Методология экологической оценки техногенного изменения геосфер Земли при освоении минеральных ресурсов недр

© Ю.П. Галченко, 2012

УДК 622.502 Ю.П. Галченко

МЕТОДОЛОГИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ТЕХНОГЕННОГО ИЗМЕНЕНИЯ ГЕОСФЕР ЗЕМЛИ ПРИ ОСВОЕНИИ МИНЕРАЛЬНЫХ РЕСУРСОВ НЕДР

Рассмотрены методические аспекты экологической оценки техногенного изменения геосфер Земли при освоении минеральных ресурсов литосферы. Дана классификация техногенных факторов горного производства и общие представления о характере и степени техногенной дигрессии биомов и об особенностях развития восстановительных сукцессий в природных экосистемах. Обозначены гомеостатические механизмы трансформации биологических индикаторов состояния элементов биоты экосистем для создания методики количественной оценки изменений экологического состояния этих систем в условиях их техногенного нарушения.

Ключевые слова: методология, индикаторы, состояние биоты, дигрессия, техногенные факторы, экологическая оценка, методика.

Согласно существующим представлениям под геосферами Земли принято понимать географические концентрические оболочки (сплошные или прерывистые), из которых состоит планета Земля [1].

Выделяются следующие геосферы: атмосфера, гидросфе-ра, литосфера, земная кора, мантия и ядро Земли. Ядро Земли делится на внешнее ядро (жидкое) и центральное - субъядро (твердое).

Геосферы условно делятся на базовые или главные (литосфера, атмосфера, гидросфера и биосфера), а также относительно автономно развивающиеся вторичные геосферы: педосфера, антропосфера, социосфера и ноосфера. Статус геосферы им придается условно, исходя из значения в жизни человека на Земле, соизмеримого с ролью первичных геосфер [2].

Главной отличительной особенностью развития минерально-сырьевого комплекса, как энергетической и материальной основы созданной технократической цивилизации, является то, что при освоении ресурсов недр активно и чаще всего неосторожно разрушаются (или нарушаются) все базовые геосферы и практически все вторичные. Разработка месторождений полезных ископаемых является, пожалуй, единственной сферой хозяйственной деятельно-

сти человека, которая имеет такие разнообразные по направлению и интенсивности техногенные воздействия на природную среду и экологические последствия этих воздействий (грант РФФИ № 0905-00291).

По причинам своего возникновения все техногенные факторы геотехнологий можно разделить на 2 класса:

- являющиеся прямым следствием антропогенного разрушения литосферы и формирования в ней нового литосферного объекта - техногенно измененных недр (геомеханические факторы);

- зависящие от характера применяемых при техногенном изменении недр геотехнологий (геотехнологические факторы).

При подземной разработке месторождений наиболее масштабным изменениям в количественном и качественном смысле подвергается литосфера, часть которой извлекается на поверхность и включается в оборот вещества и энергии вне внутренне равновесной системы самой литосферы, порождая все виды экологических воздействий.

Главная специфика освоения месторождений полезных ископаемых заключается в том, что любое из них обладает конечными запасами. Поэтому техногенные факторы можно разделить на три группы по времени их существования:

- существующие только в период эксплуатации месторождения;

- существующие при эксплуатации месторождения и после её завершения;

- появляющиеся после завершения эксплуатации месторождения.

По характеру воздействия на биоту экосистем можно выделить три типа техногенных факторов:

- изменение условий жизнеобеспечения элементов био-

ты;

- изменение среды обитания элементов биоты за счет загрязнения биотопа агентами, ранее в нем не присутствовавшими;

- прямое и полное уничтожение биоты.

По возможностям снижения экологической опасности реального добывающего предприятия техногенные факторы (и их воздействия) делятся на:

- устранимые за счет введения в технологию дополнительных мероприятий;

- устранимые за счет замены применяемой технологии;

- неустранимые для данного вида производства.

По характеру природных объектов, нарушаемых в результате освоения минеральных ресурсов недр, с очевидностью выделяются факторы, воздействующие на основные геосферы Земли. Каждую из этих групп техногенных факторов можно, в конце концов, разделить по особенностям и времени воздействия на соответствующую геосферу.

В общем виде классификация техногенных факторов горного производства приведена на рис. 1.

Рассматривая экологические последствия действия этих геофакторов с достоверностью, достаточной для решения наших задач, вокруг горного предприятия можно выделить несколько зон, отличающихся по глубине разрушения элементов экосистемы и её способности к самовосстановлению:

• зона полного поражения включает в себя участки поверхности, целиком и на весь период существования предприятия, изъятые из естественного кругооборота вещества и энергии. Сюда относят площади под строениями и другими искусственными сооружениями, дороги с искусственным покрытием, склады и т.д.;

• зона первичной сукцессии, в которой разрушаются все составляющие биоценоз популяции;

• зона деградации, в которой затрагиваются как доминантные виды, так и виды-эдификаторы, деградация биоценоза становится необратимой;

• зона самовосстановления, где в той или иной степени затрагиваются только доминантные виды (но не виды-эдификаторы), и, несмотря на растущую деградацию доминантных видов, сохраняются условия для воссоздания основы биоценоза после окончания техногенного воздействия;

• зона угнетения экосистемы, где техногенное влияние затрагивает те виды популяций, которые не составляют основы данного биоценоза.

Очевидно, что границы между зонами размыты и носят весьма условный характер, но выделение этих зон и оценка

Рис. 1. Классификация техногенных факторов горного производства

этих размеров позволяет перейти от поиска путей охраны природы вообще к созданию конкретных технологий, вытекающих из характера и интенсивности воздействия горного предприятия на реальную экосистему в районе расположения этого предприятия.

Если взглянуть на проблему сохранения природы не со стороны производства, а со стороны природы, то при поиске экологически безопасных горных технологий целесообразно отталкиваться не от величины техногенного воздействия (что само по себе тоже необходимо изучать), а от характера и глубины изменений в экосистеме, происходящих под влиянием этих воздействий.

Обоснование совместимости второго начала термодинамики со способностью открытых систем к самоорганизации - одно из крупнейших достижений современной физики. Теория термодинамики открытых систем переживает бурное развитие. Эту область исследований назвали синергетикой (от греч. «smergos» - совместный, согласованно действующий) [3].

Открытые системы непрерывно флуктуируют. Флуктуация -случайное отклонение величины, характеризующей систему, от ее среднего значения. Иногда отдельная флуктуация или их комбинация может стать (в результате положительной обратной связи) настолько сильной, что существовавшая прежде организация не выдерживает и разрушается. В этот переломный момент, в точке бифуркации, принципиально невозможно предсказать, в каком направлении будет происходить дальнейшее развитие.

В свете этих представлений антропогенный фактор, вызывающий деструкцию биосферы, следует рассматривать как флуктуацию, вызванную популяционным взрывом, который по законам регулирования неизбежно будет элиминирован. Система объект -природа, достигнув точки бифуркации, должна будет перестроиться. Однако распад старой системы отнюдь не будет означать её хаотического состояния. Бифуркация - это импульс к развитию биосферы по какому-то новому пути [3]. Антропогенные преобразования ведут к трансформации растительного покрова, снижению экологического потенциала ландшафтов в целом. Уничтожение естественной растительности, замена ее на производные сообщества или техногенный покров являются одним из главных показателей экологической дестабилизации. Однако, если антропогенное воздействие прекращается, вступают в действие механизмы естественного восстановления экологического потенциала. Начинаются восстанови-

тельные сукцессии (демутация) растительного покрова. В зависимости от глубины преобразования ландшафта и зонально-климатических условий скорость демутации будет различной.

Восстановительные сукцессии представляют собой закономерную смену сообществ на территории, экосистемы которой были нарушены стихийными явлениями или в результате антропогенной деятельности. Демутация, как правило, протекает значительно быстрее, чем первичный процесс формирования экосистемы на обнаженном субстрате. Это связано с тем, что она начинается в условиях уже сформировавшейся почвы, содержащей микроорганизмы, споры, семена растений и их подземные органы, почвенную мезо-фауну.

Однако степень дигрессии биома может быть различной, вплоть до полного исчезновения растительного покрова и животного населения. Это ведет к усилению денудационных процессов (эрозии, дефляции, термокарста и т. п.) и коренному нарушению почвенного покрова. В этих условиях демутация задерживается на ранних стадиях формирования субклимаксных экосистем, которые могут существовать десятки и сотни лет. Характер и скорость де-мутационных процессов имеют зональную, провинциальную и региональную специфику.

Любое воздействие как взаимодействие каких-то объектов или систем предусматривает наличие источника воздействия и объекта, его воспринимающего. Применительно к изучению проблемы экологической оценки геотехнологий комплексного освоения рудных месторождений необходимо дифференцированно рассматривать их роль в формировании экологических последствий подземной разработки для каждой из обозначенных выше геосфер. Развивая сформулированные выше положения о техногенных факторах, как свойстве геотехнологии, и техногенных воздействиях, как причинах изменения состояния элементов основных геосфер, необходимо уточнить также и соотношение понятий источника и объекта техногенных воздействий. Процесс подземного освоения рудных месторождений (геотехнология), структурированный по стадиям разработки, производственным и технологическим процессам, порождает систему техногенных факторов (рис. 2).

Эти факторы воздействуют на элементы окружающей природной среды, которая, в свою очередь, структурирована в виде основ-

ных геосфер, и изменяют состояние этих геосфер, что приводит, в конце концов, к техногенному нарушению природных экосистем.

Из этой же схемы видно, что каждый техногенный фактор имеет свою точку зарождения при выполнении технологических процессов (источник вредностей) и траекторию переноса внутри технологической структуры горного производства (транзит вредностей). Депонирование этого фактора в природной среде является источником воздействия на нее. Транзитной средой для каждого воздействия является соответствующая геосфера, а депонирование этих воздействий в виде изменения состояния геосфер приводит к интегральному изменению природных экосистем в результате техногенного изменения недр в процессе освоения минеральных ресурсов литосферы.

В настоящее время в горной экологии нет методов количественной оценки изменения экологического состояния природных систем, воспринимающих техногенную нагрузку от добывающих предприятий.

Учитывая антагонистический характер противоречий между техно- и биосферой, общую методологию решения проблемы целесообразно строить на основных положениях гомеостатики о способах поддержания жизненно важных параметров взаимодействующих систем путём управления противоречиями [4].

Гомеостатические механизмы при очень сильном упрощении можно представить как результат интеграции («склеивания») по определённым правилам двух антагонистов. Такая система в дальнейшем окажется устойчивой, несмотря на то, что каждый антагонист в системе может являться неустойчивым образованием. Основным условием устойчивости системы является паритет требований и ограничений каждой её составной части. Применительно к рассматриваемой нами проблеме экологической безопасности освоения недр в качестве «антагонистов» выступают основные геосферы Земли и геофакторы, свойственные горному производству. Тогда блок-схема гомеостатического регулирования отношений между ними, выраженная через цели, примет вид, показанный на рис. 3.

Рис. 2. Совместная классификация техногенных факторов и техногенных воздействий в природно-технической системе освоения недр

Задание

± согласованные управляющие факторы в противофазе

Рис. 3. Блок-схема гомеостатическогорегулирования, выраженная через цели

В общеметодологическом плане гомеостатический подход даёт возможность синтеза противоположностей. Применительно к рассматриваемой проблеме это означает, что биологическую информацию можно перенести в техносферу путём поэтапного формирования геотехнологического гомеостата на основе структуры гомеостата биологического с заменой содержательных элементов на геотехнологические целевые аналогии.

В биологии состояние экологического объекта (биосистемы) характеризуется тремя индикаторами:

• индексом состояния (экологическим индексом), который определяется как относительная величина изменения показателей, характеризующих состояние экологического объекта;

• плотностью индекса состояния, характеризующей интенсивность изменения индекса состояния в пределах зоны этого изменения;

• площадь (или размер) экологического объекта на земной поверхности.

Применительно к рассматриваемой проблеме экологической оценки техногенного изменения геосфер в процессе освоения минеральных ресурсов недр величина индекса состояния каждой конкретной геосферы определяется как отношение фактической величины определяющего показателя к его первоначальному или фоновому значению.

Соответственно, плотность индекса определяется как отношение разницы величины индексов на внутренней и внешней границах экотона к его ширине, а размер экологического объекта принимается равным общей площади экотона.

Изменение состояния экологического объекта в процессе хозяйственной деятельности является также характеристикой и степени экологической опасности (или безопасности) применяемых при этом технологий. Поэтому создание методики определения степени и характера изменения основных геосфер Земли обеспечит в перспективе методические возможности для создания количественных критериев оценки экологической безопасности конкретных геотехнологий и выполнить их ранжирование по этому критерию.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Круть И.В. Введение в общую теорию Земли. - М.: 1978. - 368 с.

2. Ласточкин А.Н. Системно-морфологическое основание наук о Земле (Геотопология, структурная география и общая теория геосистем). - СПб.: Изд-во НИИХ СПбГУ, 2002. - 762 с.

3. Зональные типы биомов России: Антропогенные нарушения и естественные процессы восстановления экологического потенциала ландшафтов. Коллектив авторов. Под редакцией докт. географ. наук, проф. К.М. Петрова. - СПб: Изд-во СПбГУ, 2003. - 246 с.

4. Востокова Е.А., Гунин П.Д., Буян-Орших X. и др. Методология оценки состояния и картографирования экосистем в экстремальных условиях. - Путинский научный центр РАН, 1993. - 202 с. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Галченко Ю.П. - доктор технических наук, чл.-корр. РЭА, Учреждение Российской академии наук Институт проблем комплексного освоения недр Российской академии наук (УРАН ИПКОН РАН), info@ipkonran.ru