Экология геологической среды

2.1 Экологические последствия техногенеза

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

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

В последние годы при оценке состояния геологической среды уделяется внимание фактору военной деятельности. Например, после распада СССР на территории Беларуси осталось большое количество бывших военных баз. В пределах таких объектов экологическая дестабилизация геологической среды вызвана накоплением в зоне аэрации нефтепродуктов (50-80 %), специфических отходов (20-30 %) и высокотоксичных веществ (5 %).

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

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

Изъятие и перемещение больших объемов горных пород обусловлены тем, что объемы полезного ископаемого по отношению к массам извлекаемой породы невелики. Для железа и алюминия это 15-30 %, свинца и меди примерно 1 %, серебра и олова - 0,01 %, а для золота и платины - 0,00001 %. В связи с этим внушительны объемы отвалов, которые в мировом масштабе равны для рудных ископаемых более 1200 км³, нерудных около 100 и топливных около 300 км³. Открытая разработка минерального сырья в среднем в 3-4 раза дешевле шахтной, поэтому доля карьерной добычи равна 70 %. В среднем карьеры мира углубляются на 5-10 м в год, их максимальные глубины равны 500-700 м, а высоты отвалов и терриконов превышают 100 м. В настоящее время в крупных угольных бассейнах насчитывается до 1000-1500 терриконов. Таким образом, амплитуды техногенного рельефа приближаются к 1 км. Открытыми разработками полезных ископаемых нарушены сотни тысяч гектаров земли, на которых образовались своеобразные карьерно-отвальные ландшафты. Современные драги перерабатывают продуктивные на россыпные месторождения на глубину до 50 м. Ежегодно техногенные ландшафты промышленных зон расширяются на 35-40 тыс. га.

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

Таблица 6 Добыча полезных ископаемых и нарушенность геологической среды

Снятие напряжения в породах (релаксация) при углублении карьеров приводит к образованию зон разуплотнения пород. В этих зонах увеличивается трещиноватость или пористость, активизируются процессы растворения, суффозии, гравитационного смещения и оползания. Мощности зон разуплотнения достигают в магматических породах 15 м, в карбонатных - 20-30 м, а в песчаниках и сланцах - 50 м.

Перечисленные выше процессы максимально проявляются в глинистых породах. Обнажение пород в стенках карьеров активизирует процессы их выветривания, которое по мере сноса материала может охватывать все новые объемы пород. Скорость техногенного выветривания пород - 0,3-1,7 м в год, а его признаки иногда проявляются уже в первые дни. Выветривание и разуплотнение - активные факторы отступания и выполаживания стенок карьеров.

Отток подземных вод к карьерам создает обширные депрессионные воронки (зоны снижения уровней водоносных горизонтов). Их диаметры достигают 15 км, площади - 200-300 км², а снижение уровней подземных вод при откачках составляет 300-400 м. Истощение грунтовых вод и осушение поверхностных горизонтов влияют на состояние почвенно-растительного покрова, поверхностный сток, т. е. обусловливают общую трансформацию ландшафта. Кроме того, при наличии карбонатных пород значительно активизируются процессы карстообразования. Причины этого - вынос заполнителя и раскрытие карстовых полостей, нарушение равновесия в массивах пород, усиление вертикального водообмена. Наибольшей активностью отличаются процессы карстообразования в соленосных отложениях на месторождениях Прикарпатья, Беларуси, Татарстана. В течение 1-2 лет здесь можно наблюдать образование поверхностных воронок и провалов глубиной до 10-15 м.

Проходка шахтных стволов и скважин приводит к соединению и перераспределению вод между ранее разобщенными водоносными горизонтами, к прорывам мощных потоков воды в туннели, забои, продуктивные пласты. Уплотнение пород под совместным влиянием осушения и веса массивных инженерных сооружений является причиной понижения поверхности на значительных площадях. Средние радиусы воронок прогибания равны 50-120 м от периметров сооружений. Нагрузки от сооружений распространяются на глубину до 50 м. На площадях добычи соли методом подземного выщелачивания в Башкортостане наблюдается прогибание поверхности со скоростью 10 мм в год. На Апшеронском полуострове оседание грунтов достигает 2,5 м, а его скорость 100 мм в год. Мульды оседания в районах крупных нефтегазовых месторождений достигают площадей в тысячи квадратных километров. Прогнозы для Западной Сибири оценивают возможное понижение поверхности в пределах нефтегазодобывающих площадей от 0,2 до 15 м. Учитывая близкое к поверхности залегание грунтовых вод (0,3-1,5 м), можно предвидеть увеличение площадей заболачивания и заозеривания, а также процессов подтопления инженерных сооружений. Резкие подвижки пород при падении температуры и давления на месторождениях нефти могут привести к значительным землетрясениям (до 7 баллов в районе г. Грозного).

Влияние техногенеза на рельеф является региональным фактором, охватывающим огромные площади. Это в основном нивелировка и моделирование поверхности земной коры в результате планировки застраиваемых площадей, сельскохозяйственной обработки и плоскостного смыва почв. На ограниченных площадях техногенное влияние приводит к увеличению дифференциации рельефа, созданию крупных форм. Сходные явления наблюдаются на территории Беларуси (Солигорский промрайон, Микашевичское и Глушковичское месторождения строительного камня, карьер по добыче доломитов «Руба» и др.).

Воздействие инженерных комплексов на геологическую среду вызывает перестройку многих инженерно-геологических процессов (табл. 7). При этом наблюдается активизация или проявление одних процессов и затухание или исчезновение других. Прежде всего меняется картина миграции веществ на поверхности грунтов, происходит изменение типа, направления и скорости их перемещения. Обнажение значительных площадей создает условия для активного плоскостного смыва, развития делювиальных процессов на месте слабых дефлювиальных. При значительных уклонах и благоприятных литологических условиях возникают предпосылки для появления промоин, а затем и оврагов. Подобные процессы особенно активны на стенках карьеров, склонах терриконов, откосов насыпей и дамб.

Изменения водности, режима стока и мутности водотоков кардинально меняют характер русловых эрозионно-аккумулятивных процессов. Обезлесение и подрезка склонов на площадях горных рудников благоприятствуют обвально-осыпным и лавинно-селевым процессам. Особенно активны склоновые смещения на отвалах, дамбах и терриконах в случае их сложения из глинистых грунтов.

Строительство линейных сооружений влияет на движение грунтовых вод, вызывает заболачивание и подтопление вдоль насыпей и трасс трубопроводов. В районах многолетнемерзлых пород активизируются процессы растепления грунтов, солифлюкции, наледообразования, термокарста.

Таблица 7 Инженерно-геологические процессы при строительстве и эксплуатации наземных сооружений

Непрерывное увеличение площадей нарушенных земель в районах добычи полезных ископаемых требует разработки оперативной и эффективной системы рекультивации. Мероприятия по восстановлению природного потенциала следует проводить с учетом зональных или поясных особенностей местности и биологического потенциала ландшафта, глубины и площади трансформации природной среды. Важно также целевое назначение рекультивации, т. е. будущее использование земель - селитебное, сельскохозяйственное, рекреационное. Зависимость мероприятий по рекультивации от конкретных условий связана с тем, что площади горнопромышленного освоения состоят из нескольких зон:

очаговой зоны с необратимыми изменениями природной среды - это территория непосредственно промышленных объектов;

сильного влияния с уничтожением растительности и нарушением водного режима, почв и грунтов, где восстановление затруднено, но возможно;

среднего влияния с угнетением отдельных видов растительности, прежде всего мхов, лишайников и в меньшей степени травянистых и древесно-кустарниковых видов;

слабого влияния с локальными и несущественными изменениями, мало отличимыми от фона.

Рекультивация отвалов должна проводиться с учетом их состава путем выбора наиболее устойчивых для конкретного случая растений. Основные виды очищения почв, загрязненных нефтью, - аэрация, улучшение состава поглощающего комплекса, активная фитомелиорация. Важную роль играют внесение фосфорных удобрений, известкование. Не рекомендуется вносить органику, которая увеличивает дефицит кислорода. Сжигание и захоронение нефти также увеличивает сроки очищения почв.

Разработка экологобезопасных технологий добычи, транспорта и переработки полезных ископаемых, мероприятий по охране и рекультивации природных комплексов требует организации экологического мониторинга - системы регулярных наблюдений за состоянием природной среды. Служба мониторинга должна базироваться на материалах, отражающих современное состояние компонентов природной среды, функционирование всех элементов промышленных комплексов, опыт и перспективы освоения месторождений (см. гл. 6).

Добыча и транспортировка полезных ископаемых в прибрежной зоне и на шельфе океана влекут за собой серьезные изменения в поверхностном слое литосферы. Наибольшее площадное распространение имеют процессы техногенного осадконакопления в результате осаждения взвесей и загрязняющих веществ в районах добычи строительного сырья, металлов из россыпей, сброса промышленных стоков. В результате использования песчаного материала пляжей для строительства и перекрытия многих впадающих в море рек протяженные участки побережий лишились пляжей и начали активно размываться. Для сохранения пляжей используются бетонные ограждения и искусственные отсыпки. Процессы движения вдольбереговых потоков и наносов трансформируются также портовыми сооружениями, волноломами, причалами. Для количественной оценки техногенной нагрузки на берега используется отношение общей протяженности инженерных сооружений к длине берега (табл. 8).

Таблица 8 Протяженность разных по степени техногенного преобразования берегов, %

Загрязнение геологической среды, в отличие от нарушенности, редко бывает «физиономичным», т. е. внешне заметным. Поэтому для его обнаружения и оценки используются главным образом аналитические, полевые или лабораторные методы. Основные пути загрязнения горных пород и подземных вод идут от внешних оболочек Земли: атмосферы, поверхностных вод, почв и даже растительности. Реже загрязнение непосредственно попадает на значительные глубины (закачка газов, воды, буровых растворов или поверхностно-активных веществ, захоронение отравляющих веществ или радиоактивных отходов). В целом пространственно-временные закономерности распределения загрязнителей в породах очень сложны, так как имеет место совокупное влияние многих источников воздействия, а также миграция загрязнения, зависящая от геологических и гидрогеологических условий территории и от характера подземного сооружения (шахты, скважины, хранилища). На региональном уровне загрязнение литосферы во многом зависит от фонового состояния внешних оболочек. На локальном уровне наибольшее значение имеет воздействие крупных промышленных комплексов, городов, объектов складирования или захоронения отходов. Заслуживают внимания и локальные зоны загрязнения, связанные с трубопроводами и с транспортными коммуникациями.

На территориях, где находятся предприятия горнодобываю-щего комплекса, наблюдается активное поступление в атмосферу, а затем и в геологическую среду углеводородов и пылеватых частиц (табл. 9).

Таблица 9 Выбросы вредных веществ в атмосферу предприятиями горнодобывающего комплекса России (тыс. т/год)

Оксиды серы и азота, образующие в атмосфере кислоты, способствуют повышенному закислению почв и грунтов. Для выбросов химических предприятий характерно значительное содержание аммиака, хлора, сероуглерода, сероводорода, а также таких высокотоксичных соединений, как оксид ванадия, ацетон, толуол, бензол. Вместе со сточными водами от химических предприятий в геологическую среду попадают фенол, анилин и металлы - медь, цинк, ванадий, никель.

Почвы и поверхностные отложения в нефтедобывающих районах подвергаются воздействию многих загрязнителей, среди которых основным является нефть. Загрязненные нефтью почвы испытывают сложные, часто необратимые изменения. В почвогрунтах возрастает общее количество органического углерода, битуминозных веществ и полициклических ароматических углеводородов. Ухудшение водно-воздушного режима происходит за счет диспергирования частиц грунта и гидрофобных свойств нефти. Уменьшается содержание водорастворимых углеводородов, водорастворенного органического вещества, свободных гуминовых кислот. В то же время общие запасы органического вещества, тип гумуса и его распределение по профилю меняются мало. Важные последствия нефтяного загрязнения - битуминизация, изменение почвенного поглощающего комплекса, внедрение ионов натрия и развитие солонцового процесса. Хозяйственное использование почв, загрязненных нефтью, возможно только через 15-20 лет. Среди других загрязнителей почвы и грунтов можно назвать тяжелые металлы, соединения серы, фосфора, азота. При этом одни из них обладают пониженной миграцией, накапливаются в подстилке и верхних горизонтах - металлы, соединения фосфора, органические компоненты, пыль, а другие мигрируют по профилю почвы, достигая горизонтов подземных вод, например соединения азота и серы.

Бурение скважин при разведке и эксплуатации месторождений сопровождается сооружением котлованов-отстойников, где накапливаются отходы бурения - нефтепродукты, химреагенты, минеральные соли. Загрязняя поверхность, эти соединения фильтруются в грунты и путем горизонтальной миграции могут распространяться на большие площади. Для нефтепродуктов миграция ограничивается водоносными горизонтами и малопроницаемыми грунтами. В процессе буровых работ активному загрязнению подвергаются подземные воды, особенно пресные и неглубоко залегающие (до 150-200 м). В нефтегазоносных районах загрязнение нефтепродуктами зависит от их растворимости (жидкие парафины и нафтеновые углеводороды - 40-150 мг/л, толуол - 500 мг/л, бензол - 1800 мг/л). Однако во всех случаях концентрации названных соединений превышают предельно допустимые. В водоносных горизонтах в процессе анаэробно-биохимических реакций происходит окисление нефтепродуктов и формируется восстановительная обстановка.

В воде резко уменьшается содержание кислорода, нитратов и сульфатов, появляются сероводород и метан, возрастает содержание железа, марганца, свободного диоксида углерода. Помимо нефтяного загрязнения, в ряде регионов добычи нефти наблюдается повышенное содержание в подземных водах хлоридно-сульфатных соединений.

2.2 Устойчивость геологической среды

Рассматривая нарушенность и загрязнение геологической среды как определяющие факторы образования напряженных экологических обстановок, следует иметь в виду, что при одних и тех же масштабах техногенных воздействий результаты их влияния могут быть неодинаковыми в пространстве и во времени. Это связано с тем, что компоненты геологической среды могут по-разному реагировать на внешние факторы, обладать различной способностью меняться в худшую или лучшую сторону. Устойчивость литосферы к внешним воздействиям и ее способность к восстановлению исходного потенциала важно учитывать при прогнозах, особенно долговременных. От оценки этих свойств в значительной мере зависят стратегия и технология использования ресурсов недр, величины допустимых техногенных нагрузок на геологическую среду. К сожалению, на сегодняшний день возможны лишь качественные (балльные) оценки устойчивости геологической среды.

Для грунтов основными их показателями по отношению к техногенезу являются механический состав, теплофизические и водно-физи-ческие свойства. В общем виде эти зависимости приведены в табл. 10.

Таблица 10 Реакция грунтов на техногенное воздействие

Анализ приведенных данных свидетельствует о разнонаправленности реакции одного и того же типа грунтов на различные воздействия. Поэтому значение геологической среды как фактора устойчивости экосистем и направленности будет меняться в регионах с разными видами и масштабами хозяйственного освоения. Например, малоустойчивые к вод-

ной эрозии суглинистые грунты одновременно способствуют активному самоочищению территории от поверхностного загрязнения. Многолетнемерзлые грунты предохраняют подмерзлотные водоносные горизонты от загрязнения, однако неустойчивы к процессам водной эрозии, солифлюкции, разного рода деформациям.

Оценка устойчивости подземных вод должна проводиться с учетом их запасов, динамики и химического состава. Истощению и загрязнению более подвержены малодебитные водоносные горизонты с ограниченными запасами и источниками питания. Высокая динамичность характерна для поверхностных горизонтов подземных вод, а глубоко залегающие отличаются замедленным водообменом - до сотен тысяч лет и более. Поступление загрязнения в малоподвижные подземные воды не может быть значительным без вмешательства человека, но и самоочищение их происходит очень медленно. Минерализованные и гидрокарбонатные по составу воды наиболее устойчивы к загрязнению. Соленые сульфатно-карбонатные воды даже в своем естественном состоянии являются показателями напряженного экологического состояния геологической среды.

Смысл оценки устойчивости геологической среды различен при физическом воздействии и загрязнении. Нарушенность литогенной основы (эрозия, смещения, просадки) - явление практически необратимое. Поэтому основное внимание здесь обращается на способность грунтов противостоять начальным этапам развития опасных процессов, которые затем могут получить широкое развитие. В случае загрязнения важно оценить способность геологической среды к самоочищению и восстановлению фонового геохимического состояния. Степень напряженности экологических обстановок увязывается при этом с предельно допустимыми концентрациями (ПДК) загрязняющих веществ, их миграционными свойствами и периодами разложения.

Геологическая среда - одна из наиболее «инертных», стабильных составляющих экосистем и одновременно наименее обратимая в своем развитии. Эти ее свойства должны определять тактику и стратегию си-

стем природопользования, затрагивающих литогенную основу. Принципиально важно не допускать значительных техногенных изменений состояния геологической среды, которая затем длительное время будет играть роль дестабилизирующего фактора по отношению ко всей природной среде.

Рельеф совместно с горными породами формирует морфолитогенную основу и структуру экосистем, во многом определяет активность и соотношения вертикальных и горизонтальных связей в пределах экосистем, а также их внешние связи. При этом оценка экологического значения рельефа затруднена вследствие одновременного влияния на него грунтов, почв и растительности. В «чистом» виде это значение проявляется в немногих регионах, главным образом в горных областях с аридным климатом.

Любая информация о региональных закономерностях строения и развития рельефа может быть полезной для решения задач экологической геологии. Однако значение основных характеристик рельефа - возраста, генезиса и морфологии (морфометрии) - неодинаково. Возраст геоморфологических комплексов можно рассматривать как косвенный фактор устойчивости экосистем к физическому техногенному воздействию. При прочих равных условиях более древние генерации рельефа находятся ближе к равновесному или относительно стабильному состоянию. Их развитие чаще всего имеет направленность в сторону стабилизации, выравнивания, что придает им устойчивость к деструктивным процессам. Антиподами служат генерации молодого или современного рельефа, образование которых далеко до завершения и сопровождается активными процессами денудации или аккумуляции. Следует отметить, что молодые активные типы рельефа часто развиваются путем увеличения площадей за счет более древних.

Генетические типы рельефа также можно расположить в виде своеобразного ряда по устойчивости к потенциальной нарушенности. В общем случае для территории европейской части стран СНГ этот ряд будет выглядеть следующим образом (от более к менее устойчивым):

структурные плато и денудационные равнины;

ледниковые и озерно-морские равнины;

водно-ледниковые и аллювиальные равнины;

эрозионные равнины;

структурно-эрозионный горный рельеф;

эоловые равнины.

В пределах каждого генетического типа снижению устойчивости способствуют нарастание уклонов, расчленение и обнаженности. Оценка генетических категорий рельефа наглядно показывает, как трудно разделить влияние собственно рельефа и слагающих его поверхностных отложений на устойчивость экосистем.

Морфология и морфометрия рельефа (качественная оценка внешних особенностей земной поверхности) непосредственно и наиболее наглядно отражают его экологическое значение. Густота расчленения выступает как показатель сложности структуры экосистем регионального уровня, предрасположенности их к проявлению и других деструктивных процессов: оползневых, эрозионных, солифлюкционных.

Своеобразие рельефа как экологического фактора заключается в том, что его реакция на физическое воздействие и загрязнение неодинаковая. По способности к самоочищению рельеф можно подразделить на три области.

Области преобладания сноса и денудации (возвышенные междуречья, верхние части склонов, эрозионные типы рельефа). Отличаются активной горизонтальной и ограниченной вертикальной миграцией поверхностного загрязнения, его значительным территориальным распространением и рассеиванием. Очищение поверхности в целом значительное, однако не исключено образование ареалов временной повышенной концентрации загрязнения в руслах, тальвегах и у оснований склонов.

Области преобладания аккумуляции (днища котловин, шлейфы и конусы выноса, русла и поймы в низовьях крупных рек). Опасны возникновением локальных, линейных или значительных по площади ареалов повышенного загрязнения. Слабая горизонтальная миграция поверхностного загрязнения при благоприятных условиях может стимулировать загрязнение грунтов и водоносных горизонтов.

Области преобладания транзита (склоны, придолинные зоны, средние звенья гидросети), в пределах которых в условиях активной горизонтальной миграции вещества его баланс может от равновесного периодически переходить в отрицательный или положительный. Это влечет за собой изменение способности территории к самоочищению.