Что такое геоэкология. Геоэкология как наука

ГЕОЭКОЛОГИЯ (от гео..., греческий ο?κος - жилище, дом и...логия), междисциплинарное научное направление, изучающее пространственно-временные закономерности взаимодействия природы и общества, объединяющее теоретические и прикладные исследования в области наук о Земле (географии, геологии, физики атмосферы, физики Земли, геохимии и др.) и живой природе (биология) на основе эколого-географического (геоэкологического) подхода. Геоэкология формирует научные основы рационального природопользования и охраны природы, не являясь их синонимом.

Термин «геоэкология» введён немецким физикогеографом К. Троллем (1966). Становление геоэкологии в России шло по мере развития экологического направления в географии, выделенного в 1950-х годах В. Н. Сукачёвым, В. Б. Сочавой и И. П. Герасимовым, которые развивали идеи В. И. Вернадского, В. В. Докучаева, Г. И. Танфильева, Г. Н. Высоцкого, Г. Ф. Морозова о необходимости синтеза подходов экологии, ладшафтоведения, фитоценологии и других наук для объяснения закономерностей взаимодействия экосистем, косной природы и роли человека в необратимой трансформации природной среды. Исследования в этой сфере продолжены Б. В. Виноградовым (1998), С. П. Горшковым (1998), А. А. Чибилевым (1998), Г. Н. Голубевым (1999), И. Е. Тимашевым (2000), А. Г. Исаченко (2001), К. С. Лосевым (2001), Ю. Г. Пузаченко (2001), Б. И. Кочуровым (2003), Н. Н. Родзевичем (2003), М. П. Петровым (2004), А. А. Тишковым (2005)и др.

Теоретические предпосылки развития геоэкологии закладывались в географии на основе комплексного анализа исследования разнообразных аспектов взаимодействия человека и природы, оценки экологического состояния территорий и выявления острых экологических ситуаций. Широкое использование геоэкологии картографических методов и аэрокосмической информации позволяют геоэкологии активно внедрять в теорию и практику геоинформационные технологии и другие средства упорядочивания эколого-географической информации, полученной в пределах искусственных (политических, административных), природных (ландшафтных, бассейновых) границ. Геоэкологические исследования любой территории опираются на её ландшафтную структуру, ландшафтное районирование и картографирование (А. Г. Исаченко, 2001). По Б. В. Виноградову, структура геоэкологии включает: функциональную геоэкологию, изучающую взаимосвязи компонентов геосистем по вертикали - от геологического строения до верхней тропосферы; хорологическую геоэкологию, выявляющую пространственные закономерности и структуры разного уровня (локальный, региональный, глобальный) и определяющую роль различных факторов в формировании их разнообразия; динамическую геоэкологию, описывающую временные изменения геосистем (суточные, сезонные, годичные, многолетние, в том числе циклические и направленные) разного иерархического уровня, что позволяет прогнозировать их состояние в целом, изменение отдельных элементов и параметров; прикладную геоэкологию, очерчивающую области практического применения результатов исследований, в первую очередь в экологическом мониторинге, индикации состояния геосистем и экодиагностике, геоэкологическом картографировании, реабилитации нарушенных земель, в организации территориальной охраны природы и тому подобное.

За рубежом геоэкология наиболее развита в Германии, где рассматривается как ландшафтная экология (К. Тролль) - «наука о природных комплексах, обусловленных взаимоотношениями между живыми существами и их средой в данной части ландшафта», её развитие связано также с именами Г. Вальтера, Й. Шмитхюзена. Национальные школы геоэкологии развиваются также в Чехии (М. Ружичка), Франции (М. Гордон, Ж. Лонг), Нидерландах (И. Зонневелд, А. Винк). В США геоэкология, или географическая экология, оформлялась в самостоятельную науку в рамках экологии, то есть в системе биологических наук, но в целом также базировалась на методологии ландшафтной экологии.

В геологии использование термина «геоэкология» имеет другие аспекты: В. И. Осипов определяет геоэкологию как междисциплинарный комплекс знаний об абиотических геосферных оболочках Земли (верхняя часть литосферы; педосфера, или почвенный слой; приземные слои атмосферы; поверхностные воды, являющиеся минеральной основой биосферы) как компонентах окружающей среды и их изменениях под влиянием природных и антропогенных факторов. В качестве общенаучного метода, применяемого в геоэкологии, рассматривается системный анализ, лежащий в основе всеобщей связи процессов, происходящих на различных структурных и вещественных уровнях изучаемых явлений и образований. Специфический метод геоэкологии, отличающий её от известных наук о Земле, - экологический подход, базирующийся на изучении геосферных оболочек и происходящих в них процессах с точки зрения влияния на живую природу. Геоэкология рассматривается также как отрасль знаний, исследующая экологические аспекты геологии по аналогии с другими науками геологического цикла - геохимией, геофизикой, геодинамикой (Л. Л. Прозоров); к этому пониманию геоэкологии близка так называемая экологическая геология, изучающая экологические функции литосферы, закономерности их формирования и пространственно-временного изменения под влиянием природных и техногенных причин (В. Т. Трофимов, В.А. Королёв и др.).

Лит.: Тролль К. Ландшафтная экология (геоэкология) и биогеоцеиология: терминологическое исследование // Изв. Академии Наук СССР. Сер. географическая. 1972. № 3; MacArthur R. Н. Geographical ecology: pattern in the distribution of species. 2nd ed. Princeton, 1984; Герасимов И. П. Экологические проблемы в прошлой, настоящей и будущей географии мира. М., 1985; Forman R., Gordon М. Landscape ecology. N. Y., 1986; Королев В. А. Современные проблемы экологической геологии // Соровский образовательный журнал. 1996. № 4; Осипов В. И. Геоэкология: понятие, задачи, приоритеты // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. 1997. № 1; Виноградов Б. В. Основы ландшафтной экологии. М., 1998; Горшков С. П. Концептуальные основы геоэкологии. Смоленск, 1998; Чибилев А.А. Введение в геоэкологию. Екатеринбург, 1998; Исаченко А. Г. Введение в экологическую географию. СПб., 2003; Кочуров Б. И. Экодиагностика и сбалансированное развитие. Смоленск, 2003; Родзевич Н. Н. Геоэкология и природопользование. М., 2003; Петров К. М. Геоэкология. СПб., 2004; Карлович И. А. Геоэкология. М., 2005; Тишков А. А. Биосферные функции природных экосистем России. М., 2005; Голубев Г. Н. Геоэкология. 2-е изд. М., 2006.

А. А. Тишков; В. И. Осипов (геология).

Основная задача геоэкологии: изучение изменений жизнеобеспечивающих ресурсов геосферных оболочек под влиянием природных и антропогенных факторов, их охрана, рациональное использование и контроль с целью сохранения для нынешних и будущих поколений людей продуктивной природной среды. Геоэкология развивается на стыке ряда естественных наук, отсюда широкая, подчас противоречивая трактовка целей, решаемых ею задач и методологии исследований. При географическом подходе - основная задача геоэкологиb заключается в изучении географической (ландшафтной) среды обитания и воздействия общества на ландшафты путем анализа балансов вещества и энергии. При биологическом подходе задача геоэкология сводится к изучению экосистем высоких уровней, вплоть до биосферы. Геологический подход рассматривает геоэкологию как науку, призванную изучать закономерности взаимодействия литосферы и биосферы с учетом специфики человека и его деятельности.

Методологическая основа геоэкологии

Методологической основой геоэкологии является междисциплинарный подход, позволяющий интегрировать знания естественных наук об экологических проблемах, изучать эволюцию естественных и антропогенно измененных эко- и геосистем для обеспечения развития цивилизации. Объекты комплексных исследований геоэкологии - естественные и измененные человеком жизнеобеспечивающие компоненты окружающей среды (атмосфера, рельеф, горные породы, почвы, растительный покров, подземные и поверхностные воды, недра, эндогенные и экзогенные процессы и явления, различные физические поля и др.). Исследуются процессы, существующие, возникающие и активизирующиеся при взаимодействии геосферных оболочек Земли между собой и при контакте с техносферой (зданиями, сооружениями, агросистемами, водохранилищами, промышленными комплексами).

Проблемы геоэкологии

Фундаментальными проблемами геоэкологии являются:

изучение роли геосферных оболочек Земли в глобальных циклах переноса углерода, азота и воды;
глобальная геодинамика и ее влияние на состав, состояние и эволюцию биосферы, влияние геосферных оболочек на изменение климата;
геофизические и геохимические поля, геоактивные зоны Земли;
изменение окружающей среды под влиянием урбанизации и хозяйственной деятельности человека (химическое и радиоактивное загрязнение почв, пород, поверхностных и подземных вод, возникновение и развитие опасных техноприродных процессов, наведенные физические поля, деградация криолитозоны, сокращение ресурсов подземных вод);
характеристика, оценка состояния и управление современными ландшафтами;
рациональное использование водных, земельных, рекреационных, минеральных и энергетических ресурсов Земли, санация и рекультивация земель, ресурсосбережение и утилизация отходов;
динамика, механизмы, факторы и закономерности развития опасных природных и техноприродных процессов, прогноз их развития, оценка опасности и риска, управление риском, превентивные мероприятия по снижению последствий катастрофических процессов, инженерная защита территории, зданий и сооружений;
геоэкологическое обоснование безопасного размещения, хранения и захоронения токсичных, радиоактивных и др. отходов;
теория, методы, технологии и технические средства защиты, восстановления и управления природно-техническими системами, включая агросистемы;
специальные экологически и технически безопасные конструкции, сооружения, технологии строительства и режимы эксплуатации объектов и систем в области природопользования и охраны окружающей среды;
технические средства, технологии и сооружения для прогноза, защиты, локализации и ликвидации негативных природных и техногенных воздействий на окружающую среду;
технические средства контроля и мониторинга состояния окружающей среды;
методы и технические средства оперативного обнаружения, анализа причин и прогноза чрезвычайных ситуаций, угрожающих экологической безопасности;
разработка и совершенствование государственного нормирования и стандартов в природопользовании.

Важнейшая практическая проблема геоэкологии - изучение загрязнений компонентов как одного из важнейших факторов деградации природной среды. В рамках геоэкологии минимизация эффектов, связанных с загрязнением решается путем проведения мониторинга и специальных мероприятий по охране и защите жизнеобеспечивающих компонент окружающей среды. По уровню и характеру многие городские агломерации в России отнесены к зонам экологического бедствия. Другой важнейшей практической проблемой геоэкологии является оценка экологических рисков и снижение негативных последствий экологических катастроф. В условиях техногенеза возрастает риск возникновения техногенных и природно-техногенных катастроф с тяжелыми экологическими последствиями. Среди техногенных катастроф наибольшие негативные последствия проявляются при катастрофах на объектах ядерного комплекса, транспорте, горно- и нефтедобывающей промышленности. К природно-техногенным катастрофам относятся: землетрясения, извержения вулканов, оползни, сели, наводнения, цунами, ураганы, смерчи и т.д. Обеспечение экологической безопасности и снижение ущербов при проявлении техногенных и природно-техногенных опасностей достигается проведением эффективных мероприятий по своевременному предупреждению об угрозе, а также заблаговременным осуществлением инженерной защиты территории и обеспечением безопасности проживания людей.

Источники: Геоэкология. Голубев Г.Н. -М., 1999; Геоэкология - междисциплинарная наука об экологических проблемах геосфер. Осипов В.И. Геоэкология, инженерная геология, гидрогеология, геокриология, №1. 1993; Геоэкологический русско-английский словарь-справочник. Тимашев И.Е. -М., 1999; Экология и контроль состояния природной среды. Израэль Ю.А. -М., 1984.

Наука геоэкология - это дисциплина на стыке экологии и географии. В ее рамках изучаются особенности, состав, строение и процессы человеческой среды обитания. Специалисты в этой области работают над тем, чтобы обезопасить биосферу от неблагоприятных изменений, вызванных хозяйственной деятельностью людей.

Предмет изучения

Главной задачей специалистов в области геоэкологии является поиск компромисса между населением, производством и природой. Для этого они изучают источники антропогенного воздействия на окружающую среду, их пространственно-временное распределение и интенсивность. Проводятся исследования деструкции природных сред и компонентов, ведется контроль над их динамикой.

Нагрузка на геоэкосистему - это то, что изучает геоэкология. С этой целью она анализирует реакцию живых организмов на влияющие на них процессы технологического характера. Ученые моделируют, прогнозируют и оценивают Результатом их работы, как правило, становится подготовка рекомендаций, в которых излагаются наиболее оптимальные способы использования геоэкосистемы.

Место в науке

С точки зрения научной классификации геоэкология - это подраздел экологии в целом (иногда ее называют мегаэкологией). Как и у каждой дисциплины, у нее есть свой специфический объект исследования. В случае геоэкологии это экосистемы высокого иерархического уровня (например материк, биосфера, биом, океан).

Есть и другие оценки места дисциплины в науке. Помимо всего прочего, геоэкология - это четвертый раздел географии (наравне с экономическим, физическим и социальным). Но и это не все. Геоэкология тесно переплетена с геологией - она изучает геологическую среду и ее связи с остальными средами, в том числе с гидросферой, атмосферой и биосферой. Данная наука дает оценку человеческого влияния на всех них.

Пограничная дисциплина

То, что изучает геоэкология, отличается системным характером (таковыми являются, к примеру, взаимодействия абиотической среды и живых организмов). Специально для данной науки ученые ввели новый термин. Это геоэкосистема, которая является результатом взаимодействия гидросферы, биосферы, атмосферы и литосферы. Также ее рассматривают как порождение столкновения общества и природы. Последствием их взаимодействия является появление открытых и закрытых геоэкологических систем.

Как и любая другая пограничная дисциплина, эта наука пользуется исследовательскими методами самого разного характера. Геоэкология - это система, которую нельзя описать только одним показателем, а значит, в данном случае требуется интеграция геологии, географии, экологии и некоторых других областей человеческих знаний.

Глобальные и универсальные проблемы

Изучение географии и геоэкологии выявляет два типа проблем. Их можно разделить на глобальные и универсальные. К первым относятся проблемы, затрагивающие всю экосферу (пример - парниковый эффект). К универсальному типу относятся негативные повторяющиеся в разных модификациях тенденции. К ним можно отнести жизни на Земле и разрушение озонового слоя планеты.

Особенное внимание факультет географии и геоэкологии уделяет проблемам деградации почв. Ухудшение ее качества приводит к снижению плодородия. Как правило, деградация вызывается хозяйственной деятельностью людей. Тем не менее ее причиной может послужить и некий природный фактор (оползни, ураганы, извержения вулканов и т. д.).

Исследовательские принципы

У исследований геоэкологов есть несколько ключевых принципов. Первый из них - региональный. Он учитывает локальные геоэкологические условия. Исторический принцип основывается на анализе причин формирования системы и обстоятельств ее развития. При изучении специалисты также учитывают ее структуру, динамику и процессы функционирования. Одной из основ таких исследований является ландшафтная карта.

Геоэкология, экология и пограничные с ними науки не могут не учитывать ресурсного фактора. Ученые уделяют значительное внимание временным и пространственным закономерностям развития ландшафта и всей природы в целом. Важную роль играет так называемый бассейновый принцип. Согласно ему, важен анализ состояния гидрогеологии, потока энергии, веществ и информации.

Концепции и идеи

Геоэкологии считается концепция биоценоза, разработанная в XIX веке ученым Карлом Мебиусом. Под данным термином понимается совокупность живых организмов, обитающих в одинаковых природных условиях. Любой институт геоэкологии уделяет внимание таким понятиям, как географическая оболочка, экосистема, ландшафт, ноосфера, геосистемная концепция, концепция геотехнической системы.

Теоретический фундамент дисциплины сложился благодаря двум материнским наукам и их прогрессу в последние полтора столетия. Благодаря географии в геоэкологии сложилась комплексная концепция о природных взаимосвязях и роли отдельных геокомпонентов, понятиях дифференциации и интеграции. Важна и другая сторона этой медали. Экология привнесла в геоэкологию термины ноосферы и биосферы, систему взглядов на круговорот веществ и качество окружающей среды.

Предпосылки появления науки

Отдельные взгляды, характерные для геоэкологии, высказывались еще до ее появления. Так, великий английский экономист XVIII века Адам Смит подробно исследовал природные ресурсы как источник народного богатства. Его соотечественник в 1798 году едва ли не впервые попытался теоретически осмыслить опасность экологического кризиса, причиной которого мог стать дефицит продовольствия. Как уже отмечалось выше, для рассматриваемой науки очень важно явление круговорота веществ. Первым его исследовал живший в XIX веке Юстах Либих, таким образом обосновавший теорию о минеральном питании растений.

На становление геоэкологии повлиял фундаментальный труд Чарльза Дарвина «Происхождение видов» (1859), а также книга американского географа Джорджа Перкинса Марша «Человек и природа» (1864). Именно этот исследователь одним из первых заявил о необходимости ограничения хозяйственной деятельности, вредившей окружающей среде.

Русский ученый Александр Воейков в 1891 году описал способы борьбы с неблагоприятными природными явлениями (суховеями, заморозками, засухами и т. д.). В качестве мер противодействия он предлагал водную мелиорацию и лесоразведение. Профессор Санкт-Петербургского университета в 1903 году закончил разработку учения о почве, в котором она рассматривалась как естественно-историческое тело. Все эти работы позднее сыграли свою роль в становлении геоэкологии.

Зарождение геоэкологии

История изучения географии, геоэкологии, туризма и других смежных дисциплин имеет общие корни. Их можно проследить, если внимательно взглянуть на эволюцию науки в XX столетии. Появление геоэкологии связано с возникновением ландшафтной экологии, произошедшим в 1939 году. Основоположником этой дисциплины был Карл Тролль. Он изучал климат, рельеф, растительность и взаимосвязи разнообразных природных факторов. Именно Тролль ввел в обиход понятие ландшафтной экологии, которое при переводе с немецкого языка на английский трансформировалось в геологическую экологию или геоэкологию.

Двойной термин наглядно демонстрировал его суть. В новой дисциплине Карл Тролль объединил два исследовательских подхода. Один (горизонтальный) заключался в изучении природных явлений и их взаимодействия, а другой (вертикальный) основывался на изучении их взаимоотношений внутри экосистемы. Новая наука стала противовесом уже существовавших тогда дисциплин. К примеру, геоэкология сильно отличалась от биологической экологии, имевшей отдельную структуру (экологию животных, растений, микроорганизмов и т. д.). Детище Карла Тролля постепенно расширило свою компетенцию В 1960-е гг. под прицел геоэкологии попала хозяйственная деятельность человека и ее влияние на ландшафт и окружающую среду.

До 80-х годов прошлого столетия об экологических проблемах литосферы не упоминалось. Однако вскоре глобальный экологический кризис все более стал проявляться в верхних слоях земной коры. По этой причине в геологии постепенно стали акцентировать внимание на экологических проблемах. Геоэкология зародилась в недрах инженерной геологии, изучающей свойства и динамику верхних горизонтов земной коры в связи с инженерно-хозяйственной деятельностью человека (по определению И.В. Попова). Задачи инженерной геологии первоначально охватывали достаточно узкий спектр вопросов, например, в сфере строительства, в т.ч. геологическое обоснование проектов зданий, дорог, карьеров, плотин, ГЭС, и т.д. Поэтому инженерная геология была чрезмерно антропоцентричной, учитывала только экономическую прибыльность того или иного хозяйственного проекта, оставляя без внимания экологическую составляющую вопроса.

Со временем такое положение стало меняться, т.к. все более осознавалась связь между геологической средой и человеческим обществом. Благодаря этому фактору впоследствии в инженерной геологии стало разрабатываться направление, исключающее негативные последствия инженерной деятельности человека в литосфере.

Перед инженерной геологией были поставлены задачи защиты геологической среды и вопросы рационального использования ресурсов литосферы. В это время зародилось новое направление в инженерной геологии - инженерная геоэкология, наука, занимающаяся практическими и теоретическими вопросами экологии верхних горизонтов литосферы. Так инженерная геоэкология передала эстафету более универсальной науке -- экологической геологии, изучающей вопросы экологии литосферы и различных геосфер Земли в их взаимосвязи.

Большой вклад в формирование экологической геологии внесли работы В.И. Вернадского по геохимии биосферы. Учение Вернадского о геосферах Земли привнесло серьезный стимул для дальнейших исследований в развитии новой науки.

И, наконец, только к концу 20-века появилось осознание того, что методами инженерной геологии нельзя решить глобальных экологических проблем литосферы. Появилась необходимость в разработке следующих наук:

· экологической геохимии: для изучения вопросов загрязнения литосферы и миграции в ней элементов с точки зрения их влияния на экосистемы;

· экологической геофизики: для изучения физических полей литосферы Земли с точки зрения их влияния на экосистемы;

· экологической гидрогеологии: для изучения вопросов загрязнения подземных вод.

Все вышеперечисленные науки объединились сегодня в одну большую науку - геоэкологию.

Определение, объект, предмет, задачи исследований

Экологическая геология рассматривается как новое направление, которое изучает взаимосвязи между литосферой, биотой, населением и хозяйством (Гарецкий, Каратаев, 1995; Теория…, 1997; Бгатов, 1993).

Объект исследования экологической геологии - приповерхностная часть земной коры - литосфера, расположенная преимущественно в зоне антропогенного воздействия. Литосферный блок включает горные породы, рельеф и геодинамические процессы. В структуре экологической геологии выделяются две области -предметная и информационно-методическая.

Предметом экологической геологии являются экологические функциилитосферы.

Как и большинство геологических наук, экологическая геология исследует, по В.Т. Трофимову и Д.Г. Зилингу (2000,2002), задачи трех типов: морфологические, ретроспективные и прогнозные.

Морфологические задачи - это задачи, связанные с изучением состава, состояния, строения и свойств анализируемой системы, ее эколого-геологических условий в целом. Решение задач этого типа позволяет ответить на вопрос: «Что это за система, и какие качества ей присущи?», а также получить качественные и количественные показатели, характеризующие современные эколого-геологические условия (обстановки) изучаемого объекта.

Ретроспективные задачи - задачи, обращенные в прошлое и связанные с изучением (точнее, восстановлением) истории формирования объекта исследования, формирования его современного качества. Решение задач этого типа позволяет ответить на вопросы: «Почему объект такой? Каким путем он сформировался?».

Прогнозные задачи - задачи, связанные с изучением поведения, тенденций развития исследуемой системы в будущем под воздействием различных причин природного и техногенного происхождения. Решение задач этого типа позволяет ответить на вопрос: «Как будет вести себя объект в будущем при тех или иных воздействиях?»

Как и в инженерной геологии, вэкологической геологии приходится решать задачи пространственного, временного и пространственно-временного прогноза изменения эколого-геологической системы под влиянием причин естественных (природных), техногенных или их совместного действия. Методика решения прогнозных задач разработана значительно слабее, чем морфологических и ретроспективных.

Ранее уже было показано, что экологическая геология исследует эколого-геологические системы. Выделяется четыре типа этих систем (Трофимов, Зилинг, 2002):

* природная эколого-геологическая система реальная;

* природная эколого-геологическая система идеальная;

* природно-техническая эколого-геологическая система идеальная;

* природно-техническая эколого-геологическая система реальная.

Взаимосвязь экологической геологии с естественными науками

Экологическая геология находится на стыке экологических и геологических дисциплин

Рис.1

Экологическая геология - это синтез двух взаимосвязанных наук: геологических и экологических, куда входят также естественные, точные, медицинские и социально-экономические дисциплины. Центральную часть в ней занимает геоэкология - междисциплинарное научное направление, изучающее экологические аспекты взаимодействия природы и общества (Ясаманов, 2003)

Структура геоэкологии

Экологическая геология развивается по принципу «экологизации» основных разделов геологии и включает дисциплины, с экологических позиций изучающие:

· состав и свойства Земли (экологическая петрология, геохимия, гидрогеология, геофизика);

· геологические процессы (экологическая геодинамика);

· роль органической жизни в формировании литосферы и месторождений полезных ископаемых (экология литогенеза и экология полезных ископаемых);

· геологическую среду (инженерная экологическая геология);

· дисциплины методического содержания (экологическая картография и геоинформатика).

Основными разделами экологической геологии являются:

· экологическая петрология;

· экологическая геодинамика;

· экологическая геоморфология;

· экологическая геохимия;

· экологическая геофизика;

· экологическая гидрогеология;

специальная экологическая геология, включающая эколого-геологические аспекты проектирования и строительства. В ее состав можно включить рекреационную экологическую геологию.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курс лекций

Геология и геоэкология

Раздел 1. Основные понятия геоэкологии

Лекция 1. Основные понятия геоэкологии

Лекция 2. Геологическая среда. Состав и свойства геологической среды. Экосистемы и их особенности

Раздел 2. Техногенные изменения геологической среды

Лекция 1. Основные виды воздействия горного и геологического производства

Лекция 2. Техногенная миграция элементов. Физическое и химическое загрязнение

Лекция 3. Радиоактивное загрязнение геологической среды

Раздел 3. Нормирование качества геологической среды и методы изучения ее экологического состояния

Лекция 1. Нормирование качества окружающей и геологической среды

Лекция 2. Нормирование загрязняющих веществ в водных объектах

Лекция 3. Нормирование загрязняющих веществ в почве

Лекция 4. Методы изучения экологического состояния геологической среды: картирование и картографирование, полевые исследования

Раздел

Л екция 1. Основные понятия геоэкологии

В 1866 году немецкий биолог Эрнст Геккель ввел в науку термин экология (гр. oikos - дом, жилище, разные, воды - учение, наука), который, однако, получил всеобщее признание лишь к концу XX века. Э.Геккель назвал словом экология новый раздел биологии, изучающий совокупность всех взаимосвязей между живыми и неживыми компонентами природной среды, который по мере накопления знаний превратился в фундаментальную науку. Во второй половине XX столетия термин экология стал модным. Каждый исследователь и специалист, желающий быть современным, занимается экологией. Но экологические проблемы, которые интересуют биолога, отличаются от проблем, рассматриваемых физиком, инженером, экономистом, юристом или социологом. Каждый из них придает этому слову до такой степени различное значение, что неспециалисту становится трудно определить, что же это такое.

Из всех живых организмов человек более других пытается изменить природу, используя и приспосабливая ее для своих нужд. С развитием науки и техники люди получают все более мощные орудия воздействия на природу. Это позволяет им вторгаться в микро- и макромиры, во все процессы, протекающие в биосфере. Вот, что писал В.И. Вернадский еще в 1925 году:

«Человек уничтожил девственную природу. Он внес в неё массу неизвестных ранее химических соединений и форм жизни - культурных пород животных и растений. Он изменил течение всех геохимических реакций. Лик планеты стал новым и пришел в состояние непрестанных потрясений». [искусственные минералы]

Если до некоторых пор механизмы саморегуляции биосферы компенсировали возмущающие антропогенные воздействия, то особенностью современного этапа развития планеты является то, что система производства и размах человеческой деятельности достигли масштабов, сопоставимых с масштабами природных явлений. По словам В.И. Вернадского «человечество стало геологической силой, сравнимой с силами самой природы». Действительно, подземные ядерные взрывы по мощности сравнимы со слабыми сейсмическими толчками. Аварии на АЭС в Гаррисберге (США, 1979), Чернобыль (Украина, 1986); утечки ядовитых веществ на химических заводах в Севезо (Италия, 1976), Бхопале (Индия, 1984), Череповце (Россия, 1987); потери при хранении и транспортировке вредных веществ и т.п.- все эти техногенные катастрофы вполне сопоставимы с крупными природными катаклизмами. Разрушительная деятельность человека породила конфликт между обществом и природой, создала проблемы, которые получили название экологических.

В последние два десятилетия изменился взгляд на экологию, как на сугубо естественную науку. Уже с начала века в экологии прослеживались два направления. Представители первого антропоцентрического - рассматривают человеческое сообщество как новое царство, наряду с царствами минералов, растений и животных. Представители другого - биоцентрического - включают Homo sapiens (человека разумного) с его деятельностью в сферу интересов общей экологии. Они считают, что человек - млекопитающее, подчиняющееся законам природы, и его развитие идет параллельно с развитием других организмов.

Людям не следует забывать о том, что, получив неограниченную власть над природой, они сами являются её скромной частицей. Основные законы природы не потеряли своей силы с ростом численности населения, с огромным увеличением масштабов потребления и невиданных ранее научно-техническим прогрессом, которые чрезвычайно расширил человеческие возможности воздействия на окружающую среду. Изменилось лишь относительное значение этих законов, усложнилась их зависимость от человека. Цивилизация по-прежнему продолжает зависеть от природы, и не только от энергетических и материальных ресурсов, но и от таких жизненно важных процессов, как, например, круговороты воды и воздуха.

Отметим, что до 1970 года на экологию смотрели, главным образом, как на один из разделов биологии. Хотя и сейчас экология уходит своими корнями в биологию, она вышла за ее рамки, переросла в новую интегрированную дисциплину, образующую мост между естественными, техническими и общественными науками, которая исследует общие закономерности, справедливые как для природы, так и для общества.

Геоэкология и её место в экологии. Экология как интегрированная дисциплина подразделяется на ряд разделов по различным принципам (см. схему).

Геоэкология - практический раздел экологии, занимающийся изучением региональных и глобальных изменений компонентов природной среды, обусловленных техногенным воздействием. В конкретной практике объектами геоэкологии являются экосистемы или их составные части: почвы, поверхностные и подземные воды, приземная атмосфера и горные породы.

Таким образом, объектом исследований геоэкологии является геологическая среда и происходящие в ней изменения, связанные с производственной деятельностью человека.

Связь геоэкологии с другими науками. Мы определили, что геоэкология - это практический раздел экологии, возникший на стыке геологии и экологии, что и определяет здесь тесную связь естественных (геология, биология, география), технических (горное дело) и общественных наук.

Растет социальная роль экологических знаний. Отсюда следует, что современная экология и геоэкология тесно соприкасается с такими дисциплинами, как право, экономика, социология, политология, философия и должна владеть всеми инструментами, которые дают в ее руки техника и математика.

Основная задача современной экологии - найти пути управления природными, антропогенными системами, человеческим обществом и биосферой в целом в соответствии с законами природы, а не вопреки им, найти гармонию между экономическими и экологическими интересами человека.

Геоэкология и экологическая геология . Последняя треть двадцатого века - время экологизации многих социальных, технических и естественных наук. Экологизация отчетливо проявилась и в геологии: здесь сформировалось новое направление - экологическая геология, изучающая верхние горизонты литосферы как одну из основных абиотических компонент экосистем высокого уровня организации (от биогеоценоза до экосферы).

По В.Т.Трофимову термин «экологическая геология» нельзя отождествлять с термином «геоэкология». Это принципиально разные понятия. В любой трактовке геоэкология - это комплексная наука, исследующая все абиотические оболочки (сферы) Земли, а по нашим представлениям - и биоту. Геоэкология включает в себя как минимум «экологическую геологию», как составную часть, связанную только с литосферой, «экологическую географию», «экологическое почвоведение», в перспективе в ее состав, вероятно, войдет и «биоэкология».

Экологическую геологию в более привычных геологу терминах можно определить так: экологическая геология - новое направление геологических наук, изучающее экологические функции литосферы, закономерности их формирования и пространственно-временного изменения под влиянием природных и антропогенных (техногенных) причин в связи с жизнью и деятельностью биоты и, прежде всего, человека. Подчеркнем - под влиянием природных и техногенных процессов, поскольку некоторые исследователи считают необходимым изучать воздействие и экологические последствия лишь техногенных причин. Это принципиальная ошибка. Масштабы и интенсивность природных геологических процессов, и экологические последствия их проявления существенно значимее: подавляющая часть крупномасштабных катастрофических событий на Земле связана именно с ними.

Объект исследования экологической геологии - традиционный для наук геологического цикла: теоретически - это литосфера со всеми ее экологически значимыми компонентами, в прикладном плане - ее приповерхностная часть, расположенная, в том числе и в зоне возможного техногенного воздействия. Она исследуется как многокомпонентная динамическая система, включающая породы, подземные воды, нефть и газы и влияющая на существование и развитие биоты. В том числе и человеческое сообщество. При таком определении объекта экологическая геология исследует систему «литосфера-биота», «техногенно измененная литосфера-биота», либо «литосфера - инженерное сооружение - биота», прямые и обратные связи между абиотическими и биотическими подсистемами, а, в конечном счете - чаще всего воздействие «неживого» на «живое», хотя если говорить шире, - взаимодействие литосферы и живого. В такой конструкции системы техногенные источники воздействия учитываются опосредованно через техногенные изменения литосферы.

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. Исходя из этого, можно ввести следующее понятие: эколого-геологическая система - определенный объем литосферы как геологический компонент природной среды с находящейся в ней биотой и включающей в себя три подсистемных блока - литосферный (абиотический), биоту (биотический) и источников воздействия техногенного и природного происхождения.

Предмет исследования экологической геологии - знания (система данных) об экологических функциях (свойствах) литосферы. При этом рассматриваются функциональные связи в системе «литосфера - биота (включая человека)» или «литотехническая система - биота (включая человека)».

Взаимосвязи человека и геологической среды

Техногенез - относительно новый фактор в истории химических элементов Земли - проявляется как в глобальных геохимических циклах, так и в локальных системах.

Этот термин ввел впервые, видимо, А.Е.Ферсман в 1922 году. Определений понятия опубликовано немало:

1) совокупность геохимических и минералогических процессов, вызванных технической деятельностью человека (Ферсман);

2) геохимическая деятельность человека (Ферсман);

3) совокупность геохимических процессов, связанных с деятельностью людей, сопровождается извлечением из окружающей среды, концентрацией и перегруппировкой химических элементов (М.А.Глазовская);

4) совокупность геохимических процессов, связанных с деятельностью человека как социального фактора (Глазовская М.А.)

Изменения геологической среды определяются процессом техногенеза.

Техногенез - процесс изменения природных комплексов под воздействием производственной деятельности человека. Заключается в преобразовании биосферы, вызываемом совокупностью геохимических процессов, связанных с технической и технологической деятельностью людей по извлечению из окружающей среды, концентрации и перегруппировке целого ряда химического элементов, их минеральных и органических соединений.

Итак, в современном понимании ТЕХНОГЕНЕЗ сейчас объединяет класс геологических процессов, обусловленных деятельностью человека, вооруженного техникой.

В отличие от других геологических процессов, эндогенных и экзогенных, характер которых кардинальным образом не меняется в течение геологического времени, ТЕХНОГЕНЕЗ - новое, современное явление, не имеющее аналогий в геологической истории. Длительность техногенных процессов невелика и соответствует периоду развития цивилизаций, т.е. нескольким тысячелетиям. Но уже сейчас по общему объему земного вещества, вовлеченному в техногенную миграцию, мы можем поставить техногенез в ряд с великими революциями в истории Земли, такими как зарождение жизни или образование наземной растительности.

Техногенез есть взаимодействие техники и природы. Техника в этом случае выступает как геологический фактор, преобразующий земную кору, модифицирующий физические поля, формирующий новые структуры. Так создается ТЕХНОСФЕРА.

ТЕХНОСФЕРОЙ можно считать область в пределах земной коры, гидросферы, атмосферы и космоса, в которой находятся, функционируют или применяются принадлежащие человеку конструкции, аппараты, орудия и вещества.

Существуют и другие определения термина ТЕХНОСФЕРА:

1) Часть биосферы, коренным образом преобразованная человеком в технические и техногенные объекты (здания, дороги, механизмы и т.п.)

2) Часть биосферы (по некоторым представлениям, со временем вся атмосфера), преобразованная людьми с помощью прямого и косвенного воздействия технических средств в целях наилучшего соответствия социально-экономическим потребностям человечества.

3) Практически замкнутая регионально-глобальная будущая технологическая система утилизации и реутилизации, вовлекаемых в хозяйственный оборот природных ресурсов, рассчитанная на изоляцию хозяйственно-производственного циклов от природного обмена веществ и потока энергии.

На Урале техногенез по временным и по пространственным параметрам - один из ведущих современных геологических процессов. Главные составляющие техногенеза на Урале - это индустриализация (развитие промышленных компонентов) и урбанизация (зарождение и рост городов).

ГЕОСИСТЕМА - природу Земли можно представить как иерархию геосистем. В этой иерархии Земля сама есть геосистема самого высокого уровня. В качестве подсистем она включает сложные системы второго глобального уровня или геосферы: литосферу, гидросферу, атмосферу, биосферу и др.

Все реальные геосистемы относятся к классу открытых систем. Источники вещества и энергии, питающие геосистемы, могут быть экзогенными и эндогенными.

ГЕОСИСТЕМЫ, в состав которых входят природные и технические компоненты, называются геотехническими. Как правило, геотехническая система(ГТС) есть результат взаимодействия природной геосистемы (ГС) и технической системы (ТС).

ГС + ТС = ГТС

Геотехнические системы в общем ряду геологических систем являются самыми молодыми образованьями. История промышленного освоения Урала может быть представлена как взаимодействие технических комплексов - городов, рудников, заводов - с Уральским горно-складчатым сооружением, сложной развивающейся геосистемой.

Главный результат этого взаимодействия - преобразование геосистем в динамичные геотехнические системы, объединяющие потоками вещества, энергии и информации природные и технические компоненты.

Стадии техногенеза . Техногенез преобразует вещественные и энергетические ресурсы геосистемы, в состав которых входят рудные залежи. В развитии рудных залежей, вовлекаемых в техногенез, можно выделить несколько этапов, в свою очередь подразделяемых на стадии.

Этап соответствует длительности существования геосистем данного класса: эндогенных, экзогенных и техногенных, различающихся по составу энергетического баланса. При описании стадии техногенеза используется [феноменологическая] модель, включающая черты строения и характера развития, общие для всех изученных реальных геотехнических систем, образующихся при техногенезе месторождений.

Техногенез подразделяется на 2 этапа: первый - прогрессивный - характеризуется возрастанием внутренней энергии системы, ростом интенсивности и разнообразия геодинамических процессов, числа новообразованных минеральных фаз; второй - регрессивный - наступает после прекращения действия техногенных источников энергии и характеризуется последовательным затуханием геомеханических процессов, возрастанием доли ионного стока и роли биохимической миграции.

Прогрессивный подэтап включает три стадии:

Первая стадия - ведущая роль управляемых процессов разрушения, перемещения и дифференциации минерального вещества. По времени соответствует периоду строительства горнодобывающего предприятия. В техногенез вовлекаются грунты и горная масса (до вскрытия рудных залежей). Дренаж подземных вод незначителен, депрессионная воронка еще не сформировалась. Рудничные воды формируются за счет атмосферных и слабо минерализованых.

Вторая стадия - вскрытие рудных залежей - сопровождается образованием и накоплением искусственных рыхлых осадков (неопелитов), в значительных количествах содержащих сульфиды. Интенсивное окисление сульфидной пыли сопровождается образованием кислых вод. Зона аэрации расширяется при искусственном понижении уровня подземных вод, в техногенез вовлекаются большие объемы атмосферных, грунтовых и трещинных вод, ускоряются тепло,- влаго- и газообмен.

Третья стадия - самый низкий уровень «техногенной эрозии», максимальные размеры техногенной зоны аэрации, максимальные объемы водоотлива, разрушение горной породы, складированной в отвалах. Действуют техногенные источники энергии, освобождается энергия напряженных горных массивов, увеличивается количество нестабильных минеральных фаз. Неравновесность геотехнической системы возрастает. Достигается max амплитуды техногенного рельефа, формируются неустойчивые склоны.

Стационарное состояние ГТС поддерживается горнотехническими мероприятиями. В поверхностном горизонте зоны аэрации формируются кислые рассолы.

Состав вод ГТС зависит не от скорости окисления сульфидов, а от состава и количества накопленных в зоне аэрации водо-растворимых гидросульфатов. Рудничные воды формируются при смешении небольшого количества сильно концентрированных поверхностных рассолов с большими объемами относительно частых атмосферных и трещинных вод.

По контуру внешних отвалов происходит образование озер и заболачивание, связанные с явлением вторичного обводнения. Вторичное обводнение отвалов сопровождается перераспределением обломочного материала, формированием вторичной зональности и шлейфа пологих глинисто-алевритовых конусов выноса.

Регрессивный подэтап :

Четвертая стадия: в связи с прекращением действия техногенных источников энергии самопроизвольные геодинамические процессы играют ведущую роль. Они используют энергию, накопленную на предыдущем прогрессивном этапе. Осуществляется последовательность взаимосвязанных явлений:

1) Восстанавливается уровень подземных вод, заполняется карьерное озеро;

2) За счет растворения неосульфатов, накопленных в зоне аэрации, образуется большой дополнительный объем кислых растворов;

3) Подтопление бортов карьера, поднятие уровня грунтовых вод сопровождается обводнением бортов карьера и потерей их механической устойчивости;

4) Оползни, оплывины, обрушения приведут к заполнению карьерного озера осадками, уровень кислых вод поднимается, формируется центробежная система подземных (иногда и поверхностных) потоков.

В насыпных грунтах и отвалах наряду с перераспределением обломочного материала по крупности обломков развивается процесс генерации неопелитов . Понижается кислотность растворов.

Пятая (стационарная) стадия: характер геодинамических процессов, ионный и твердый сток, скорость склоновых процессов близки к начальным. ГТС возвращается в начальное состояние.

Как мне кажется, определяющее значение для понимания такой роли экологии играют работы В.И. Вернадского и его учение о ноосфере.

Ноосфера - букв. «мыслящая оболочка», сфера разума, высшая стадия развития биосферы, связанная с возникновением и развитием в ней человечества, когда разумная человеческая деятельность становится главным определяющим фактором развития (Вернадский В.И., 1944).

Техногенные процессы и явления . Ф.В. Котловым выделяются следующие классы антропогенных геологических процессов и явлений.

1. Геотермические, вызванные изменением термического поля городов.

2. Гидрогенные, вызванные изменением подземной гидросферы.

3. Гравитационные, вызванные статическими нагрузками.

4. Литогеодинамические, вызванные динамическими нагрузками.

5. Субтерральные (подземные), вызванные добычей полезных ископаемых и подземным строительством.

6. Антропогенный литогенез.

Все эти процессы развиваются избирательно, направленность и закономерность их формирования контролируется тремя факторами : регионально-геологической средой, зонально-климатическими условиями и характером воздействий человека на среду (профилем, экономикой и историей города).

Лекция 2 . Геологическая среда. Состав и свойства геологической сре ды. Экосистемы и их особенности

Геологическая среда, согласно определению Е.М. Сергеева - это «любые горные породы и почвы, слагающие верхнюю часть земной коры, которые рассматриваются как многокомпонентные системы, находящиеся под воздействием инженерно-хозяйственной деятельности человека, в результате чего происходит изменение природных геологических и возникновение новых антропогенных процессов, что в свою очередь, вызывает изменение инженерно-геологических условий определённой территории».

Состав и свойства геологической среды. Главнейшим компонентом геологической среды являются горные породы. Они слагают массивы, содержащие не только твёрдые минеральные и органические компоненты, но и газы, подземные воды, макро- и микроорганизмы. Состояние горных пород и фазовый состав воды могут отличаться как талыми и не мерзлыми, так и находиться в состоянии многолетней мерзлоты. Кроме того, в геологическую среду входят объекты, созданные в пределах литосферы человеком и рассматриваемые как антропогенные геологические образования - техногенные образования (шлаки, шламы, золы, дражные отвалы и т.д.). Состояние и закономерности развития геологической среды определяются взаимодействием всех компонентов.

Таким образом, геологическая среда представляет собой комплексную оболочку, включающую в себя горные породы, подземные воды, биоту, различные геофизические поля (гравитационное, сейсмическое, электромагнитное, геотемпературное и т.д.). Верхняя граница геологической среды - земная поверхность, через которую происходит энергообмен с атмосферой, гидросферой и биосферой, а также техносферой. Характер этого обмена обусловлен состоянием атмосферы, граничащей с поверхностью Земли (режим воды, климат и микроклимат), водными объектами, растительностью, элементами техносферы, рельефом, почвами и подпочвенным слоем пород. В совокупности эти элементы составляют то, что называется ландшафтом . Нижняя граница в естественных условиях, как правило, подошва зоны свободного водообмена подземных вод, в нарушенных - поверхность, ограничивающая глубину проникновения техногенных нарушений геологической среды.

Свойства геологической среды. Важнейшим свойством геологической среды является её изменчивость как всеобщее свойство материи (её изменчивость в пространстве и во времени), отражающее текущее её развитие (эволюцию). Изменение геологической среды во времени, фиксируемое как изменение её элементов, их отношений (структур) и свойств, есть геологический процесс развития Земли и причина нестационарности ряда физических полей.

При исследовании пространственной изменчивости принимается допущение о неизменчивости структуры и свойств геологической среды в физическом времени.

Свойства геологической среды определяют основные требования к информации, необходимой для анализа её изменения при техногенном воздействии на всех стадиях проектной и производственной деятельности.

На состояние геологической среды, в частности на направление и скорость протекания ней процессов, оказывает большое влияние ряд внешних, по отношению к ней, факторов. Характер и масштабы подобного влияния зависят как от параметров самой среды, так и от природы, направленности и интенсивности внешних факторов.

Влияние атмосферы на геологическую среду можно разделить на прямое и косвенное. Под прямым влиянием следует понимать воздействие воздушных масс, контактирующих с земной поверхностью и вызывающих выветривание, дефляцию, вообще перемещение пород (например, при ураганах, тайфунах, смерчах и т.д.). Под косвенным влиянием следует понимать воздействие воздушных масс на гидросферу и биоту, изменяющие характер их взаимодействия с геологической средой (например, усиление волновой переработки берегов под воздействием ветра, изменение почв и подстилающих пород, в результате гибели леса, вызванной ветроповалом). Сюда же следует отнести и воздействия, вызванные транспортирующей ролью атмосферы: переносам тепла, осадков, загрязнений, усилением или ослаблением транспирации в зависимости от силы и направления ветров.

Поверхностные воды оказывают на ГС ещё большее воздействие. Почти все экзогенные процессы происходят при участии поверхностных вод и их интенсивность зависит наряду с характеристиками самой ГС от водного баланса территории. Подземные воды часто прямо связаны с поверхностными водами.

Косвенное влияние поверхностных вод осуществляется в первую очередь через их влияние на атмосферные процессы (нагревание и охлаждение воздушных масс, насыщение их водой и т.д.). В связи с техногенным воздействием следует сказать также и о переносе загрязнённых веществ водными массами. В качестве существенного комплексного процесса подобного рода можно привести факт отложения солей тяжёлых металлов на границах водных масс различной солёности. Косвенное воздействие может проявляться также и в чувствительности ГС к некоторым факторам, например, повышению сейсмичности в районах воздействия крупных водохранилищ.

Влияние биоконтура на ГС проявляется, прежде всего, в почвообразующем воздействии на материнскую породу. Ассимиляция из атмосферы СО 2 , N и других веществ, приводящих к образованию биогенных отложений, также оказывает влияние на состояние ГС, однако в более крупных масштабах. Все эти воздействия, связанные с энерго- и массообменом, являются прямыми. Косвенное воздействие биоты происходит через гидросферу и атмосферу. Здесь можно указать на роль растительности в охране малых рек умеренного пояса, в создании более мягкого микро- и макроклимата, в поддержании химического состава атмосферы.

Во всех перечисленных случаях можно выделить региональные и локальные воздействия атмо-, гидро- и биоконтуров на ГС. В качестве примера регионального воздействия можно привести образование пустынь, связанное со спецификой водной и атмосферной циркуляции, на западных побережьях Южной Америки и Южной Африки. Локальные воздействия обычно ограничены более мелкими неоднородностями внешних факторов, соответствующих ландшафту и экосистеме. Разнообразие локальных воздействий значительно выше и теоретически почти бесконечно.

Таким образом, при прогнозировании изменений геологической среды необходимо учитывать факторы атмо-, гидро- и биосферы. Существующая информация о состоянии атмо- и гидросферы достаточно обширна, подробна и собирается в режиме мониторинга. Важнейший вопрос заключается в том, чтобы отобрать те показатели, которые связаны с изменением ГС функциональной зависимостью. Очевидно также, что эти показатели будут различными в разных климатических и геологических условиях. При их сборе следует учитывать:

1. преобладающие в районе неблагоприятные геологические и инженерно-геологические процессы;

2. наиболее опасные (по экспертной оценке) явления в атмосфере и гидросфере;

3. устойчивость существующих экосистем и их наиболее уязвимые элементы.

Наиболее важными показателями геологической среды являются характеризующие её состав, строение и динамику. Их совокупность определяет характер и степень изменения ГС в результате техногенной деятельности человека.

Экосистемы и их особенности

Состав и структура экосистем. Для решения экосистемных проблем глобального уровня прежде всего нужно изучать экосистемный уровень организации жизни. Термин экосистема был предложен в 1935 г. английским экологом А. Тэнсли. Однако только в конце ХХ века, когда была разработана общая теория систем, утверждается термин экосистема.

Экосистема - это низкоорганизационная система, в которой биологический компонент представлен биоценозом, а абиотический - биотопом.

Б и о ц е н о з - это совокупность популяций, которая функционирует в определенном пространстве абиотической среды - б и о т о п е. Структура биоценоза формируется потоком энергии и круговоротом веществ в экосистеме. Биоценоз и биотоп функционируют как единое целое.

Биоценоз + биотоп = экосистема

Состав экосистемы представлен двумя группами компонентов: абиотическими - компонентами неживой природы и биотическими - компонентами живой природы.

Абиотические компоненты - это следующие основные компоненты неживой природы:

· неорганические вещества и химические элементы, участвующие в обмене веществ между живой и мёртвой материей (диоксид углерода, вода, кислород, кальций магний, калий, натрий, железо, азот, фосфор, сера, хлор и др.);

· органические вещества связывающие абиотическую и биотическую части экосистем (углеводы, жиры, аминокислоты, белки, гуминовые вещества и др.);

· воздушная, водная и твёрдая среда обитания;

· климатический режим и др.

Биотические компоненты состоят из трёх функциональных групп организмов

Биотические компоненты экосистемы: продуценты, редуценты, консументы

1. Продуценты (производящий, создающий)

Фотоавтотрофы - используют в качестве источника энергии солнечный свет, а в качестве питательного материала - неорганические вещества, в основном СО 2 и Н 2 О.

К этой группе организмов относятся все зелёные растения и некоторые бактерии. В процессе жизнедеятельности они синтезируют на свету органическое вещество углеводы или сахара (СН 2 О) п

СО 2 + Н 2 О = (СН 2 О) п + О 2

Хемавтотрофы используют энергию, выделяющиеся при химических реакциях. К этой группе принадлежат натрифицирующие бактерии, окисляющие аммиак до азотистой а затем и азотной кислоты

2NH 3 + 3O 2 = 2NHO 2 + 2H 2 O + Q

2HNO 3 + O 2 = 2HNO 3 + Q

Химическая энергия (Q), выделенная при этих реакциях, используется бактериями для восстановления СО 2 до углеводов.

2. Редуценты (возвращающий). Участвуют в последней стадии разложения - минерализации органических веществ до неорганических соединений (СО 2 и Н 2 О и др.). Редуценты возвращают в круговорот, превращая их в формы, доступные для продуцентов. Это, главным образом, микроскопические организмы (бактерии, грибы и др.).

3. Консументы (потреблять) или гетеротрофные организмы. Осуществляют процесс разложения органических веществ. Эти организмы используют органические вещества в качестве источника питательного материала и энергии.

Фототрофы - питаются непосредственно растительными или животными организмами (крупные животные).

Сапротрофы - используют для питания органику первых остатков.

Функционирование экосистемы обеспечивается взаимодействием трёх составляющих:

· Сообщества;

· Потока энергии

· Круговорота веществ.

Поток энергии направлен в одну сторону, часть её преобразуется автотрофами в органическое вещество, небольшая часть энергии, проходя через экосистему, покидает её в виде тепловой энергии.

В отличие от энергии, элементы питания и вода могут использоваться многократно. Размеры импорта и экспорта элементов питания варьируют в зависимости от типа, размера, и возраста экосистемы.

Все экосистемы в составе биосферы являются открытыми, они должны получать энергию, вещества и организмы из среды на входе и отдавать в среду на выходе экосистемы.

Часто экосистему выделяют внутри естественных границ, например, границей озера служит береговая линия, а границами города - административная граница. Но эти границы могут быть и условными. Экосистема не может быть герметичной, так как её живое сообщество не вынесло бы такого заселения.

Пространственная структура экосистем обусловлена тем, что автотрофные и гетеротрофные процессы обычно разделены в пространстве. Первые активно протекают в верхних слоях, где доступен солнечный свет, а вторые интенсивнее в нижних слоях (почвах, донных отложениях).

Поэтому в природных экосистемах выделяют два яруса: в е р х н и й, автотрофный ярус или «зелёный пояс» Земли, который включает растения или их части, содержащие хлорофилл. Здесь преобладает фиксация света.

Нижний, гетеротрофный ярус или «коричневый пояс» Земли, представлен почвами и донными осадками, в которых преобладают процессы разложения мёртвых органических остатков растений и животных.

Раздел 2. Техногенные изменения геологической среды

Лекция 1. Основные виды воздействия горного и геологического производства

В классификационном ряду факторов окружающей среды, по А.Г. Воронову выделяются: 1) абиотические (климатические, эдафизические, орографические), 2) биотические (фитогенные, зоогенные, антропогенные) и 3) собственно антропогенные (техногенные) факторы. Особенно активно на окружающую среду влияют антропогенные факторы. Они могут загрязнять атмосферу, изменять ландшафт и рельеф, нарушать гидрологический режим, уничтожать почвы, отрицательно воздействовать на геоботанические условия и т.д.

Каждый фактор можно экологически исследовать отдельно, а могут совместно исследоваться и группы факторов. Так, среди факторов окружающей среды, влияющих на живые организмы, особую группу составляют к л и м а т и ч е с к и е или погодные условия. Приспособление живых особей к климатическим факторам изучается экологической биоклиматологией, рассматривающей, например, излучение в окружающей среде и адаптацию к этому излучению организмов, или воду и её влияние на организмы, давление, ветер и их взаимодействие на организмы и т.д.

Геологическая и окружающая среды могут нарушаться под воздействием различных факторов. Из природных наиболее разрушительными являются землетрясения, наводнения, ураганные бури, мощные грозовые (электрические) разряды, падение на Землю крупных метеоритов и др. Из техногенных факторов весьма разрушительны и экологически опасны крупные катастрофические события - ядерные взрывы, массовые взрывы при сооружении крупных строительных и добычных объектов, взрывы и пожары при несчастных случаях, связанных с разрушением экологически опасных ядерных, химических, газовых и других объектов (взрыв на Чернобыльской АЭС, заражение фенолом питьевых вод в г.Уфе, взрыв газопровода, пожар и железнодорожное крушение с человеческими жертвами в Башкирии и др.).

Изменения геологической и окружающей сред под воздействием горнодобывающей и геологоразведочной деятельности человека нередко характеризуются необратимыми преобразованиями природной среды. Эти преобразования могут выразиться в формировании искусственных отложений горных пород, проседании ландшафта окружающей земной поверхности, изменении режима подземных вод и в других негативных явлениях, соизмеримых по объемам и масштабам с естественными геологическими процессами - эрозией, размывом и сносом почв и грунтов вследствие изменения базиса эрозии, карстообразованием и др.

При добыче полезных ископаемых и г/р работах выделяются три вида техногенного воздействия на природную (геол.) среду:

Пунктуационные,

Линейные,

Площадные.

Пунктуационные виды техногенного воздействия могут быть вызваны применением технических средств и сооружений разведочных и горнодобычных комплексов, ограниченных по площади распространения (опытные карьеры, котлованы, отдельные разведочные и добычные шахты и шурфы и т.д.). Пунктуационные виды техногенного воздействия обычно ведут к изменению, каких либо отдельных компонентов геологической и окружающей среды.

К линейным видам техногенного воздействия относятся разведочные и горно-добычные сооружения, имеющие линейно-полосовую конфигурацию размещения (разведочные траншеи, канавы, протяженные штольни и штреки, подъездные пути, трубопроводы, газо - магистрали и др.).

Площадные виды техногенного воздействия имеют место при эксплуатации крупных комплексных и горнодобычных сооружений, что вызывает необходимость выполнения ареальных бульдозерных и экскаваторных расчисток, площадной раскорчевки лесных угодий под строительство, осушения значительных участков, прилегающих к опытно-эксплуатационным и промышленным карьерам и т.д.

Линейные и площадные техногенные воздействия могут привести к комбинированному изменению многих компонентов геологической и окружающей среды. Научное обоснованное предвидение отрицательных последствий необходимо для рационального природопользования.

Кроме того, по А.В. Седову, воздействия на окружающую и геологическую среду могут быть прямыми и косвенными .

К прямым изменениям относятся те, которые происходят непосредственно в пределах геологической или окружающей среды, а косвенно - те, которые происходят в зоне влияния данной среды, подвергающейся техногенному воздействию.

Прямые изменения выражаются, например, в нарушении поверхности территории, что напрямую зависит от параметров объектов разведки или добычи (месторождения, рудной зоны, рудного тела); это приводит к появлению отвалов пустых пород, терриконов, котлованов и др. сооружений или хранилищ отходов производства. Прямые изменения могут выражаться также в загрязнении водоемов, вызванным непосредственным сливом ГСМ и др. загрязняющих веществ, буровым шламам, материалом отстойников и др.

К косвенным изменениям природной среды относятся загрязнение почв и подземных вод, активизация и возникновение локальных геодинамических процессов в зоне влияния разведочных, горнодобычных и перерабатывающих промышленных комплексов или непосредственно на сопредельных элементах геологической и окружающей среды. Значительный ущерб причиняет сдвижение грунтов и, как следствие, образование мульд проседания и провалов поверхности в стороне от мест непосредственного размещения разведочных и горнодобычных объектов (пример метро г. Екатеринбурга). Нарушение гидро гео логического режима вследствие проходки подземных разведочных выработок, карьеров, добычи п. и. может привести к существенному изменению режима поверхностного стока вод, заполнению ими карьеров и образованию антропогенных озер.

Функционирование геологоразведочного и горного производства приводит к многим нарушениям элементов биосферы . Сокращается растительный покров, наносится эстетический ущерб окружающей среде. Увеличивается поступление воды в русла потоков, происходит переуглубление русел, увеличивается эрозия берегов, уменьшается питание грунтовых вод.

Лекция 2 . Техногенная миграция элементов. Физи ческое и химическое загрязнение

К проявлениям техногенеза можно отнести: а) переход химических элементов, их соединений и групп в подвижную форму, б) миграцию элементов, в) осаждение химических элементов и соединений [на геохимических барьерах] и г) образование в связи с этим аномальных концентраций элементов и соединений.

Переход в подвижную форму у разных по химическим свойствам соединений осуществляется различно: газы регулярно поступают в атмосферу из глубинных уровней земной коры (радон и гелий) или высвобождаются из пород и почв, где они были сорбированы, под влиянием повышения температуры; водные растворы перемещаются в литосфере под действием гравитационных сил и перепада давления, а растворенные в них соединения - также и под влиянием диффузии.

Миграция элементов. Все процессы техногенной миграции можно четко разделить на две большие группы: в основе своей унаследованные от биосферы , хотя и претерпевшие изменения; чуждые биосфере , не имевшие в ней сколько-нибудь существенного развития и даже вообще не существовавшие ранее в биосфере и находящиеся в существенном противоречии с природными условиями.

Техногенная миграция параллелизуется с крупными группами техногенных воздействий. Таких крупных групп обособляется две:

1) Типы воздействия, связанные преимущественно с изъятием вещества.

2) Типы воздействия, связанные преимущественно с поступлением - привносом веществ в природную среду в процессе производства.

Как же идет эта миграция? В коренных породах существует определенная специализация . Для элементов здесь характерны, например: для свинца - месторождения в соответствующих рудных районах; ртути - крупные ртутоносные зоны такие, как горно-алтайские, кадмия - рудные районы с интенсивной Zn -колчеданной минерализацией, например Урал. Это первое звено в цепи миграции.

Водная миграция «свободная» - осуществляется в водах циркулирующих на континентах в реках и внутренних водоёмах. Главное значение имеет поверхностный и подземный стоки. Вокруг рудников и горнорудных предприятий рудничные воды минерализованы относительно сильно: в Мончегорском районе степень их минерализации изменяется в пределах от 0,6 до 3,8 г/л, особенно высокие концентрации характерны для никеля.

Миграция в атмосфере . Природная: поступление в атмосферу с парами воды очень мелких частиц аэрозолей самого разного состава, поступающих из литосферы газов - углеводородов, гелия, радона, СО 2 и др. Основная масса тяжелых металлов, участвующих в атмосферной миграции, содержится в аэрозолях, кроме Hg, As, Se, Sb, и мигрирует в виде паров. Установлено, что 80-90% тяжелых металлов, содержащихся в аэрозолях, связано с частицами размера около 1 микрона. Время пребывания таких частиц в атмосфере приблизительно пять суток, а наиболее мелкие частицы выпадают на землю через три недели. Аэрозоли наиболее обогащены (относительно) кадмием, а также Pb и Sn.

Техногенная атмосферная миграция . Главным источником техногенного загрязнения атмосферы являются предприятия металлургической и обрабатывающей промышленности, урбанизированные зоны и наземные испытания ядерных зарядов. Поступление тяжелых металлов в окружающую среду через атмосферу происходит интенсивно. В составе аэрозолей городского района в среднем на тяжелые металлы приходится 10% массы. Расстояния, на которых фиксируются следы пылевой техногенной миграции, составляют десятки километров.

Ещё одна форма миграции металлов в атмосфере - со снегом. В городе в снеговой воде общая минерализация увеличивается в 500 раз, рН достигает 9, содержание химических элементов: S - 1500 раз, Ca - в 600, хрома - в 60, ртути - в 10 раз.

Физическое и химическое загрязнение :

Загрязнение природной среды. Появление в природной среде новых компонентов, вызванное деятельностью человека или какими-либо грандиозными природными явлениями (например, вулканической деятельностью), характеризуют термином загрязненность . В общем виде загрязненность - это наличие в окружающей среде вредных веществ, нарушающих функционирование экологических систем или их отдельных элементов и снижающих качество среды с точки зрения проживания человека или ведения им хозяйственной деятельности. Этим термином характеризуются все тела, вещества, явления, процессы, которые в данном месте, но не в то время и не в том количестве, какое естественно для природы, появляются в окружающей среде и могут выводить ее системы из состояния равновесия.

Экологическое действие загрязняющих агентов может проявляться по-разному, оно может затрагивать либо отдельные организмы (проявляться на организменном уровне, либо популяции, биоценозы, экосистемы и даже биосферу в целом).

На организменном уровне может происходить нарушение отдельных физиологических функций организмов, изменение их поведения, снижение темпов роста и развития, снижение устойчивости к воздействиям иных неблагоприятных факторов внешней среды.

На уровне популяций загрязнение может вызывать изменение их численности и биомассы, рождаемости, смертности, изменения структуры, годовых циклов миграций и ряда других функциональных свойств.

На биоценотическом уровне загрязнение сказывается на структуре и функциях сообществ. Одни и те же загрязняющие вещества по-разному влияют на разные компоненты сообществ. Соответственно меняются количественные соотношения в биоценозе, вплоть до полного исчезновения одних форм и появления других. Изменяется пространственная структура сообществ, цепи разложения (детритные) начинают преобладать над пастбищными, отмирание - над продукцией. В конечном счете происходит деградация экосистем, ухудшение их как элементов среды человека, снижение положительной роли в формировании биосферы, обесценение в хозяйственном отношении.

Различают природное и антропогенное загрязнения . Природное загрязнение возникает в результате естественных причин - извержения вулканов, землетрясений, катастрофических наводнений и пожаров. Антропогенное загрязнение - результат деятельности человека.

В настоящее время общая мощность источников антропогенного загрязнения во многих случаях превосходит мощность естественных. Так, природные источники окиси азота выбрасывают 30 млн. т азота в год, а антропогенные - 35-50 млн. т; двуокиси серы, соответственно, около 30 млн. т и более 150 млн. т. В результате деятельности человека свинца выпадает в биосферу почти в 10 раз больше, чем в процессе природных загрязнений.

Загрязняющие вещества, возникающие в результате деятельности человека и их влияние на среду очень разнообразны. К ним относятся: соединения углерода, серы, азота, тяжелые металлы, различные органические вещества, искусственно созданные материалы, радиоактивные элементы и многое другое. экосистема техногенный миграция экологический

Так, по оценкам экспертов, в океан ежегодно попадает около 10 млн. т нефти. Нефть на воде образует тонкую пленку, препятствующую газообмену между водой и воздухом. Оседая на дно, нефть попадает в донные отложения, где нарушает естественные процессы жизнедеятельности донных животных и микроорганизмов. Кроме нефти, значительно возрос выброс в океан бытовых и промышленных сточных вод, содержащих, в частности, такие опасные загрязнители, как свинец, ртуть, мышьяк, обладающие сильным токсичным действием. Фоновые концентрации таких веществ во многих местах уже превышены в десятки раз.

Химическое загрязнение окружающей среды . Последствия химического загрязнения окружающей среды для человека могут быть различными, в зависимости от природы, концентраций и времени действия. Реакция на загрязнения зависит от возраста, пола, состояния здоровья. Наиболее уязвимы дети, пожилые и больные люди. При систематическом поступлении в организм токсичных веществ могут наступать хронические отравления, признаками которых являются: нейропсихические отклонения, утомление, сонливость или бессонница, апатия, ослабление внимания, забывчивость, колебания настроения и др. Сходные признаки наблюдаются и при радиоактивном загрязнении среды, превышающем нормы. Высокотоксичные соединения часто приводят к хроническим заболеваниям различных органов и нервной системы.

Канцерогены вызывают особую озабоченность людей. Установлено, что многие вещества (хром, никель, бериллий, свинец, бенз(а)пирен, асбест, табак и др.) являются канцерогенами.

Многие канцерогены могут вызвать необратимые изменения в генах, называемые мутацией.

Фактически сегодня отсутствуют надежные способы для испытания 9000 синтетических веществ, производимых в настоящее время (к тому же число их ежегодно увеличивается на 500-1000). В США, например, по данным Национального института профессиональной безопасности и здоровья, каждый четвертый рабочий, т.е. почти 22 млн. человек, может подвергаться действию токсичных веществ: ртути, свинца, пестицидов, асбеста, хрома, мышьяка, хлороформа и др. Не составляют исключения и служащие, которые подвергаются действию вредных веществ в воздухе, так же как и семьи рабочих, контактирующих с этими веществами через рабочую одежду. Воздействуя на организм, вредные вещества вызывают острые и хронические заболевания: острые возникают после однократного воздействия и могут приводить к смертельному исходу, хронические развиваются в результате систематического воздействия доз, не приводящих к острому отравлению. Хронические заболевания часто вызывают соединения свинца, марганца, пары ртути и др. Некоторые вещества, например, синильная кислота или цианистый калий, вызывают только острые отравления.

Лекция 3. Радиоактивное загрязнение геологической среды

Воздействие физических экологических факторов на здоровье человека имеет не меньшее влияние, чем влияние химических соединений. Важнейший фактор здесь - ионизирующие излучения.

Ионизирующее излучение состоит из рентгеновских лучей, - лучей и космических лучей. Эти виды лучей обладают энергией, достаточной для превращения ионов в атомы с высвобождением электронов. Воздействием этих ионов и обусловлены изменения в клетках организма. Распад ядер р/а элементов также порождает ионизирующее излучение, состоящее из -, - и - лучей. Наиболее опасно -излучение, т.к. оно проходит даже через несколько сантиметров свинцовой защиты.

Люди подвергаются действию ионизирующих излучений при рентгене, р/а распаде элементов и из космоса. Доза облучения чаще всего измеряется в бэрах (1бэр эквивалентен по биологическому воздействию дозе в 1 рентген).

Если исключить воздействие источников, созданных человеком, то уровень излучения будет соответствовать естественному радиационному фону. Естественный фон в США равен 100-150 миллибэр в год. Средняя доза, получаемая при рентгене, оценивается в 90 мбэр в год.

Около половины всех излучений поступает от природных источников. 1/3 здесь составляют космические лучи, 1/3- природные радиоактивные элементы в почвах и горных породах, 1/3 - р/а элементы (К 40 и др.) в организме человека. Некоторые стройматериалы (гранит, фосфогипс) также могут быть источником излучения.

Важную роль во многих странах играет атомная энергетика. В наиболее распространенных атомных электростанциях на тепловых нейтронах через реактор, в котором находятся тепловыделяющие элементы (ТВЭЛ) с обогащенным ураном (концентрация 235 U повышена до 2-4,4%, остальное - 238 U), протекает теплоноситель, обычно вода. В результате распада атомов 235 U под действием тепловых нейтронов в ТВЭЛах происходит выделение энергии, и температура протекающей воды повышается. Далее эта вода поступает в парогенератор, там возникает пар, который действует на турбину, связанную с ротором синхронного генератора, где генерируется электрическая энергия, направляющаяся по линиям электропередачи к потребителям (как и в случае ТЭС). Пар охлаждается в конденсаторе теплообменника с помощью воды и снова поступает в парогенератор.

...

Подобные документы

Геологическая среда как верхняя часть литосферы - многокомпонентной динамичной системы. Обострение экологической ситуации в Республике Беларусь. Характеристика геологической среды Гомельской области, экологическая оценка техногенной нагрузки на нее.

курсовая работа , добавлен 15.07.2013

Основные понятия и определения. Нормирование качества воздуха. Нормирование качества воды. Нормирование качества почвы. Предельно допустимые концентрации вредных веществ в продуктах питания. Классы опасности химических соединений.

реферат , добавлен 07.02.2004

Особенности взаимосвязи живых организмов друг с другом со средой обитания. Понятие и виды экосистем, их значение в природе и жизни человека. Оценка экологического состояния Челябинской области. Методика ознакомления старших дошкольников с экосистемами.

реферат , добавлен 22.05.2013

Механические нарушения ландшафта и загрязнение элементов окружающей среды как виды воздействия геолого-разведочных работ. Влияние проведения открытой добычи полезных ископаемых на экологию. Схема взаимодействия карьера и шахты с окружающей средой.

презентация , добавлен 17.10.2016

Масштабы негативного воздействия человека и промышленности на природную среду. Техногенная ситуация в России. Оценка качества природной среды. Санитарно-гигиенические нормативы качества. Нормативы предельно допустимого уровня радиационного воздействия.

реферат , добавлен 09.11.2010

Основные виды и масштабы негативного воздействия человека и промышленности на природную среду. Техногенная ситуация в России. Оценка качества природной среды: санитарно-гигиенические нормативы, предельные концентрации вредных веществ и уровня радиации.

реферат , добавлен 25.10.2011

Географическое положение и ландшафтная характеристика территории. Оценка состояния компонентов окружающей среды: воздушной среды, водных ресурсов, геологической среды, подземных вод, почв. Оценка воздействия на атмосферный воздух. Санитарно-защитная зона.

дипломная работа , добавлен 07.09.2010

Предельно допустимые нормы нагрузки на природную среду. Нормирование воздействий на растительный и животный мир. Информативная биогеохимическая оценка состояния растительных экосистем. Характеристика ботанических критериев нарушенности экосистем.

реферат , добавлен 10.12.2010

Показатели, характеризующие уровень антропогенного воздействия на окружающую природную среду. Критерии качества окружающей среды. Требования к питьевой воде. Предельно допустимые концентрации химических веществ в почве. Индексы загрязнения атмосферы.

презентация , добавлен 12.08.2015

Зоны чрезвычайной экологической ситуации и экологического бедствия. Экологическая сукцессия, понятие о климаксных системах. Биотические экологические факторы, методы изучения экосистем. Нормирование ЭМП и ионизирующих излучений, экологический контроль.