, что наряду с природными в их пределах широко развиты техноприродные и техногенные процессы - принципиально новые опасные процессы в земной коре, спровоцированные деятельностью человека. К их числу относятся наведенная сейсмичность, опускание поверхности земли, искусственные физические поля, геохимические аномалии и др. Под влиянием хозяйственной деятельности активизируются подтопление, оползни, обвалы, просадки, карст, суффозия, эрозия, абразия, что приводит к увеличению вероятности развития опасных явлений, а с учетом уязвимости всей инфраструктуры городов, обусловливает высокие природные риски. В России встречается более 30 различных природных опасностей, из которых наиболее широко распространены подтопление и суффозия (табл. 5). Этими процессами поражены территории 93 % городов России. Далее идут наводнения 72 %, оползни - 70 %, просадки лессовых пород - 55 %, речная эрозия - 43 %, карст - 29 %, землетрясения - 10 % и др. Развитие техноприродных процессов определяет необходимость защиты геологической среды города. Разумеется, город не только паразит «на теле» биосферы. Город - сгусток социальной энергии, материальное воплощение технического прогресса современной цивилизации. Главная причина роста крупных городов объясняется экономическими преимуществами концентрации и специализации производства в пределах сравнительно небольших территорий, а также наиболее эффективным приложением в них сил и знаний в любой сфере деятельности, использованием социальнокультурного потенциала города. В то же время процесс концентрации производства и населения сопровождается интенсивным воздействием на окружающую среду, вызывая ее разрушение, и вступает в явное противоречие с историческим назначением и ролью города как средства улучшения условий жизни и благосостояния людей. Поэтому задача заключается в решении экологических проблем городов, приумножении положительных моментов городской жизни. Так, И. Пригожин и И. Стенгерс считают, что «города являются и источниками загрязнения окружающей среды, и источником социальных, художественных и интеллектуальных инноваций. Эта аналогия плодотворна, так как позволяет нам лучше понять то, что мы довольно часто пытались противопоставлять порядок и беспорядок, хотя бессильна помочь нам в вынесении любого суждения относительно ценности создаваемого или уничтожаемого: такие 114 Таблица 5. Опасные природные процессы на урбанизированных территориях России [31] Процессы и явления Землетрясения Цунами Оползни Сели Лавины Карст Суффозия Просадки лессовых пород Эрозия речная Эрозия плоскостная и овражная Переработка берегов морей и водохранилищ Подтопление Наводнения Криогенные процессы Ураганы, смерчи Города, подверженные процессам % от всего общего числа 103 10 14 1,4 725 70 13 1,3 8 0,8 301 29 958 93 563 55 442 43 41,6 0,1 5 5 9 13 9 11 0,2 Доля населения, проживающего на пораженной территории, % 14 0,1 7 2 3 19 30 26 0,3 10 25 734 71 0,07 5 53 5 0,5 2,4 65 21 6,9 0,9 9 12 960 746 72 500 93 72 7 49 Степень пораженности территории России, % суждения выходят за рамки собственно науки и касаются ответственности человека». Город разрушает не только природные системы, но и здоровье горожан. По современным данным, 80 % всех болезней жителей города связано с неблагополучной экологической обстановкой в российских городах. Нарастание удельного веса так называемых «урбанистических» заболеваний требует принятия формулы «город для человека, а не для производства» и внимания к средообразующим функциям города, поощрения работ по медико-экологическому изучению городов, разработки новых подходов к его осуществлению [2]. Состояние здоровья городского населения зависит от множества факторов: социальных, экологических, санитарно-гигиенических, природных, функциональных и т. п. Отсюда возникают непростые задачи инвентаризации и учета всех факторов, влияющих на здоровье горожан, определение корреляционных отношений между различными факторами. 115 Изучение изменений в состоянии здоровья населения, обусловленных воздействием факторов окружающей среды, является достаточно сложным в методологическом плане, так как предполагает использование многофакторного анализа параметров природной, техногенной и социальной составляющих урбогеосистемы. Прежде всего, не следует считать, что загрязнение окружающей природной среды является определяющим фактором, вызывающим заболеваемость населения городов. Не меньшую, а часто и основную роль играют генетические особенности человека, а также образ жизни, качество питания, уровень медицинского обслуживания. Так, согласно заключению экспертов ВОЗ состояние здоровья населения на 10 % определяется условиями развития медицины; по 20 % - наследственностью и состоянием окружающей среды; на 50 % - образом жизни. В то же время, многочисленными исследованиями в разных странах доказано, что низкое качество окружающей среды определенно способствует снижению защитных сил организма и росту заболеваемости. Интенсивные и длительные воздействия факторов окружающей среды могут проявляться определенными клиническими и патологическими процессами в иммунной системе. Например, загрязнение воды вызывает болезни желудочнокишечного тракта, при этом особенно уязвимы к экологическому неблагополучию дети. Природная геологическая среда постоянно испытывает влияние антропогенных объектов, особенно в городах с большим количеством промышленных предприятий, которые получили название «геотехногенных комплексов» и состоят из домов, инженерных сооружений, коммунальных служб, транзитных магистральных систем, линий электропередач, подземных сооружений (нефте-, газопроводы, метро, подземные хранилища газа, воды, промстоков, промотходов). Каждое промышленное предприятие характеризуется как источник локального техногенного воздействия, но в сумме эти источники оказывают региональное техногенное воздействие на природную среду. Так, атмосферное загрязнение распространяется от Москвы на восток на 70-100 км, депрессионные воронки от забора артезианских вод имеют радиусы 100-200 км, тепловое загрязнение и нарушение режима осадков наблюдается на расстоянии 90-100 км, а угнетение лесных массивов - на 30-40 км [22]. Процессы техногенного загрязнения окружающей среды городов характеризуются особенностями поступления химических элементов от различных источников и транспортирования их в природные объекты. Если в природных аномалиях источники образования химических элементов обычно расположены ниже земной поверхности и начальные стадии транспортировки вещества определяются процессами 116 механической миграции и внутригрунтового стока, то источники техногенных загрязнений расположены чаще всего на дневной поверхности или выше ее и транспорт вещества в большей степени обусловлен атмосферным переносом и поверхностным стоком. Конкретные источники, пути загрязнения окружающей среды и вид техногенных аномалий весьма разнообразны (табл. 6). Для обобщающих оценок загрязнения окружающей среды городов необходима информация о распределении как отдельных химических элементов, особенно наиболее опасных, так и их ассоциаций. Состояние городской окружающей среды характеризуется не только распределением содержаний химических элементов, но и распределением их абсолютных масс, поступающих на единицу земной поверхности в единицу времени. Борьба с болезнями века и с преждевременной биологической старостью городского населения - одна из главных задач современной медицины, которой, в ряде случаев, значительно легче устранить опасности, угрожающие здоровью человека со стороны природной среды, нежели те, которые создает он сам в процессе своей хозяйственной деятельности. Экологический ущерб от изменения геологической среды города может быть прямым и косвенным. К прямому ущербу приводят процессы загрязнения почв и подземных вод, подтопление территорий, разрушительные геологические процессы и явления. Косвенный экологический ущерб характеризуется такими геологическими процессами, как изменение рельефа, вибрации в грунтах, которые вызывают физический и эмоциональный дискомфорт. Воздействие физических, химических и биологических факторов на человека обусловливает необходимость определения реальной и максимально допустимой нагрузки на городское население, а также практической защиты городской среды от негативного влияния хозяйственной деятельности. Техногенные факторы, влияющие на состояние здоровья населения прямо и опосредованно через изменение городской среды, подразделяют на ряд признаков. По природе выделяют факторы: механические, физические, химические, биологические, ландшафтные. По стойкости вызываемых изменений в природе выделяют факторы: временные обратимые изменения, относительно необратимые изменения, абсолютно необратимые изменения (например, добыча почти всех видов полезных ископаемых). По способности аккумуляции в природе факторы делятся на: не аккумулирующиеся, кратковременно аккумулирующиеся, аккумулирующиеся непрерывно и неопределенно долгое время (долгоживущие радиоактивные вещества, изъятие полезных ископаемых и др.). 117 Таблица 6. Влияние основных загрязнителей на здоровье человека и окружающую среду промышленно-урбанизированных территорий Загрязняющие вещества Класс опасности Влияние на организм человека и окружающую среду III Оказывает воздействие на эндокринную, мочевыделительную и кровеносную системы. Вызывает изменения в легких. II Воздействует на эндокринную систему, а так же на нервную систему организма. Обладает мутагенным эффектом. III Оказывает воздействие на органы дыхания человека. Снижает уровень поступления солнечной радиации на поверхность земли, что приводит к изменению термического режима. IV Может оказывать воздействие на кроветворную систему, вступая в реакцию с гемоглобином. Препятствует переносу кислорода к тканям и сердцу. Способствует увеличению количество сахара в крови. Опасен для человека в локальном масштабе. Обладает эффектом суммации. Ангидрит сернистый, сера диоксид III Бесцветный газ с сильным запахом. Нервный яд. Раздражение глаз и дыхательных путей. Оказывает воздействие на бронхо-легочную систему. Может привести к анемии и росту числа респираторных заболеваний. Бенз[а]пирен I Обладает канцерогенным эффектом. Азота оксид III Обладает неспецифическим рефлекторным и общетоксическим действием. II Обладает гепатоксическим эффектом. Воздействует на кровеносную систему, вызывает раздражение слизистых дыхательных путей. С диоксидом азота связывают рост числа заболеваний дыхательных путей. IV Обладают наркотическим действием, в малых концентрациях вызывают головную боль, головокружение. При высоких концентрациях создается опасность отравления. II Бесцветный газ, имеет неприятный запах. Нервный яд. Вызывает раздражение глаз и дыхательных путей. Действие на ЦНС, окислительные процессы и кровь. Оксиды железа (II), (III) Марганец, его соединения Сажа (углерод черный) Углерода оксид Азота диоксид Углеводороды Сероводород, Н2S 118 Концентрация производства и городской инфраструктуры приводят к увеличению уровня искусственных техногенных физических полей (табл. 7), многократно превышающего естественный фон и часто достигающего критических значений. Неконтролируемый рост интенсивности воздействия данных полей на объекты и компоненты окружающей городской среды может привести к необратимым изменениям соответствующих природных структур и нежелательным нарушениям баланса системы «город - природная среда - человек». Таблица 7. Техногенное воздействие промышленных и гражданских объектов урбанизированных территорий на геосреды и биоту [22] Вид и характер воздействия искусственного объекта Коэффициент экологической весомости по техногенному воздействию на геосреды и биоту Атмосфера Гидросфера Литосфера Биогеоценоз Механическое кратковременное долговременное 0,23/0,15 0,34/0,21 0,15/0,10 0,20/0,15 0,28/0,21 0,34/0,27 0,05/0,03 0,18/0,09 Тепловое кратковременное долговременное 0,18/0,07 0,37/0,14 0,25/0,11 0,40/0,20 0,14/0.10 0,21/0,17 0,08/0,04 0,22/0,02 Биохимическое кратковременное долговременное 0,12/0,08 0,19/0,19 0,05/0,04 0,35/0,16 0,28/0,21 0,39/0,25 0,31/0,23 0,46/0,31 Электромагнитное кратковременное долговременное 0,10/0,06 0,12/0,09 0,15/0,02 0,20/0,08 0,17/0,10 0,26/0,19 0,20/0,09 0,28/0,12 Примечание: в числителе - значение коэффициента для промышленных объектах, в знаменателе - то же для жилищно-гражданских объектов Длительное воздействие вибрационного поля приводит к неоднородному по простиранию и мощности захвата уплотнению пород различного состава и влечет за собой неравномерность осадки и деформации зданий и сооружений. Вибрационное воздействие, передаваемое по воздуху и грунтам, оказывает непосредственное экологическое влияние на людей. Техногенные электрические поля 119 способствуют увеличению уровня интенсивности блуждающих токов, что приводит к возникновению и интенсификации электрокоррозионных процессов. Показатели, характеризующие техногенные физические поля, должны учитываться при оценке качества городской окружающей среды и как экологические критерии - при оценке жилой и производственной среды. Угроза теплового загрязнения — одна из актуальных проблем современного города. Тепловое воздействие промышленных производств и коммунальных предприятий сопровождается возникновением тепловых «пятен» и способствует увеличению интенсивности и масштабов проявления эрозионных, карстовых, суффозионных процессов и широкому развитию химического загрязнения. Повышение температуры подземных вод приводит к увеличению концентрации содержащихся в них химических элементов и степени их агрессивности по отношению к бетону, железобетону, металлам. Повышение температуры подземных вод и грунтов активизирует процессы биокоррозии вследствие интенсификации процесса роста и жизнедеятельности некоторых микроорганизмов. Нарушение температурного режима в породном массиве, в котором размещено большое количество различных сооружений и коммуникаций, ведет к неизбежным дополнительным затратам энергии на охлаждение и защиту их от тепловой коррозии. 5.2. Эколого-геологические проблемы промышленно-урбанизированных территорий. Отходы производства и жизнедеятельности Подземные воды являются основным динамическим фактором воздействия на геологическую среду, а через нее - на формирование территории города в целом. Для предотвращения подтопления площадей и активизации разрушительных геологических процессов и других проявлений должны применяться инженерные методы защиты, направленные на реализацию комплексных решений по регулированию фильтрационного потока: строительство вертикальных, горизонтальных и комбинированных дренажей, водотоков, защитных экранов, фильтрационных завес, дамб, свайных укреплений, регулирующих прудов, подсыпка грунта на подтапливаемых территориях и др. Причинами подтопления и заболачивания территорий городских агломераций могут быть: а) потери из водонесуших коммуникаций (нормативная величина - 4% суммарной водоподачи); б) повышенная инфильтрация на открытых (не покрытых асфальтом) территориях; в) освоение подземного пространства (строительство зданий с глубоким заложением фундаментов, подземных инженерных сооружений и 120 коммуникаций), провоцирующее искусственный барраж подземных вод; г) искусственный подпор потока подземных вод за счет экранирования берегов главных рек набережными; д) благоприятное для образования верховодки геологическое строение (наличие суглинистых образований в верхней части разреза, местных водоупоров). Крупной экологической проблемой городов стал интенсивный водоотбор (сверхэксплуатация) из подземных горизонтов для питьевых и промышленных целей. В результате многолетнего интенсивного водоотбора для нужд крупных городов сформировались крупные депрессионные воронки уровенной поверхности подземных вод (рис. 15), площадь которых достигает 50 тыс. км2, а снижение уровня в центре составляет 80-130 м. В отдельных местах Москвы, особенно там, где имеются массивные сооружения, величина опускания земной поверхности достигла нескольких десятков сантиметров. Под истощением подземных вод понимается сокращение их естественных запасов, обусловленное повышением темпов водоотбора при дренировании водоносных пластов по сравнению с интенсивностью их питания. В настоящее время под многими городами мира существуют глубокие депрессионные воронки диаметром в десятки километров и глубиной в десятки, а иногда и в сотни метров. Отбор подземных вод в количестве, превышающем установленные запасы, приводит к истощению подземных вод, что приводит к сокращению планируемых сроков эксплуатации водозаборов хозяйственно-питьевого назначения. Если при интенсивном водоотборе происходит сброс дренажных вод в речную сеть, то такое истощение наносит прямой экологический ущерб или приводит к существенному ухудшению условий водопользования в регионе. Коренному преобразованию подвергается растительный и почвенный покров городских территорий. Так, изучение влияния режима понижения уровней подземных вод на геоботанические условия городских территорий свидетельствует об иссушающем влиянии водоотбора на местообитания растений (рис. 16). Под городскими магистралями и кварталами практически уничтожается почвенный покров, а в зонах рекреаций (парки, скверы, дворы) он подвержен сильному загрязнению бытовыми отходами, вредными веществами из атмосферы; обнаженность почв способствует водной и ветровой эрозии. В пределах города почвы значительно отличаются от своих аналогов в данной природной зоне. Поступающие из атмосферы осадки, содержащие карбонаты кальция и магния, вызывают повышение рН почвы до 8-9. Почвы заражены органическими веществами, главным образом сажей, — до 5 % (вместо обычных 2-3 %), а содержание тяжелых металлов в 4-6 раз превышает природное. 121 Рис. 15. Суперэксплуатация подземных вод на урбанизированных территориях с образованием депрессионных воронок [22] Водоотбор, млн. м3/год Рис. 16. Динамика изменений показателей увлажнения растительных сообществ (1), положения уровней грунтовых вод (2) и водоотбора (3) на водозаборе г. Фурберг, Германия (Жоров, 1995) 122 Ежегодно в мире образуется 140 млн. м3 твердых бытовых отходов (ТБО). В России ежегодно образуется 35-40 миллионов тонн ТБО, что составляет около 10 % от всех ежегодно образующихся отходов, а объем накопленного за последние десятилетия отходов промышленного производства и жизнедеятельности превышает 94 миллиарда тонн, что равно объему отвалов при разработке месторождений полезных ископаемых, накопленных за последние 100 лет. Таким образом, можно говорить, что скорость накопления отходов начала превышать скорость формирования техногенных отвалов при добыче минерального сырья. Только 3-5 % ТБО перерабатываются промышленными методами; оставшиеся 95 % попадают на полигоны, санкционированные и несанкционированные свалки. До настоящего времени большинство россиян считают, что у нас большая территория и мусор на ней можно еще копить и копить. Поэтому Россия вряд ли будет реагировать на какие-то международные документы и акты, кроме тех, которые несут конкретные угрозы штрафов или других серьезных материальных убытков. Под промышленными отходами и бытовыми свалками в отдельных российских регионах занято до 15 % их территории [18]. Основным способом утилизации ТБО достаточно продолжительное время будет оставаться создание полигонов для их складирования. Особенно серьёзную экологическую проблему представляют ТБО урбанизированных территорий (рис. 17). Поэтому одним из приоритетных направлений природоохранной деятельности для большинства территорий крупных городских агломераций в мире является создание полигонов ТБО, отвечающих современным санитарно-гигиеническим и экологическим требованиям. Полигон по захоронению отходов - это специализированное предприятие по централизованному сбросу, транспортировке, хранению, изменению характеристик и организованному захоронению неиспользуемых отходов. Несомненна актуальность организации в пределах полигонов ТБО систематических мониторинговых исследований как отдельных природных и техногенно-преобразованных сред, так и окружающего пространства в целом. Места размещения отходов образуют природно-техногенные системы, характеризующиеся длительным периодом развития, на протяжении которого изменяется характер их техногенного воздействия на окружающую среду. Обеспечение экологической безопасности мест размещения отходов может быть достигнуто путем преобразования этих неконтролируемых и неуправляемых антропогенных систем в природнотехнические системы. При этом полигоны и свалки ТБО являются источником значительной техногенной нагрузки как в целом на 123 Рис. 17. Самосыровская свалка ТБО, г. Казань Количество вторичных минеральных видов 90 80 70 60 Прогноз 50 40 30 Эмпирические данные 20 10 0 Первый год Третий год Пятый год Время эксплуатации свалки Рис. 18. Скорость формирования новых минеральных видов и прогноз их образования в свалочном теле 124 геологическое пространство, так и на его отдельные компоненты (педо-, лито-, гидро- и биосферы). На всех этапах «жизненного цикла» полигона в свалочном теле происходят сложные процессы, включающие миграцию металлов и образование новых органических соединений. Антропогенное и техногенное воздействия на породы и почвы в пределах подобных объектов, а также на урбанизированных территориях, способно изменять не только физико-химические и геохимические параметры, но и процессы минералообразования, приводя к возникновению несвойственных для природных условий минералов, число которых лавинообразно увеличивается со временем (рис. 18). Подобные тенденции по «быстрому» техногенному минералообразованию как новому виду геологических процессов свойственны и для других технических сооружений и техногенных объектов (например, терриконы угольных шахт, отвалы карьеров, отходы промышленных предприятий, зола отвалов ТЭЦ, нефтяные и гидрогеологические скважины и др.). На объектах складирования ТБО фиксируются значительные превышения концентраций элементов-загрязнителей в почвах, подземных и поверхностных водах. Объекты складирования ТБО и прилегающие к ним площади обладают довольно ограниченными возможностями регенерирования природного потенциала. Именно поэтому важной составляющей геологических работ на современном этапе является экологическое направление. Полигоны ТБО становятся частью геологического пространства, развиваются по его законам в ограниченном временном диапазоне при участии различных процессов химических, гидрогеохимических, биологических, геодинамических, механических, антропогенных, учесть которые одновременно практически невозможно. Территории полигонов и свалок сопоставимы с зонами чрезвычайной экологической ситуации и экологического бедствия. С другой стороны, как установлено в последнее время, в теле полигона в течение 20-30 лет после прекращения приема отходов завершаются процессы разложения органических компонентов, и формируется микробное сообщество, близкое к дерново-подзолистым почвам. Складируемые ТБО трансформируются в техногенные грунты, которые приближаются к естественным водонасыщенным грунтам со свойствами суглинков и глин и уже не представляют опасности. Обращение с отходами производства и потребления считается одним из наиболее экологически опасных видов хозяйственной деятельности, нуждающемся в детальном государственном регулировании. Эффективным механизмом регулирования государством общественных отношений является право, и роль экологического права и экологического законодательства, как регулятора общественных экологических отношений, 125 состоит в поддержании разумного баланса между разнополярными экологическими и экономическими интересами государства, общества и бизнеса. Можно выделить ряд перспективных направлений совершенствования законодательства, которые отражают важнейшие приоритеты государственной экологической политики в сфере обращения с отходами производства. 1. Предупреждение и сокращение объемов образования отходов, а также максимально полное использование сырья и материалов, путем внедрения и применения малоотходных и ресурсосберегающих технологий и оборудования - принцип 3R (по трем начальным буквам английских слов «reduce, reuse and recycle waste» — сокращение объема, повторное использование и переработка отходов). 2. Переход от преимущественно административных мер регулирования отношений в области обращения с отходами к преимущественно экономическим методам. 3. Обеспечение экологической безопасности деятельности по размещению и обезвреживанию отходов с переходом от «коричневой» к «зеленой» экономики. 4. Внедрение в Российской Федерации принципа ответственности производителей. 5. Ликвидация прошлого (накопленного) экологического ущерба. Существует прямая связь желаемого устойчивого развития с сокращением отходов. 5.3 Подземное пространство мегаполисов Рост урбанизации приводит к интенсификации городского строительства, конструктивному усложнению и повышению высотности возводимых объектов, более широкому использованию подземного пространства [22]. Потребность в увеличении жилой площади вынуждает городские власти уплотнять застройку, использовать под нее территории, неблагоприятные в инженерно-геологическом отношении: оползне- и карстоопасные, подтопленные и заболоченные участки, поймы рек, места бывших свалок и т. д. Техногенные процессы оказывают двоякое воздействие на условия строительства и эксплуатации подземных сооружений и на окружающую среду. С одной стороны, характер их проявления может улучшить природные условия и сделать их более приемлемыми для подземного строительства, с другой — инженерная и хозяйственная деятельность человека часто создает условия, благоприятные для развития некоторых геологических процессов и явлений. Взаимодействие человека с 126 геологической средой проявляется в ходе строительства и эксплуатации подземных объектов, при проведении горно-строительных работ, в процессе прямого преобразования структуры и свойств геологической среды с заданной целью (мелиорация, химическое укрепление и т. п.) или может проявляться как побочный, не учтенный заранее процесс. При создании подземных объектов происходит резкое нарушение естественного состояния массива горных пород, гидрогеологических условий, температурного поля и других компонентов геологической среды. Происходит загрязнение подземных и поверхностных водоемов, шумовое и вибрационное загрязнение, токсическое воздействие от применяемых материалов гидроизоляции и химического укрепления грунтов, резко изменяются структура и состав грунтов, что создает угрозу прорыва грунтов плывунного характера в подземные объекты и ухудшает общую экологическую обстановку в районе подземного строительства. Так как все компоненты окружающей среды являются взаимосвязанными, то изменения, происходящие в подземном пространстве города, влекут за собой изменения на поверхности земли, в атмосфере, часто являясь необратимыми. Поэтому значительный интерес представляет вскрытие закономерностей ухудшения экологической обстановки при строительстве и эксплуатации подземных объектов. Массив горных пород, как правило, подвергается воздействию одновременно нескольких техногенных факторов. Важной особенностью техногенного воздействия подземных сооружений на окружающий массив и экологическую обстановку в городе является их разная направленность в периоды строительства и эксплуатации объекта. Разная направленность природных и техногенных процессов связана с различным характером воздействия сооружений на массив горных пород в период их эксплуатации и при строительстве. Кроме того, период существования временных подготовительных выработок намного меньше, чем период эксплуатации подземного объекта, в связи с этим процессы в период строительства носят неустановившийся характер и протекают динамично, а процессы в период эксплуатации приобретают стабильный характер. Необходимость экономии земель под застройку, охраны природной среды, предотвращения вредного воздействия природных и бытовых факторов на жизнедеятельность людей, защиты объектов различного назначения от шума, вибрации, перепада температур и другие особенности функционирования городской среды предопределяют целесообразность освоения подземного пространства территорий городов и промышленных предприятий для размещения объектов различного функционального назначения. Подземные сооружения обладают многими техническими и экономическими преимуществами: сокращение протяженности 127 инженерных коммуникаций, экономия строительных материалов и энергии, уменьшение плотности застройки, отсутствие затрат на поддержание каркаса зданий и сооружений, снижение уличного травматизма и др. Освоение подземного пространства городов может осуществляться следующими путями: 1) использование отработанных горных выработок при их соответствующем переустройстве для выбранных целей; 2) строительство специальных подземных объектов; 3) использование естественных полостей, образованных в результате природных явлений или являющихся следствием техногенной активности в данном районе. Строительству подземных сооружений должно предшествовать экологическое обоснование, которое включает следующие положения: а) детальная информация о природных условиях территории и составляющих ее компонентах; б) оценка воздействия объекта на окружающую природную среду и условия жизнедеятельности населения; в) оценка экологического риска намечаемых технических решений, включая возможность возникновения аварийных ситуаций; г) мониторинг за состоянием природной среды в период строительства подземных объектов, их эксплуатации, ремонта и консервации; д) комплекс мероприятий инженерной защиты окружающей среды от ее негативных изменений в процессе строительства и эксплуатации подземных сооружений города. В основе обоснования решения о подземных разработках должен лежать комплексный подход к освоению подземного пространства, который базируется на ряде критериев (табл. 8). Эти критерии входят в систему разработки научных основ комплексного освоения подземного пространства территорий промышленных предприятий и крупных городов в целом, что является стратегией современного градостроительства и экологической необходимостью рационального использования территории. Для осуществления данной стратегии необходимо выявление номенклатуры подземных сооружений, осуществление комплексной оценки влияния природных и техногенных факторов на городские подземные сооружения и окружающую среду, определение источников, видов, характера воздействия подземных объектов на вмещающий массив и среду города, изыскание методов и способов обеспечения экологической надежности городских подземных объектов. Первоначальным аспектом обеспечения экологической надежности подземных сооружений на стадии проектирования является выделение санитарно-защитных зон промышленных объектов города и экологическое районирование территорий. 128 Таблица 8. Критерии комплексности при освоении подземного пространства [22] Критерий Социальный Геоморфологический Горно- и гидрогеологический Технологический Экологический Экономический Критерии инфраструктуры Правовой Определяющие условия Необходимость и значимость ведения строительных работ под землей Взаимодействия системы «подземное сооружение — массив горных пород — окружающая природная среда» при прогнозе возможных нарушений и перспектив использования отдельных элементов подземного объекта после прекращения его функционирования по назначению Обеспечение безопасного использования подземного пространства и исключающие техногенное загрязнение окружающей среды Границы допустимого техногенного воздействия на горный массив Санитарно-гигиенические и медицинские уровни воздействия подземного строительства на окружающую среду Рентабельность капиталовложений для обеспечения надежности работы системы «подземное сооружение - городская среда» Эволюция и взаимодействие элементов искусственной экосистемы «подземный объект - горный массив - городская среда» Система правил и норм пользования недрами, принципы компенсации и льготы населению в случае возникновения аварийных ситуаций Необходимо изыскание мер, которые эффективно воздействовали бы на саморегуляцию природной среды и снимали негативные последствия вмешательства человеческой деятельности в биосферу. Иными словами, необходима инженерная защита окружающей среды, которая состоит в выборе определенных искусственных мер влияния на определенные элементы экосистемы с целью сохранения естественного баланса и получения заданных свойств того или иного элемента при техногенном воздействии на него. Одним из направлений инженерной защиты окружающей среды является пространственное развитие инфраструктуры городов, т. е. создание многоуровневых городских образований. Такие города должны развиваться максимально по вертикали, причем не только за счет наземной части, но и за счет многоплановой организации и использования подземного пространства. Каждый город представляет собой сложный градостроительный комплекс, строительство и рациональная планировка которого приводят к 129 нарушению баланса экосистемы. Подземные сооружения находятся в тесном взаимодействии с подземными частями наземных зданий и сооружений на основании ряда общих санитарно-гигиенических, инженерно-строительных, архитектурных и других требований, предопределяющих оптимальные планировочные и инженерно-технические решения. Таким образом, подземные и наземные сооружения города представляют собой элементы одной сложной системы, которые влияют друг на друга, приводя к перераспределению природного баланса в ту или иную сторону. Подземные условия уже сами по себе являются крайне специфичными, т. к. подземные сооружения располагаются в массиве горных пород, в котором действуют гравитационное, тепловое, магнитное, электрическое и другие поля. Влияние этих полей накладывает определенные ограничения на конфигурацию, форму, тип и стиль архитектурных подходов. Строительство подземных сооружений, особенно в условиях города, характеризующихся, как правило, наличием слабых, обводненных вмещающих пород, сопряжено с активизацией всех негативных природных процессов, естественного перераспределения напряжений в массиве. Поэтому экологическая опасность процессов подземного строительства может рассматриваться лишь при комплексном подходе к изучению закономерностей взаимовлияния подземных объектов и окружающей среды. Задача экологической безопасности городского подземного строительства состоит в сохранении территориальной ценности, целостности и удобства застройки; максимальном снижении ущерба, наносимого природе, и создании многоуровневых (с подземным пространством) городских образований для размещения объектов различного назначения; изыскании эффективных и рациональных способов инженерной защиты окружающей среды от техногенного вмешательства. Основными моментами общей экологической оценки являются. 1. Анализ гигиенических параметров среды, включающий изучение загрязнителей (виды, спектр, природа, механизмы действия) и влияния погодно-климатических факторов. 2. Территориальный анализ городской среды, включающий изучение соотношения, размещения и взаимовлияния застройки (жилой, административной и промышленной), коммуникаций, озеленения (зеленые массивы, парки, сады, скверы, бульвары, озеленение улиц и т. п.). 3. Экологическая оценка городской среды, основанная на изучении экосистемы города, ее вещественных, энергетических, информационных связей, исследовании структуры, функций и динамики экосистемы города. 130 4. Интегральная оценка городской среды, которая базируется на данных экологического, медико-гигиенического, социального и архитектурно-градостроительного характера. 5. Анализ природных и техногенных факторов, влияющих на состояние здоровья населения прямо и опосредованно (через изменение городской среды). Освоение подземного пространства, наряду с природными факторами (карст, суффозия, плывуны), осложняется техногенными причинами, что требует строго научного подхода к вопросам его инженерногеологического, гидрогеологического и геометрического изучения. Так, фильтрационные потери из подземных водных коммуникаций явились результатом подтопленности приблизительно 1/3 территории Москвы. Загрязнение воздушного бассейна выбросами автотранспорта и промышленных предприятий, возникновение стойких геохимических аномалий и закисление грунтовых вод привели к образованию карстовых воронок и явились причиной деформации нескольких жилых зданий. В результате ведения горно-строительных работ возрастает роль подземных вод, а техногенная активизация фильтрационных процессов вызывает размывание и химическое растворение гидронестойких грунтов (известняков, гипсов, доломитов) и образование карстовых форм. Наличие имеющихся ранее не выявленных пустот в породном массиве представляет потенциальную опасность для строящихся и эксплуатируемых подземных объектов, так как нарушает устойчивость массива, и, как следствие, — обрушение карстовых полостей, затопление выработок и повреждения их конструкций. Из-за сложности и взаимосвязанности процессов, развивающихся между подземными объектами и геологической средой, не все они поддаются точным прогнозам - для большинства из них возможна лишь оценка качественных изменений. Различают несколько видов прогноза: 1) устанавливающий прогноз - выделение существенных, но неизвестных до своего завершения или внешнего проявления процессов. К этому виду относятся прогнозы геологического строения, гидрогеологических условий и геологических процессов в пределах предполагаемого района строительства подземных сооружений; 2) ретроспективный прогноз - объяснение условий возникновения какого-либо процесса или явления в прошлом, например систем карстовых полостей и трещин, древних оползней и т.п., причин катастроф или аварий существующих сооружений; 3) перспективный прогноз - предсказание событий, процессов или явлений, которые не известны в настоящее время и не наблюдались ранее, но могут возникать в изучаемом породном массиве или в районе 131 исследований при определенном техногенном воздействии. Перспективный прогноз базируется на анализе взаимодействия в системе «подземное сооружение - массив горных пород» и выявлении связей между обеими частями системы, которые проявляются в развитии геологических процессов. По длительности периода прогноза различают [22]: долгосрочные прогнозы на десятки и сотни лет (срок, соизмеримый с длительностью существования и эксплуатации сооружения); заблаговременные прогнозы на несколько лет (срок, сопоставимый со временем строительства и позволяющий осуществить необходимые мероприятия инженерной защиты); прогнозы на ближайший год или сезон (срок, определяемый возможностями некоторых методов прогноза или потребностями строительства); краткосрочные прогнозы на несколько месяцев или дней (возможность вывести людей и эвакуировать оборудование из опасной зоны при катастрофическом развитии процесса); экстренные предупреждения за несколько часов или минут до аварии, чтобы избежать человеческих жертв. Существуют безотносительные во времени прогнозы, которые составляют в расчете на неблагоприятное стечение обстоятельств или события, происходящие непредсказуемо и мгновенно (например, катастрофический внезапный прорыв воды в горную выработку, землетрясения, обрушения, обвалы и т. п.). Следующим этапом после прогноза является моделирование. При городском подземном строительстве применяют все виды моделирования: натурное, лабораторное, логическое, математическое. Натурное моделирование заключается в установлении подобия процессов, явлений и строения природных комплексов между объектом прогноза (оригиналом) и натурной моделью (аналогом). Натурные модели позволяют воспроизвести не только состояние, но и изменившиеся под воздействием сложных динамических нестационарных условий ситуации. При лабораторном моделировании подобие модели оригиналу заранее обеспечивается условиями опыта и структурой модели. Модели этого типа позволяют раздельно изучить те факторы, которые в природной обстановке действуют совместно. К методам лабораторного моделирования относятся: воспроизведение напряженного состояния массивов горных пород, методы эквивалентных материалов, механических моделей, электрогидродинамических аналогий и т. п. Обработка результатов массовых испытаний свойств грунтов приводит к созданию статистических моделей (математическое моделирование), одной из разновидностей логических моделей. Последние представляют собой абстракции любых физических моделей (натурных и лабораторных). Моделирование как этап экологической стратегии позволяет посредством 132 выбора наиболее рациональной технологии строительства и соответствующих мер инженерной защиты максимально снизить опасность появления необратимых изменений окружающей среды. Этим же целям служит комплексная оценка воздействия на окружающую среду (ОВОС) при разработке и обосновании проекта строительства. Cогласно требованиям экологического законодательства проведение ОВОС и экологической экспертизы предусмотрено для любой планируемой хозяйственной деятельности на территории Российской Федерации. ОВОС проводится при подготовке и принятии решения о развитии хозяйственных объектов, которые могут оказать значительное неблагоприятное воздействие на окружающую среду. Окончательное решение о реализации проекта принимается после проведения государственной экологической экспертизы, которая проверяет соответствие хозяйственной деятельности условиям соблюдения экологической безопасности общества. Цель ОВОС — анализ последствий техногенной деятельности в районе ведения горно-строительных работ. Проект строительства при реализации оказывается «погруженным» в окружающую среду на конкретной территории, которая воспринимает техногенное воздействие от сооружаемого объекта. Некоторая часть этих воздействий подлежит нормированию и может быть ограничена определенными мерами инженерной защиты окружающей среды. Однако практика показывает, что порог ПДК, как правило, превышен, особенно в давно освоенных регионах. Поэтому применения только нормативного подхода к решению экологических проблем недостаточно. Наряду с использованием уже накопленного опыта в виде пороговых величин некоторых видов воздействия необходимо выявлять и учитывать экологические последствия реализации любой проектируемой деятельности. При этом речь идет не только об изменениях параметров соответствия природной среде, но и о социальных, экономических и других изменениях. ОВОС включает выявление, оценку и анализ предполагаемых воздействий техногенной деятельности, изменений окружающей среды как результата этих воздействий и их последствий для общества. ОВОС оценивает последствия во всех аспектах окружающей среды, задавая в каждом конкретном случае конкретные рамки исследования, определяемые кругом выявленных последствий. Цели ОВОС можно сформулировать следующим образом: 1) всестороннее рассмотрение предполагаемых выгод и потерь эколого-социально-экономического развития; 2) выработка эффективных мер снижения уровня неблагоприятных воздействий на окружающую среду; 133 3) разрешение экологических конфликтов на территориях в результате осуществления различных видов деятельности на общей территории; 4) предоставление наиболее полной информации о возможных экологических, социальных и экономических последствиях принятия технических, технологических и других решений при подземном строительстве. 5.4 Экологические аспекты при разработке месторождений полезных ископаемых Земля - благодатная планета с огромными и разнообразными природными ресурсами. Основная масса проблем, с которой сталкивается человечество, связана не с нехваткой ресурсов как таковых, а с их неразумной и неэффективной эксплуатацией. Все используемые человеком природные ресурсы обычно разделяют на три категории: невозобновимые, ограниченно возобновимые и неограниченно возобновимые. К невозобновимым ресурсам относятся прежде всего полезные ископаемые: нефть, уголь, природный газ, уран (энергетические ресурсы и сырьё для химической промышленности), руды многих металлов, фосфаты и минеральное сырьё, используемое в строительстве. Потребление всех этих ресурсов во второй половине XX века очень быстро росло, и геологические запасы многих из них сильно истощены. Однако, например, содержание алюминия, железа, титана и кремния в земной коре столь велико, что потенциальные ресурсы этих веществ можно считать также неограниченными. Сохранению многих ресурсов полезных ископаемых способствует многократное использование получаемых материалов. Прежде всего, это относится к повторному использованию металлов. В развитых странах сбор и переплавка металлического лома играют всё большую роль. Примерно 50 % стали, около 40 % алюминия и до 70 % меди и свинца в этих странах используется повторно, и тенденция к росту вторичного использования постоянно растёт. Хотя последняя и обусловлена, в основном, экономическими причинами, она весьма благотворна для сохранения запасов полезных ископаемых, минимизации ущерба природной среде (снижение энергопотребления, уменьшение вредных выбросов в атмосферу, сокращение площади новых горных выработок). К ограниченно возобновимым ресурсам относятся, например, территория (земля) и плодородные почвы, запасы пресной воды, древесина, пищевые ресурсы в океане, по данным некоторых исследователей запасы углеводородов и т. п. Загрязнение, уничтожение и деградация вследствие 134 избыточной антропогенной нагрузки могут превращать данные ресурсы в невозобновимые. Неограниченно возобновимым ресурсом можно считать только солнечную энергию и ее производные - энергию ветра и падающей воды. Некоторые ресурсы могут быть невозобновимыми, но в известной мере заменяемыми. Проблема обычно заключается в экономической возможности такой замены. Трудности, с которыми человечество может столкнуться в обозримом будущем, - это дефицит традиционных видов топлива (нефти и газа), уничтожение и деградация плодородных почв и пресных вод. Проблема истощения возобновимых ресурсов и отношения к ним цивилизации подобна проблеме предпринимателя, обладающего определённым капиталом. Возобновимые ресурсы достались человечеству даром - это исходный основной капитал. Разумно им распоряжаясь, его можно даже приумножить и получать прибыль для собственных нужд и запросов. Но если предприниматель будет тратить на удовлетворение своих запросов не только прибыль, но и основной капитал, он рано или поздно разорится. Сегодня ситуация такова, что человечество живёт подобно легкомысленному предпринимателю, растрачивая свой основной капитал природные ресурсы. Основные площадные источники техногенеза связаны с добычей, переработкой и использованием минеральных ресурсов. Крупные изъятия земли осуществляются при добыче полезных ископаемых открытым способом. Например, на отдельных территориях РФ под карьерами занято до 25 % земель общего пользования [18], а на одного россиянина добываются более 45 тонн минерального сырья. Добыча наземными и подземными горными выработками относится к наиболее мощным источникам техногенеза в геологическом пространстве, его составными элементами являются инженерные сооружения, карьеры, шахты, горнообогатительные комбинаты, скважины, промыслы, нефтехимические предприятия и др. Выделяют прямое и косвенное техногенное воздействие на геологическое пространство. Прямое техногенное воздействие связано с функционированием добывающей отрасли, технологией добычи и переработки минерального сырья и чаще всего приводит к изменению сложившихся форм рельефа, снятию растительности и почвенного покрова, геохимической трансформации биоты (табл. 9), а также изменению форм речной сети и нарушению водного режима поверхностного и подземного стока воды, а также трансформацией литосферы. 135 Таблица 9. Ассоциации повышенных концентраций элементов в растениях над месторождениями полезных ископаемых, по [5] с небольшими сокращениями Тип месторождений Редкометалльные пегматиты Танталоносные апограниты Скарновые медно-кобальтовые Грейзеновые сульфидные Гидротермальные золото-кварцевые Гидротермальные золото-сульфидные Гидротермальные урановые Гидротермальные оловорудные Колчеданно-полиметаллические Медно-колчеданные Алмазоносные кимберлиты Залежи углеводородов Ассоциации элементов Li, Cs, Ta, Nb Rb, Li Co, Ni, Cu, As Be, Mo, Bi Zn, Au Au, Cu, As U, Th, РЗЭ Sn, Pb, Cu, Zn Pb, Zn, Mo, Ag Mo, Cu, Zn, Co Ni, Cr, Ti Pb, Zn, Co, Mn, Ni, Ba, Cr Косвенное техногенное воздействие проявляется изменениями в установившихся природных связях окружающей среды, ландшафтах, в состоянии здоровья населения. Для эффективной защиты здоровья людей, окружающей среды и рационального недропользования актуальна разработка принципов оценки эколого-геохимической опасности месторождений полезных ископаемых и связанных с ними горнообогатительных производств. Так, при эксплуатации месторождений полезных ископаемых могут образовываться следующие геохимические аномалии токсичных элементов: 1) литогеохимические аномалии в породах и отходах горнорудного производства; 2) атмогеохимические аномалии радон, метан, сероводород и др.; 3) гидрогеохимические аномалии в результате загрязнения подземных и поверхностных вод; 4) геохимические аномалии в донных отложениях; 5) биогеохимические аномалии в почвах и растительности. О масштабах косвенного воздействия свидетельствуют вторичные ореолы рассеивания полезных ископаемых и вмещающих пород. Например, при добыче угля ореолы рассеивания угольной пыли достигают 1 км от карьера, а ореолы углеводородного загрязнения от нефтяных скважин соизмеримы с площадью самих залежей. Производство медно-никелевых руд на предприятии ОАО «Норильскникель» относится к самому большому источнику промышленной эмиссии сернистого ангидрида на Земле; при этом, ореолы от выбросов комбината достигают 900 км [18]. Различают локальное, региональное и глобальное техногенные воздействия на природную среду. На местном (локальном) уровне объекты антропогенеза представлены горно-обогатительными комбинатами, 136 карьерами, шахтами, скважинами, рудниками. Комплекс объектов локального уровня образует узлы и группы, входящие в состав регионального уровня: группа месторождений, бассейн (угольный, торфяной, соляной, водный, нефтяной, газовый и т. п.), пояс (нефтегазоносный, рудный, угольный, тектонический). Региональное воздействие часто по масштабам воздействия переходит в разряд глобальных, и исследователи порой затрудняются провести грань между локальным воздействием и глобальным. Например, поступление метана от природных источников (через болотные системы, тектонические разломы, зоны субдукции и рифтовые зоны) составляет 80 % от общей эмиссии его в атмосферу. В таком случае техногенная составляющая (20 %) вполне соизмерима по своим масштабам с природными источниками. На региональные масштабы техногенеза может указывать процесс разработки руд при близком расположении рудных месторождений (например, месторождения железа Курской магнитной аномалии). Часто рудные месторождения соседствуют с месторождениями коксующихся углей (Донецкий, Кузнецкий бассейны), что возводит эти регионы в источник техногенеза регионального масштаба. Возникают и обратные ситуации, когда, в силу социальных причин, региональный источник техногенеза сужается до масштабов локальных. Так, например, в КанскоАчинском бассейне добываемый уголь перестал вывозиться в другие регионы, а стал временно использоваться только в своем регионе. Разработка крупных месторождений обусловила формирование своеобразных карьерно-техногенных ландшафтов (рис. 19) и ландшафтов нефтяных промыслов (рис. 20). Масштабы воздействия на геологическое пространство определяются размерами источника техногенеза (скважина, карьер, месторождение, предприятие и т. п.), геолого-структурным строением региона, близостью источников сырья. Уровень взаимодействия общества с окружающей природной средой зависит от следующих условий: расположение добывающих и перерабатывающих предприятий, наличие транспортных и энергетических систем, а также обслуживающей инфраструктуры; состояние урбанизации и территориальной организации производства и др. Так, предприятия, добывающие минеральное сырье, загрязняют окружающую среду, а с другой стороны, они увеличивают свои мощности и совершенствуют технологию производства, что также приводит к росту техногенного загрязнения окружающей среды. Например, при разработке Верхнекамского месторождения калийных солей на поверхность извлекаются значительные объемы калийных солей, образуются отвалы горных пород, которые не усваиваются растениями, а накапливаются, и просачивающиеся через них атмосферные осадки приводят к формированию солей и кислот, опасных для живых организмов. 137 К аналогичным результатам приводит образование хвостов и отвалов при разработке месторождений. Например, накопленные за последние 100 лет в России 100 миллиардов тонн минеральных отвалов [18] является очень мощным фактором загрязнения окружающей среды и развития техногенеза. Реальную эколого-геохимическую опасность, связанную с разработкой месторождения, представляют собой отходы горного производства: шламо- и хвостохранилища, отвалы убогих руд и вскрышных пород (рис. 21). Именно эти породы, часто представляющие собой мелко раздробленные высокодисперсные грунты, интенсивно окисляющиеся в зоне аэрации и содержащие остатки химических реагентов флотационного обогащения руд, могут стать источниками токсичных химических элементов и их соединений, загрязняющих окружающую природную среду. Для оценки вредного воздействия токсичных отходов на среду обитания и здоровье человека разработаны и введены в действие ряд санитарногигиенических правил и нормативных актов, регламентирующих критерии отнесения опасных отходов к классу опасности для окружающей природной среды. Согласно действующим правилам по степени воздействия на человека и окружающую среду отходы распределяются на пять классов опасности (табл. 10). Процесс освоения углеводородного потенциала недр способен привести к возникновению аварийных и чрезвычайных ситуаций в районах нефтедобычи с негативными последствиями и ущербом для окружающей среды. Основными загрязнителями геологической среды при разработке залежей углеводородов являются: нефть и нефтепродукты, газ, сернистые и сероводородсодержащие газы, минерализованные пластовые и сточные воды нефтепромыслов и бурения скважин, химические реагенты, применяемые для интенсификации процессов нефтедобычи, бурения и подготовки нефти, газа и воды. Эксплуатация крупных горнодобывающих предприятий нередко приводит к необратимым негативным явлениям регионального характера истощению ресурсов и ухудшению качества подземных вод на больших площадях, прилежащих к карьерным и шахтным полям. При дренаже месторождений откачиваются большие объемы воды (сотни и тысячи кубических метров в час), что вызывает формирование вокруг горных выработок депрессионных воронок радиусами в десятки километров (при понижениях напоров, измеряемых сотнями метров). Таким образом, ухудшается водный баланс крупных территорий; водозаборы, попадающие в зону влияния дренажных работ, существенно снижают свою производительность или выходят из строя; нарушаются условия питания открытых водоемов и водотоков; развиваются мощные зоны техногенной аэрации, что нарушает естественный влажностный режим почв и грунтов. 138 Рис. 19. Карьерно-техногенный ландшафт в районе разработки кимберлитовой трубки Удачная, Якутия Рис. 20. Нефтепромысел Самотлорского месторождения, Западная Сибирь 139 Рис. 21. Отвалы вскрышных пород на золоторудном месторождении Мурунтау, Узбекистан (Наимова, 2010) Таблица. 10. Нормативы платы за размещение отходов добывающей промышленности на территории РФ с 2010 г. Вид отходов по классам опасности для окружающей среды I класс (чрезвычайно опасные) II класс (высоко опасные) III класс (умеренно опасные) IV класс (малоопасные) V класс (практически неопасные) Норматив платы за размещение 1 тонны отходов, руб. 3113,2 1334,3 889,6 444,6 0,72 Одновременно осушение водоносных горизонтов и сброс откачиваемых вод серьезно изменяют сложившееся в районе гидрохимическое равновесие, приводя, как правило, к заметной трансформации состава подземных вод. Загрязнение подземных вод в районах разработки месторождений является достаточно характерным, а часто и неизбежным следствием отвода, сброса и накопления в 140 поверхностных бассейнах рудничных и технических вод, а также прямым результатом дренажа и водоотлива из горных выработок. В целом гидрохимическая обстановка в районе добычи полезных ископаемых обычно резко меняется к худшему и обеспечение экологического равновесия требует нередко проведения дополнительных, подчас дорогостоящих, водоохранных мероприятий. Все это превращает горнодобывающие районы в наиболее «горячие» точки планеты с позиций охраны подземных вод от истощения и загрязнения. Глобальный характер проблемы подтверждается всей мировой практикой горных разработок. Анализ показывает, что многие крупные просчеты проектов, оборачивающиеся серьезными экологическими сдвигами в природной обстановке или экономическими потерями, могут быть частично отнесены за счет слабой увязки инженерных решений с требованиями охраны среды. Другой важной причиной, приводящей к ошибкам, является дефицит или низкое качество исходной гидрогеологической информации, на которую опирается проектирование. Наконец, необходимо упомянуть и о недостаточной эффективности водоохранных и контрольных мероприятий, служащих основой для управления качеством подземных вод в горнодобывающих районах. Последнее обстоятельство во многом обусловлено традиционным «жестким» подходом к проектированию, сдерживающим или даже исключающим возможности адаптации этих мероприятий к вероятным расхождениям с первоначальными прогнозами. Ниже приведена последовательность гидрогеологических работ на горнодобывающих объектах: 1) выявление и анализ общих закономерностей и основных причин региональных и локальных изменений в гидродинамическом и гидрохимическом режиме подземных вод, определяющих возможности прогрессирующего их загрязнения под влиянием горного производства; 2) типизация условий загрязнения подземных вод в горнодобывающих районах; 3) разработка требований к гидрогеологической изученности месторождений, к составу и видам гидрогеологических изысканий, а также к проектам горных предприятий; 4) обоснование принципов и методов прогнозирования изменения качества подземных вод под влиянием горного производства; 5) разработка методики опытных (полевых и лабораторных) гидрогеологических работ, обеспечивающих в период разведки месторождений необходимые данные для предварительного прогноза процессов загрязнения подземных вод в горнодобывающих районах; 141 6) разработка научно-методических основ подготовки, проведения и интерпретации режимных наблюдений за качеством подземных вод; 7) разработка конкретных водоохранных мероприятий. При добычах нефти или газа нередко отмечаются землетрясения, которые связывают, прежде всего, со снижением пластовых давлений и последующим его восстановлением в случае нагнетания воды при законтурном заводнении залежей. Отсюда, направленное изменение режима подземных вод можно использовать как средство регулирования землетрясений. Выполняя важную роль в тектонических и сейсмических процессах, подземные воды являются фактором, ухудшающим сейсмические условия территории, они оказывают влияние на скорости распространения продольных и поперечных упругих волн и сейсмическую жесткость горных пород и грунтов. Изменение физических показателей обводненности горных пород определяет особенности распространения волн упругих колебаний, воздействующих на инженерные сооружения. Когда режимные отклонения проявляются до толчков, можно говорить о наличии гидрогеологических предвестников землетрясений. Различают три группы гидрогеологических предвестников землетрясений: гидродинамические (изменения напора подземных вод, их дебитов и фильтрационных характеристик пород); гидрогеохимические (вариации ионно-солевого, микрокомпонентного и изотопного составов подземных вод и газов могут отражать определенные стадии подготовки землетрясений) и гидрогеотермические (изменения направления переноса тепла от горизонтов более нагретых к более холодным). Весьма значительные отклонения от фона наблюдаются в подземной гидросфере вслед за разрядкой тектонических напряжений, при этом нарушения в подземной гидросфере после землетрясения развиваются на более обширной площади, чем при подготовке землетрясений. Возникающие отклонения режима подземных вод фиксируются в виде различных гидродинамических, гидрогеохимических и гидрогеотермических аномалий. 5.5 Техногенные залежи минерального сырья В ходе эволюции на нашей планете создана цепочка геологических формаций: эндогенная (магматические, вулканогенные, рудные месторождения) → экзогенная (россыпи, осадочные месторождения, газово-жидкие скопления) → геотехногенная. Происхождение последней обусловлено производственной деятельностью человечества техногенезом, под действием которого в приповерхностной части литосферы формируются новые скопления металлов, неметаллических 142 веществ, соединений и вод в виде техногенных месторождений. Техногенные месторождения - это скопления минеральных веществ на поверхности Земли или в горных выработках, образовавшиеся в результате их отделения от массива и складирования в виде отходов горного, обогатительного, металлургического и других производств и пригодных по количеству и качеству сырья для промышленного использования. Отличительной чертой геотехногенной формации как открытой системы является высокая степень адаптации к изменяющемуся окружению за счет подтоков вещества и энергии. Обычно в ходе урбанизации и промышленного освоения территорий достаточно быстро растет группа антропогенно-преобразованных подземных вод, донных осадков и пород, которая может представлять интерес для обнаружения техногенных месторождений. Потоки материалов, получаемых из земных недр и поступающих в экономику и возвращаемых в недра, можно изобразить схематически (рис. 22). Инвестиции в переработку и повторное использование Переработка Твердые отходы Неразведанные запасы Используемые продукты Разведанные запасы Открытие месторождений Инвестиции в геологоразведку Обработанное сырье Добыча Инвестиции в добывающие отрасли Производство Инвестиции в производство Рис. 22. Путь от неразведанных запасов к переработке и повторному использованию сырья [25] 143 При этом техногенез может привести к возникновению в литосфере ранее неизвестных (и даже «чуждых» для естественных условий) химических, физических, биологических аномалий. С другой стороны, рост численности населения земного шара и общий прогресс цивилизации способствуют расширению видов и объемов промышленного минерального сырья и снижению требований к его кондициям (переработка менее качественного сырья), что постепенно уменьшает расстояние между природными и техногенными месторождениями. Поэтому закон наследования «новое зарождается в недрах старого» находит подтверждение в формировании техногенного месторождения на площадях с природными скоплениями полезных ископаемых. Решение проблем с техногенными отходами необходимо рассматривать, с одной стороны, как значительный ресурс минеральносырьевой базы, а с другой - как решение проблем охраны окружающей среды и улучшения экологической обстановки. Техногенные отходы включают складированные вскрышные и вмещающие горные породы, забалансовые руды, отходы угольной промышленности, черной и цветной металлургии, промышленности строительных материалов. На территории РФ под техногенными отходами занято более 300 тыс. га земель (Аксенов, 2010). Объем продуктов антропогенной деятельности настолько велик, что максимальные концентрации и суммарные запасы техногенных скоплений тяжелых металлов и других химических элементов за счет выбросов предприятий, не говоря о токсичных веществах органического происхождения, не только соизмеримы, но нередко превышают таковые в природных месторождениях полезных ископаемых. Геохимические исследования показали, что крупные города представляют собой техногенные геохимические провинции, которые по уровню накопления химических элементов превосходят территории развития рудных полей и месторождений. Горные условия, рельеф сильно влияют на развитие техногенеза в зоне эксплуатации месторождений или при строительстве плотин, гидростанций, туннелей и пр. [18]. Так, эксплуатация Таковского месторождения цветных металлов в высокогорных условиях Гиссарского хребта (1,5 км над уровнем моря) привела к образованию мощных (до 200 м) накоплений техногенных грунтов (отвалов), которые стали контактировать с поверхностными скальными породами, заполнять глубокие ущелья, выравнивать горный рельеф, а в поверхностной части литосферы вступать в гипергенные процессы, образуя сложные техногенные минералы. В последнее время вопросам формирования, изучения и переработки техногенных месторождений уделяется значительное внимание. Особенно 144 актуальны исследования геотехногенных формаций для регионов, где история горнодобывающей промышленности и, соответственно, образования техногенных месторождений насчитывает многие десятилетия и даже столетия. К подобным регионам относится и Республика Татарстан (РТ), где еще в XVIII веке сформировались техногенные месторождения отвалы при добыче медных руд из пермских отложений. К настоящему времени на территории республики накоплены сотни миллионов тонн отходов минерального сырья, а среди техногенных образований можно выделить твердый, жидкий и газообразный виды потенциального сырья (табл. 11). К первоочередным объектам изучения формирования Таблица 11. Виды техногенного сырья на территории Республики Татарстан Техногенные объекты Отвалы при добыче медных руд Свалки, полигоны промышленных и бытовых отходов Попутные воды (рассолы) при разработке нефтяных месторождений Полезное ископаемое Примеры Медь Медеплавильные заводы CH4 (метан) Металлы Самосыровский полигон ТБО Шламонакопители ОАО «Нижнекамскнефтехим» Бром, йод, бор и др. Месторождения нефти юго-востока РТ Коллекторы в верхней части осадочного чехла (надпродуктивные горизонты месторождений нефти юго-востока РТ) Нефть Ромашкинского, Ново-Елховского, Нурлатского месторождений, битумные месторождения Утечки из скважин на месторождениях нефти Углеводороды Продукты переработки нефти и битумов Ванадий Техногенные отвалы вскрышных пород, пески-отсевы месторождений ПГС Строительные материалы Ворошиловский, Элеваторный карьеры, долина р. Кама Промышленноурбанизированные территории Минеральные воды Металлы в донных осадках и поверхностных водах гг. Казань, Набережные Челны, АО КамАЗ, ОАО «Оргсинтез», ОАО «Нижнекамскнефтехим» и др. 145 техногенных месторождений относятся промышленно-урбанизированные площади (почти 40 % территории РТ), т. к. они представляют яркий пример техногеосистем, объединяющих природные геосферы и техносферу, а разработка на данных участках техногенных месторождений позволяет решать экономические и экологические задачи. К настоящему времени актуально открытие новых залежей углеводородов в традиционных нефтегазоносных регионах, к которым относится и территория РТ. Недавно была доказана проницаемость осадочного чехла РТ для потенциальной флюидной миграции углеводородов, отчетливо фиксируемая разломами в земной коре и химическими аномалиями в породах, донных осадках, почвах. Мигрирующие снизу вверх флюиды являются мощными тепломассоносителями и реализуют механизм конвекции в пределах участков тектонических напряжений и зон повышенной вторичной проницаемости. За счет прорывов энергоемких флюидов по вертикали формируется структура «перевернутого сита-дуршлага», в которой встречаются многопластовые инъекционные залежи нефти. В подобной структуре возможен рост минерагенического потенциала надпродуктивных природных горизонтов за счет влияния дополнительного техногеннообусловленного флюидного потока (рис. 23). Такие факты как возрождение старых нефтяных скважин на Кавказе и Украине, в РТ и Западной Сибири показывают, что процессы переформирования нефтяных залежей происходят очень быстро, иногда в течение нескольких десятков лет за счет активной миграции углеводородных флюидов. Здесь можно провести параллели с месторождениями подземных вод, возраст которых обычно сопоставим с продолжительностью жизни человека. Поэтому любая залежь жидких или газообразных полезных ископаемых представляет собой динамически равновесную и открытую систему. Последняя способна к самовосстановлению за относительно короткий период времени, например, при дополнительном подтоке техногенной энергии, которая обычно ускоряет процессы в техногеосистеме. Необходимо также учитывать, что на нефтеперспективных площадях РТ пройдены сотни тысяч скважин, а освоение нефтяных месторождений республики насчитывает более 60 лет. Поэтому вероятность возникновения здесь вторичных техногенных залежей углеводородов вблизи земной поверхности за счет техногенноиндуцированных флюидов (скважины, техногенная нагрузка на гидролитосферу и др.) существенно возрастает. В связи с сокращением прироста запасов за счет открытия природных залежей углеводородов на территории РТ и увеличением продолжительности 146 - месторождения нефти - техногенные месторождения углеводородов - техногенно-индуцированные флюиды Рис. 23. Схема формирования техногенных месторождений углеводородов на территории Республики Татарстан разработки действующих месторождений, задачи изучения техногенных месторождений углеводородов приобретают важное экономическое и социальное значения. Отсюда, внедрение техногенеза в геологию нефти и газа значительно расширяет горизонты поисково-разведочных работ с возможностью продления нефтегазовой эры человеческой цивилизации за счет техногенных месторождений. Из всех разрабатываемых в настоящее время человечеством полезных ископаемых наличие месторождений и запасов подземных пресных вод важнейший фактор устойчивого развития всех без исключения стран. Однако интенсивная нагруженность отдельных регионов и территорий техногенными объектами существенно трансформировала природное состояние геологического пространства, включая и гидросферу (см. выше). Одна из главных особенностей подземных вод связана с их подвижностью и тесной взаимосвязью с окружающим пространством и техногенезом. Так, 147 на территории РТ выявлены техногенные месторождения минеральных вод, возникающие на урбанизированных и промышленных территориях, а также в процессе заводнения нефтяных месторождений. Причем техногенные месторождения подземных вод могут существовать автономно с постоянным соотношением макрокомпонентов достаточно большой временной отрезок даже при ликвидации техногенного источника, повлиявшего на трансформацию химического состава природных вод. Подземные воды являются единственным полезным ископаемым, в процессе эксплуатации которого происходит не только расходование, но, во многих случаях и дополнительное формирование запасов при водоотборе из недр. Поскольку месторождение подземных вод формируется под влиянием как естественных, так и искусственных факторов, поэтому оно переходит из естественного состояния через промежуточные этапы в эксплуатируемое (техногенное) месторождение. 5.6 Мониторинг на промышленно-урбанизированных территориях Обеспечение экологической безопасности жителей городов, помимо создания благоприятных и комфортных условий для проживания, является одной из норм устойчивого развития. Экологическая безопасность предъявляет принципиально новые требования к геологической оценке и районированию территории застройки. Наряду с традиционными инженерно-геологическими изысканиями территории города, необходима оценка воздействия возводимого сооружения на экологическое состояние геологической среды. При этом важное значение приобретает изучение состояния геологической среды по геохимическому загрязнению, оценка защищенности (прежде всего, подземных вод) от загрязнений, выявление зон геологического и геохимического риска. Необходимым документом при проведении государственной экологической экспертизы, как сказано выше, являются материалы по ОВОС. Они способствуют принятию экологически ориентированного управленческого решения о реализации намечаемой хозяйственной и иной деятельности посредством определения возможных неблагоприятных воздействий, оценки экологических последствий, учета общественного мнения, разработки мер по уменьшению и предотвращению воздействий. Целью проведения ОВОС на промышленно-урбанизированных территориях является предотвращение или смягчение воздействия этой деятельности на окружающую среду и связанных с ней социальных, экономических и иных последствий. Исследования по ОВОС включают следующие этапы: 148 1) определение характеристик намечаемой хозяйственной деятельности и возможных альтернатив (в том числе отказа от деятельности); 2) анализ состояния территории, на которую может оказать влияние намечаемая хозяйственная деятельность (состояние природной среды, наличие и характер антропогенной нагрузки и т. п.); 3) выявление возможных воздействий намечаемой хозяйственной деятельности на окружающую среду с учетом альтернатив; 4) оценка воздействий на окружающую среду намечаемой хозяйственной деятельности (вероятности возникновения риска, степени, характера, масштаба, зоны распространения, а также прогнозирование экологических и связанных с ними социальных и экономических последствий); 5) определение мероприятий, уменьшающих, смягчающих или предотвращающих негативные воздействия, оценка их эффективности и возможности реализации; 6) оценка значимости остаточных воздействий на окружающую среду и их последствий; 7) сравнение по ожидаемым экологическим и связанным с ними социально-экономическим последствиям рассматриваемых альтернатив, в том числе варианта отказа от деятельности и обоснование варианта предлагаемого для реализации; 8) разработка предложений по программе экологического мониторинга и контроля на всех этапах реализации намечаемой хозяйственной деятельности; 9) разработка рекомендаций по проведению послепроектного анализа реализации намечаемой хозяйственной деятельности; 10) подготовка предварительного варианта материалов по оценке воздействия на окружающую среду намечаемой хозяйственной деятельности (включая краткое изложение для неспециалистов). К основным результатам ОВОС относятся: информация о характере и масштабах воздействия на окружающую среду намечаемой деятельности, альтернативах ее реализации, оценке экологических и связанных с ними социальноэкономических и иных последствий этого воздействия и их значимости, возможность минимизации воздействий; выявление и учет общественных предпочтений при принятии заказчиком решений, касающихся намечаемой деятельности; решения заказчика по определению альтернативных вариантов реализации намечаемой деятельности (в том числе о месте размещения 149 объекта, о выборе технологий и иные) или отказа от нее, с учетом результатов проведенной ОВОС. Результаты ОВОС служат основой для проведения мониторинга после проектного анализа и экологического контроля за намечаемой хозяйственной деятельностью. Проблемы охраны окружающей среды на промышленноурбанизированных территориях (города, разрабатываемые месторождения, промышленные предприятия) решаются с помощью функционирования системы мониторинга, включающего взаимосвязанные подсистемы мониторинга гидросферы, атмосферы, литосферы и техносферы (рис. 24). Экологическая стратегия также включает в себя изучение динамики развития в пространстве и во времени искусственно сложившейся экосистемы «промышленный объект - массив горных пород - окружающая среда», т. е. экологический мониторинг. Под экологическим мониторингом (мониторингом окружающей среды) понимается комплексная система наблюдений за состоянием окружающей среды, оценки и прогноза изменений состояния окружающей среды под воздействием природных и антропогенных факторов. Только четкое выполнение всех этапов экологической стратегии позволит исключить риск возникновения экологических катастроф и создать безопасные условия жизнедеятельности. В век урбанизации лишь требовательный подход к градостроительной политике, основанный на районировании территории по природным условиям, инвестировании превентивных мероприятий, создании системы прогнозирования и предупреждения, может обеспечить устойчивость городских территорий и безопасное проживание на них людей нынешнего и будущих поколений. Геологическое пространство - динамичная система, изменяющаяся не только в геологическом масштабе времени, но и в реальном времени существования городских объектов. Изменения в геологической среде могут привести к нарушению устойчивости сооружений или сокращению периода их безопасного функционирования. Поэтому проектировать сооружения необходимо с учетом возможных изменений геологической среды [32]. Это требует постоянного мониторинга за состоянием геологической среды города. Объекты контроля специфичны для каждого города, их набор зависит от геологических, геоморфологических, климатических и других условий. Результаты наблюдений должны поступать в централизованный пункт сбора информации и оперативно обрабатываться на основе ГИС-технологий. Постоянно поступающая информация пополняет банки данных и ряды наблюдений, которые 150 Рис. 24. Структура мониторинга техносферы [8] анализируются в соответствии с поставленными целями и задачами. Осмысление полученной информации позволит выявить тенденции изменений в наблюдаемых объектах и процессах, а также прогнозировать развитие опасных событий. Эколого-геологический мониторинг разработки месторождений рассмотрим на примере углеводородного сырья [11]. Застройка площадей залегания месторождений нефти и газа допускается при создании на месторождении геодинамического полигона и организации математических наблюдений за оседанием земной поверхности и устойчивостью зданий и сооружений для предотвращения аварийных ситуаций. Наблюдения за 151 деформациями земной поверхности и состоянием указанных объектов осуществляет застройщик. Геодинамический полигон – это натурная модель природнотехногенной среды, характеризующаяся строением, свойствами, составом и состоянием подработанного горного массива с расположенными в нем каналами наблюдений за их эволюцией. Полигон представляет собой систему профильных линий, проложенных на исследуемом объекте и закрепленных на местности грунтовыми реперами и марками, на которых с установленной частотой производят комплекс высокоточных планововысотных геодезических, геофизических и других методов наблюдений. При проектировании геодинамического полигона в обязательном порядке необходимо предусматривать заложение нескольких режимных гидрогеологических скважин (на первый от поверхности водоносный горизонт), равномерно покрывающих площадь всего полигона для измерения уровня, температуры и газового состава подземных вод, которые характеризуют тектоническую активность. Частота заложения наблюдательных скважин зависит от однородности строения изучаемого участка в инженерно-геологическом отношении: чем однороднее его строение, тем разреженнее может быть сеть режимных скважин. В каждом конкретном случае плотность сети скважин определяют проектом геодинамического полигона. Мониторинг нефтяного загрязнения - это отдельный раздел системы управления качеством окружающей среды, включающий сбор и накопление информации о фактических параметрах основных компонентов окружающей среды и составление прогноза изменения их качества во времени (рис. 25). Концепция мониторинга предусматривает специальную систему наблюдений, контроля, оценки, краткосрочного прогноза и определения долгосрочных тенденций в состоянии биосферы под влиянием техногенных процессов, связанных с разведкой и разработкой нефтяных месторождений. Ведение мониторинга базируется на создании и оборудовании специальной режимной сети и наличии долгосрочной программы наблюдений, в которой предусматривается необходимость изучения фонового состояния биосферы и определения антропогенного воздействия на окружающую среду. При этом с учетом темпов изменения экологической обстановки и скорости поступления поллютантов проводится выбор объема и количества проб, частоты и периодичности отбора, объектов опробования и их распределения по площади. В зависимости от места нахождения региона и целевых задач режимной сети система наблюдений может быть региональной или 152 Мониторинг нефтяного загрязнения Оценка состояния Определение границ пораженности территории Паспортизация и учет источников загрязнения Режим Региональный Локальный Прогноз Долговременный Кратковременный Управление Устранение последствий нефтяного загрязнения Контроль за восстановлением нарушенных экосистем Рис. 25. Схема мониторинга нефтяного загрязнения [11] локальной, а также осуществляться на типовых участках и опытных полигонах. Под региональным режимом понимается прогноз для крупных территорий преимущественно на качественном уровне, отражающем наиболее общие природоохранные аспекты. Характеристика ожидаемых явлений составляется по результатам анализа фактического материала с учетом пространственной и временной последовательности. В данном случае широкое применение находит метод аналогий. Локальный режим выполняется для конкретного объекта (скважина, месторождение, промысел). Интерпретация результатов стационарных наблюдений за динамикой всех компонентов окружающей среды проводится на математических моделях с использованием аналоговых, численных и аналитических методов. Режимная (мониторинговая) сеть включает существующие и специальные скважины, наблюдательные посты за изменением метеоусловий и гидрогеологических характеристик поверхностных 153 водотоков. При стационарных исследованиях на ключевых участках выполняется контроль за составом и формами нахождения загрязняющих веществ в воздухе, почве, воде и грунтах. Количественная оценка нефтяного загрязнения проводится при сопоставлении содержания индикаторных компонентов с величиной их фоновых значений и предельно допустимых концентраций. Комплексное изучение физико-химической трансформации нефтяных углеводородов во всех основных компонентах окружающей среды позволяет оконтурить очаг загрязнения, составить прогноз его развития по площади и по разрезу, а также предложить мероприятия по его ликвидации. Одновременно на полигонах ведутся наблюдения за оседанием земной поверхности, которое возможно при интенсивной эксплуатации нефтяных месторождений. Для этой цели проводится периодическая нивелировка специальных реперов, размещение которых уточняется в процессе наблюдений. Сеть пунктов должна быть динамичной и ежегодно пересматриваться с учетом возникновения или ликвидации отдельных очагов загрязнения и результатов анализа проб. Периодичность отбора проб устанавливается в зависимости от площадных параметров объекта, ландшафтно-климатических условий, сложности геологического строения, а также от характера и интенсивности возможного поступления загрязняющих веществ. Частота отбора проб в каждом наблюдательном пункте определяется его местонахождением по отношению к источнику загрязнения. При детальных исследованиях и в условиях аварийного выброса углеводородов интервал между отборами проб может уменьшаться до нескольких часов. 154 6. ЭКОЛОГО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ КАРТОГРАФИРОВАНИЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ Карта есть то удивительное орудие изучения земного шара, которое одно только и сможет дать человеку дар провидения Ю. М. Шокальский Экологическая геология исследует взаимоотношения природных геосфер различных уровней организации с техносферой. Однако полнота эколого-геологических исследований сдерживается наличием сложной и не всегда явной связи между природными и техногенными процессами. Кроме того, до настоящего времени параметры геологического пространства изучаются науками о Земле (геология, геоэкология, география и др.) с существенно отличающейся методологией. Поэтому весьма важным и актуальным направлением представляется расширение исследований по разработке информационно–логического и математического аппаратов, позволяющих системно и интегрально отображать разнообразные процессы. Обобщающим методом подобного системного изучения, основанного на взаимосвязности различных процессов («всë связано со всем») в условиях интенсивного техногенеза, могут служить экологогеологическое картографирование и компьютерное моделирование. 6.1 Цели, задачи и этапы эколого-геологического картографирования. Классификация карт. Эколого-геологическое картографирование представляет собой сложное единство специфических геологических и экологических методов получения площадных данных о состоянии геосред, их техногенных изменениях и общекартографических приемов отображения информации. Создание картографической основы соответствующего масштаба осуществляется для оценки экологического состояния геологической среды и принятия решений по природоохранным мероприятиям. Целью мелкомасштабного эколого-геологического картографирования является оценка геолого-экологического состояния крупных территорий для перспективного планирования их освоения и охраны, обоснования постановки более детальных исследований. Материалы картирования должны служить информационной базой для обоснования и разработки генеральных природоохранных мероприятий 155 регионов. Объектами эколого-геологического картографирования являются: природные и техногенные ландшафты, техногенные системы и объекты; почвы; донные отложения; поверхностные воды; районы активизации эндогенных и экзогенных геологических процессов. К основным задачам картографических исследований относятся: 1) выявление природных условий и факторов, определяющих экологогеологические особенности территорий, новейшие структурнотектонические элементы, способствующие развитию неблагоприятных геологических процессов, региональные фоновые геохимические поля в коренных и почвообразующих породах, донных отложениях, поверхностных водах; 2) выявление основных техногенных систем и факторов, воздействующих на геологическую среду региона: региональных техногенных изменений геохимического фона, обусловленных воздействием крупных техногенных систем на изучаемой территории и привносом загрязняющих веществ с прилегающих территорий; территорий с техногенной активизацией характерных ассоциаций эндогенных и экзогенных геологических процессов; направленности влияния техногенных изменений геологической среды на биоту, атмосферу, поверхностные воды; 3) качественная региональная оценка направленности техногенных изменений геологической среды при сложившемся и планируемом характере освоения территории. Принципиальные подходы к геоэкологическому картографированию разработаны во ВСЕГИНГЕО [39]. Они включают параметрические, аналитические и синтетические карты геоэкологической направленности, отражающие, с долей условности, этапы изучения определенной территории. Параметрические и аналитические карты позволяют получить подробные характеристики отдельных сред и оценить их экологическое состояние. Вместе с тем при раздельном рассмотрении этих сред комплексное представление о геологическом пространстве и его развитии как бы теряется. С другой стороны, можно считать весьма вероятным, что отдельные элементы, управляющие процессы и созданные ими структурные формы находятся в некоем единстве, образуют парагенезы. Такие парагенезы составляют своеобразную «геотехногенную оболочку», объединяющую природные и техногенные системы разного ранга. Парагенезы развиваются во времени, сменяя друг друга (что находит, например, отражение в истории развития человеческой цивилизации), и дифференцированы в пространстве, что выражается в существовании разнообразных типов локальных (геотехногенные массивы, блоки, узлы) и региональных площадных (геотехногенные поля) структур. Выделение, 156 исследование и районирование единых геотехногенных структур возможно только на основе общей методологии их изучения с помощью синтетических моделей, которые позволяют получить интегральное знание о техногенно-преобразованном геологическом пространстве, а также оценить его экологическое состояние и потенциал. При эколого-геологическом картографировании применяются методы, используемые при региональных геологических, геофизических, геохимических, гидрологических, гидрогеологических, инженерногеологических исследованиях. Рекомендуется проведение следующего комплекса исследований: - аэрокосмических и ландшафтно-индикационных работ для получения информации о структурно-тектоническом строении, ландшафтах, состоянии геологической среды и региональном воздействии на них техногенных объектов, инженерно-геодинамических особенностях территории с отражением морфоструктур и сейсмической активности; - ландшафтно-геохимических работ для оценки геологоэкологических особенностей в экономически освоенных районах; - радиогеохимических работ для получения информации о площадном распространении природных и искусственных радионуклидов; - гидролитохимических работ для оценки геохимических особенностей бассейнов регионального поверхностного стока; - инженерно-геологических работ для изучения проявлений экзогенных, в т. ч. криогенных процессов, и их связи с эндогенными процессами, геолого-структурными, гидрогеологическими и другими условиями. При составлении проекта эколого-геологического картографирования используются геологические, геохимические, гидрогеологические, инженерно-геологические, неотектонические, радиогеохимические, ландшафтные, почвенные и другие карты, карты землепользования, схемы расположения промышленных объектов, схемы бассейнов стока; материалы аэрокосмических съемок, данные изучения режима подземных вод и экзогенных геологических процессов. Важным требованием к аэрокосмическим материалам является обязательное наличие материалов съемок прежних лет, по возможности со времени, предшествовавшего активному хозяйственному освоению территории. Их сопоставление с материалами современных съемок, позволяет осуществить ретроспективный анализ динамики состояния геологической среды. В период проектирования составляются следующие предварительные карты: основных линеаментных зон, ландшафтно-индикационная с отображением экзогенных геологических процессов, ландшафтно-геохимическая (экологогеохимическая), радиохимическая, техногенных объектов и техногенной 157 нагрузки, фактического материала. Отчетные материалы по эколого-геологическому картографированию включают комплект обязательных и дополнительных рабочих карт. Обязательными являются карты фактического материала, геоэкологическая, оценки геоэкологических условий и направленности изменения геологической среды. В зависимости от конкретных условий отчет может сопровождаться серией дополнительных карт: геохимических, суммарного антропогенного загрязнения, литолого-фациальных и др. Карта фактического материала отражает виды и объемы проведенных исследований. На ней показываются линии наземных и аэровизуальных маршрутов, места отбора проб, границы участков детальных работ, данные ранее проведенных работ, контуры площадей, характеризуемых аэро- и космоснимками. Геоэкологическая (эколого-геологическая) карта является основным отчетным документом и должна отражать современное состояние геологической среды: геохимические ландшафты и геохимический фон территорий, комплексы экзогенных геологических процессов, техногенную нагрузку (вид и интенсивность), крупные техногенные геохимические аномалии, техногенную активизацию геологических процессов, изменения ландшафтов. Критериями выделения классов эколого-геологического состояния литосферы и связанных с ними зон экологического состояния экосистем служат ряд показателей, которые разделяются на тематические, пространственные и динамические. Тематические показатели являются по своей сути индикационными и относятся к биотическим критериям, позволяющим на основе ботанических, зоологических, социальносанитарных критериев оценивать состояние биоты и экосистемы в целом. Выбор их зависит от конкретных ландшафтно-климатических и геологических условий территории и степени антропогенного влияния. Эти оценки дополняются анализом пространственных и динамических критериев, учитывающих площадь поражения и скорости нарастания негативных явлений через прямые характеристики. Карта оценки геоэкологических условий и направленности изменений геологической среды отражает комплексную экспертную характеристику ее состояния, влияющую на условия существования биоты, включая человека. Выделение зон и классов экологического состояния литосферы и экосистемы осуществляется на основе небольшого числа наиболее представительных показателей, но обязательно с использованием и взаимным учетом тематических, пространственных и динамических критериев оценки. В настоящее время единого интегрального показателя 158 состояния литосферы не существует, однако число наиболее представительных показателей обычно сводится к разумному минимуму. Оценка эколого-геологических условий литосферы отображается на эколого-геологических картах всех типов фоновой цветовой закраской по принципу светофора: красным цветом закрашиваются неблагоприятные (неудовлетворительные) в экологическом отношении территории, зеленым – благоприятные (удовлетворительные), а желтым - умеренно благоприятные (условно удовлетворительные). Выбор способов отображения на карте интегральной оценки состояния экологогеологических условий литосферы может проводиться на основе «суммирования» оценок различных эколого-геологических свойств отдельных компонентов литосферы разными способами. Существует, например, оценочная структура, в которой выделяют 4 зоны: экологической нормы (Н) - удовлетворительное (благоприятное) состояние геологической среды; экологического риска (Р) - условно удовлетворительное, относительно неблагоприятное состояние; экологического кризиса (К) неудовлетворительное, весьма неблагоприятное состояние; экологического бедствия (Б) - катастрофическое состояние. Эколого-геологические карты по своему содержанию объединяются в четыре группы [45]. 1. Карты эколого-геологических условий (оценочные или фиксистские) отражают современное эколого-геологическое состояние литосферы или ее компонентов и возможность воздействия компонентов литосферы на биоту. Данные карты, как и карты 2 и 3 групп могут быть синтетическими (комплексными, интегральными) и частными (аналитическими). Первые составляются с учетом оценки всех экологических свойств литосферы – карты ландшафтно-индикационные, стратиграфо-генетических комплексов, литогеохимические, радиогеохимические, защищенности подземных вод от загрязнения, гидрогеодинамические, геокриологические и др. Частные карты составляются по отдельным структурным элементам, геологическим процессам, геофизическим и геохимическим полям, конкретному загрязнителю литосферы - карты концентраций отдельных элементов в почвах и подземных водах, нефтяного загрязнения, гамма-поля, распределения содержаний урана, пораженности территории отдельными экзогенными геологическими процессами, просадочности грунтов, водопроводимости основных водоносных горизонтов, техногенных объектов и другие. 2. Карты эколого-геологического районирования оценивают современное состояние эколого-геологических условий, как правило, способом ранжирования их на классы состояний. Пространственное 159 обособление территорий с определенным классом экологического состояния и является сущностью данных карт. На основе имеющейся эколого-геологической информации на этих картах дается ее оценка с позиций комфортности и безопасности проживания человека и функционирования экосистем. Этот тип карт является базовым для дальнейших прогнозных оценок и природоохранных рекомендаций. 3. Карты эколого-геологические прогнозные отображают пространственно-временной прогноз изменения эколого- геологических условий в ходе естественной динамики природной среды и в процессе хозяйственного освоения территории и функционирования природнотехногенных систем. Данный тип карт позволяет давать прогнозные оценки эколого-геологического состояния литосферы или ее компонентов, которым будет соответствовать предполагаемое состояние биоты или экосистемы в целом. Прогнозные оценки носят временной характер и разрабатываются на базе учета планируемых видов антропогенного воздействия или развития природных процессов. 4. Карты эколого-геологические рекомендательные основаны на эколого-геологической и социально-экономической информации. Эти карты являются основой для рекомендаций по широкому кругу вопросов от рекомендаций по рациональному с экологических и геологических позиций использованию территорий до регламентации хозяйственной деятельности и защиты объектов био- и социосферы. Карты данного типа составляются обычно как синтетические и финальные, которые помогают в выработке и принятии управляющих решений. Отчет по эколого-геологическому картографированию должен включать следующие разделы: «Введение» (целевое задание, актуальность работ, организационно-финансовые вопросы); «Природные условия территории» (рельеф, климат, гидрография, растительность, геологоструктурные, гидрогеологические и инженерно-геологические условия, активизация экзогенных геологических процессов); «Характеристика хозяйственной деятельности» (сведения о землепользовании, основные техногенные объекты, их производительность и отходы); «Методика paбот» (методы и особенности их использования, густота маршрутов, профилей и сети опробования, объемы работ); «Ландшафтно-техногенные комплексы» (принципы районирования, распространение, геохимическая специализация, условия миграции и накопления компонентов в естественных и техногенных условиях); «Геолого-экологическая характеристика территории» (загрязнение почв, почвообразующих и коренных пород, донных отложений, поверхностных и подземных вод; современные геодинамические процессы, направленность геологоэкологических процессов); «Рекомендации» (конкретные по содержанию 160 рекомендации по природоохранным мероприятиям и рациональному использованию геологической среды, определение задач и площадей для постановки более детальных и мониторинговых исследований); «Заключение». 6.2 Эколого-геологическое картографирование городов В настоящее время особое внимание ученых сконцентрировано на изучении урбанизированных территорий. В ряду антропогенно-измененных территорий городские территории занимают своеобразное, даже уникальное положение - они техногенно преобразованы как промышленные или горнодобывающие, но сложны и разнообразны как естественные. Городская среда включает весь искусственный мир, созданный человеком в городе, т. е. техносферу. Он не имеет аналогов в естественной среде и, как правило, либо совсем не вписывается в природные циклы, либо входит в них с большим трудом. Урбанизированная среда насыщена промышленными предприятиями, транспортными средствами, объектами жилищно-коммунального хозяйства, которые воздействуют на природный ландшафт и человека, определяя обострение всех проблем: ресурсно-хозяйственных, природноландшафтных, социально-демографических. Проблемы и пути ее развития нельзя понять, оценить и решить в рамках какой-либо одной области знания, сколь бы обширной она ни была. Зарождение, специфика становления, особенности проявления экологических проблем связаны с географическим положением города, природным ландшафтом, геологическим строением, функциональной структурой, градостроительной планировкой, уровнем социально-экономического развития. Важным является изучение взаимосвязи между экологической ситуацией, сложившейся в городе, и здоровьем его жителей. Следовательно, изучение городской территории требует интегрированного подхода, т. е. использования закономерностей, принципов, концепций, методов, разработанных в экологии, геологии, биологии, географии, градостроительстве, гигиене, медицине, эстетике, истории. Важное место в исследовании городов отводится экологогеологическому картографированию. Обширность и разнородность исходной информации накладывает отпечаток на возможности ее обработки, создание единых методов ее учета и картографирования. Несмотря на четкую переориентацию многих исследований с глобальных на региональные и муниципальные проблемы, в настоящее время отсутствуют общепринятые концепции картографирования территории крупных городов, недостаточно разработаны критерии оценки различных ее 161 компонентов, методические приемы создания инвентаризационных, оценочных и прогнозных эколого-геологических карт, отсутствуют унифицированные легенды и макеты карт различного содержания и масштаба, инструктивные документы по содержанию и организации работ. Разработка методики создания подобных карт - актуальная и перспективная задача картографии для повышения эффективности работ по информационной поддержке решений по управлению городской территорией. Эколого-геологическое картографирование под влиянием времени и запросов общественной практики развивается как комплексное направление, в задачу которого входит многостороннее отображение структуры, связей, динамики геосистем как целостных природных и социально-экономических образований. Поэтому эколого-геологическое картографирование и понимается сейчас как системное картографическое моделирование (отображение, анализ, оценка и прогноз развития) геосистем. Тематика техногенно-экологических карт необъятна, но прежде всего изучение и картографирование техногенных факторов и условий городской среды должно развиваться в 2-х направлениях: I. Выявление и отражение на картах всех источников техногенного воздействия на городскую среду с их количественной характеристикой: • очаговых, сопровождаемых выбросами, сбросами производственных и других отходов в точно фиксируемых «точках» и «линиях» (промышленные предприятия, автомагистрали, коммунально-бытовая канализация и др.); • фоновых (площадных), связанных с использованием земель (жилая и промышленная застройка, транспортные зоны, открытые горные выработки, свалки и др.). II. Оценка прямых и косвенных последствий влияния источников загрязнения на геосистему и на отдельные ее компоненты: • степень трансформации литогенной основы; • ухудшение качества почв (химическое загрязнение, эрозия, плоскостной смыв, дефляция, вторичное засоление и заболачивание, изменение физических свойств, потеря плодородия); • изменение биоты; • загрязнение поверхностных и подземных вод, нарушение режима стока, тепловое загрязнение водоемов; • потеря продуктивных земель из-за расширения застройки, площадей под отвалами, карьерами, свалками вследствие вторичной эрозии, дефляции, засоления, создания водохранилищ и других причин. К основным принципам эколого-геологического картографирования 162 городов относятся геосистемность, экосистемность, историзм (рис. 26). Каждый объект на Земле (растения, животные, человек, рельеф, почва, порода, вода и др.) может рассматриваться с позиции системного анализа. Принцип геосистемности предполагает представление города как сложной геотехнической территориальной системы (урбогеосистемы), включенной в окружающую геологическую структуру. Город предстает как системное единство природных условий, техногенных систем и населения. Эколого-геологическое картографирование включает в себя различные отраслевые направления тематического картографирования: геологическое, почвенное, социально-экономическое и др. Геосистемный поход требует создания трех тематических блоков карт: 1) геологические особенности территории города (результат геологической природы); 2) инженернотехнические особенности (результат техногенеза); 3) демографические и социально-экологические аспекты городского бытия (результат социогенеза). Урбогеосистемы относятся к открытым системам, т. е. они тесным образом связаны с окружающей их средой. Закон развития таких систем говорит, что они могут развиваться только за счет использования материально-энергетических и информационных возможностей окружающей их среды; абсолютно изолированное саморазвитие невозможно. Поэтому весьма важно показать город как часть окружающей его территории, т. е. реализовать принцип экосистемности. Исходя из принципа экосистемности, город рассматривают как некого «хозяина» по отношению к окружающему город пространству, и соответственно окружающие город природные и геотехнические комплексы также должны оцениваться с позиций их возможного влияния на городские территории. Экосистемный принцип требует определенной методологической схемы в содержании и структуре эколого-географического картографирования городской среды: 1) создание карт показывающих город и окружающую его пригородную территорию - основной рекреационный потенциал города (в зависимости от размеров города это могут быть 15-30-километровые зоны); 2) выделение и оценка так называемого экологического каркаса города, степень организации сплошности и средовоспроизводящего и природоохранного потенциала; 3) «хозяином» и «страдательным» объектом на картах должно быть население города. Принцип историзма требует включения карт, отражающих не только современную урбоэкологическую ситуацию, но и ее становление и развитие во времени на разных этапах и возможное состояние в будущем, что 163 Геологические особенности Геосистемность Инженерно-технические особенности Демографические и социальноэкологические особенности Источники экологического риска Экосистемность Факторы экологического риска Реципиенты экологического риска Ретроспектива Историзм Современное состояние Прогноз Рис. 26. Принципы эколого-геологического картографирования городов требует реализации цепочки «ретроспектива - современное состояние прогноз». Взгляд на исторические этапы развития города позволит лучше понять и современную ситуацию, и, что особенно важно при выдаче рекомендаций, проследить возможное развитие ситуации в городе в будущем. Основными задачами эколого-геологического картографирования городской среды являются: 1) разработка перечня показателей, оптимально характеризующих природные, техногенные и социальные условия городской среды, их картографирование; 2) создание оценочных карт состояния компонентов урбогеосистемы; 3) выявление факторов и условий, определяющих качество жизни городского жителя; 4) картографический прогноз развития неблагоприятных и опасных ситуаций в пределах городской и прилегающей территории; 164 5) разработка рекомендательных карт для принятия управленческих решений. В зависимости от целевой установки и задач картографического обеспечения исследований проектируются и создаются констатационные, оценочные, прогнозные и рекомендательные карты. Большинство констатационных карт уже несут в себе какую-либо оценочную информацию по территориальной локализации. В то же время прогнозные и рекомендательные карты могут отражать как констатационные, так и оценочные аспекты. При изучении самых разных сторон жизни любой территории интересны, прежде всего, три вопроса: «что было?», «что есть?» и «что будет?». И отдельно стоит, пожалуй, самый важный вопрос: «что делать?». Его решение возможно лишь при решении предыдущих трех. Поэтому возможно выделить ретроспективные, современного состояния, прогнозные и рекомендательные карты, призванные ответить на все поставленные вопросы. Общая схема последовательности изготовления карт городской среды обычно включает следующие этапы. 1. Первоначально создается цифровая модель топографической карты территории города. Базовый масштаб дополняется отдельными слоями с топографических карт других масштабов. Актуализация картографических слоев производится с использованием аэро- и космических данных и полевых исследований. 2. Создание картографических и атрибутивных баз данных (фондовые картографические материалы, данные по выбросам и сбросам промышленных предприятий, информация по заболеваемости городского населения и др.). 3. Создание покомпонентных базовых карт природы, техносферы и социосферы. Эти карты являются исходными для создания последующих карт. Источниками для создания этих карт являются фондовые картографические материалы; материалы первичных наблюдений и измерений по теме карты. Это могут быть тематические съемки, маршрутные и стационарные наблюдения и измерения, в том числе автоматические. 4. Составление карт, производных от базовых, дополняющих и перерабатывающих их содержание и карт синтетических (ландшафтная, функционального зонирования, урболандшафтное районирование). 5. Разработка серии оценочных эколого-геологических карт природы, техносферы и социальной среды (потенциальная устойчивость территории, карты оценки техногенной нагрузки, заболеваемость населения и др.). Оценка параметров, характеризующих экологическое состояние городов, производится с учетом общегосударственных и отраслевых нормативов. 165 6. Оценка экологического состояния урболандшафтных участков. 7. Создание карт возможного развития городской среды. 8. Создание рекомендательных карт по управлению территорией города. В структуре эколого-геологического картографирования городов можно выделить три основных его направления: природно-экологическое, техногенно-экологическое и социально-экологическое. Отдельно стоят карты эколого-экономической тематики. Разработка принципов и методов их создания - проблема будущего. Содержательно эти карты, очевидно, должны отражать в стоимостном выражении оценку ущерба от природных катаклизмов, затрат на рекультивацию земель, стоимости лечения какихлибо заболеваний и др. Блок природно-экологических карт включает специализированные для решения экологических задач карты. Здесь должны быть представлены карты, оценивающие литологические и гидрогеологические особенности территории, состояние почвенного и растительного покрова, экологогеоморфологические факторы формирования и развития изучаемой геосистемы. Этот блок должен быть насыщен оценочными картами (карты устойчивости территории к определенным негативным процессам, оценка рельефа с точки зрения его экологических функций - районы транзита или накопления загрязняющих веществ, рекреационное районирование и др.). Все карты должны нести в себе отпечаток взаимодействия конкретного компонента природы и человека или отражать параметры, важные для жизнедеятельности человека. Каждый из компонентов должен оцениваться как на предмет современного состояния, так и с точки зрения возможной динамики этого состояния. Особую ценность представляют карты потенциальной устойчивости территории к определенным типам воздействия. Блок техногенно-экологических карт включает карты, характеризующие инженерно-технические и градопланировочные особенности городской среды, показывающие источники загрязнения территории, дающие анализ загрязнения различных природных сред городской территории, отражающие структуру антропогенной и техногенной нагрузок, пространственные соотношения объектов техносферы, интенсивность и масштабы их воздействия на природные компоненты. При наличии достоверных материалов создание карт, характеризующих источники техногенного воздействия, не представляет особых трудностей. Несколько сложнее создание карт, отражающих оценку техногенной нагрузки на природные компоненты урбогеосистемы. Впрочем, прямые результаты фиксируются также без особых затруднений 166 (например, концентрация вредных примесей в воздухе, почве, воде), труднее оценить их дальнейшие следствия (например, перенос и аккумуляция техногенных элементов на дальние расстояния). Наиболее сложной задачей является районирование и оценка территории по комплексу показателей техногенного воздействия и техногенной трансформации городских территорий. В целом, изучение и картографирование состояния техногенной составляющей городской среды направлено на создание необходимого банка данных для разработки проектов по регулированию и управлению городом. Социально-экологический блок включает карты, рассматривающие демографические, социальные и медико-геологические аспекты городского бытия. Все природные, техногенные и социальные факторы в условиях городской среды тесно взаимосвязаны и составляют объективные и субъективные стороны качества городской среды. Именно их совокупность оказывает общее воздействие на человека. Городская среда ориентирована на человека, но и само население - также ее составляющая часть. До сих пор население обычно рассматривается только в качестве реципиента экологического риска, выступая своеобразным индикатором экологического состояния территории. То, что население во многих случаях может значительно повышать или снижать экологическое неблагополучие рассматриваемой территории, само являться источником экологического риска - затрагивается в меньшей степени. В каждой из городских подсистем (природной, техногенной, социальной) есть основные показатели, отражающие специфику объектной, временной и территориальной структур города. К таковым в социальной подсистеме относят понятие «качество жизни», включающее прежде всего оценку состояния здоровья горожан. В уставе ВОЗ здоровье определяется как состояние полного физического, духовного и социального благополучия, а не только отсутствие болезни или физических дефектов, как это до сих пор довольно широко распространено в общественном сознании. Отсюда, изучение здоровья горожан, определение качества здоровья городских жителей и факторов, его определяющих, представляет центральную проблему социально-экологического и экологогеологического картографирования города. К картам социальноэкологической тематики относятся: • демо-экологические карты, показывающие районы повышенной смертности населения, возможные причины этого, направленные на анализ половой, возрастной, национальной предрасположенности населения к отдельным видам заболеваний и др.; • карты, отражающие территориальное разнообразие собственно 167 социальных показателей качества общества (социальные болезни, социальное неблагополучие, уровень социальной защиты и др.); • медико-геологические карты (карты медико-гигиенической оценки природной среды, социально-бытовых и экономико-географических условий; карты здоровья населения). Основная цель медико-геологических карт - выявить возможные причины территориальной обусловленности заболевания населения, проследить опасность проживания людей на конкретной территории, в конкретных природных, техногенных и социальных условиях. Медико-экологическое картографирование является приоритетным направлением эколого-геологических исследований. Высокие уровни антропогенной нагрузки, загрязнения, геохимические аномалии, низкое качество питьевой воды, шумовые и электромагнитные воздействия оказывают негативное влияние на физическое и психическое здоровье горожан. Возможность более объективных результатов оценки влияния окружающей среды на здоровье человека определяется как наличием качественной исходной информации (первичные данные о заболевании конкретных людей, приемлемый период наблюдений и др.), так и современными средствами и методами ее обработки. Выявление причинноследственных связей между заболеваемостью горожан и состоянием городской среды - задача исключительно сложная. В то же время лишь при ее решении можно говорить об успехах эколого-геологического изучения городской среды. Располагая данными о природе, техногенной нагрузке, социальнодемографическом состоянии городской среды, возможностью использования компьютерных технологий, позволяющих создавать обширные базы и банки данных, получать в автоматизированном режиме разнообразные карты природного, социально-экономического и медикогеологического содержания, выполнять различные операции по моделированию, можно подойти к оценке медико-экологической ситуации в городе. Анализ и оценка полученной информации о среде обитания (природной, техногенной и социальной) используются для выявления причинно-следственных связей между здоровьем населения и окружающей средой. О здоровье населения судят по медико-демографическим показателям заболеваемости, данным физического развития, инвалидизации. Особую ценность приобретают стандартизованные эпидемиологические исследования с использованием международных методик и организация медико-экологического мониторинга. Если говорить об эколого-геологических исследованиях городов, то окончательный набор методов, подходов к их изучению и 168 картографированию будет установлен не в ближайшее время (Макаров, 2002). Картографическое изучение городов вызывает множество проблем, связанных с методикой проведения работ, научной проработкой вопросов проектирования и составления карт и др. Сложность задач отражения различных аспектов жизни города вызывает необходимость создания как фундаментальных картографических произведений, так и оперативных карт-однодневок, показа взаимодействия и взаимозависимости компонентов городской и геологической сред, учета прикладного характера решаемых проблем. Таким образом, эколого-геологическое картографирование города это комплексная оценка состояния урбанизированных территорий как среды обитания, включающая системное рассмотрение структуры, взаимодействия и развития природно-геологической, географической, инженерно-технической и социальной составляющих урбогеосистемы с приоритетом экосистемного подхода. 6.3 Общие принципы эколого-геологического моделирования. Интегральные геоэкологические модели Моделью называется объект, замещающий исследуемый объект (оригинал) с целью получения о нем новой информации. Основным достоинством моделирования как метода познания окружающего мира является возможность получения данных о явлениях и процессах, которые недоступны для непосредственного изучения. Особенно это касается сложных природных геологических процессов и систем, проявляющихся в большом многообразии их типов и особенностей. Одна из задач моделирования заключается в выявлении закономерностей формирования природных систем и их взаимодействия с техническими системами для выработки общих принципов применения количественных оценок. Для достижения данной цели используется преимущественно математическое моделирование, так как человечество практически осознало, что не может понимать, прогнозировать и контролировать природу аналогично физической модели явления или процесса при лабораторном эксперименте. Эколого-геологические системы как объект моделирования представляют очень сложные образования. Это связано с тем, что в основе их образования лежат совершенно разные процессы, одни из которых (геологические) подчиняются природным закономерностям, а другие (экологические) – общественным. Однако данные процессы развиваются на одной площади (регионе), действуют совместно и их результатом выступают крайне разнообразные и разноуровневые взаимодействия компонентов. При этом наибольшая трудность для экологической геологии 169 заключается в организации и синтезе геологических знаний с данными, относящимися к сфере экологии и социологии, так как приходится анализировать и сопоставлять явления и процессы, развивающиеся с неодинаковыми скоростями. Учитывая неосуществимость в настоящее время долгосрочного прогноза последствий техногенеза на окружающую среду (непредсказуемость будущего), человек обязан более внимательно и осторожно относиться к процессам в геологическом пространстве. Это определяет дальнейшее сосуществование человека с природой и требует комплексного анализа разных уровней окружающего мира (Пригожин, 1985). Подобный анализ должен выделять наиболее существенные черты в изучаемых объектах, учитывать взаимосвязь природных, техногенных и природно–техногенных сфер и возможность создания моделей геологического пространства. Часто выделение существенных факторов позволяет перейти к более схематичному объекту (модели), который отражает основные закономерности явления и дает возможность узнать о нем нечто новое. Одной из главных задач экологической геологии является системный анализ исследования процессов взаимосвязи природных геологических и техногенно–преобразованных сред в пространственном аспекте с выявлением их наиболее существенных черт. Поэтому в последнее время в науках о Земле значительно возросла потребность в обобщениях и интегральных оценках геоэкологических и экологогеологических процессов. Для решения подобных задач на региональном, территориальном и локальном уровнях возможно применение различных методических и методологических подходов, желательно с их верификацией на основе мониторинговых наблюдений. Современный мир уже невозможно представить без достоверной, точной, постоянно дополняемой и обновляемой информации. Неоднородность геологического пространства не только способствуют созданию объемного изображения (3D модели), но также и исследованию закономерностей построения мозаик, образованных природно– техногенными объектами. Это, в свою очередь, позволяет проводить количественную оценку территорий, опираясь на статистические методы обработки разнообразной информации, представленной в виде пространственно распределенных характеристик-параметров. При этом формируются системы моделей, которые решают проблему достоверности оценок и быстрого перестраивания моделей при расширении информационной основы, определяя обоснованность геоэкологических прогнозов. В подобных системных моделях по сравнению с традиционными и электронными картами неизмеримо повышается адекватность информации реальному геологическому строению и степени техногенной нагрузки (табл. 12), так как модель сохраняет метрические (численные) 170 характеристики изучаемых объектов. Поэтому, с технологической точки зрения, в экологической геологии представляется перспективным переход от описательного и субъективного картографирования к количественному объемному моделированию природных и техногенных процессов. Подобный подход предполагает замену парадигмы сообщения (характерной для современного картографирования) аналитической парадигмой (характерной для моделирования). Таблица 12. Различия между картами и компьютерными моделями Карты Статичные Плоские (двумерные – 2D) Ограниченные объемы данных Компьютерные модели Динамичные Объемные (трехмерные – 3D) Неограниченные объемы данных Без возможности управления изображением (отсутствие обратной связи) Единый масштаб Один уровень генерализации Эпизодическое обновление Возможность интерфейса в программноуправляемой среде (наличие обратной связи) Многомасштабность Мультигенерализованность Оперативное обновление в режиме реального времени Подвижные и/или нечеткие границы С показом меняющегося состояния окружающего пространства Фиксированные границы и контуры Без отображения состояния окружающего пространства По выражению Х. Рединга «Модели – это идеализированные упрощения, выдвинутые для того, чтобы облегчить наше понимание сложных природных (и техногенных – Р. С.) процессов». Отсюда, одной из важнейших задач экологической геологии становится создание соответствующих объективной реальности абстрактных математических моделей объектов, явлений и процессов. Отсутствие у подобных моделей индивидуальных особенностей, их формализованность и относительная простота позволяют описывать их математически. При анализе моделей получаются нетривиальные выводы, а результаты подобного моделирования применимы для познания гораздо более широкого класса природных и антропогенных явлений по сравнению со сложными всеобъемлющими моделями, разработанными для единичного объекта. Численная математическая модель 3D максимально полно реализует разнородные данные, позволяет донести до пользователя авторскую интерпретацию обработанной информации и существенно облегчает процесс исследования техногенно-преобразованного пространства. При 171 этом 3D модель позволяет оперативно изменять ее по мере получения новых данных. Благодаря компьютерной модели, в практический оборот вовлекается колоссальное количество разноплановой, а иногда и противоречивой информации, полученной по результатам работ, проведенных в разные годы и имеющих различную направленность. Отметим, что в традиционной («ручной») технологии создания картографического изображения нарушается основной принцип функционального устройства любых исследовательских систем - принцип обратной связи (см. табл. 12). Моделирование же основано на возможности влияния на создаваемую модель, так как последняя интегрирует воедино три базовые группы признаков: вещественную (состав природных и техногенных объектов), пространственную (древние геологические структуры, современный рельеф и техногенные поля) и временные (геологические эпохи, периоды и исторические этапы, события). Широкое внедрение в данную область технологии ГИС (географические информационные системы) позволяет на основе системного и интегративного подходов выполнять анализ многомерного признакового пространства, привязанного к географическим координатам. С развитием ГИС-технологий оперирование «цифрой» при создании компьютерных моделей в большинстве случаев оказывается эффективнее и поэтому предпочтительнее построения традиционных карт. Информационные системы не могут существовать без постоянного обновления и пополнения массивов данных, т. е. они работают в мониторинговом пространственновременном режиме, что позволяет перейти к качественно новому продукту (эколого-геологической модели), который может создаваться, уточняться и пополняться в течение всего периода его использования. Принципиальное преимущество объемных цифровых моделей состоит именно в том, что при их создании наиболее полно реализуется вся информация, характеризующая объект исследований, что позволяет подойти к ее взаимоувязке и переосмыслению. Отсюда, следует важный практический вывод, что цельная характеристика объекта возможна только путем создания его цифровой компьютерной трехмерной модели. Первоначально сложная картина может быть результатом очень простых процессов, подчиняющихся немногим правилам. Именно поэтому единство временных и площадных масштабов геосистем широкого диапазона позволяет выделить микро–, мезо– и макроуровни [37]. К микроуровню организации вещества относятся объекты атомного и минерального геологических уровней, к мезоуровню – объекты петрографического и фациального уровней, к макроуровню – объекты формационного и планетарного уровней. Выделенные уровни рассматриваются с точки зрения подобия геологических объектов в разных 172 масштабах, формирования единой структуры поля и «одновременности» процессов. Учет иерархической и таксономической принадлежности моделируемых объектов на разных уровнях организации вещества кардинально меняет стратегию создания моделей в геологии и экологической геологии. Все это позволяет говорить о существовании определенных масштабно-информационных уровней, в которых наилучшим образом сочетаются, сопоставляются и дополняются данные по разным объектам исследований. Отсюда, геологические и эколого-геологические модели, созданные по иерархическому принципу, становятся системами, накапливающими и хранящими информацию не только о случайных индивидуализированных объектах, а об объектах более высокого уровня, которые подчиняются общим закономерностям и со временем по мере получения новых знаний приближаются к реальному строению отдельных регионов и стран. При этом процесс геологического познания (появление новой информации) основан на открытии, изучении всë новых и новых материальных и идеальных моделей или функций их отдельных структурных элементов. Для создания интегральной модели требуется определенный универсальный инструмент, который позволяет объединить отдельные параметры техногеосистемы. Таким универсальным инструментом выступает компьютерное моделирование. Процесс создания интегральной модели состоит из следующих последовательных операций [37]: а) формирование базы количественных и качественных данных по различным средам; б) построение по ГИС–технологии монокомпонентных моделей 3D; в) создание общего грида для отдельных сред, обладающих разной сетью опробования (рис. 27); г) статистический анализ (корреляционный, кластерный, факторный и другие методы) матрицы параметров и значений, полученной с помощью общего грида (гриданализ); д) выбор «техногенного», «природного» и «природно– техногенного» факторов на основе геологических, экологических и иных представлений, с обязательным учетом кластерной группировки параметров и вклада каждого из них в факторные нагрузки; е) построение по полученным факторным коэффициентам новых синтезированных моделей 3D, во-первых, системно обобщающих всю информацию о геоэкологическом пространстве, во-вторых, обладающих новым качеством (эмерджентностью), свойственным только для техногеосистем; ж) создание интегральной модели 3D с переходом на моделирование 4D (3D + время). 173 174 Рис. 27. Создание общего грида для интегральной модели 3D [37] Б А - создание общего грида: cреды с разной сетью наблюдений: I – структурная поверхность; II – геологическая основа; III – современный рельеф, IV – литохимическое опробование коренных пород (первичные ореолы рассеяния), V – геохимическое опробование донных осадков (потоки рассеяния), VI – гидрохимическое опробование поверхностных водотоков, VII – экзогенные геологические процессы, VIII – защищенность подземных вод от загрязнения, IX – техногенная нагрузка; X – общий грид Б - создание интегральной модели 3D: I–III – модели «природного» фактора; IV–VI – модели «природно– техногенного» фактора; VII–IX – модели «техногенного» фактора; X – интегральная геоэкологическая модель А Создание базы численных данных относится к наиболее емкому и ответственному элементу моделирования. Количественные определения признаются доминантными по сравнению с качественными показателями. Они предполагают, например, определения абсолютных содержаний химических элементов в пробах вод, осадков, пород, измерение физических параметров полей и др. Подобная база данных является необходимым условием для изучения процессов в отдельных средах, а также для долгопериодного мониторинга геологического пространства. После накопления значительного объема информации появляется возможность создания трехмерных моделей, достаточно корректно отражающих реальную эколого-геологическую ситуацию. Разработка математической модели и ее сохранение в базе данных существенно облегчают и сам процесс исследования, позволяя не только относительно просто оперировать ею, воссоздавая и визуализируя структуру поверхностей, но и оперативно корректировать или переинтерпретировать модель по мере получения новой информации. Исходная пространственная информация о результатах геологических и экологических исследований обычно представляется в виде координат точек нерегулярной сети по разным средам (см. рис. 27). Разнородность существующей геологической и экологической информации связана с неравномерной плотностью опробуемых сред; различными способами получения первичной информации; различных методах интерпретации первичных данных; наличие дискретных данных, описывающих непрерывные процессы, объекты и их свойств и др. Интеграция данных возможна, если эти результаты будут получены на регулярной наблюдательной сети, что доступно сегодня практически только для дистанционного спутникового зондирования. Для преодоления сложностей, возникающих при интеграции экологических и геологических данных, может быть предложен метод общей сетки (грида). Размер ячеек грида выбирается таким образом, чтобы имеющейся информации было достаточно для оценки отдельных элементов-сред. Затем сетка преобразуется в матрицу значений, которая подвергается статистическому анализу. Существо применения математических методов для построения эколого-геологических моделей заключается в получении некоторых обобщенных комплексных факторов, которые агрегируют большое количество частных параметров и отражают наиболее существенные черты суперпозиции влияющих процессов. При использовании ГИС-технологий такое обобщение разнородных параметров и создание на его основе генерализованных моделей и количественной интегральной оценки требует, чтобы каждый параметр в пределах элементарной ячейки являлся 175 постоянным для определенного временного периода, а частные параметры отображались в виде дискретной шкалы количественных значений или формализованных баллов. Однако необходимо отметить, что не всегда математические методы позволяют получать адекватные результаты при анализе объектов в техногеосистеме. Это связано как с некоторыми ограничениями самих статистических методов, так и, в большей степени, с недостаточной формализованностью сложных процессов в техногеннопреобразованном геологическом пространстве. Поэтому математическая обработка данных при эколого-геологических исследованиях может рассматриваться как научная операция, если ее целью является поиск более устойчивых величин, чем исходные, и на базе которых могут быть получены универсальные зависимости. Результаты математической обработки материалов будут успешными, если удается дать содержательную интерпретацию выявленных кластеров и факторов. Данная стадия работы и далее создание на их основе интегральных моделей требует от исследователя четкого представления об информативном потенциале показателей, которые привлечены для статистического анализа. Поэтому при отборе кластеров и факторов следует руководствоваться их содержанием, а не стремлением к включению в анализ как можно большего их числа. Выявление геологически и экологически значимых показателей позволяет создать на их основе интегральные объемные модели 3D. Наряду с хорошей сопоставимостью с традиционными однокомпонентными геополями, интегральные модели при создании топографии любой поверхности учитывают весь комплекс пространственной информации по геосредам и являются универсальным инструментом описания природных, техногенных объектов и явлений, которые помогают вскрыть сущность процессов в геологическом пространстве и особенно для техногенно-преобразованных территорий. Таким образом, методика создания интегральных моделей объединяет различные среды путем систематизации количественных и качественных признаков. Переориентирование традиционного геоэкологического картографирования на компьютерное моделирование с соответствующей заменой парадигмы сообщения аналитической парадигмой значительно расширяет ресурсность информационных баз данных, способствует оперативному изменению моделей и объективизирует процесс изучения техногеосистем. При проведении компьютерного моделирования геологических и техногенных объектов, в первую очередь, встает вопрос определения изначальных (входящих) и получаемых (выходящих) параметров модели, которые определяются целями и задачами, для решения которых будет использоваться модель. Методика составления системных моделей предполагает включение в них максимального числа факторов 176 (многофакторный подход) и может применяться для всех уровней организации пространства (см. рис. 27), что позволит приблизиться к интегральной картине окружающего нас мира. При этом создание интегральной модели 3D способствует постижению процессов в техногеосистемах путем создания постоянно действующих моделей. Автор надеется, что реализация подобного подхода позволит перейти в будущем к объемному геоэкологическому моделированию, которое направлено на получение нового многофункционального знания о земных недрах и техносфере на основе изучения количественных оценок взаимосвязи отдельных сред, т. е. к «количественной революции» в геологии. Подобное моделирование может выступить ядром системного знания о Земле, объединяющего пространственно–временные аспекты разных природных и техногенных объектов с целью гармонизации окружающей среды (см. раздел 7). Вслед за [24], автор считает, что все основные мировые проблемы неразрывно связаны друг с другом, однако пока еще не открыт метод, который позволял бы эффективно изучать единое целое. Предлагаемый подход количественного моделирования может оказаться исключительно полезным для определения отношений, которые должны существовать между человеческим обществом и геологической средой с возможностью наблюдения тех последствия, к которым приведет нарушение таких соотношений. Моделирование может выступить основой системного знания о геологическом пространстве, объединяющего пространственно–временные аспекты разных природных и техногенных объектов с целью создания гармоничных отношений человека, общества и природы [37]. Интегральное моделирование геологических и техногенных процессов позволяет анализировать и находить решение очень сложных и запутанных проблем в науках о Земле, как, например, неопределённость и риск при принятии управленческих решений. Комбинирование достижений в аналитических методах, моделировании и информационных технологиях сегодня является мощным инструментом в научных изысканиях. В конце раздела приведeм слова В. И. Вернадского: «Нельзя заботиться о развитии одних научных дисциплин и оставлять другие без внимания. Нельзя обращать внимание только на те, приложение к жизни которых сделалось ясным, и оставлять без внимания те, значение которых не осознано и не понимается человечеством». 177 7. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ГЕОЛОГИЯ И УСТОЙЧИВОЕ РАЗВИТИЕ Мы испытываем душевный подъем, ибо начинаем различать путь, ведущий от того, что уже явилось, к тому, что еще только возникает. И. Пригожин, И. Стенгерс Человек оказался единственным представителем животного мира, «вырвавшегося» из экологической зависимости окружающей среды и ставшего властелином своей судьбы. Он стал добывать полезные ископаемые, строить города, преобразовывать природу, создавать техноприродные системы, функционирующие по своим (социальным) законам, отличным от законов, по которым существовала ранее биота Земли. Так, в биологических системах действует закон Ле Шателье - Брауна, согласно которому внешнее воздействие, выводящее систему из равновесия, стимулирует в ней процессы, стремящиеся ослабить результаты этого воздействия, т. е. любые возмущения гасятся биотой экосистемы, ее массой и биоразнообразием. Геологические системы более инертны и не обеспечивают в основном адекватного эффекта противодействия различным возмущениям, включая антропогенные и техногенные. До появления машин, приборов люди, в основном, жили в согласии с природой, и относительную гармонию того периода нарушали только природные катастрофы (наводнения, землетрясения, извержения вулканов и т. п.). Экологические кризисы на рубеже XX и XXI веков перестали носить локальный характер и стали охватывать целые регионы. К природным стихиям стали «присоединяться» антропогенные и техногенные катастрофы, по масштабам и последствиям значительно опаснее природных. Процесс антропогенеза в масштабах планеты стал неуправляемым и опасным по своим последствиям. Только твердых промышленных и бытовых отходов человечество ежегодно создает в объеме 25-30 млрд. тонн, в которых около половины представлены органическими соединениями; выпускается ежегодно около 1 миллиона химических веществ, чуждых природе; вносится в почву более 100 млн. тонн минеральных удобрений и около 0,5 млн. тонн различных токсикантов. Каждый год из недр добываются около 100 млрд. тонн минерального сырья, сбрасываются в поверхностную и подземную гидросферы до 600 млрд. тонн промышленных стоков. Создалась ситуация общего перераспределения химических элементов, которая ведет, в частности, и к трансформации и загрязнению био-, атмо-, педо-, гидросфер и верхней части литосферы. Можно утверждать о возникновении новой 178 геохимической среды миграции химических элементов антропогенного генезиса в геосредах. Устойчивое развитие (от англ. sustainable development) есть такое развитие, которое удовлетворяет потребности настоящего времени, но не ставит под угрозу способность будущих поколений удовлетворять свои потребности [25]. Отсюда, устойчивое развитие - это улучшение жизни людей в условиях устойчивости биосферы, когда хозяйственная деятельность не порождает превышение допустимого порога возмущения биосферы или когда сохраняется такой объем естественной среды, который способен обеспечить устойчивость биосферы с включением в нее хозяйственной деятельности человека. По-видимому, устойчивое состояние потребует от общества меньшего потребления природных ресурсов, но гораздо более высоких моральных качеств. Смогут ли люди и страны пойти к устойчивому развитию? Новое преобразование должно носить осознанный характер, и управлять им следует со всей возможной предусмотрительностью, которую только может обеспечить наука. Если удастся выполнить данную задачу, это будет небывалым явлением во всей истории человечества. Устойчивое развитие следует интерпретировать как стратегию переходного периода к такому состоянию природы и общества, которую можно характеризовать термином «коэволюция» или «эпоха ноосферы». По Н. Н. Моисееву, коэволюция представляет собой совместное развитие природы и общества и может быть достигнута только на определенном этапе развития человечества, когда коллективный разум и воля человечества обеспечат ее реализацию. Наступающий глобальный экологический кризис подталкивает человечество к выбору этого пути. Именно коэволюция раскрывает суть понятия устойчивого развития. Принцип соотношения экологических и экономических интересов общества является основополагающим в концепции устойчивого развития, сформулированной на конференциях ООН в 1972 и 1992 гг. В России в настоящее время на стадии планирования хозяйственной деятельности приоритетными являются экологические интересы общества, тогда как при ведении хозяйственной деятельности приоритет пока отдается экономическим интересам. Вспомним, что термины «экология» и «экономика» произошли от одного греческого слова «oikos», означающего «дом», однако эти понятия оказались пока несовместимыми и противостоящими друг другу. Человек во имя прогресса сознательно разрушает экосистемы, проявляя гиперагрессивное отношение к природе. Промышленное развитие, призванное служить экономическому прогрессу, пришло в противоречие с природной средой, поскольку оно перестало учитывать реальные пределы устойчивости биосферы (см. раздел 1). 179 7.1Особенности взаимодействия природы и общества. Концепция устойчивого развития Современное состояние взаимоотношений общества и окружающей природы сложилось исторически (рис. 28). Исследователи выделяют здесь три основных этапа: ручное производство с применением естественных источников энергии; машинное производство с применением искусственных источников энергии; автоматизированное производство с применением искусственных способов переработки и использования информации. С момента появления предков человека (3 млн. лет назад) до овладения ими огнем и камнем история относит ко времени мирного сосуществования человека и окружающей среды. Около 5 тыс. лет длилась неолитическая революция, когда человек начал использовать горные породы в качестве орудий труда. За это время человек сам стал выбирать и приспосабливать окружающую среду для жизни: он перешел от собирательства плодов, ягод, охоты к землепашеству. С открытием меди, олова, серебра, золота и железа общество стало добывать эти металлы и Рис. 28. Система «человек – окружающая среда» [18] 180 где-то около 9-7 тыс. лет назад появились условия для техногенного изменения окружающей среды. С 5-4 тысячелетий до н. э. развивается горное дело, разрабатываются медные, свинцовые и цинковые месторождения в Западной Азии, Северной Африке, Индии с помощью рудников глубиной более 100 м. В античное время продолжается активное использование полезных ископаемых; горные выработки углубляются, т. к. человек научился использовать водяной привод для подъема значительных масс руды. XX век ознаменовался активным освоением минерально-сырьевых ресурсов, развитием энергетики, горного дела, химической промышленности и других отраслей, а в конце столетия проявления техногенеза стали приобретать глобальный характер. Именно в современный период характер взаимных связей природы и общества в значительной степени определяется геологическими и географическими факторами существования и развития техногенеза. Так, геодинамические процессы в земной коре, явления конвекции мантийного вещества, дегазация газов и растворов в гидросферу и атмосферу через рифтовые зоны и вулканические пояса обусловливают наполнение техносферы. Вместе с природными источниками общество поставляет в атмосферу, гидросферу, литосферу и почвы техногенные металлы, газы и трансформирует геосреды. К примеру, общество изымает из геологической среды минеральные ресурсы, нарушая структуру этой среды. Ежегодно из недр в конце XX века извлекалось 100 млрд. тонн минеральных ресурсов, а суммарный объем добытых всем человечеством полезных ископаемых до начала XX века составлял всего 50 млрд. тонн. Нарушение целостности геологической среды приводит к ответной реакции: катастрофические аварии (на шахтах, при проходке скважин), геодинамические явления (опасные для нефтегазопроводов, линий электропередач, авто- и железных дорог), вызванные оползневые процессы, солифлюкционные процессы в многолетнемерзлых породах (под воздействием антропогенных сил), наведенная сейсмичность, высокие пластовые давления, проявление соляного диапиризма, снижение уровня подземных вод с образованием депрессионных воронок, создание подземных полостей (вследствие отбора полезных ископаемых) и др. Взаимоотношения общества с окружающей средой описываются некоторыми концепциями: природоохранной деятельности, технократического оптимизма (экологического алармизма) и паритета между природой и обществом. Природоохранная концепция. Есть основание предполагать, что на самых ранних этапах общественного развития люди, полностью зависящие от окружающей их природы, понимали необходимость рационального 181 использования окружающей среды. Во второй половине XX века обострились проблемы природопользования. Общество никогда еще до этого не было столь сильно оснащено технически. Противостояние между обществом (техникой) и природой было не в пользу последней. В то же время охрана природы становится самостоятельной отраслью научных исследований. Работы по охране природы интегрируются геоэкологией на макрорегиональном уровне. Разрабатываются программы по охране и защите отдельных территорий и даже отдельных частей геосфер. Концепция технократического оптимизма. Это научное направление возникло вследствие научно-технического прогресса, при котором общество «вдруг» удостоверилось в огромных объемах использования природы и природных ресурсов и уроне, нанесенному обществом окружающей среде. Данное течение в науке получило название алармизма (от англ. alarm - тревога, страх). В течение последних десятилетий по заданию Римского клуба Донелла Медоуз с соавторами работали над проблемой глобальных кризисов природопользования и путей выхода общества из складывающегося безвыходного положения (см. раздел 1). Ими предложены три сценария возможного развития общества, каждый из которых может проявиться самостоятельно: 1) в случае истощения природных ресурсов неизбежно замедление промышленного и сельскохозяйственного производства с последующим падением численности населения Земли и возникновением экологической катастрофы; 2) организация достаточно эффективной защиты природной среды обеспечит более ускоренный рост народонаселения, вызовет нехватку пахотных земель и экологический кризис; 3) при практически неограниченных природных ресурсах неизбежностью прогнозируется гибель цивилизации от загрязнений. Авторы предложили три модели для выбора. По первой модели конечный мир не имеет пределов, а в случае выхода за эти пределы наступит катастрофа. По второй модели пределы окружающего мира существуют, они близки и люди обязаны контролировать свои запросы. В противном случае наступит истощение природы и катастрофа. По третьей модели, также как и по второй, пределы существуют, они близки, но общество должно найти в себе силы, средства и время заняться всерьез благоустройством окружающей среды и мира. Концепция паритета между природой и обществом. Общество должно найти в себе силы и разум и разработать устойчивое развитие окружающей среды. Данная концепция основана на тезисе, что «существование общества и природы возможно только в виде научно обоснованного компромисса между ними» (Рио-де-Жанейро, 1992). К началу XXI века мировое сообщество осознало важность необходимости сохранения биоразнообразия экосистем, устойчивого развития биосферы. 182 При этом необходимо разумно и умеренно использовать ресурсы окружающей среды, включая полезные ископаемые, и рассматривать существующие технологии только как один из элементов решения экологических проблем и устойчивого развития. Проблема устойчивого развития природы видится в комплексном ее исполнении, т. е. решение текущих экологических задач регионов на путях познания закономерностей развития компонентов природы, в том числе и антропогенного генезиса. Понятие «устойчивое развитие» включает улучшение качества жизни людей, проживающих в пределах несущей емкости поддерживающих экосистем. Устойчивая экономика - продукт устойчивого развития, она поддерживается ресурсной базой и развивается путем адаптации и через развитие знаний, организацию, техническую эффективность и мудрость. Стратегия устойчивого развития не может быть определена на основе только традиционных представлений и ценностей. Она предполагает выработку новых научных подходов, отражающих как современные реалии, так и перспективы развития. Мир человека и природы, мир человека в природе характеризуется устойчивостью, способностью к самоподдержанию и отсутствием кризисов антропогенного происхождения [25]. Человек зависит от Земли и ее ресурсов и не рискует превышать ограничения поддерживающей емкости ее систем, налагаемые конечностью Земли и земной биосферы, ее живых и неживых составляющих, подвергая опасности сам факт существования жизни на Земле. Человечество стремится к выживанию и удовлетворению своих потребностей и в то же время не ставит под угрозу способность будущих поколений выживать и удовлетворять их собственные потребности; человечество заботится о сохранении биоразнообразия на Земле, так как все живое имеет право на жизнь сейчас и в будущем. Многие восприняли идею устойчивого развития упрощенно, предполагая, что она заключается в переходе на природоохранную деятельность. Неясная и нечеткая формулировка основополагающих идей концепции привела к тому, что во многих странах идея устойчивого развития с самого начала приобрела политическую и декларативную окраску. Однако современный мир не изменил идеологию своего развития, основа которой - достижение успеха любыми средствами и получение сверхприбыли за счет эксплуатации природы. Поэтому, рассматривая перспективу постиндустриального развития общества, следует вернуться к экологическому пониманию устойчивого развития. Устойчивым следует считать развитие без количественного роста потребления ресурсов биосферы, выходящего за пределы ее хозяйственной емкости, и позволяющего сохранять функции биосферы как самоорганизованной и саморегулирующейся системы. Речь идет не о прекращении дальнейшего 183 прогресса цивилизации, а об ограничении потребления ресурсов окружающей среды с сохранением всех возможностей для духовного и интеллектуального совершенствования в соответствии с экологическими императивами. Устойчивое развитие в экологическом понимании предусматривает разработку системы запретов, затрагивающей не только технологические, но и социальные, этнические, религиозные и другие стороны человеческой цивилизации. Необходимо пересмотреть сложившиеся за многие годы взгляды на развитие производительных сил и производственных отношений, проблему народонаселения планеты, отказаться от ранее принятых программ наращивания производства на основе неограниченного использования природных ресурсов. Требуется осмыслить синтез явлений, познаний и философий, которые недавно рассматривались как несовместимые. Необходимо коренным образом изменить структуру отношений между обществом и природой путем реорганизации человеческой деятельности таким образом, чтобы она соотносилась с функционированием экосистем. Подобный подход способствовал бы сохранению глобальных общественных ресурсов (климата, океана, озонового слоя) и развитию таких природных процессов, как рост биомассы, почвообразование, круговорот воды, которые являются жизнеобеспечивающей основой для нынешнего и будущих поколений. Таким образом, концепция устойчивого развития основана на поддержании трёх принципов: 1) скорость восстановления возобновимых ресурсов должна быть не ниже скорости их потребления; 2) потребление невозобновимых ресурсов не должно превышать скорости отыскания их замены; 3) интенсивность выбросов загрязняющих веществ не должна превышать скорости их разложения или ассимиляции природной средой. Переход на устойчивое развитие помимо решения чисто научных задач, связанных с оценкой биологической емкости биосферы, предусматривает выработку общепланетарной экологической политики, которая бы выходила за рамки национальных, религиозных и других интересов народов и стран. Нельзя допустить, чтобы экологизация экономики привела к снижению уровня жизни в развитых странах, а политика консервации и управления природными ресурсами вызвала еще более хищническое уничтожение их в развивающихся странах. 7.2 Эколого-геологические проблемы регионов Вторая половина XX и начало XXI столетия ознаменовались резким обострением ряда глобальных проблем, к числу которых относятся природные катастрофы. За последние 50 лет количество природных 184 бедствий на Земле увеличилось более чем в 3 раза. Во всём мире участились природные и техногенные катастрофы, уносящие человеческие жизни и ещё больше загрязняющие окружающую среду. За период с 1965 по 2002 гг. на Земле от катастрофических явлений погибло 5,5 млн. человек, пострадало более 5 млрд. человек. В течение последних 20 лет от природных катастроф ежегодно погибало на Земле от 75 до 86 тыс. человек, а количество пострадавших составляло 147-211 млн. человек. Природные катастрофы сопровождаются крупными материальными потерями. За последние 40 лет они возросли в 9 раз и составляют сейчас около 150 млрд. долл. в год [25, 31]. Ожидается, что к 2050 г. экономические ущербы от опасных природных процессов достигнут 300 млрд. долл. и по своей величине будут соответствовать почти половине прироста глобального валового продукта. Наиболее уязвимыми к природным катастрофам оказываются бедные страны, поскольку у них не хватает средств для предотвращения бедствия или исправления его последствий. Потери от природных катастроф развивающихся стран в пять раз превышают в пересчете на объем ВВП потери богатых стран. Увеличение числа природных катастроф в мире связано с рядом глобальных процессов (рост численности населения и промышленного производства на земном шаре, урбанизация, деградация природной среды, глобальное потепление климата) в социальной, природной и техногенных сферах, которые обусловливают развитие опасных природных явлений и снижение защищенности людей на Земле, что является серьезной угрозой всему процессу устойчивого развития общества. К опасным природным процессам относятся любые изменения состояния породных, водных или воздушных образований неживой природы, обусловленные естественными причинами, которые могут привести к негативным для человека или объектов хозяйства последствиям (рис. 29-32). Опасные техногенно-природные процессы представляют собой подобные изменения неживой природы, которые вызываются человеческой деятельностью. Они, как правило, характеризуются большей интенсивностью и ущербностью, чем их природные аналоги. Анализ развития природных и техно-природных катастроф в мире и в России свидетельствует о том, что стихийные бедствия стали важным фактором устойчивого развития. Уменьшение опасности и смягчение последствий катастроф относится к одному из основных направлений деятельности на глобальном, национальном и региональном уровнях. Может ли современная цивилизация уменьшить опасности стихийных бедствий? До недавнего времени так вопрос даже и не ставился: усилия 185 Рис. 29. Уровень лавиноопасности на Северном Кавказе (Любимова, 2012) Рис. 30. Степень сейсмоопасности на Северном Кавказе (Любимова, 2012) 186 Рис. 31. Степень пораженности территории Северного Кавказа экзогенными геологическими процессами (Любимова, 2012) Рис. 32. Совокупная степень проявления геологических рисков на Северном Кавказе (Любимова, 2012) 187 направлялись в основном на ликвидацию последствий и оказание помощи пострадавшим. Время выдвигает новую стратегию – необходимо создавать модели прогнозирования и предупреждения катастроф (Осипов, 2010). Устойчивость геологической среды к геодинамическим природным и техногенным процессам зависит от интенсивности и скорости их развития, состояния геологической среды и физических свойств массивов горных пород. В целом на Земле наблюдается непрерывное усиление естественных и техногенных геодинамических процессов. Природные геодинамические процессы развиваются или в виде плавных ритмичных эволюционных изменений с периодами от секунд до миллионов лет, что является признаком «порядка» в литосфере и на Земле, или в виде быстрых (минуты и сутки) катастрофических проявлений — «хаоса». К геодинамическим природным (естественным) процессам относят: 1) извержения вулканов; 2) изменения напряженного состояния массивов горных пород, приводящие к уплотнениям, разрушениям, обвалам, осыпям и другим гравитационным процессам; 3) сейсмичность, связанную с естественными землетрясениями; 4) оползневые процессы и абразию берегов, вызываемые природными процессами и инженерно-технической деятельностью; 5) карстовые явления и суффозию, связанные с растворением карбонатных пород и вымыванием рыхлых пород подземными водами, возрастающими под воздействием природнотехногенных факторов; 6) криогенные процессы, сопровождающиеся переходом температуры пород от отрицательной к положительной и приводящие к деструкции мерзлоты, изменению физико-механических и прочностных свойств горных пород. Безусловно, активная человеческая деятельность имеет тесную взаимосвязь с происходящими в Земле сейсмическими процессами, которая наиболее проявляется в периоды непосредственного воздействия взрывными и вибрационными методами достаточной мощности. Геодинамические техногенные (искусственные) процессы вызываются: 1) закачкой флюидов в глубокие горизонты земной коры при захоронении загрязненных вод, создании подземных хранилищ жидкостей и газов, законтурном обводнении залежей углеводородов с целью поддержания пластового давления; 2) техногенными взрывами на энергетических, горнодобывающих, нефтегазовых предприятиях, на трубопроводах; 3) взрывами шахтного газа, возникшими в результате нарушения техники безопасности; 4) результатами военных действий, особенно массированных бомбардировок; 5) подрезкой или перезагрузкой обвалоопасных и оползнеопасных склонов. Результатами подобных техногенных геодинамических процессов являются наведенные землетрясения, когда антропогенные воздействия могут приводить к 188 изменению эффективных напряжений на контактах крупных блоков Земли, вызывая разрядку уже накопившихся напряжений, т. е. служить «спусковым крючком» подготовленного природой сейсмического события. В качестве примера природно-техногенной катастрофы можно привести развитие наведенной (техногенно-индуцированной) сейсмичности [3]. Современная сейсмология все чаще уделяет внимание вопросам изучения влияния техногенных факторов на сейсмичность в глобальном масштабе и в отдельных регионах. Наиболее часто наведенная сейсмичность проявляется при создании крупных водохранилищ. Мировая статистика показывает, что при строительстве плотин высотой до 90 м около 10 %, а высотой более 90 м – 21 % созданных водохранилищ вызывают наведенную сейсмичность. Примером активизации сейсмоактивности в результате ведения строительных работ может служить опыт создания водохранилища в окрестностях г. Бомбей (Индия). На р. Койна плотиной высотой 103 м было образовано водохранилище объемом 2,8 км3. Оно находилось в регионе, сложенном траппами, разорванными сбросами с амплитудой смещений в несколько сот метров. Район считался сейсмически малоактивным. При заполнении водохранилища на 1/3 были зарегистрированы слабые толчки (не более 4 баллов). Эпицентры землетрясений находились под плотиной и в 40 км от нее. При заполнении водохранилища до высоты 100 м произошло сильное землетрясение с магнитудой 6,4, почти разрушившее г. Койнагар, а толчки достигали Бомбея, удаленного от водохранилища на 230 км. При строительстве и эксплуатации гидротехнических сооружений могут наблюдаться следующие закономерности техногенных землетрясений: 1) между созданием водохранилищ и сейсмической активностью существует неоднозначная связь: известны случаи уменьшения сейсмоактивности вблизи водохранилища; 2) техногенные землетрясения локализуются в радиусе 30 км от створа крупных гидроузлов; 3) существует связь между сейсмоактивностью и изменением уровня водохранилища, причем проявления сейсмичности отстают во времени на 1-2 месяца; 4) активизация землетрясений наступает в тех случаях, когда уровень водохранилища превышает 90-100 м при объеме водохранилища более 109 м3. 7.3 Прогнозирование и мониторинг состояния геологического пространства. Геоэкологический риск Мониторинг геологического пространства – это система наблюдения, оценки и прогноза изменения состояния геологической среды (пространства) под влиянием анропогенного и техногенного воздействий. 189 Задачами подобного мониторинга являются: количественная и качественная оценки состояния геосред (подземные воды, породы, геодинамические явления и др.), составление прогноза о состоянии геологической среды, разработка рекомендаций по устойчивому развитию эколого-геологических систем на локальном и региональном уровнях. Мониторингом называется система непрерывных наблюдений, оценки и прогноза состояния природной среды, позволяющая фиксировать изменения в биосфере под влиянием человеческой деятельности по отношению к естественному фону (Израэль, 1984). Иными словами, мониторинг - это непрерывное слежение за объектами, явлениями и параметрами среды и прогнозирование их изменения с целью планирования мероприятий по оптимизации и управлению качеством окружающей среды. В последние годы в связи с резким возрастанием антропогенной деятельности и загрязнением окружающей среды роль мониторинга резко возрастает. Основными функциями экологического мониторинга являются: 1) выявление факторов, воздействующих на природную среду, оценка их интенсивности и определение источников; 2) оценка фактического состояния природной среды; 3) прогноз изменений в природной среде. Основные функции мониторинга сводятся к контролю качества отдельных геосред и определение основных источников их изменений. На основании мониторинговых наблюдений принимаются решения для улучшения и стабилизации экологической ситуации. По масштабам обобщения эколого-геологической информации выделяют глобальный, региональный и локальный (местный) мониторинг. По методам ведения выделяются дистанционный (авиационный и космический), прямой (наблюдения в скважинах, шахтах, на специальных постах) и аналитический (химический, физико-химический анализы) виды мониторинга. Государственный мониторинг состояния недр или геологической среды (ГМСН) представляет собой систему регулярных наблюдений, сбора, накопления, обработки и анализа информации, оценки состояния геологической среды и прогноза ее изменений под влиянием естественных природных факторов, недропользования и других видов хозяйственной деятельности. Целью ГМСН является информационное обеспечение управления государственным фондом недр и рационального недропользования. Система ГМСН включает следующие подсистемы: мониторинг подземных вод; мониторинг опасных экзогенных геологических процессов; мониторинг опасных эндогенных геологических процессов; 190 мониторинг месторождений углеводородов; мониторинг месторождений твердых полезных ископаемых; мониторинг участков недр, используемых для целей, не связанных с добычей полезных ископаемых; мониторинг участков недр, испытывающих воздействие хозяйственной деятельности, не связанной с недропользованием; мониторинг геологической среды континентального шельфа. Следует обратить внимание на некоторые проблемы в области ГМСН. В соответствии с «Законом об охране окружающей среды РФ» этот мониторинг должен быть подсистемой Единого государственного мониторинга окружающей среды, объектом которого являются, кроме недр, еще и поверхностные воды, атмосфера, биосфера. Однако в положении о порядке осуществления ГМСН не уделяется необходимого внимания его взаимодействию с другими видами мониторинга окружающей среды. Мониторинг недр в значительной степени носит ведомственный характер и осуществляется в рамках задач геологической службы. Это негативно сказывается на комплексности получаемой мониторинговой информации и приводит к территориальной разобщенности объектов изученности при экологическом мониторинге различных компонентов окружающей среды. Например, наблюдательная сеть биосферного мониторинга в основном сосредоточена в природных заповедниках, где негативное влияние хозяйственной деятельности минимально, а наблюдательная сеть мониторинга недр в подавляющем большинстве случаев сконцентрирована на территориях с нарушенными условиями, особенно в зонах экологического бедствия. Устранение отмеченных недостатков может быть достигнуто путем реализации единой системы экологического мониторинга РФ с соответствующими подсистемами. Естественно, это потребует определенных изменений в концепции и практике мониторинга недр Российской Федерации. Одной из важнейших задач систем мониторинга должна стать оценка экологического риска, связанного с состоянием недр, для населения и биоты в целом, а также для отдельных ее элементов. Оценка риска должна, в свою очередь, стимулировать развитие социальных мероприятий, связанных с антропогенным воздействием на геосреды (например, экологическое страхование). Введение оценки риска будет содействовать более тесной связи мониторинга геологической среды с медикобиологическими, географическими, социальными и другими видами мониторинга. Риск - вероятностная мера опасности, установленная для определенного объекта в виде возможных потерь в определенное время. Соответственно, геологический риск - вероятностная мера геологической 191 опасности, установленная для определенного объекта в виде возможных потерь за определенное время. Обзор литературы показывает, что все большее распространение получает подход к экологической оценке через понятие геоэкологического риска, под которым понимается не только вероятность неблагоприятного события, но также все его возможные последствия. Вероятность события или процесса здесь выступает одним из компонентов риска, а мера последствий (ущерба) - другим. Такое двумерное определение риска используется при количественном оценивании риска. Геоэкологический риск – это вероятность деградации окружающей природной среды (включая геологическое пространство) или ее перехода в неустойчивое состояние в результате хозяйственной деятельности. Сюда входит и возможность потери контроля за происходящими геологическими процессами. Источниками нестабильности для эколого-геологических систем выступают природные явления (землетрясения, извержения вулканов, опасные экзогенные геологические процессы) и техногенный фактор (техногенные аварии на продуктопроводах, катастрофы, искусственные землетрясения и др.). Геоэкологический риск – это вероятность разрушения круговорота жизни из-за деятельности человеческого общества и его ошибок. При этом обычно улучшение одной из частей эколого-геологических систем и неучет возможностей всей системы (отсутствие системного подхода) приводит к неустойчивости. Например, считается, что человеческие ошибки обусловливают 45 % экстремальных ситуаций на АЭС, 60 % авиакатастроф, 80 % морских катастроф. Оценка природных опасностей и рисков позволяет решить комплекс жизненно важных проблем для повышения безопасности общества [32]: определять приоритеты в борьбе с наиболее опасными и разрушительными природными и техноприродными процессами; вести целенаправленное инвестирование мероприятий по снижению угроз от опасных процессов; планировать создание систем предупреждения и реагирования на опасные природные процессы; определять методы и технические средства при решении вопросов о снижении природного риска; разрабатывать нормативные документы и законодательные акты по регулированию хозяйственного использования территорий в районах развития опасных природных процессов. 192 В настоящее время одной из задач корпоративной стратегии нефтедобывающих компаний является социальная ответственность. Прежде всего, это ответственность за сохранение благоприятной окружающей среды и здоровья людей. Вместе с тем, деятельность нефтедобывающих предприятий сопровождается негативным воздействием на окружающую среду и несѐт в себе потенциальную опасность для среды обитания человека. Наибольшее предпочтение отдаѐтся в настоящее время профилактическим мерам, предупреждающим эту опасность на стадии разработки проектной документации для проведения геологоразведочных работ. На этапе принятия решения об инвестировании в разработку нефтяных месторождений большое значение имеет оценка экологического риска для конкретного участка недр. Размеры последствий от деятельности объектов нефтедобычи зависят от многих факторов, в том числе от наличия на территории объектов, определяющих экологические ограничения. К возможным экологическим ограничениям, которые могут встретиться на территории предполагаемого строительства объектов нефтедобычи, относятся: 1) особо охраняемые природные территории (заповедники, национальные парки и др.); 2) наличие мест произрастания охраняемых и исчезающих видов растений; 3) наличие мест обитания охраняемых и исчезающих видов животных; 4) водоохранные зоны и прибрежные защитные полосы водных объектов (рек, стариц, озер, водохранилищ, болот); 5) наличие других месторождений полезных ископаемых; 6) источники и зоны санитарной охраны источников питьевого водоснабжения; 7) земли историко-культурного назначения; 8) близкое расположение селитебной территории с учетом перспективы развития и возможности организации санитарно-защитных зон). Цель прогнозирования заключается в определении областей и возможностей, в рамках которых могут быть поставлены и решены реальные задачи по развитию эколого-геологических систем. Прогнозирование сложных явлений основано обычно на разработке частных прогнозов и последующей их взаимоувязке. При этом согласование частных прогнозов в пределах отдельных территорий и регионов представляется даже более сложной задачей, чем разработка частных прогнозов. Отсюда, следует, что искомое прогнозное состояние объекта (эколого-геологической системы) является ситуацией, которая формируется в результате поиска компромисса между отдельными интересами составных частей объекта. Считается, что прогноз должен быть «разумным», т. е. обеспечить наилучшее будущее устройство объекта прогнозирования. Решение задачи составления подобного прогноза состоит из ряда этапов: ретроспективный анализ объекта - формирование исходной информации и ее анализ - нахождение компромиссного решения, которое явится основой 193 прогноза - оценка качества компромисса - изложение конкретного содержания прогноза. Можно расходиться в оценках степени воздействия человека на природу, но нет никаких сомнений в том, что хозяйственная деятельность человека способствует необратимой перестройке биосферы и литосферы, вызывая в них растущую со временем несбалансированность потоков вещества и энергии. Человек не может не думать о своем будущем и поэтому научное прогнозирование является необходимым элементом планирования всех видов его деятельности. Сегодня применяются различные типы прогнозов: качественные, количественные, кратко-, среднеи долгосрочные, бессрочные перспективные, локальные, региональные и глобальные и др. Поэтому при разработке концепции устойчивого развития отдельных регионов и страны в целом важно понять сущность совместной жизни между человеком и природой путем создания прогнозных моделей. Сама же концепция устойчивого развития имеет три основных подхода: природный (биосферный), технократический (ресурсно-техносферный) и коэволюционный (ноосферный). Развитие биосферы может пойти по такому пути, когда устойчивое состояние исключает присутствие человека – биосферная эволюция. Технократизация (техносферизация) планеты – другой вектор социоприродного развития, который отвечает за возрастание роли закономерностей антропогенного происхождения и, соответственно, уменьшение роли биосферных процессов. При технократическом подходе биосфера рассматривается как неограниченный источник энергетических и сырьевых ресурсов для удовлетворения нужд человека и как среда для удаления возникающих отходов. Быстрая смена технологий в технократическом обществе создает беспрецедентный уровень непредсказуемости среды, однако такое представление основано на данных незначительного периода истории (первые сотни лет) и не подтверждается ее общим ходом. Сущность третьего подхода (коэволюция минерального и биологического миров) можно представить как взаимосвязанное развитие, не нарушающее общий тренд увеличения дифференциации, разнообразия, усложнения структур и связей, повышения информационной емкости, т. е. основных характеристик самоорганизующихся открытых систем. Поэтому постулатом ноосферного подхода является сопряжение природных и антропогенных процессов и реальная альтернатива технократическому и биологическому императивам. При этом решающая роль в преобразовании природы и ее последующей регуляции с целью достижения высшей жизнестойкости развивающегося мира принадлежит человеческому разуму. Это предполагает синтез естественно-научного и гуманитарного 194 знаний. Одним из характерных примеров ноосферного подхода является искусственное создание месторождений полезных ископаемых путем целенаправленного управления природными процессами (см. раздел 5). Это своеобразная функция человечества по возобновлению ресурсов, которая, в целом, характерна для всего живого вещества. Коэволюционное развитие объектов в техногеосистеме можно представить как цепь самоорганизаций. Каждый акт самоорганизации представляет собой прохождение системой точки неопределенности (бифуркации), в которой порождается набор вариантов, определяющих дальнейшее движение. Варианты проходят проверку на жизнеспособность и отбор. Известно, что самоорганизующимся системам как бы нельзя навязывать пути их развития. Относительно короткий собственно эволюционный процесс сопровождается появлением нового качества и сменяется затем периодом постепенных количественных изменений. Здесь начинает накапливаться, нередко в неявном виде, неравновесность состояния, противоречие, ведущее к кризису системы в новой точке бифуркации. В точках бифуркации природа как бы раскрывает свои характер и человек, как незначительный элемент техногеосистемы, детерминировать его не в состоянии. Исходя из выбранного направления развития, техногеосистема далее движется по соответствующему пути до потенциальные возможности, а неизбежно присутствующая случайность выбирает тот единственный канал, по которому дальше и будет развиваться система (рис. 33). При этом развитие экосистем является чётким индикатором изменений, происходящих во взаимоотношениях между различными геосферами. Всестороннее изучение состава и структуры экосистем после прохождения точек бифуркации важно для правильного понимания геологических и техногенных моделей, а также для понимания процессов взаимодействия геосфер. Возможно и другое концептуальное развитие учения о ноосфере, в основе которого вместо создания нового типа биосферы и управления ею была бы идея об управлении на научной основе человеческой деятельностью в биосфере и гармонизации (коэволюции) отношений «человек-природа». Альтернатива заключается в том, что биосферу нужно не преобразовывать, а сохранять. Человек не может и не должен вмешиваться в пока еще недоступные для его сознания природные процессы эволюции биосферы. Происходящие в системе процессы, ее эволюция как рост разнообразия или увеличение числа функциональных единиц изображаются на бифуркационной диаграмме ветвями. В этом смысле точки бифуркации это точки ветвления линий поведения системы (приобретение нового 195 196 П – природный элемент, Т – техногенный элемент Рис. 33. Возможные пути развития техногеосистемы качества), которые широко распространены в явлениях природы и социума. Экосистемы в точках бифуркации геологической истории претерпевают значительные преобразования. Изменяя управляющий параметр на такой диаграмме, мы меняем состояние системы, причем параметр может быть различным для разных физических, химических, биологических, геологических или социальных структур. Когда значение управляющего параметра достигает критического уровня, система попадает в точку бифуркации, наступает «катастрофический» срыв и система переходит в другое раздвоенное состояние. Любое описание системы, претерпевающей бифуркацию, включает как детерминистический, так и вероятностный элементы. При этом от одной точки бифуркации до другой поведение системы детерминировано, а в окрестности точек бифуркации выбор последующего пути случаен. Бифуркация, в некотором смысле, вводит в науки элемент историзма, так как анализ состояния, например, подразумевает знание истории системы, прошедшей бифуркацию. Исходя из вышеописанных подходов по устойчивому развитию техногеосистемы, нами предлагается следующее видение ее будущего поведения (см. рис. 33). Природная система сначала достигает «точки техногенеза», в которой происходит ветвление линий поведения по биосферному, техносферному или ноосферному пути. По-видимому, выбор техногеосистемой своего будущего состояния имеет вероятностный следующей точки бифуркации (биосферная, ноосферная, неотехногенная), а далее опять происходит выбор системой направления своего развития. Теоретически техногеосистема в «конечном» пункте имеет несколько вариантов своего состояния (см. рис. 33): от полностью природного (100 % природной составляющей) до полностью технократического (100 % техногенной составляющей). На примере Республики Татарстан предпринята попытка моделирования природного, технократического и ноосферного состояний геологического пространства (рис. 34). Полученные интегральные биосферная, ноосферная и техносферная модели отражают вышеуказанные современные тенденции в концепции устойчивого развития и могут использоваться совместно с данными других естественных и гуманитарных наук для решения прикладных и теоретических экологических задач. Можно предположить, что реализация количественного подхода в экологической геологии позволит получать совершенно новую информацию и перейти в будущем к прогнозному моделированию. Для проведения мониторинговых и природоохранных мероприятий в техногеосистемах важным элементом является время, которое отражает необратимость процессов в окружающем мире с возможностью создания 197 198 Рис. 34. Прогнозирование эволюции техногеосистемы на примере Республики Татарстан (см. пояснения в тексте) прогнозных моделей 4D, которые, в свою очередь, способствуют развитию четырехмерной геологии. Управление и прогноз – основные цели эколого-геологического моделирования. При этом управление эколого-геологическими системами является более затруднительным и неопределенным. Все более актуальным становятся комплексные исследования, связанные с моделированием геологической среды для целей управления, особенно для отдельных регионов. Геологическое пространство регионального уровня – сложное образование. Основные проблемы управления последним связаны с целеполаганием для территории как целостного объекта управления и отсутствием эффективного механизма, призванного осуществлять в интересах общества согласование внешних (экзогенных) управленческих воздействий на геологическое пространство и его внутренних (эндогенных) процессов и интересов. Наиболее рациональный путь управления региональной геосистемой можно представить в виде следующей последовательности действий: моделирование взаимодействий в геосистеме – анализ структуры геосистемы и возможностей ее преобразования – разработка способов целенаправленного воздействия на структуру объекта управления с целью регулирования процессов функционирования и развития. Составление карт природных рисков позволяют осуществлять мероприятия по управлению природными рисками и смягчению последствий природных катастроф. Снижения риска можно добиваться путем выполнения следующих мероприятий: управление природными опасностями; упорядочивание хозяйственной деятельности и рациональное использование территорий; проведение превентивных мероприятий; создание системы предупреждения и экстренного реагирования; принятие своевременных управленческих решений. С появлением унифицированных методик представится возможность составления карт риска для территорий субъектов Российской Федерации с использованием финансовых средств, научного потенциала и банков данных регионов. Карты риска должны рассматриваться как региональные нормативные документы, с учетом которых государственные органы управления принимают управленческие решения по рациональному использованию территорий, проведению мероприятий по управлению рисками и их снижению. Важное значение для обеспечения безопасности людей и объектов экономики имеет принятие законодательных решений о величине допустимого риска и декларировании природных рисков. Решение поставленных вопросов позволит на практике осуществить переход на технологию анализа природных рисков и смягчения последствий природных катастроф, 199 сделать важный шаг по пути реализации концепции устойчивого развития. 7.4 Экологическое регулирование и экологическое право. Управление эколого-геологическими системами Экологическое право относится к одной из самых молодых и динамично развивающихся отраслей права, где регулируются специфичные общественные отношения. Специфичность их определяется тем, что круг субъектов этих отношений обширен, а объектов права всего два – природные ресурсы и окружающая среда. О. С. Колбасов так отметил особую историческую роль экологического права: «Думается, имущественное богатство и благоприятная природная среда должны уравновешивать друг друга в системе человеческих ценностей. И экологическое право должно сыграть противовесом всего остального права, стоящего на страже имущественного богатства и сопряженной с ним власти». Экологическое право (право окружающей среды) как самостоятельная отрасль права сформировалась в 80-е годы прошлого века. Предметом экологического права являются общественные отношения, которые складываются в сфере использования и охраны природных ресурсов, а также охраны окружающей среды в целом. К этим отношениям в области недропользования относятся: 1) отношения собственности на полезные ископаемые; 2) отношения в сфере недропользования; 3) отношения в сфере охраны окружающей среды от различных форм деградации; 4) отношения в сфере обеспечения экологической безопасности людей, экологических прав и законных интересов юридических и физических лиц. Юридическая ответственность за правонарушения в области использования и охраны геологической среды может быть гражданской, дисциплинарной, административной и уголовной. За административные правонарушения в области недропользования применяется обычно административный штраф. Административные наказания накладываются на граждан, должностных и юридических лиц. К основным административным правонарушениям в области недропользования относятся: уничтожение специальных знаков (наблюдательных режимных скважин на подземные воды; наблюдательных режимных створов; знаков, определяющих границы зон санитарной охраны; пунктов геодезических сетей; пунктов наблюдений за состоянием окружающей природной среды); пользование недрами без лицензии либо с нарушением условий, предусмотренных лицензией; 200 самовольная застройка площадей залегания полезных ископаемых; самовольное занятие водоохранной зоны водного объекта либо зоны санитарной охраны источников питьевого и хозяйственно-бытового водоснабжения; самовольная переуступка права пользования недрами. К основным административным правонарушениям в области охраны окружающей природной среды и природопользования относятся: несоблюдение экологических требований при планировании, технико-экономическом обосновании проектов, проектировании, размещении, строительстве, реконструкции, вводе в эксплуатацию, эксплуатации предприятий, сооружений и иных объектов; нарушение законодательства об экологической экспертизе; сокрытие или искажение экологической информации; невыполнение обязанностей по приведению земель в состояние, пригодное для использования по целевому назначению; нарушение требований по охране недр и гидроминеральных ресурсов; нарушение требований по рациональному использованию недр; нарушение правил и требований проведения работ по геологическому изучению недр; нарушение правил охраны водных объектов; нарушение правил водопользования; нарушение правил эксплуатации водохозяйственных или водоохранных сооружений и устройств; нарушение правил охраны и использования природных ресурсов на особо охраняемых природных территориях; нарушение требований при осуществлении работ в области гидрометеорологии, мониторинга загрязнения окружающей природной среды. За уголовные деяния в области недропользования применяются штраф, исправительные работы, лишение права занимать определенные должности или заниматься определенной деятельностью, лишение свободы на определенный срок. Уголовные наказания накладываются на граждан и должностных лиц. Уголовными преступлениями в области недропользования считаются: нарушение правил охраны окружающей среды при производстве работ, если это повлекло существенное изменение радиоактивного фона, причинение вреда здоровью человека, массовую гибель животных либо иные тяжкие последствия; 201 загрязнение вод, если это повлекло причинение существенного вреда животному или растительному миру, рыбным запасам, лесному или сельскому хозяйству, вреда здоровью человека или повлекшие по неосторожности смерть человека, или совершенные на территории особо охраняемых природных территориях; нарушение правил охраны и использования недр, если эти деяния повлекли причинение значительного ущерба. В 2012 г. издан первый экологический стратегический документ «Основы государственной политики в области экологического развития Российской Федерации на период до 2030 года», который определяет направление действий власти на ближайшие десятилетия. В «Основах…» перечислены задачи государства в области экологии и механизмы их реализации. Документ содержит перечень основных глобальных и национальных проблем, устанавливает стратегические цели, учитывающие российский и международный опыт охраны окружающей среды и обеспечения экологической безопасности. Появление документа обусловлено необходимостью, достижения баланса между развитием экономики и экологической безопасностью. «Стратегической целью государственной политики в области экологического развития является решение социально-экономических задач, обеспечивающих экологически ориентированный рост экономики, сохранение благоприятной окружающей среды, биологического разнообразия и природных ресурсов», - говорится в документе. Это необходимо для удовлетворения потребностей нынешнего и будущих поколений, реализации права каждого человека на благоприятную окружающую среду, укрепления правопорядка в области охраны окружающей среды и обеспечения экологической безопасности. Россия будет достигать стратегическую цель путем решения 13 задач. Среди них формирование эффективной системы управления в области охраны окружающей среды, совершенствование нормативно-правового обеспечения, развитие экономического регулирования и рыночных инструментов охраны природы. Кроме того, предстоит обеспечить экологически безопасное обращение с отходами, сформировать экологическую культуру, развивать экологическое образование и воспитание. Планируется разграничить полномочия природоохранных госорганов, установить новый критерий оценки эффективности их работы, который будет определяться с помощью объективных показателей и индикаторов. В рамках новой государственной политики также предусмотрено повышение эффективности экологического надзора на федеральном и региональном уровнях. К числу важнейших проблем экологической геологии можно отнести проблемы моделирования, прогноза и управления геологической средой. 202 Качественные и количественные модели позволяют создавать как кратковременные, так и долгосрочные прогнозы развития и функционирования эколого-геологических систем. Опыт создания глобальных моделей в рамках Римского клуба (см. раздел 1) показывает комплексность и интегративность прогнозного моделирования [24]. Опыт подобного моделирования может быть перенесен для создания прогнозных моделей устойчивости геосистем в пределах регионов. Оценивая глобальный характер взаимодействия природы и общества, необходимо учитывать принцип «неравномерного развития в равновесной среде», согласно которому процесс естественного неравновесного развития общества должен быть связан с высокой устойчивостью среды его обитания, включая и геологическое пространство. Именно поэтому большое внимание в последнее время уделяется механизмам устойчивости и самоорганизации геосистем в пределах промышленно-урбанизированных территорий. В большинстве случаев природные опасности не поддаются регулированию. Человек еще не научился управлять такими явлениями, как землетрясения, извержения вулканов, изменение климата и др. Некоторые природные опасности (наводнения, эрозия, оползни, сели) теоретически управляемы, однако практическая реализация этой возможности в конкретных условиях встречается с большими трудностями. В наибольшей степени поддаются управлению техноприродные опасности, поскольку они создаются самим человеком и, таким образом, управляемы через регулируемую хозяйственную деятельность людей. Различные участки территорий, вследствие огромного разнообразия их геологического строения, геоморфологических, гидрогеологических, ландшафтных и других условий, могут по-разному реагировать на природные опасности и с различной интенсивностью подвергаться их воздействию. Так, например, на пониженных участках, сложенных слабыми, водонасыщенными грунтами, интенсивность сейсмических колебаний может на два балла быть выше, чем на рядом расположенном участке, сложенном массивными скальными породами. Экологическая безопасность недропользования, прежде всего, определяется состоянием правовых основ и нормативно-методической базой ведения экологического контроля, которые в настоящее время не соответствуют сложившимся экономическим реалиям и бессистемны по стадиям и этапам работ освоения месторождений. Осуществление экологической безопасности недропользования предполагает: 1) научное, технологическое и правовое обоснование и реализацию мероприятий, обеспечивающих безопасное ведение работ на всех стадиях разведки и 203 эксплуатации месторождений полезных ископаемых, защиту населения и объектов инфраструктуры; 2) сведение к минимуму и ликвидацию отрицательных экологических последствий освоения и использования недр; 3) государственный контроль за обоснованием и исполнением лицензионных соглашений в отношении экологической безопасности недропользования. Особенности решения вопросов экологической безопасности определяются геологическими, гидрогеологическими и инженерно-геологическими условиями территории освоения и характером техногенного воздействия, оказываемого на геологическую среду. Совершенно очевидно, что для снижения уязвимости и повышения безопасности необходимо обоснованно и строго избирательно выбирать участки земной поверхности для размещения на них городов и других населенных пунктов, промышленных и гражданских объектов, элементов жизнеобеспечивающих систем и т. д. Для решения этой задачи проводится инженерно-геологическое районирование территории. Оно заключается в выделении участков, обладающих одинаковыми или близкими геологическими характеристиками (условиями), и их ранжировании по степени пригодности для хозяйственного освоения и устойчивости к воздействию опасных природных и техноприродных опасностей. В ходе инженерно-геологического изучения территории часто выясняется, что даже наиболее благоприятные по геологическим условиям участки территории недостаточно устойчивы и слабо защищены от опасных природных явлений. В этом случае проводятся превентивные инженерные мероприятия, направленные на повышение устойчивости территорий и защиту самих сооружений. В частности, усиливаются конструкции зданий, возводятся защитные стенки, дамбы, дренажные системы, водосбросы, берегоукрепительные сооружения, осуществляется поднятие территории с применением отсыпки грунта, повышается несущая способность грунтов путем их уплотнения, цементации, армирования, принимаются меры защиты от техногенных физических полей. К числу важных мероприятий, снижающих уязвимость территорий, относится разработка регламента изъятия подземных вод на урбанизированных территориях, сброса технологических вод в глубокие горизонты геологической среды. Проведение защитных мероприятий повышает безопасность проживания людей, хотя и удорожает строительство. Все мероприятия по управлению и снижению природных рисков должны подкрепляться решениями на государственном уровне. В этом заключается роль государства в осуществлении стратегии безопасности. В зависимости от целей и задач решения могут быть трех типов: стратегические, превентивные и чрезвычайные. 204 К первым относятся решения, принимаемые на государственном уровне с перспективой на долгосрочное устойчивое развитие регионов страны, например, рассредоточение по стране спасательных средств с учетом природных рисков в конкретных регионах; создание необходимого государственного резерва продуктов питания и мобильных средств жизнеобеспечения. Важное стратегическое значение имеет принятие решений по инвестированию и налогообложению отдельных регионов с учетом дополнительных средств на борьбу с природными опасностями. Эти расходы определяются необходимостью ведения строительства зданий и сооружений, устойчивых к тому или иному воздействию стихии, создания защитных сооружений, инженерной подготовки территории. Превентивные управленческие решения представляют собой систему мер, реализуемых в относительно сжатые сроки (месяцы до года) на основании долго- и среднесрочных прогнозов о приближающейся опасности. Они включают мероприятия по укреплению наиболее ответственных зданий и сооружений, строительство специальных сооружений для укрытия людей, создание системы оповещения в реальном режиме времени, подготовку лиц и специальных команд для участия в ликвидации последствий катастрофы и оказания санитарномедицинской помощи, создание резервов продуктов питания и предметов первой необходимости. Управленческие решения чрезвычайного характера принимаются на основе краткосрочных прогнозов и оперативной информации о предвестниках опасных явлений, т.е. в условиях, когда отсутствует время для проведения превентивных мероприятий. Они включают срочное оповещение населения, решения о частичном или полном выводе населения из района опасности, принятие экстренных мер по предотвращению разрушения жизнеобеспечивающих систем, мобилизацию специальных подразделений для работы в чрезвычайной ситуации. Управление природной безопасностью не может существовать без системы предупреждения и экстренного реагирования. В систему предупреждения входят средства систематического наблюдения за развитием опасных процессов (средства мониторинга), оперативной передачи и обработки получаемой информации и оповещения населения о назревающей опасности. Мониторинг - важнейшее звено всей системы прогнозирования и предупреждения. На его основе ведется постоянное отслеживание опасных процессов, изучение закономерностей и причинно-следственных связей их развития, что позволяет составлять прогноз ожидаемых аномальных явлений природы. 205 В России система наблюдений за природными процессами состоит из нескольких видов мониторинга, находящихся в управлении различными ведомствами. Сейсмические наблюдения ведутся на основе наблюдательных сетей Российской академии наук и ряда ведомств (МЧС, Минатом, Минобороны и др.). Наблюдения осуществляются на трех уровнях: телесейсмическом, региональном и локальном. В этих наблюдениях задействовано более 200 сейсмических станций. Наблюдения за опасными геологическими процессами осуществляются в рамках Государственного мониторинга геологической среды (см. выше). На основе информации о грозящей опасности, поступающей с мониторинговых сетей, проводится срочное оповещение населения с использованием всех возможных средств массовой информации и гражданской обороны. Одновременно выполняются необходимые мероприятия по экстренному реагированию: переселение (вывод) населения в безопасное место, отключение энерго- и газоснабжения, мобилизация специальных подразделений на проведение спасательных работ. Одним из эффективных мероприятий по смягчению последствий от природных катастроф является повышение информированности и знаний людей об опасных природных явлениях. Отсутствие элементарных знаний о природных опасностях, особенностях их проявления и воздействия на людей, правилах поведения при развитии этих явлений, усугубляет эмоциональное реагирование, приводит к повышению смертности и потере здоровья людей. Поэтому очень важно иметь государственную программу просвещения населения и повышения его информированности о природных опасностях. В США и Японии в школах, университетах, на радио и телевидении существуют общеобразовательные программы, большим тиражом публикуются красочно оформленные брошюры, посвященные различным опасным явлениям и правилам поведения людей в чрезвычайных ситуациях. В учебных заведениях, на крупных предприятиях и по месту жительства проводятся специальные учения населения, проверяется готовность всех звеньев системы предупреждения и реагирования на грозящую катастрофу. Известно, что любая из наук на разных этапах своего развития выбирала одну из пяти целей, которые можно расположить по возрастающей трудности следующим образом: 1) описание объекта; 2) объяснение его свойств; 3) прогнозирование его поведения; 4) управление его поведением; 5) создание объекта с заданными свойствами. Чаще встречаются первые две группы задач. Хотя в настоящее время все острее чувствуется необходимость постановки и решения задач 206 прогнозного типа и задач, обеспечивающих принятие управленческих решений в области природопользования. Для оптимальной организации деятельности различных управленческих структур необходима комплексная картографическая информация с целью разработки научно-обоснованных рекомендаций по экологически ориентированному природопользованию; определения природоохранных мер; экологической экспертизы проектов строительства различных объектов и территориального развития; принятия решений в управленческой деятельности городских, региональных и федеральных природоохранных структур; планирования и реализации различных хозяйственных, медицинских, санитарно-технических, природоохранных мероприятий, а также для решения научных и учебно-воспитательных задач. Важной составляющей процесса управления территорией является картографическое обеспечение экологического мониторинга как наблюдения за загрязнением объектов окружающей природной среды и оценки текущей и перспективной ситуаций. Необходима подсистема управленческих решений, которые принимают соответствующие контролирующие и управляющие органы для оптимизации антропогенной нагрузки на окружающую среду, оздоровления среды обитания населения и биоты в целом. Без данного блока поддержание параметров промышленноурбанизированной среды на уровне устойчивого развития невозможно, поскольку даже самое серьезное комплексное изучение природных, техногенных и социальных свойств среды обитания и определение их экологических параметров в режиме мониторинга без управленческих решений не принесет улучшения экологической ситуации на контролируемой территории. Очевидно, что в принятии управленческих решений в области экологически выверенного хозяйствования на промышленноурбанизированных территориях оказываются задействованы почти все отделы местной администрации. Важнейшая задача в связи с этим организация процесса управления городом и промышленной территорией на базе интегрирования информации, структур и решений. 7.5 Социальные проблемы недропользования. Геоэкологическое образование. Ноосфера и экологическая философия Наше видение природы претерпевает радикальные изменения в сторону множественности и сложности (Пригожин, Стенгерс, 1986). Долгое время в науке доминировала механистическая картина мироздания. Ныне мы сознаем, что живем в плюралистическом мире. Существуют явления, которые представляются нам детерминированными и обратимыми. Хотя 207 наука послужила стимулом к необычайно плодотворному диалогу между человеком и природой, некоторые из последствий влияния естественных наук на общечеловеческую культуру далеко не всегда носили позитивный характер. Но за последние десятилетия в естествознании произошли разительные перемены. Мы все глубже осознаем, что на всех уровнях (от элементарных частиц до космоса) случайность и необратимость играют важную роль, значение которой возрастает по мере расширения наших знаний. Ныне мы лишь начинаем понимать уровень природы, на котором живем. Особенность развития всех стран на современном этапе обусловлена усилением процессов глобализации и связана с необходимостью их интеграции в мировое сообщество. Необходимое условие для этого — переход к модели устойчивого развития, которая гарантирует экологическую и эколого-геологическую безопасность для социальноэкономического развития стран и крупных регионов. При этом экологическая безопасность отдельного региона является составной частью национальной безопасности страны и существенным компонентом ее участия в глобальной системе. Социально-экономическое развитие России также связано с вхождением в мировое экономическое пространство, при этом энергоресурсы страны на ближайшую перспективу станут главным гарантом роста международного товарообмена. Главной экологической проблемой, стоящей перед человечеством, является сохранение и восстановление естественных экосистем в объеме, достаточном для регулирования и стабилизации окружающей среды. В. И. Вернадский писал, что человек не может строить свободно свою историю, не согласуя ее с законами биосферы. Возникшие в XX в. глобальные экологические проблемы есть результат свободного построения истории, но теперь такой способ ее построения исчерпан, необходимо строить новую историю, новую цивилизацию в согласии с законами биосферы. Деннис Медоуз в конце прошлого века вывел экологический постулат: «Думай глобально, действуй локально». При принятии каждой новой технологии общество должно ответить на три вопроса [24]. 1. Какими будут побочные физические и социальные эффекты от крупномасштабного внедрения новой технологии ? 2. Какие социальные изменения необходимо осуществить до внедрения этой технологии и сколько времени потребуется на их реализацию ? 3. Если новая технология может быть успешно реализована и устраняет какой-либо естественный предел роста, то на какой следующий предел выйдет испытывающая рост система ? Предпочтет ли общество оказаться лицом к лицу с проблемами выхода на новый предел или захочет 208 остаться с проблемами, порожденными выходом на тот предел, который новая технология призвана устранить ? Анализ взаимоотношений человечества и природы позволил Римскому клубу сделать нижеследующие выводы [24]. Осознание количественных ограничений возможностей окружающей природной среды и трагических последствий превышения их предельного уровня является необходимой отправной точкой для возникновения новых форм мышления, которые приведут к основательному пересмотру существующих образцов человеческого поведения и общественного устройства. Мировая демографическая нагрузка достигла очень высокого неравномерного уровня, что заставляет человечество всячески стремиться к состоянию равновесия на нашей планете. Мировое равновесное состояние может стать реальностью, если в развивающихся странах уровень жизни будет существенно повышен. Проблема глобального экономического роста настолько тесно переплетена со всеми другими глобальными проблемами, что для ее решения необходимо выработать всестороннюю глобальную стратегию, направленную на решение всей совокупности основных проблей, в особенности проблем взаимодействия человека с окружающей средой. Использование количественного подхода при исследовании отдельных элементов мировой проблематики и взаимодействий между ними, что позволит управлять ими. Для нового курса потребуются согласованные международные меры и совместное долгосрочное планирование в беспрецедентном масштабе при совместной деятельности всех народов вне зависимости от их культуры, социально-экономической системы или уровня развития. Но большая ответственность должна лечь на плечи более развитых стран, т. к. будучи распространителями синдрома роста, они все еще находятся у горнила прогресса, который его питает. Любая осознанная попытка по достижению разумного и долгосрочного состояния равновесия путем осуществления заранее запланированных мер в противоположность случайным попыткам или выходу в состояние равновесия в результате катастрофы должна в конечном итоге опираться на коренное изменение системы ценностей и целей на индивидуальном, национальном, региональном и мировом уровнях. Одной из главных причин современной неблагоприятной экологогеологической обстановки является низкий уровень экологической культуры граждан, которая включает экологическую грамотность, информированность, убежденность и активность в реализации 209 рационального недропользования. В настоящее время экологическое образование и воспитание является одним их актуальных направлений развития системы образования и воспитания в целом. Без экологического образования невозможно формирование экологического сознания общества, которое позволит ему справиться с экологическими проблемами. Основной целью экологического воспитания и образования является экологизация общественного сознания, которая основывается на принципах всеобщности (для всех членов общества и во всех учебных заведениях), комплексности и непрерывности. Все это должно способствовать гармоничному развитию личности, способной решать как общественные задачи, так и управлять средой своего обитания. Устойчивое развитие невозможно без изменения общественного сознания, понимания важности эффективного и бережного использования ресурсов. По мнению ученых, корни экологизации - в экологической сознательности, в необходимости внедрения нового экологического образа мышления. «Озеленение» умов начинается с просвещения, информированности, России нужно избавляться не только от отходов в прямом смысле слова, но и от информационного и мыслительного мусора. Важнейшим элементом в формировании экологического сознания является соответствующее образование, пропаганда экологической культуры, воспитание активной гражданской позиции в отношении сохранения природных ресурсов, бережное отношение к природе. Обеспечение устойчивого развития стран и регионов требует активного участия органов власти в регулировании общественного воспроизводства. В настоящее время регионы располагают значительными запасами полезных ископаемых, способными обеспечить внутренний спрос и экспорт. Однако из-за стремления к быстрому коммерческому успеху возрастает опасность их нерационального использования. Поэтому решение данной проблемы требует эффективного вмешательства государства – принятие административных, экономических и политических мер, призванных сдерживать коммерческие интересы субъектов хозяйствования, разработка системы платежей за недра, обеспечение рационального вовлечения запасов полезных ископаемых в промышленный оборот, стимулирование внедрения современных технологий, включая экологические. Целями здесь должны явиться: разумное использование ресурсного потенциала региона; воспроизводство возобновляемых ресурсов (включая подземные воды) в интересах настоящего и будущих поколений; решение проблем регионального хозяйствования для достижения его совместимости с биосферой. Все это требует решения следующих задач: выполнение проектных технологий на всех производствах, контроль за соблюдением ограничений на недро- и природопользования, рациональное 210 недропользование на отдельных объектах, рекультивация территорий. Необходимо развитие системы экономического стимулирования субъектов экономики на ресурсосбережение и природоохранную деятельность. Экономический рост, рациональное природопользование и защита окружающей среды взаимосвязаны. Отсюда, при принятии решений необходимо не отделять экономику от экологии. Для этого странам и регионам необходимо разработать политику, основанную на концепции устойчивого развития. Человечество пока не сформулировало целостной парадигмы дальнейшего движения вперед в гармонии с природой. Тем не менее, одним из путей выхода из критической ситуации может быть концепция устойчивого развития, предполагающая гармоничный прогресс в экономической и социальной сферах при максимально бережном отношении к окружающей среде. При этом естественно-научной основой для этой концепции может служить теория ноосферы, сформулированная, в частности, В. И. Вернадским. Деятельность человечества, приводящую к изменению природных условий, В. И. Вернадский вначале рассматривал как процесс, чуждый биосфере. Однако с середины 1930-х гг. по мере накопления научных данных о свойствах биосферы и о характере человеческой деятельности он стал рассматривать последнюю как закономерный этап эволюционного развития биосферы. В. И. Вернадский считал, что обязательно должно наступить время, когда человечество станет более разумно относиться к окружающей его природной среде, и эволюция биосферы будет происходить как по природным законам, так и под сильным влиянием просвещенного человеческого разума. Для геологической оболочки Земли, включающей биосферу и преобразующейся под влиянием разумной деятельности человечества, В. И. Вернадский ввел термин «ноосфера», которая «...есть новое геологическое явление на нашей планете. В ней впервые человек становится крупнейшей геологической силой. Он может и должен перестраивать своим трудом и мыслью область своей жизни, перестраивать коренным образом по сравнению с тем, что было раньше». В то же время В. И. Вернадский отмечал, что человек неотделим от биосферы, а «его существование есть ее функция». Таким образом, перестройка области жизни мыслится как сохранение биосферы, пригодной для жизни человечества, которое хотя и становится крупнейшей силой, но остается только незначительной частью живых организмов биосферы, без сообщества с которыми невозможно его существование вообще. Для становления ноосферы, по В. И. Вернадскому, необходимы следующие условия. 1. Заселение человеком всей планеты. 211 2. Преобразование средств связи и обмена между разными странами. 3. Усиление связей, в том числе политических, между всеми государствами Земли. 4. Преобладание геологической роли человеческой деятельности над природными геологическими процессами, протекающими в ноосфере. 5. Расширение границ биосферы и выход в Космос. 6. Открытие новых источников энергии. 7. Равенство людей всех рас и религий. 8. Увеличение роли народных масс в решении вопросов внутренней и внешней политики. 9. Создание в общественном и государственном строе условий, благоприятных для свободы научной мысли и научного искания. 10. Подъем условий жизни населения. Недопущение нищеты, недоедания и голода. Общедоступность здравоохранения. 11. Разумное преобразование первичной природы Земли с целью сделать ее способной удовлетворить все материальные, эстетические и духовные потребности численно возрастающего человечества. 12. Исключение войн из жизни общества. В июне 1972 г. Организация объединенных наций созвала в Стокгольме Первую Международную конференцию по окружающей среде и развитию. Конференция констатировала не только истощение природных ресурсов (во многих странах даже запасов пресной воды), но и вредное воздействие загрязнения окружающей среды на состояние здоровья больших человеческих популяций. Участники конференции обратились к правительствам всех стран мира с призывом немедленно создать государственные органы охраны природы от истребления и антропогенного загрязнения. В июне 1992 г. в Рио-де-Жанейро состоялась Вторая Международная конференция ООН по окружающей среде и развитию. Конференция приняла ряд основополагающих документов по обеспечению устойчивого развития мирового сообщества. В главном из этих документов «Программа действий. Повестка дня на XXI век» отмечается, что для перехода человечества на путь устойчивого развития необходимо: более тесное экономическое и политическое объединение государств при сохранении культурных традиций их народов; равенство людей всех рас и религий, увеличение роли народных масс в управлении государствами, прекращение войн и вооруженных конфликтов, расширение обитаемых территорий Земли и освоение космического пространства, открытие и использование новых мощных источников энергии и т. д. Нетрудно увидеть, что предложено стремиться к созданию условий на Земле, которые необходимы для формирования ноосферы. Широко развернувшиеся в мире экологические исследования должны найти ответ 212 на вопросы, как обеспечить сохранение пригодной для жизни человека окружающей среды; что является главной опасностью для нормального существования человечества ? На эти вопросы у ученых пока нет однозначного ответа. Если наибольший вред окружающей среде наносит антропогенное воздействие, связанное с неправильным ведением производственной деятельности, то главной проблемой экологии будет установление возможностей построения такой экономики, при которой не будет существенного отрицательного влияния на окружающую среду. Если же окажется, что сообщества естественных видов растительного и животного мира полностью определяют и поддерживают состояние окружающей среды, то основной задачей экологических исследований будет изыскание способов такого ведения экономической деятельности, при котором не превышался бы порог допустимых возмущений биосферы, и, соответственно, научно обосновывалось установление этого порога (см. раздел 1). Одной из основных предпосылок благополучия и нормального экономического функционирования нации является индивидуальное и общественное здоровье. Индивидуальное здоровье формируется на основе биологического генофонда и неповторимого образа жизни, предоставляемого отдельно взятому человеку (индивидууму) природой и обществом. Общественное здоровье - это здоровье населения, оно не является суммой здоровья индивидуумов, но, тем не менее, отражает степень вероятности для каждого человека достижения максимально возможного высокого уровня здоровья и творческой работоспособности. Как отдельный индивидуум, так и названная совокупность людей испытывают одно и то же влияние со стороны природных, исторических, социально-экономических и других факторов, свойственных данной территории (региону, стране). В этом как раз и проявляется диалектическая взаимосвязь и взаимозависимость между индивидуальным и общественным здоровьем, а также косвенная принадлежность того и другого к экологической и медицинской геологии. В. И. Вернадский, разработавший научную концепцию о биосфере синтезе наук о природе и человеке, верил в несокрушимую мощь научной мысли как планетного явления, способной создать ноосферу - область господства разума. Многие ученые, общественные и политические деятели восприняли эту идею как философскую доктрину будущего развития мира. Вместе с тем учение о ноосфере не проработано даже в своей концептуальной основе. Разрушение природной среды идет более высокими темпами, чем экологизация нашего сознания, не говоря уже о раскрытии всех закономерностей развития биосферы. Даже в том случае, если разум человека проникнет в тайны биосферы и подчинит своей воле 213 все процессы, происходящие в ней (что маловероятно), остается неясным будущее человечества. Главным и пока необъяснимым остается вопрос: не приведет ли это к неограниченному господству одного вида над всем неисчерпаемым многообразием животного мира и сможет ли эволюционировать биосфера в условиях абсолютного антропоцентризма? В наше время геолог вынужден заниматься философскими проблемами в гораздо большей степени, чем это приходилось делать геологам предыдущих поколений. К этому вынуждают современные трудности отдельных направлений и дисциплин геологии, включая и экологическую геологию, т. к. последняя становится социально значимой отраслью для человеческого сообщества. В. О. Ключевский писал: «Человеческая личность, людское общество и природа страны - вот те три основные силы, которые строят людское общежитие... Идеал исторического воспитания народа состоит в полном и стройном развитии всех элементов общежития и в таком их соотношении, при котором каждый элемент развивается и действует в меру своего нормального значения в общественном составе, не принижая себя и не угнетая других». В заключение приведем оптимистические в экологическом плане слова А. П. Чехова, обращенные к отдельной личности и к обществу в целом: «Когда я прохожу мимо крестьянских лесов, которые я спас от порубки, или, когда я слышу, как шумит мой молодой лес, посаженный моими руками, я сознаю, что климат немножко и в моей власти и что если через тысячу лет человек будет счастлив, то в этом немножко буду виноват и я». 214 Самые удивительные открытия XXI в. будут сделаны не благодаря развитию науки и техники, а благодаря тому, что мы по-новому оценим само понятие «человек» Джон Несбитт ВМЕСТО ЗАКЛЮЧЕНИЯ. БУДУЩЕЕ, КОТОРОЕ МЫ ХОТИМ На нашей планете создается альтернатива двух видов регулирования экологической ситуации: государственного и транснациональномонополистического. Предпочтение должно быть отдано государственному регулированию политических, экономических, демографических, социальных и экологических процессов. Государство становится экономически сильным, политически независимым и богатым, если в производство внедряются проекты, не только экономически эффективные, но и экологически безопасные. Россия играет одну из главных ролей в поиске дорог к устойчивому мировому развитию. Несмотря на постоянно возрастающую антропогенную и техногенную нагрузку, природные комплексы нашей страны остаются одной из основ экологической устойчивости планеты, выполняя функции глобальных экологических услуг. Концепция общества в стационарном состоянии экономического и экологического равновесия может показаться легкой для восприятия, хотя его реалии настолько далеки от наших существующих представлений, что, возможно, потребуют революции в сознании [24]. Еще Ф. Энгельс отмечал: «...На каждом шагу факты напоминают нам о том, что мы отнюдь не властвуем над природой так, как завоеватель властвует над чужим народом, не властвуем над ней так, как кто-либо находящийся вне природы, - что мы, наоборот, нашей плотью, кровью и мозгом принадлежим ей и находимся внутри нее, что все наше господство над ней состоит в том, что мы, в отличие от других существ, умеем познавать ее законы и правильно их применять». Под влиянием научно-технического прогресса человек создал ложное представление о познаваемости и управляемости природных процессов, в действительности же биосфера и ее экосистемы, несомненно, более сложные и более развитые образования, чем наша цивилизация. По имеющимся оценкам, поток информации в биоте на 20 порядков превышает всю информацию, которую способны переработать все имеющие сейчас на Земле компьютеры [30]. 215 Каким образом мы можем создать новое будущее и что для этого делать? Резюмируя вышеизложенное в данном учебном пособии, для устойчивого развития стран и регионов можно предложить решить некоторые проблемы. Человечество должно осознать свое место в биосфере. Человек должен познавать самого себя (свои цели, свою систему ценностей) так же глубоко, как он познает мир, который хочет изменить. Человечеству необходима реалистическая долгосрочная цель (например, устойчивое развитие), которая может обеспечить ему выход в общество равновесия, и стремление к достижению этой цели. В любой системе должны действовать ограничения, способные остановить экспоненциальный рост. Для устойчивого развития человек и человечество должны иметь ограниченные материальные (включая потребление природных ресурсов и полезных ископаемых) и безграничные духовные потребности. Экологическая безопасность общества должна стать приоритетным направлением будущего развития, основой государственной и региональной политики, базирующейся на экологическом праве, экологическом образовании и экологических технологиях. Необходимо дальнейшее углубление экологизации и социализации наук о Земле и подготовка геологов с «экологической» ментальностью. Автор приглашает всех присоединиться к обсуждению роли экологической геологии как новой научной дисциплины, актуальных и перспективных задач эколого-геологических исследований. Тогда у каждого будет необходимая информация для того, чтобы сделать выводы о будущем мира и принять собственные решения о том, как строить свою жизнь и жизнь Земли. Вспомним здесь слова одного из основателей Римского клуба Ауреллио Печчеи: «Будущее больше не кажется таким, каким оно могло бы быть, если бы люди научились эффективно использовать свой разум и открывающиеся возможности. Но будущее все еще может стать таким, как мы хотим, если только наши пожелания будут разумны и реалистичны». В конце книги хочу обратиться к студентам и молодым специалистам в области наук Земли с небольшим напутствием: «Планета Земля есть тайна. Ее надо разгадать, и если будете разгадывать всю жизнь, то не говорите, что потеряли время. Мы занимаемся этой тайной, ибо хотим быть частью Земли». 216 РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. Абалаков А. Д. Экологическая геология. Учебное пособие. Иркутск: Изд-во Иркут. гос. ун-та, 2007. 267 с. 2. Авцын А. П. и др. Микроэлементозы человека. М.: Медицина, 1991. 496 с. 3. Адушкин В. В., Турунтаев С. Б. Техногенные процессы в земной коре (опасности и катастрофы). М.: ИНЭК, 2005. 252 с. 4. Александровский А. Л. Эволюция почв и географическая среда. М.: Наука, 2005. 223 с. 5. Алексеенко В. А. Экологическая геохимия. Учебник. М.: Логос, 2000. 627 с. 6. Алексеенко В. А. Эколого-геохимические изменения в биосфере. Развитие, оценка. М.: Логос, 2006. 520 с. 7. Балабанов Ю. П. Учебное пособие по курсу «Эколого-геологические исследования и картографирование». Казань: Изд-во КГУ, 2007. 192 с. 8. Белоусова А. П., Гавич И. К., Лисенков А. Б., Попов Е. В. Экологическая гидрогеология. Учебник для вузов. М.: ИКЦ «Академкнига», 2006. 397 с. 9. Богословский В. А., Жигалин А. Д., Хмелевской В. К. Экологическая геофизика. М.: Изд–во МГУ, 2000. 254 с. 10. Боровский М. Я., Газеев Н. Х., Нургалиев Д. К. Геоэкология недр Республики Татарстан: геофизические аспекты. Казань: Изд–во Экоцентр, 1996. 316 с. 11.Вафин Р. Ф. Экологическая нефтегазовая геология. Учебное пособие. Казань: Издательство КГУ, 2008. 84 с. 12.Вахромеев Г. С. Экологическая геофизика. Учебное пособие. Иркутск: ИрГТУ, 1995. 216 с. 13.Вернадский В. И. Очерки геохимии. М.: Наука, 1983. 422 с. 14.Геологический словарь. В 3-х томах. СПб.: ВСЕГЕИ. 2010-2012. 15.Геоэкологическое картографирование. М.: ВСЕГИНГЕО, 1998. 564 с. 16.Жуков В. Т., Новаковский Б. А., Чумаченко А. Н. Компьютерное геоэкологическое картографирование. М.: Научный мир, 1999. 84 с. 17.Иванов В. В. Экологическая геохимия элементов: Справочник в 6 кн. М.: Недра, Экология, 1994–2000. 18.Карлович И. А. Геоэкология. Учебник. М.: Академический Проект: Альма-Матер, 2005. 512 с. 19.Королёв В. А. Мониторинг геологических, литотехнических и эколого-геологических систем. Учебное пособие. М.: Изд-во «Книжный дом университет», 2007. 416 с. 217 20.Косинова И. И., Богословский В. А., Бударина В. А. Методы экологогеохимических, эколого-геофизических исследований и рациональное недропользование. Учебное пособие. Воронеж: Воронеж. гос. ун-т, 2004. 281 с. 21. Котлов Ф. В. Изменение геологической среды под влиянием деятельности человека. М.: Недра, 1978. 263 с. 22.Куликова Е. Ю. Подземная геоэкология мегаполисов. М.: Изд-во МГГУ, 2005. 480 с. 23.Лисенков А. Б., Фисун Н. В., Малков А. В. и др. Техногенные процессы в подземных водах. М.: Научный мир, 2003. 248 с. 24.Медоуз Донелла Х., Медоуз Денис Л., Рэндерс Йорген, Беренс III Вильям. Пределы роста. М.: Изд-во МГУ, 1991. 207 с. 25. Медоуз Дон., Рандерс Й., Медоуз Ден. Пределы роста. 30 лет спустя. М.: ИКЦ «Академкнига», 2008. 342 с. 26.Наумов Г. Б. Геохимия биосферы. М.: Издательский центр «Академия», 2010. 384 с. 27.Никаноров А. М. Гидрохимия. СПб.: Гидрометеоиздат, 2001. 444 с. 28.Одум Ю. Основы экологии. М.: Мир, 1975. 740 с. 29. Озол А. А. Процессы полигенного нефтегазо– и рудообразования и их экологические последствия. Казань: Изд-во «Плутон», 2004. 448 с. 30. Осипов В. И. История экологических кризисов на Земле // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. 2005. № 1. С. 3-10. 31. Осипов В. И. Урбанизация и природные опасности. Задачи, которые необходимо решать // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. 2007. № 1. С. 3-9. 32. Осипов В. И. Оценка и управление природными рисками (состояние проблемы) // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. 2007. № 3. С. 201-211. 33.Основы гидрогеологии. Использование и охрана подземных вод. Новосибирск: Наука, 1983. 231 с. 34.Реймерс Н. Ф. Надежды на выживание человечества: Концептуальная экология. М.: ИЦ «Россия Молодая»-Экология, 1992 367 с. 35.Слепак З. М. Геофизика для города: на примере территории г. Казани. Москва; Тверь: ЕАГО: ГЕРС, 2007. 238 с. 36.Сунгатуллин Р. Х. Комплексный анализ геологической среды (на примере Нижнекамской площади). Казань: Изд-во «Мастер-Лайн», 2001. 140 с. 37.Сунгатуллин Р. Х. Интегральная геология. Казань: Изд-во «Образцовая типография», 2006. 142 с. 218 38. Трансформация экологических функций литосферы в эпоху техногенеза / Под ред. В. Т. Трофимова. М: Изд-во «Ноосфера», 2006. 720 с. 39.Требования к геолого-экологическим исследованиям и картографированию масштаба 1:50000-1:25000. М.: ВСЕГИНГЕО, 1990. 127 с. 40.Трофимов А. М., Рубцов В. А., Ермолаев О. П. Региональный геоэкологический анализ. Учебное пособие. - Казань: Изд-во «Бриг», 2009. - 260 с. 41.Трофимов В. Т., Зилинг Д. Г. Экологическая геология. Учебник. М.: ЗАО «Геоинформмарк», 2002. 415 с. 42.Трухин В. И., Показеев К. В., Куницын В. Е. Общая и экологическая геофизика. Учебник. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2011. 571 с. 43.Чертко Н. К. Геохимическая экология: Учебное пособие. Минск: БГУ, 2002. 78 с. 44.Экзарьян В. Н. Геоэкология и охрана окружающей среды. Учебник. М.: Экология, 1997. 176 с. 45.Эколого-геологические карты. Теоретические основы и методика составления: Учебное пособие / В. Т. Трофимов, Д. Г. Зилинг, М. А. Харькина и др. М.: Высшая школа, 2007. 407 с. 46.Ясаманов Н. А. Основы геоэкологии. М.: Академия, 2003. 352 с. 219