Влияние человеческой деятельности на геологический цикл

В процессе своей жизнедеятельности люди активно воздействуют на все верхние оболочки Земли: литосферу, гидросферу, атмосферу и биосферу, т.е. природную среду. Преобразующая природу деятельность человека вполне сопоставима по размерам и масштабам с геологическими процессами, а в некоторых случаях и превышает ее, но отличается молодостью и необычайно бурным нарастанием.

Под геологической средой академик Е.М. Сергеев понимает верхнюю часть литосферы, которая рассматривается как многокомпонентная динамичная система, находящаяся под воздействием инженерно-хозяйственной деятельности человека, и, в свою очередь, в известной степени определяющая эту деятельность. Таким образом, геологическая среда – это среда жизни и деятельности человека. Целенаправленные воздействия как главный тип влияния человека на геологическую среду по своей природе и параметрам разнообразны (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Принципиальная схема «Воздействие человека – геологическая среда»

Техногенная деятельность человека изменяет геологическую среду. Масштабы некоторых природных и техногенных потоков веществ в верхних горизонтах земной коры отражены в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Масштабы некоторых природных и техногенных потоков веществ в верхних горизонтах земной коры (в год)

Степень воздействия на геологическую среду определяется потребностями человечества в природном сырье и изменениями земных ландшафтов применительно к тем или иным нуждам человеческого общества.

В самом общем виде геологическая деятельность человека – деятельность человека, направленная на преобразование геологической среды, протекает в основном по следующим направлениям: извлечение из недр Земли разнообразных полезных ископаемых (так называемая горнотехническая деятельность); проведение агротехнических мероприятий и сельскохозяйственная деятельность; инженерно-техническая деятельность – создание различных инженерных объектов (зданий, плотин, дорог и т.д.). Человек активно вмешивается в развитие естественных геологических процессов – изменяет рельеф, ландшафт, естественные русла рек, создает новые искусственные водоемы и др., тем самым, нарушая природное равновесие. Например, на огромных пространствах развития криолитозоны в результате инженерно-хозяйственной деятельности человека нарушен естественный, сохранявшийся тысячелетиями баланс, в результате чего на этой территории стали активно развиваться термокарстовые явления и заболачивание. Проблемы, связанные с взаимоотношением человека и геологической среды изучаются специалистами по инженерной геологии, геоэкологии, охраны среды и др. Эти проблемы в большинстве случаев не являются чисто геологическими, а носят комплексный характер.

Горнотехническая деятельность носит глобальный характер и связана с обеспечением человечества полезными ископаемыми. Чтобы представить масштабы подобной деятельности, достаточно сопоставить следующие цифры: добыча минерального сырья превышает 110 млрд т в год, тогда как вынос обломочного материала всеми реками Земли в моря и океаны, а также морская абразия и денудация составляют 17,4 млрд т.

Добывают разные полезные ископаемые — жидкие, твердые и газообразные: нефть, газ, уголь, руды. Добыча полезных ископаемых осуществляется как с помощью скважин (нефть, газ, вода), открытых разработок (карьеры), так и подземным способом (шахты, штольни и др.). Глубина шахт превышает 1 км, глубина больших карьеров составляет 1000—1900 м. Самый глубокий карьер в России — Кочкарский (железорудный) — 720 м.

При всех способах отбора минерального сырья в недрах создаются пустоты, трещины, камеры, нарушающие целостность горной породы. Например, известные катастрофические нарушения отмечались в Лонг-Бич в Калифорнии из-за активной эксплуатации нефтегазового месторождения. Отбор нефти и газа привел к проседанию на 8 м территории в 50 км2. Разрушились все здания и промышленные сооружения. Предотвратить дальнейшее разрушение территории удалось лишь после нагнетания в полость большого количества морской воды. Аналогичные ситуации типичны почти для всех месторождений нефти, газа и воды. Учитывая, что месторождения углеводородов занимают огромные территории (наиболее известные нефтегазоносные провинции — Западно-Сибирская, Волго-Уральская, Прикаспийская, Северо-Кавказская — имеют общую площадь около 3700 тыс. км2), то становится очевидным, что проблема проседания земной поверхности носит региональный характер. Так, установлено пригибание всего Апшеронского полуострова из-за сильного отбора нефти. В последнее десятилетие очень интенсивно стали использовать воду из артезианских бассейнов на хозяйственные нужды. По отдельным регионам на них приходится от 25 до 60% общего водопотребления. Особенно сильно и долго воду отбирали из Мексиканского, Парижского, Московского и др. артезианских бассейнов, что привело к проседанию грунтов и возникновению депрессионных воронок. Проседание грунтов отмечалось под Мехико, Парижем, Токио. В самой Москве из-за избыточного отбора воды нарушилось гидродинамическое равновесие. В северной части города зарегистрированы 42 провальные воронки, диаметром от 1 до 40 м и глубиной от 1,5 до 8 м. Наблюдения показали, что за 100 лет центральная часть Мехико опустилась на 7 м, а отдельные участки в Токио опускаются со скоростью 20 см в год.

Выемка железных руд на месторождениях КМА, в Кривом Роге, угля в Донбассе, меди в Караганде, каменной соли в Березняках и Соликамске и на других месторождениях привела к значительным провалам земной поверхности. В районах добычи калийных солей образовались пустоты объемом 24 (Березняки) и 4 млн м3 (Соликамск). С 1993 г. здесь отмечаются техногенные землетрясения, что привело к проседанию почвы на глубину 4,5 м. В Кузбассе появились провалы под разработками, иногда достигающие 70 м, а в центре Караганды встречаются провалы глубиной до 10 м. Проседание почвы в старых угледобывающих районах Англии, Польши, Германии, Франции и Украины составили 30-40 см.

Основная часть нарушенных земель в России приходится на Кузнецкий бассейн, месторождения Восточной и Южной Сибири и Дальнего Востока, где добыча осуществляется преимущественно открытым путем. На некоторых месторождениях карбонатов, гипса из-за отбора сырья возникали ямы-воронки в диаметре от 20 до 60 м и глубиной до 15-20 м (Поволжье). Сильно нарушают ландшафты карьеры по добыче строительного камня (Подмосковье и др.), торфа, угля и других полезных ископаемых. Например, на КМА под карьерами занято более 25 тыс. га. Зачастую карьеры глубокие. Например, на месте горы Высокой на Урале образовался карьер глубиной более 200 м. Также исчезла гора Магнитная, отдав свою руду Магнитогорскому комбинату. Челябинский угольный бассейн к настоящему времени почти весь выработан. На его месте остались многочисленные карьеры, ямы и отвалы пустой породы.

Добыча 1 млн т. железной руды приводит к нарушению от 14 до 640 га земель, марганцевой руды — от 76 до 600 га, угля — от 2,6 до 43 га, руд для производства минеральных удобрений — от 22 до 97,1 млн м3, нерудных строительных материалов— от 1,5 до 583 га.

Особенностью рудодобывающих регионов является то, что многие нарушенные земли находятся в черте городов, на месте отработанных ископаемых. Например, на территории города Нижний Тагил доля таких земель составляет 30%, в Караганде — 50% и др. Почти каждое месторождение дает о себе знать твердыми отходами производства, отвалами горных пород, шлаками и золоотвалами. В России насчитывается 20 тыс. месторождений полезных ископаемых, половина из которых имеет отвалы горных пород.

Отбор руды, угля, строительного камня из недр сопровождается образованием высоких холмов отработанного материала, называемых терриконами. Высота последних часто сравнивается с сопками предгорий Северного Кавказа, которые создавались более миллиона лет, а искусственные сопки возникли в последние 50-60 лет (Донбасс, Кривой Рог, Кузбасс, Печора, Урал и др.)

Сельскохозяйственная деятельность человека,в том числе проведение ряда агротехнических мероприятий, способствуют торможению развития или активизиции многих геологических процессов. Эта деятельность связана в основном с переработкой и созданием самого верхнего тонкого слоя земной коры – почвы. Разрыхляя, обогащая его воздухом и водой, внося минеральные удобрения, человек регулирует количество гумусового вещества, успешно соревнуясь в этом геологическом процессе с процессом выветривания. Таким образом, человек ежегодно перерабатывает свыше 6000 км3 почвы.

Неграмотное использование минеральных удобрений может отрицательно отразиться на качестве грунтовых вод в результате миграции вредных элементов. В условиях сухого климата человек обогащает засушливые почвы водой. Площадь орошаемых земель за последние 200 лет увеличилась в 25 раз и составляет около 250 млн га. При этом площадь заболоченных и засоленных земель в мире в результате орошения составляет более 20 млн га. Орошение в целом приводит к потере воды, при повышенной эрозии – к вторичному засолению, уменьшению речного стока (например, измельчение рек Урал, Ока и др., воды которых разбираются на орошение).

В районах с избыточным увлажнением человек производит осушение земли. Осушенных земель в мире более 170 млн га. Нередко на осушенных землях возникают пожары, особенно на торфяниках. При осушении происходит ускорение дефляции почв. Увлажнение или осушение почвы влияет также на климат, режим подземных и поверхностных вод данной местности.

Выпас скота в ряде случаев приводит к уничтожению травяного покрова и проявлению дефляции и эрозии, активизации оползневых процессов и др. В результате хозяйственной деятельности человека площадь земель, частично или полностью уничтоженных эрозией и дефляцией, составила более 2 млрд га за последние 100 лет.

Инженерно-техническая деятельность человека направлена на возведение социально-бытовых, промышленных, гидротехнических, транспортных сооружений и других инженерных объектов, влияющих на ход естественных геологических процессов.

Весьма активно антропогенные процессы развиваются в районе крупных заводов, особенно, химических, горнодобывающих и горноперерабатывающих предприятий. Гигантские горно-обогатительные комбинаты или топливно-энергетические комплексы способны за короткое время изменить геологическую среду так, что восстановить ее уже будет невозможно. Здесь создается специфический ландшафт, изменяющий рельеф местности, почвенный и растительный покровы, состав атмосферы, гидросферы, а на поверхности Земли накапливаются отходы производства и быта. Значительная геологическая работа производится при дорожном строительстве. Протяженность только железных дорог в мире составляет более 1500 тыс. км. Строительство их сопровождается созданием насыпей, дамб, водособирающих канав, тоннелей, траншей, котлованов для выработки дорожно-строительных материалов.

Огромный размах получило строительство различных подземных сооружений: так, к 1970 г. было построено 26 тыс. км тоннелей, причем некоторые из них проходят на глубине нескольких километров (Симплонский тоннель в Альпах на глубине свыше 2 км). В Японии построены тоннели под морскими проливами между островами Хонсю и Хоккайдо (длиной 54 км), Хонсю и Кюсю. Научно-технический прогресс позволяет проектировать такие грандиозные морские транспортные тоннели, как Ламаншский (длиной свыше 49 км) и Гибралтарский, железнодорожный тоннель через Кавказский хребет на высоте 1400 м.

Подземные выработки с древних времен служили жилищами для человека. В них размещались целые поселения, например, подземный город в Киево-Печерской лавре (монастырь), средневековый город Чуфут-Кале в Крыму, поселение буддийских монахов в пещерах-кельях в Бамиане вокруг памятника Будде (Афганистан). В настоящее время подземное строительство получило большой размах: сооружаются объекты промышленного, гражданско-бытового, гидротехнического, транспортного, военного значения. Эти постройки бывают многоярусными и уходят на глубину в десятки и сотни метров. Особенно интенсифицировалось строительство подземных сооружений в годы второй мировой войны, когда только в Германии площадь, занятая подземными предприятиями, достигла 455 тыс. км2.

Гидротехнические сооружения значительно влияют на изменение окружающей среды. Особенно сильно это влияние проявляется при создании различных гидротехнических объектов, сооружаемых в целях получения дешевой электроэнергии для нужд мелиорации, регулирования стока речных вод, борьбы с селями и др. Грандиозность этих сооружений общеизвестна. Так, плотина Красноярской ГЭС имеет длину 1124 м и высоту 124 м. На реке Инд в Пакистане строится плотина длиной 3 км и высотой 148 м. Такая же высота у селезащитной плотины в районе города Алма-Ата. Высота Саяно-Шушенской плотины на Енисее превышает 200 м. Большое количество насыпей, плотин, молов строится на морях. Предложены проекты гигантских океанических плотин, например, через Берингтов пролив, разделяющий Азию и Америку. При строительстве плотин из недр Земли извлекается и укладывается в тело плотины огромное количество горных пород.

Велика геологическая работа при строительстве каналов – искусственных антропогенных рек, соединяющих отдельные речные бассейны, проводящих воду для сельскохозяйственных и других нужд на расстояние сотен километров. Особенно грандиозны транспортные каналы, такие, как Суэцкий, Панамский и другие, соединяющие различные моря и даже океаны. Трудно представить, какое огромное количество горных пород перерабатывает человек при строительстве каналов.

Гидротехническая деятельность изменяет весь режим поверхностных и подземных вод. В связи с постройкой плотин резко меняются облик речных долин и гидрологический режим рек. После постройки всех плотин площадь зеркала вод реки Волга увеличилась в 11 раз.

Подпор воды в реках меняет режим подземных вод. Уровень их поднимается, местами наблюдается заболачивание; в засушливых районах может происходить засоление почв. Крупные водохранилища меняют климат района в сторону увлажнения, уменьшения континентальности.

На территории крупного города в результате деятельности человека происходят следующие основные изменения геологической среды: накопление культурного слоя – новой породы специфического состава, состоящей из бытовых отбросов, смешанных с грунтом мощностью до десятков метров (в Москве более 25 м, Киеве – 50 м, Лондоне – 30 м, Сан-Франциско – 23 м, в Ташкенте – 20 м, Новгороде – 14 м, Саратове – 15 м); уплотнение грунтов в результате строительства различных объектов; подтопление (за счет водохранилищ, построенных вблизи городов, утечки воды из городской водопроводной сети и др.); понижение уровня грунтовых вод по причине возникновения депрессионных воронок из-за откачек воды с водоносных горизонтов на нужды города и уменьшения фильтрации атмосферных вод; развитие карстово-суффозионных процессов в результате откачек подземных вод в карбонатных породах с образованием провальных воронок; активизируются эоловые процессы, выветривание, овражная эрозия и оползнеобразование. На территории города сильно загрязняются подземные и поверхностные воды различными промышленными предприятиями, накапливаются огромные массы твердых бытовых отходов (в Москве более 3 млн т ежегодно), около половины которых используется вторично, остальная часть сжигается или складируется.

Таким образом, совершенно очевидна необходимость детального планирования и координации различных преобразований, затрагивающих в той или иной степени окружающую среду. При отсутствии должной координации могут возникнуть разрушительные геологические процессы; при соблюдении же необходимых условий удается свести к минимуму нежелательные побочные явления.