Структура экологической геологии и её взаимосвязь с естественными науками

УДК 504, 55, 574

Вестник СПбГУ. Сер. 7. 2012. Вып. 4

В. В. Куриленко, И. М. Хайкович

СТРУКТУРА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ГЕОЛОГИИ И ЕЁ ВЗАИМОСВЯЗЬ С ЕСТЕСТВЕННЫМИ НАУКАМИ

1. Экологическая геология и ее место в науках о Земле

Последняя четверть ХХ века — время экологизации многих естественнонаучных дисциплин. В настоящее время экология возводится в ранг обобщающей науки, которая включает в себя экологические направления биологических, геологических, почвоведческих, географических, медицинских и других естественных наук, а также экономических, юридических и социальных научных дисциплин. Особое место изучению и решению экологических проблем уделяется в системе наук о Земле, при рассмотрении особенностей взаимодействия человеческого сообщества и природы. Такая же позиция достаточно отчетливо проявляется и в геологии как при решении проблем рационального недро- и (более широко) природопользования, так и при оценке влияния геологических условий на компоненты окружающей природной среды, а также биоту, включая человека.

Литогенная сфера Земли, представляя собой минеральную основу эволюционного развития биосферы, является одной из важнейших областей жизнедеятельности человека, одновременно влияющей и зависящей от него. В земных недрах сосредоточена значительная часть природных ресурсов, столь необходимых для существования жизни (минеральное сырье, подземные воды, энергоносители и т. д.), что определяет их в качестве одних из наиболее значимых объектов антропогенной деятельности. Протекающие в пределах литосферы природные и природно-техногенные геологические процессы и явления часто вызывают необратимые последствия и оказывают существенное влияние практически на все элементы окружающей природной среды и биосферы в целом.

В этой связи возникла необходимость теоретического и методологического решения проблем, связанных с непосредственными нарушениями той части литосферы, где осуществляется деятельность живых организмов и человека, что способствовало формированию в рамках наук о Земле такого научного направления как экологическая геология, представляющей собой составную часть геоэкологии.

«Геоэкология», являясь междисциплинарным научным направлением, объединяет исследования состава, строения, свойств, процессов, физических и геохимических полей основных геосфер Земли (атмосферы, гидросферы и литосферы), как среды обитания человека и других организмов [1, 2]. В то же время, она ориентирована также на изучение закономерностей преобразования экологических функций (свойств) геосфер Земли под воздействием природных и антропогенных факторов, а также на научное обоснование механизмов рационального природопользования [3, 4].

При этом под экологическими функциями (свойствами) геосферных оболочек Земли понимается роль и значение этих геосфер в создании благоприятных условий

© В. В. Куриленко, И. М. Хайкович, 2012

зарождения и эволюционного развития биосферы, а также в сохранении комфортной обстановки и безопасности человека и биоты в процессе их существования и жизнедеятельности. Интегрируя знания об экологических функциях (экологических свойствах) и экологических проблемах геосферных оболочек Земли, геоэкология ставит своей целью сохранение жизни на Земле. Исходя из вышесказанного, объектом исследования геоэкологии являются внешние геосферные оболочки Земли или геоэкологическое пространство, а предметом — их экологические функции (свойства). Поскольку гео-сферные оболочки Земли представляют собой абиотические компоненты экосистем высшего уровня организации и в совокупности с их биотическими составляющими способствуют саморегуляции и самовосстановлению экосистем, эти системы также могут быть охарактеризованы как геоэкологическое пространство [3, 4].

Экологическая геология, будучи составной частью геоэкологии, представляет собой научное направление в науках о Земле, развивающееся во взаимодействии экологии и геологии и ориентированное на изучение экологических функций литоген-ной сферы или «твердой» оболочки Земли, на исследование её состава, строения, свойств, процессов, геохимических и геофизических полей как среды обитания человека и биоты, а также на обоснование механизмов рационального природо- и недропользования [3, 4].

Отсюда объектом исследования экологической геологии является литогенная сфера или экогеологическое пространство, а предметом исследования — её экологические функции и свойства.

По аналогии с интегрирующим понятием геоэкологического пространства литогенная сфера Земли может быть охарактеризована в качестве экогеологического пространства.

Являясь составной частью геоэкологического пространства, экогеологическое пространство также представляет собой одну из экосистем высшего иерархического уровня, находящихся в функциональном единстве биотических и абиотических составляющих. В случае отсутствия в пределах литогенной сферы биотической компоненты, экогеологическое пространство будет распространяться вглубь нее по мере совершенствования интеллектуальных и технических средств, используемых человеком для прямого и косвенного познания земных недр. При этом изучение структуры и свойств экогеологического пространства осуществляется человеком (человеческим сообществом) не столько для последующего освоения минерально-сырьевых ресурсов, на что, в основном, ориентирована традиционная геология, сколько для целей сохранения будущим поколениям земных недр и планеты Земля в целом.

Под экологическими функциями и свойствами экогеологического пространства понимается роль и значение этого пространства в создании благоприятных условий зарождения и эволюционного развития биосферы, а также в сохранении комфортной обстановки и безопасности человека и биоты в процессе их существования и жизнедеятельности.

В связи с этим, все многообразие функциональных зависимостей между природными и антропогенно преобразованными геосферами можно свести к следующим экологическим функциям геоэкологического, и, в частности, экогеологического пространства: ресурсной (атмо-, гидро- и литосферы); динамической (атмо-, гидро- и литосферы); химической (атмо-, гидро- и литосферы) и физической (атмо-, гидро- и литосферы) [3, 4, 5].

Ресурсная экологическая функция определяет роль и значение природных ресурсов геосферных оболочек (атмосферы, гидросферы и литосферы) в формировании и эволюционном развитии жизни на Земле, а также в сохранении комфортных условий и безопасности человека и биоты в процессе их жизнедеятельности, в случае эко-геологии рассматриваются минеральные, энергетические, подземные и другие ресурсы земных недр.

Динамическая функция определяет влияние динамических процессов и явлений, протекающих в геосферных оболочках (литосфере, гидросфере, атмосфере) на формирование и эволюционное развитие жизни на Земле, а также на сохранение комфортных условий и безопасности человека и биоты (в случае экогеологии — влияние геодинамических процессов и явлений).

Химическая функция определяется как свойство химических полей (неодно-родностей) геосферных оболочек (литосферы, гидросферы, атмосферы) природного и природно-техногенного происхождения влиять на формирование и эволюционное развитие жизни на Земле, а также на сохранение комфортных условий и безопасности человека и биоты (в случае экогеологии — влияние геохимических полей).

Физическая функция определяется как свойство физических полей (неодно-родностей) геосферных оболочек (литосферы, гидросферы, атмосферы) природного и природно-техногенного происхождения влиять на формирование и эволюционное развитие жизни на Земле, а также на сохранение комфортных условий и безопасности человека и биоты (в случае экогеологии — влияние геофизических полей).

Теоретической и методической основой изучения и решения эколого-геологиче-ских проблем, также как и геоэкологических, служит системный сравнительно-исторический подход, который предполагает пространственно-временное рассмотрение и оценку закономерностей формирования и эволюционного развития экосистем всех иерархических уровней организации, в функциональном единстве их абиотических и биотических компонент. При таком подходе, если в рамках геоэкологических исследований роль и значение геосфер Земли представляются равнозначными, то при экогео-логическом изучении главенствующее значение приобретает литогенная сфера Земли, а роль атмосферы и гидросферы становится подчиненной. Однако как в первом, так и во втором случае биотические компоненты, слагающих геосферы экосистем, выступают в качестве приоритетных (рис. 1).

В структурной организации, как геоэкология, так и экологическая геология опираются на науки естественнонаучного цикла и дисциплины медицинского, социального, экономического и других профилей.

В рамках экологической геологии как научного направления в настоящее время выделяется несколько самостоятельных разделов (дисциплин), которые составляют её

Рис. 1. Принципиальная схема геоэкологического подхода к изучению природных систем.

структуру и которые направлены, главным образом, на изучение перечисленных выше экологических функций и свойств экогеологического пространства (рис. 2).

Рис. 2. Структура экологической геологии.

Определить полный перечень всех разделов экологической геологии достаточно сложно, так как он постоянно дополняется и обновляется в соответствии с возникающими практическими нуждами. Круг задач, стоящих перед экологической геологией, непрерывно растет, в связи с чем постоянно возникают новые разделы практической экологической геологии, например, такие как экогеологические катастрофы и управление рисками; экологическая геология промышленных и городских агломераций; эко-геологические условия управления и захоронения промышленных и бытовых отходов, в том числе, радиоактивных; экогеологические методы рекультивации загрязненных территорий и др.

Общая экологическая геология определяет объект и предмет исследований экологической геологии, место экогеологии в системе естественных наук, формирует структуру экогеологических знаний и основную экогеологическую терминологию; дает представление об экосистемах экогеологического пространства, их иерархических уровнях, законах функционирования, а также характеризует связь экологической геологии со смежными науками; формулирует экогеологические проблемы природного и антропогенного генезиса, представляющие интерес для экогеологии как научного направления; решает вопросы научно-методологического обеспечения экогеологических проблем и задач.

История развития планеты Земля и эволюции биосферы обобщает и анализирует сведения о зарождении и эволюции планеты Земля, ее месте во Вселенной, а также о строении и составе оболочек твердой Земли, их энергетике и тектонической активности во взаимосвязи с другими геосферами и этапами возникновения и развития жизни на Земле. Кроме того, исследуется роль геологического фактора в развитии биосферы, пространственно-временных пределов распространения жизни, состава и функций живого вещества в связи с проявлением геодинамических процессов, происхождением

и эволюционным развитием Мирового океана; анализируются земные и космические причины великих вымираний и обновлений органического мира; изучается роль живых организмов в биогеохимической эволюции и трансформации состава атмосферы, гидросферы как биокосной системы, минерального вещества педосферы, а также многих других геохимических процессов. Основные этапы эволюции биосферы определяются с учетом антропогенного воздействия на литогенную сферу Земли.

Ресурсное обеспечение жизни на Земле исследует роль ресурсной функции экосистем экогеологического пространства в обеспечении жизни на Земле; создает основные классификации ресурсов экогеологического пространства, необходимые для жизнеобеспечения биоты, включая человека; изучает поведение макро- и микробиофильных элементов, а также минеральных биогенных комплексов как ресурса жизнедеятельности биоты; исследует особенности использования минеральных ресурсов экогеологи-ческого пространства; определяет роль и место минерально-сырьевых ресурсов в сфере материального производства и социально-экономических аспектах общественного развития с учетом их ресурсного и экологического истощения; изучает проблемы восстановления и реабилитации ресурсного потенциала, рационального природо- и недропользования, размещения различных видов промышленных и бытовых отходов.

Экологическая геодинамика изучает природные палео- и современные геодинамические процессы, их связь с экологическими проблемами эволюции жизни на Земле, геодинамические, биологические, медицинские и социально-экономические критерии оценки экогеодинамических условий; исследует экологически опасные геологические процессы, систематизирует их и устанавливает факторы, определяющие возникновение и развитие катастрофических ситуаций и их экологические последствия; рассматривает современные геодинамические зоны и аномалии и оценивает роль человеческого фактора в возникновении чрезвычайных ситуаций; разрабатывает методы оценки последствий экологически опасных геологических процессов и управления возникающими в связи с ними рисками. Кроме того, здесь исследуются экологически опасные геодинамические процессы, обусловленные как естественными геологическими эндогенными и экзогенными процессами (землетрясения, вулканическая деятельность, обвалы, оползни, лавины и т. п.), так и техногенными процессами, обусловленными инженерной деятельностью человека (разработка месторождений полезных ископаемых, создание обширных водохранилищ, строительство крупных городских агломераций и т. д.). Постоянное увеличение числа природных и природно-техноген-ных катастроф, при неуклонном росте интенсивности антропогенного воздействия, существенно повышает вероятность попадания в зону риска техногенных объектов повышенной экологической опасности [5]. В этой связи перед экологической геодинамикой возникает задача установления причин, прогнозирования и предупреждения таких катастроф на основе углубленного изучения особенностей строения земной коры, процессов, определяющих проявление современной тектоники, с целью выявления активных и потенциально опасных геодинамических зон.

Экологическая геохимия изучает закономерности формирования геохимической экологической функции экогеологического пространства; определяет формы нахождения, циклы массообмена, особенности распределения и миграции химических элементов в земной коре; рассматривает особенности биогеохимических циклов химических макро-, мезо- и микроэлементов в компонентах природной среды и их взаимодействие; устанавливает жизненно важные и вредные элементы и их соединения, включая

органические; выделяет природные и природно-техногенные геохимические и биогеохимические поля и их аномалии; определяет критические нагрузки поллютантов на экосистемы экогеологического пространства; рассматривает природные и природно-техногенные проблемы нарушения биогеохимических циклов, а также оценивает воздействие природных и природно-техногенных геохимических полей и их аномалий на растительность, животный мир и человека.

Экологическая геофизика устанавливает закономерности формирования геофизической экологической функции экогеологического пространства; изучает экологическое значение природных геофизических полей и их аномалий, таких как гравитационное, геомагнитное, температурное, электрическое и электромагнитное, вибрационное, поле ионизирующего излучения, а также техногенных геофизических полей и их аномалий; оценивает влияние природных и техногенных полей и их изменений на растительность, животный мир, включая человека; производит обоснование критериев оценки экогеологических условий (обстановки), нормативов, стандартов и лимитов, используемых при эколого-геофизической характеристике экогеологического пространства. Экологическая геофизика исследует естественные геофизические поля Земли в связи с тем, что, существуя с момента ее возникновения, они в значительной степени определили облик окружающей нас среды и обеспечили устойчивость к ней живых организмов. При этом любое изменение этих полей может оказывать (и оказывает) влияние, в том числе и негативное, на биоту и человека. Следует также иметь в виду, что воздействие естественных и искусственных геофизических полей на живые организмы обусловлено как их пространственно-временной структурой и физическими свойствами, так и особенностями строения самих живых организмов, что определяет актуальность исследования влияния составляющих таких полей на биоту.

Региональная экологическая геология исследует пространственно-временные закономерности распространения и формирования экологических функций и свойств экогеологического пространства на основе эколого-геологического районирования территорий; выполняет эколого-геологическую типизацию природных и природно-техногенных условий (обстановок); осуществляет ранжирование территорий крио-литозоны по критериям, определяющим эколого-геологические особенности жизни биоты и человека; реконструирует палеоэкогеологические обстановки и осуществляет прогностические оценки изменения эколого-геологических условий в будущем; намечает пути рационального природо- и недропользования на основе природоохранной парадигмы.

Все фундаментальные разделы экологической геологии тесно связаны между собой и дополняются другими разделами теоретической экогеологии: экологическими основами природо- и недропользования; экологической минералогией; экологическим почвоведением; экологической палеогеологией; экологической геологией шельфа, морей и Мирового океана; экологической геокриологией, радиоэкогеологией и др. Перечисленные научные направления в некоторой степени уступают по своему содержанию основным фундаментальным разделам, но вполне обоснованно занимают достойное место в общем объеме знаний теоретической экологической геологии, и, тем самым, определяют ее поступательное и гармоничное развитие. Они связаны как с реализацией получения теоретических знаний по изучению особенностей формирования экологических функций экогеологического пространства, так и с обоснованием критериев и методов оценки их свойств и состояний. В перечень таких направлений так-

же следует отнести: методы обработки эколого-геологической информации; экогео-логическое картографирование; методы индикации и биотестирования экосистем [6]; современные механизмы экологического регулирования и управления природо-и недропользованием, методы реабилитации геологической среды и др. Чрезвычайно важную роль в получении эколого-геологической информации играет экогеологиче-ский мониторинг.

2. Основные направления исследований экологической геологии

Одно из наиболее важных направлений экологической геологии связано с природоохранными последствиями деятельности человека в процессе эксплуатации месторождений полезных ископаемых. Поиски и освоение месторождений минерального сырья развиваются невиданными по масштабам темпами и охватили практически всю приповерхностную часть земной коры, включая шельф и дно Мирового океана. Существующие темпы добычи полезных ископаемых стали приводить к истощению многих минерально-сырьевых ресурсов. В этой связи принципы оценки таких понятий как ис-черпаемость и неисчерпаемость, а также рентабельность и нерентабельность освоения таких ресурсов стали включать в себя не только показатели уровня развития техники и технологий, но и критерии, связанные с природоохранной концепцией устойчивого развития. В этой связи представление об ограниченности минерально-сырьевых ресурсов в настоящее время включает в себя физическую, экономическую и экологическую составляющие [7]. Так, физическое истощение уже стало реальным для многих компактно залегающих месторождений, например, нефти, газа и др. В более отдаленной перспективе такое истощение возможно для ряда месторождений, содержащих минеральные соединения в рассеянном виде. По мере истощения конкретных видов полезных ископаемых происходит вовлечение в разработку месторождений с более низкими технико-экономическими показателями, что определяет рост экономических издержек на их разведку и добычу и, как следствие, приостановку их освоения (экономическое истощение). И, наконец, экологическое истощение, которое в последнее время стало приобретать все большее значение в связи с прогрессирующим влиянием промышленного производства на окружающую природную среду. По причинам, связанным с экологическим воздействием на компоненты окружающей среды могут быть закрыты (должны быть закрыты) многие горнодобывающие предприятия, эксплуатирующие твердые и жидкие полезные ископаемые. Экологическое воздействие на подземные воды также приводит к резкому снижению их естественных и эксплуатационных ресурсов.

Внедрение в практику рационального природо- и недропользования экономических механизмов управления, в сочетании с природоохранными нормами и стандартами, способствует решению проблем, связанных с исчерпаемостью многих видов минерально-сырьевых ресурсов, определением складывающейся конъюнктуры рынка, а также необходимостью учета природоохранных принципов. При этом такой подход предполагает оценку социально-экономических потерь, возникающих не только в связи с освоением месторождений полезных ископаемых и загрязнением окружающей среды, но и с последующим ее восстановлением, что, естественно, значительно повышает стоимостные характеристики соответствующих видов минерального сырья и делает их менее доступными. Связанный с этим рост экономического и экологического истощения минерально-сырьевых ресурсов следует оценивать позитивно, так как оно

должно будет способствовать их экономии, а, следовательно, рациональному природо-и недропользованию [7].

Проблема техногенного воздействия на экогеологическое пространство, в процессе освоения месторождений полезных ископаемых, неразрывно связана с вопросами их рационального извлечения из земных недр, промышленной переработки и концентрирования в твердой, растворимой и газообразной формах. Обычно эта проблема выражается в крупномасштабном воздействии на массивы горных пород в условиях длительной эксплуатации карьеров, шахт, скважин и др., что определяет развитие целого комплекса экогеологических процессов, проявляющихся при интенсивной эксплуатации сооружений горнодобывающей промышленности [8]. Так, в процессе работы шахт при изменении значений механических напряжений в горных породах могут создаваться условия, способствующие усилению миграционной способности флюидов и газов, а также их более активному физико-химическому взаимодействию с вмещающими отложениями. Это предопределяет возможность возникновения внезапных выбросов газов вместе с горными породами, неожиданных поднятий пород в глубоких шахтах и т. д. Добыча полезных ископаемых в крупных карьерах приводит к возникновению и активизации оползневых, обвально-осыпных и селевых явлений и т. д. Недоучет роли гидрогеологических процессов при отработке карьеров может привести к деформации их бортов, откосов отвалов, нарушению экранирующих свойств слабопроницаемых грунтов, подстилающих хвостохранилищах и т. д. Так, конвективно-диффузионная миграция агрессивных промышленных жидких отходов, а также развивающиеся осмотические процессы, приводящие к объемному сжатию грунтов в подстилающих отстойники водоупорных грунтах, способствуют нарушению их механических свойств и, как следствие, образованию трещин. В процессе глубокого водопонижения при отработке месторождений подземным способом могут происходить деформации подработанных массивов горных пород, повышение агрессивности рудничных вод, развитие карстовых процессов, истощение подземных водоносных горизонтов на огромных площадях и т. д. [9].

Непосредственная же отработка месторождений связана с извлечением на поверхность земли больших масс горных пород, которые, помимо отчуждения значительных территорий, загрязняют вредными компонентами окружающую среду и создают региональные экологические проблемы. В процессе производственной деятельности горнодобывающие предприятия поставляют широкий комплекс токсичных веществ, содержащихся как в самих полезных ископаемых, так и во вмещающих их горных породах. Степень токсичности того или иного вещества во многом зависит от формы его нахождения в минералах, горных породах и рудах, а также в воде. При этом миграционная способность таких компонентов может быть различной в зависимости от степени разрушения и преобразования горных пород в процессе их добычи, обогащения и переработки, что определяет их способность к формированию различных природно-техногенных геохимических аномалий в пределах территорий, занимаемых горнодобывающими предприятиями. Аномальные природно-техногенные геохимические поля, часто представляющие экогеологическую опасность, могут проявляться как на стадии поиска и разведки месторождений полезных ископаемых, так и на этапе их освоения. Однако, если на первых двух этапах техногенное влияние этих аномалий на окружающую среду минимально, то на этапе отработки месторождений, в процессе извлечения на поверхность горной породы, происходит вместе с отчуждением значи-

тельных площадей серьезное загрязнение природы и, как следствие, возможно опасное воздействие на биоту и человека. Среди наиболее вредных химических компонентов, определяющих техногенные геохимические аномалии, выделяются: мышьяк, хром, кадмий, ртуть, свинец, кобальт, никель, селен, медь, молибден и др. Кроме того, на месторождениях апатита, редких земель, асбеста, полиметаллов, ртути, никеля, флюорита и др. нередко отмечаются случаи поражения людей токсичными органическими соединениями, которые часто представлены предельными и непредельными ароматическими углеводородами и аминами, присутствующими в породах в виде газовых, га-зово-жидких и многофазных включений [10].

Промышленные отходы, образующиеся при отработке месторождений, представляют собой серьезный источник экологической напряженности, так как в процессе складирования вокруг горнодобывающих предприятий эти отходы подвергаются воздействию атмосферных осадков, что способствует распространению содержащихся в них токсичных компонентов в почвы, грунты, поверхностные и подземные воды. В связи с этим интенсивное увеличение объемов отходов определяет накопление в природной среде опасных веществ. При этом миграционная способность практически всех токсичных компонентов может сохраняться даже после отработки месторождения и проведения рекультивационных работ. Интенсивность распространения загрязнения в значительной степени определяется показателями и параметрами, отражающих свойства горных пород и условия миграции их компонентов, т. е. коэффициентами фильтрации, молекулярной диффузии, дисперсии, влагопереноса, значениями pH и Eh техногенных потоков и поровых растворов, окислительно-восстановительным потенциалом почв и грунтов и др. Проблемы сокращения объемов промышленных отходов связаны с возможностями их комплексного практического использования, что требует разработки и применения методов снижения химической активности содержащихся в них вредных компонентов и последующего использования в различных видах хозяйственной деятельности [11]. Кроме того, в качестве природоохранных мероприятий по борьбе с особо опасными и, в частности, радиоактивными промышленными отходами иногда применяется захоронение таких отходов в недра Земли, что, естественно, сопряжено со значительным риском загрязнения экогеологического пространства и может быть осуществлено только после их чрезвычайно тщательного природоохранного экспертного анализа.

Определенный интерес в процессе разработки стратегии реабилитации загрязненных территорий может представлять принцип гибкого управления особенностями восстановления природной среды и контроля за ней в условиях, когда экологически нормальное состояние обеспечивается не для всей реабилитируемой территории, а для конкретных специально защищаемых объектов при соответствующих природоохранных ограничениях на соседних участках. При этом риск от техногенного воздействия сокращается до приемлемого уровня. Такой подход может оказаться эффективным на первых этапах решения природоохранных проблем в сильно загрязненных горнодобывающих и промышленных регионах, состояние которых создает серьезную экологическую угрозу [12].

К важным направлениям исследований экологической геологии также относятся проблемы устойчивости урбанизированных территорий и связанных с ними экосистем. Процесс урбанизации природной среды сопровождается усилением техногенного воздействия на все их компоненты, включающих биогеоценозы, воздушное, наземное

и подземное пространство, промышленные объекты, а также социальную среду. Развитие городских агломераций, связанное с обеспечением производства техногенных ресурсов и, соответственно, с образованием значительного количества промышленных и бытовых отходов, требует постоянного привлечения из внешней природной среды ресурсов и энергии [13]. По мере развития социальной среды предельных значений достигают уровни техногенного воздействия на все природные компоненты городских экосистем, что способствует потере системой своей устойчивости. Ослабление природных и усиление техногенных составляющих городских экосистем выражается в деградации естественных биогеоценозов, загрязнении природных вод, почвенного покрова, воздуха, а также в нарушении устойчивости экогеологического пространства. Сюда следует отнести процессы опускания земной поверхности в пределах территорий ряда городов при извлечении из недр подземных вод, нефти и газа. С другой стороны, рост крупных городов несет с собой проблему активизации процесса подтопления урбанизированных территорий. В этих условиях ускоренному разрушению подвергаются металлоконструкции, подземные коммуникации, фундаменты жилых и промышленных сооружений и других техногенных объектов. Интенсивная хозяйственная деятельность в пределах городских и промышленных агломераций вызывает появление таких техногенных физических полей как вибрационное, тепловое и блуждающих электрических токов. Так, вибрация выступает как один из компонентов физического загрязнения экогеологического пространства городов, при этом основными виброгенерирующими объектами здесь могут являться автомагистрали, трамвайные и железнодорожные пути, метрополитен и др. Механические вибрационные колебания грунтовой массы, вызываемые интенсивно двигающимся транспортом, вблизи железнодорожных путей соизмеримы с землетрясением силой в 6-7 баллов, а на перекрестках автомагистралей — с землетрясением в 3-4 балла. Это способствует возникновению дополнительных осадок зданий, достигающих десятков, а в зонах воздействия метрополитена даже сотен миллиметров, что, соответственно, резко снижает их прочностные характеристики и временной период безопасной эксплуатации. Тепловое поле и блуждающие электрические токи непосредственно определяют коррозионную активность горных пород по отношению к инженерным сооружениям, что также способствует резкому снижению прочностных свойств последних. Так, установлено, что тепловое воздействие распространяется на расстояние 5-20 м от городских тепловых магистралей, до 30 м от полигонов твердых бытовых отходов и до 1000 м от объектов АЭС, а электрохимическое воздействие полей блуждающих токов распространяется на расстояние до 50 м от коллекторов городского электроснабжения и до 5000 м от электрифицированных железных дорог.

Огромная экологическая проблема в городах связана с утилизацией промышленных и бытовых отходов, которые занимают большие территории, загрязняют практически все компоненты окружающей среды и приводят эти территории на грань экологических катастроф. Кроме того, в пределах городских территорий в карьерах, оврагах и других понижениях рельефа местности сосредоточено значительное количество заброшенных свалок, которые в свое время были засыпаны, заросли и, в конечном счете, были утеряны. Однако такие свалки, даже рекультивированные, остаются источниками токсичных и взрывоопасных загрязнений. Выбор же новых мест под полигоны промышленных и бытовых отходов и прогнозная оценка их влияния на природную среду представляет сложную и многофакторную проблему и предполагает изучение и учет

не только свойств экогеологического пространства и взаимодействующих с ним компонентов природной среды, но и их динамики в процессе воздействия интенсивной техногенной нагрузки. В этом случае число учитываемых параметров может превышать несколько десятков, включая геологические, гидрологические и гидрогеологические, климатические, теплофизические, физико-химические, биогеохимические, инженерно-геологические, санитарно-гигиенические и многие другие [14].

Необходимым условием обеспечения устойчивого развития экогеологического пространства является комплексная и всесторонняя оценка антропогенной деятельности, практическое осуществление которой невозможно без научно-обоснованной системы показателей, нормативов и стандартов. В настоящее время большая часть используемых стандартов имеет «антропоцентрическую», а не «биоцентрическую» направленность, т. е. они ориентированы преимущественно на обеспечение экологической безопасности человека и в меньшей степени регламентируют уровень допустимого воздействия на природные системы в целом. При этом наиболее распространенным подходом к оценке состояния природной среды является сбор и анализ информации о количественном содержании в ней различных загрязнителей, в том числе химических веществ, относящихся к разряду токсикантов. Оценка опасности ситуации в этом случае, как правило, ограничивается сравнением аналитически установленных уровней содержания химических веществ с утвержденными в нормативно-правовых документах предельно-допустимыми концентрациями (ПДК) или ориентировочно-безопасными уровнями воздействия (ОБУВ). Однако эти нормативы установлены только для ограниченного числа химических соединений техногенного (природного и искусственного) происхождения, в то время как количество новых токсикантов постоянно возрастает. Кроме того, остается полностью неизученной проблема интегрального воздействия смесей химических веществ на живые организмы. Так, воздействие на живые организмы смесей нескольких загрязнителей, например, ряда тяжелых металлов и органических веществ, может обладать свойством неаддитивности и носить мутагенный, канцерогенный и прочий характер. Отсюда установление с помощью химико-аналитических методов определенного количества токсикантов само по себе еще мало говорит о степени их негативного воздействия на живые организмы и человека, так как утвержденные нормативы, являясь ориентированными в большинстве случаев на организм высших позвоночных животных и человека, редко учитывают истинный уровень воздействия таких загрязнителей на природные составляющие биоты.

3. Информационное обеспечение экогеологических проблем

В системе изучения, прогнозирования и управления природно-техногенными процессами важное место принадлежит экогеологическому мониторингу, который является составной частью геоэкологического мониторинга и под которым понимается наблюдение, оценка и прогноз происходящих изменений в экогеологическом пространстве и составляющих его компонентах, а также экологическое обоснование превентивных, восстановительных мероприятий и управляющих решений [14]. В условиях усиливающихся изменений и загрязнения природной среды проблема контроля, охраны и рационального использования природных и, в частности, минеральных ресурсов приобретает особую остроту. Экогеологический мониторинг, будучи теснейшим образом связанным с мониторингами других природных сред, условиями реализации обратной

связи, как раз и осуществляет функции такого контроля, устанавливает изменения, происходящие в пределах экогеологического пространства с учетом влияния взаимодействующих с ним сред, воздействия природных и природно-техногенных процессов, а также соответствующих техногенных объектов. Исследование особенностей изменений и загрязнения экогеологического пространства должно осуществляться на межгосударственном, государственном, региональном и локальном уровнях. При этом, если первые три ориентируются на изучение процессов, формирующихся на значительных территориях, например, вследствие атмосферного переноса загрязнителей, то локальный отвечает за установление явлений, возникающих под воздействием конкретных источников экологической напряженности [15].

Методы исследования при мониторинге окружающей природной среды обладают рядом специфических особенностей, наиболее существенными из которых являются: режимность — постоянное наблюдение за определенным сочетанием заранее установленного набора параметров. Заданное сочетание параметров обеспечивает сопоставимость данных мониторинга;

регулярность — периодическая повторяемость наблюдений. Интервал и длительность наблюдений должны обеспечивать достоверность выявляемых тенденций изменения исследуемого процесса или явления;

регламентация — строгое соблюдение регламента, т. е. совокупности правил, норм, способов и средств получения измерительной информации. Соблюдение регламента в соответствии с нормативными документами призвано обеспечить надежность прогноза опасных тенденций и эволюции геологического пространства.

В свою очередь, для обеспечения достоверной измерительной информации результатов мониторинга все используемые средства измерений должны быть метрологически обеспечены и поверены, а методы измерений — аттестованы природоохранными органами.

В общем виде система мониторинга окружающей природной среды имеет сложное строение как по структуре, так и по содержанию и используемым методам.

Организационная структура мониторинга, в том числе и эколого-геологического, представляет собой иерархическую систему, основу которой составляет уровень детального мониторинга (система мониторинга предприятий, месторождений, хозяйственных комплексов и т. д.). Объединение этих систем образует систему мониторинга локального уровня (городские, районные системы). Детальный и локальный мониторинги геологической среды призваны обеспечить оценку изменений среды, под влиянием действующих или проектируемых объектов на территории города или участка в зоне его ожидаемого воздействия. Организация детального и локального мониторингов находится в компетенции местных органов власти. Локальные системы объединяются в системы регионального мониторинга окружающей природной среды и охватывают территории в пределах края, области или нескольких областей. Задача регионального мониторинга — оценка изменений геологической среды на территории крупных административных единиц (республика, край) или территориально-производственных комплексов. Его осуществляют территориальные органы государственного подчинения. Системы регионального мониторинга в пределах государства объединяются в национальную сеть, образуя национальный (государственный) уровень мониторинга, который возложен на Федеральную службу России по мониторингу окружающей природной среды, контролируя соблюдение законодательных норм в области экологии.

В качестве системы информационного обеспечения управления эколого-геологи-ческими процессами выступает мониторинг окружающей среды и как его подсистема — экогеологический мониторинг, под которым понимается наблюдение, оценка и прогноз происходящих изменений в экогеологическом пространстве и составляющих его компонентах, а также экологическое обоснование превентивных, восстановительных мероприятий и управляющих решений в процессе рационального приро-до- и недропользования. В условиях усиливающихся изменений и загрязнения природной среды проблема контроля, охраны и рационального использования природных и, в частности, минеральных ресурсов приобретает особую значимость.

Экогеологический мониторинг предполагает для изучения параметров, характеризующих состояние той или иной среды, живой природы или здоровья населения, использование комплекса различных методов, которые подразделяют на физические, химические, биологические, санитарно-гигиенические и т. д. Анализ методов и средств изучения состояния окружающей природной среды дает все основания для заключения о том, что наиболее оперативный и действенный экогеологический мониторинг можно организовать на основе изучения параметров геохимических и геофизических полей с привлечением физико-химических и биологических методов. Современные геофизические и геохимические методы легко поддаются стандартизации и автоматизации. Они в состоянии уловить любые тенденции изменения параметров литосферы, атмосферы, гидросферы. При этом физико-химические методы в состоянии оценить тенденции изменения в исследуемой среде за сравнительно короткие промежутки времени, а методы биоиндикации и биотестирования позволяют выявлять разновременные накопления изменений в окружающей природной среде на фоне сезонных колебаний. Очевидно, что при постановке экогеологического мониторинга, следует обратить внимание на выбор параметров для измерений, оптимальное размещение пунктов наблюдений (комплексных наблюдательных станций), выбор шага временной дискретизации измерений наблюдаемых измерений эколого-геологических параметров, выбор методов и средств измерений и интерпретацию результатов. Понятно, что экогеологи-ческий мониторинг должен дополнять санитарно-гигиенический контроль, контроль над состоянием растительного и животного мира и т. д.

В условиях, когда техногенный прессинг на природную среду приобретает глобальный характер, представляется актуальной оценка состояния компонентов экосистем на основе проведения комплексных экогеологических исследований, ориентированных на естественнонаучное обоснование интегральных предельно-допустимых техногенных нагрузок на конкретные регионы и территории. В результате должна быть разработана и предложена система норм и правил, способствующих установлению границ устойчивости экосистем геологического пространства в пространственно-временных координатах, учету особенностей структуры организации, а также выявлению механизмов их функционирования и способности к самовосстановлению и саморегуляции. К системе таких показателей следует отнести стандарты качества среды, учитывающие остаточную и предельно-экологическую емкость соответствующих территорий, индексы допустимого совокупного загрязнения, регламенты условий и требований при вовлечении территорий для промышленного или иного использования, а также принципы оптимальной структуры недропользования. Отсюда определение надежности, буферности и инерционности природной среды представляется одной из центральных задач геоэкологии и экологической геологии, в частности, успешное решение которой

позволит не только осуществлять естественнонаучное обоснование нормативов внешних нагрузок, но и разрабатывать принципы рационального природо- и недропользования. В качестве предельного значения внешнего воздействия, после которого экосистема перестает развиваться без необратимых последствий, может быть использован ресурс, определяющий способность данной системы к самовосстановлению и саморегуляции, т. е. ее ассимиляционный потенциал. Оценка данного потенциала может быть принята в качестве норматива антропогенной нагрузки, ресурсная ограниченность которого предопределит необходимость его рационального использования на основе экономической оценки целесообразности эксплуатации природных и, в частности, минерально-сырьевых ресурсов, а также с учетом неуклонно возрастающей роли социальных и природоохранных ограничений.

Литература

1. Осипов В. И. Геоэкология: понятия, задачи, приоритеты // Геоэкология. 1997. Вып. 1. С. 3-11.

2. Трофимов В. Т., Зилинг Д. Г., Аверкина Т. И. Теория и методология экологической геологии. М.: МГУ, 1997. 368 с.

3. Куриленко В. В. Основные проблемы экологической геологии и современной экополитики в области рационального природо- и недропользования: сб. статей. СПб.: Изд-во СПбГУ, 1999.

4. Куриленко В. В. и др. Основы экогеологии, биоиндикации и биотестирования водных экосистем / под ред. Куриленко В. В. СПб.: Изд-во СПбГУ, 2004. 448 с.

5. Трофимов В. Т., Зилинг Д. Г. Экологическая геология. М.: ЗАО «Геоинформмарк», 2002. 415 с.

6. Куриленко В. В., Осмоловская Н. Г. Биогеохимическая индикация загрязнений // Водные объекты Санкт-Петербурга / под ред. С. А. Кондратьева, Г. Т. Фрумина. СПб.: Символ, 2002.

7. Арбатов А. А., Астахов А. С., Лаверов Н. П. и др. Нетрадиционные ресурсы минерального сырья. М.: Изд-во Недра, 1988.

8. Махорин А. А. Техногенные факторы активизации экзогенных геологических процессов на горных территориях // Геоэкология. 1996. Вып. 3.

9. Мироненко В. А., Мольский Е. В., Румынин В. Г. Изучение загрязнения подземных вод в горнодобывающих районах. Л.: Изд-во Недра, 1988.

10. Богомолов О. Н. и др. Токсичные органические вещества в рудах твердых полезных ископаемых и их влияние на экологическую обстановку // Геоэкология. 1996. Вып. 3.

11. Делятицкий С. В., Кочев А. Д., Чертков Л. Г. Некоторые результаты изучения территорий свалок промышленных и бытовых отходов // Геоэкология. 1990. Вып. 3.

12. Беляев А. М., Иванюкович Г. А., Куриленко В. В., Хайкович И. М. Радиоэкогеология. СПб.: Изд-во СПбГУ, 2003.

13. Грибанова Л. П., Зайцев А. С. Оценка геохимических изменений геологической среды на полигонах промышленно-бытовых отходов // Геоэкология. 1990. Вып. 3.

14. Сает Ю. Е., Ревич Б. А., Янин Е. П. и др. Геохимия окружающей среды. М.: Изд-во Недра, 1990. 335 с.

15. Блюменцев А. М., Хайкович И. М. Системный подход к организации метрологического обеспечения радиоэкологических исследований // Законодательная и прикладная метрология. № 5. 1995. С. 36-41.

Статья поступила в редакцию 29 июня 2012 г.