Экологические функции и свойства литосферы

Понятие экологические функции литосферы было введено в 1994 г. В.Т.Трофимовым и Д.Г.Зилингом. Его появление не случайно и обусловлено прежде всего тем, что начало изучения взаимодействия между компонентами литосферы и биотой, включая человеческое сообщество, свидетельствует о новом подходе к оценке роли литосферы геологом. Если традиционно, с момента зарождения геологических наук, литосфера исследовалась с позиций поиска полезных ископаемых, а с первой четверти XX в. — и в связи с инженерно-хозяйственной, прежде всего инженерно-строительной деятельностью человека, то в последние годы появилась необходимость оценить литосферу как вещественную и энергетическую основу существования биоты и, в первую очередь, человеческого сообщества. Возникла необходимость рассмотреть в неразрывной связи атрибутивные экологические качества литосферы и их современное состояние с экологическим состоянием биоты и условиями развития человеческого общества. По нашему представлению, теоретической и методической основой такого исследования и является учение об экологических функциях литосферы.

С другой стороны, в последнее время все острее ощущается недостаток информации об экологической роли литосферы при рассмотрении экосистем разных уровней организации, включая и экосферу Земли. Так, в публикациях и нормативных материалах, посвященных экологической проблематике, основное внимание уделяется вопросам загрязнения атмосферы, почв, поверхностных вод, трансформации природных и природно-техногенных ландшафтов. Литосфера в них практически не выделяется и не рассматривается, хотя и служит геологической (литогенной) основой ландшафта, почв, средой обмена веществом и энергией с атмосферой и поверхностной гидросферой, через нее осуществляется круговорот воды в природе. Именно литосфера (ее континентальная часть) служит накопителем пресных вод, входящих в структуру наземной биоты, обеспечивая процессы ее жизнедеятельности. Литосфера — среда сосредоточения природных минеральных ресурсов, необходимых для функционирования и развития человечества как общественной социальной структуры. С казанное в равной мере касается и техногенно измененной литосферы, и этот вопрос требует особого внимания и рассмотрения. Наступил тот момент, когда к литосфере с экологических позиций уже нельзя относиться только как к литогенной основе для расселения биоты. Пришло время оценить роль литосферы как одного из ведущих факторов в становлении экосистем, обеспечивающих существование жизни на Земле. Поставленная задача требует более детального рассмотрения природных и техногенно обусловленных свойств литосферы, влияющих на функционирование биоты.

Литосфера представляет собой верхнюю твердую оболочку планеты толщиной от 50 до 200 км, имеющую большую прочность и переходящую без определенной резкой границы в нижележащую астеносферу. Она включает в себя земную кору и твердую часть верхней мантии, отделенную от земной коры границей Мохоровичича (граница Мохо). Сверху литосфера ограничивается гидросферой и атмосферой, частично в нее проникающими.

Литосфера как часть планеты не являет собой нечто «застывшее, раз и навсегда созданное». В литосфере протекают весьма разнообразные геологические процессы, результаты которых в виде подвижек земной коры, извержений вулканов и других явлений можно наблюдать на поверхности планеты. На внутреннюю энергию Земли как на фактор геологической эволюции, играющий весьма важную роль в формировании земной коры, указывал М.В.Ломоносов, далеко по своим научным воззрениям опередивший современную ему эпоху. В своих трудах В.И.Вернадский также неоднократно отмечал, что Земля как планета претерпевает определенную геофизическую и геохимическую эволюцию. При этом, как подчеркивал В.И.Вернадский, эволюция Земли носит не беспорядочный, случайный характер, а, напротив, подчиняется определенным закономерностям.

Доступная наблюдению поверхностная часть литосферы сложена частью твердыми, а частью относительно рыхлыми горными породами. Основными факторами, определяющими физическое состояние горных пород в объеме литосферы, являются температура, количество флюидов и давление. На земной поверхности господствуют «нормальные» условия, что означает пространственные и временные (сезонные) температурные изменения в диапазоне от -50 до +60°С при атмосферном давлении 105 Па. Опыт горных работ, данные глубокого бурения и наблюдений за деятельностью горячих источников и активных вулканов показывают, что температура в литосфере повышается с глубиной. При этом возрастают с глубиной также давление и плотность вещества, что обусловлено действием веса перекрывающих горных пород. Так, на глубине 30 км температура составляет приблизительно 900°С при давлении около 8 • 108 Па.

Неоднородность литосферы есть следствие всей геологической истории нашей планеты, энергетического взаимодействия главных противоположно направленных процессов, которые следует рассматривать как механизм обратной связи, саморегулирования и поступательной эволюции Земли. Расходуемую на геологические и биологические процессы энергию Земля получает в основном от Солнца. Однако и в самой литосфере — в земной коре и в мантии — также существуют источники энергии, к которым следует относить, в первую очередь, реакции распада радиоактивных элементов, протекающих с выделением большого количества тепла.

Непрерывное поступление энергии в литосферу обусловливает неравновесность ее энергетического состояния, что выражается в работе рек, горообразовании, трансгрессии и регрессии морей, землетрясениях и, наконец, в существовании жизни. Указанные процессы поглощают и трансформируют ту избыточную энергию, которая поступает в литосферу как извне, от Солнца и из космоса, так и изнутри, из более глубоких недр планеты. Наряду с энергией (в основном тепловой) литосфера поглощает большое количество вещества в виде газов, паров, жидкой магмы из мантии, метеоритов из космического пространства. С другой стороны, земная кора отдает свои вещество и энергию в космос и мантию. Непрерывно протекающий массо- и энергообмен литосферы с гидросферой, атмосферой, космическим пространством и с внутренними глубинными сферами Земли, таким образом, является тем механизмом, который лежит в основе всех наблюдаемых в литосфере и на ее поверхности геологических и биологических процессов. Взаимоотношение последних представляет собой своеобразную реализацию экологических функций литосферы. В таком контексте литосфера предстает как один из источников энергии, дополнительный к солнечной радиации и космическому излучению, как ее преобразователь, накопитель, поглотитель и как передающая среда. Значительная часть этой энергии тратится на поддержание геологических процессов, а также на создание условий, пригодных для жизнедеятельности представителей растительного и животного мира, населяющих нашу планету. Эти качества литосферы проистекают из особенностей ее строения, состояния и происходящих внутри нее и на ее поверхности геологических процессов и реализуются через ее экологические функции.

Что же конкретно следует понимать под экологическими функциями литосферы? Каково их многообразие? Есть ли подходы к оценке их влияния на биоту?

С позиций экологической геологии экологические функции литосферы в планетарном плане в общем виде следует определить как роль и значение литосферы в жизнеобеспечении и эволюции биоты. Конкретизируя, дадим следующее определение этого понятия: под экологическими функциями литосферы понимается все многообразие функций, определяющих и отражающих роль и значение литосферы, включая подземные воды, нефть, газы, геофизические поля и протекающие в ней геологические процессы, в жизнеобеспечении биоты и, главным образом, человеческого сообщества. Приоритетное выделение в экосистеме человеческой популяции обусловлено ее активным воздействием на среду обитания, причем на глубины, значительно превышающие влияние остальной биоты. В таком качестве литосфера не изучалась и не изучается в рамках традиционной биоэкологии, биогеографии и экологического почвоведения.

Научная концепция экологических функций литосферы объединяет в единый круг рассматриваемых проблем многоплановое изучение роли литосферы как среды существования органической жизни — простейших ее форм, растительного и животного мира и человеческой популяции. Основное с экологических позиций «предназначение» — ресурсное и энергетическое жизнеобеспечение биоты — реализуется через ресурсную, геодинамическую, геофизическую и геохимическую функции.

Социально-экономические, нравственные, эстетически

е аспекты функциональных взаимодействий человека и природы авторы оставляют за рамками рассмотрения, так как они выходят за пределы профессиональных геологических знаний и, как нам представляется, составляют сферу интересов социальной экологии.

Итак, все многообразие функциональных зависимостей между природной и техногенно преобразованной литосферой и биотой как биологическим видом, так и общественной социальной структурой (человеческое сообщество) сводится к четырем экологическим функциям — ресурсной, геодинамической, геофизической и геохимической. Определим их содержание:

ресурсная экологическая функция литосферы определяет роль минеральных, органических и органоминеральных ресурсов и геологического пространства литосферы для жизни и деятельности биоты как в биогеоценоза, так и социальной структуры;
геодинамическая экологическая функция литосферы отражает свойства литосферы влиять на состояние биоты, безопасность и комфортность проживания человека через природные и антропогенные процессы и явления;
геохимическая экологическая функция литосферы отражает свойства геохимических полей (неоднородностей) литосферы природного и техногенного происхождения влиять на состояние биоты в целом, включая человека, в частности;
геофизическая экологическая функция литосферы отражает свойства геофизических полей (неоднородностей) литосферы природного и техногенного происхождения влиять на состояние биоты, включая человека.

Следует отметить, что до 1998 г. геофизическая и геохимическая функции рассматривались нами как единая геофизико-геохимическая функция, которая имела четкую медико-санитарную направленность.

Однако более углубленная проработка этого вопроса показала, что природа этих функций разли

чна. Геофизическая функция связана с природными и техногенными геофизическими полями и их специфическим воздействием на биоту, а геохимическая — с вещественным составом литосферы и его геохимическими полями и аномалиями химической природы. При этом у обеих функций сохранилась медико-санитарная ориентация оценки их воздействия на живые организмы.

Следует учитывать, что экологические функции литосферы и их современная выраженность обусловлены эволюционным развитием Земли под воздействием природных и техногенных факторов. На фоне эволюции природных сред в геологической истории Земли с

рассматриваемых позиций (тенденции в развитии экологических функций литосферы), можно выделить два основных временных этапа.

Первый этап — сугубо природный, охватывает временной период от зарождения жизни на Земле (около 3,5 млрд лет назад) до появления человеческой цивилизации и второй этап охватывающий временной интервал порядка 200 лет и являющийся, главным образом, порождением техногенеза.
Ресурсы литосферы на первом из этих этапов характеризовались накопительной тенденцией, сделавшей возможным не только эволюционное развитие органического мира, но и создавшей материальный базис для появления человеческой цивилизации. Это период накопления минеральных ресурсов литосферы, ее топливно-энергетического потенциала.

Со вторым, природно-техногенным этапом развития связано коренное изменение сущности ресурсной функции. Период накопления многих ресурсов сменился периодом интенсивного и прогрессирующего их потребления, включая и ресурсы невозобновляемые. В настоящее время мировое сообщество уже ставит вопрос о приближении периода их полной сработки. Сказанное в равной мере касается и дефицита геологического пространства, наиболее ощутимого в малых по площади странах с большой численностью населения.

Геодинамическая функция литосферы более сжата в геологическом времени по сравнению с ресурсной и в качестве таковой рассматривается нами с момента альпийского орогенеза и, особенно, новейшего этапа его проявления, когда сформировался современный рельеф планеты, а в голоцене -и основные черты ее ландшафтно-климатической зональности. Более ранний период, когда этапы активизации геологических процессов сменялись этапами относительного покоя, не имеет четкого выражения в закономерностях пространственного развития современных геологических процессов. За рамками рассмотрения оставляется и оценка влияния прошлых геологических процессов на органический мир. И хотя сам факт такого влияния сомнений не вызывает, значимость этого фактора разными учеными трактуется далеко не однозначно и до сих пор остается предметом острых дискуссий. Это касается крупномасштабных, и глобальных катастроф. Их связывают как с земными, так и космическими причинами: по мнению ряда исследователей, в событиях массовых вымираний и в прошлом основную роль играли экологические процессы, связанные с появлением новых групп организмов и развалом ранее существовавших биоценозов. С учетом сказанного и надо подходить к оценке роли геодинамической функции литосферы в развитии экосистем. Она реализуется через проявление опасных и катастрофических геологических процессов (вулканизм, землетрясения, сели, лавины и др.) и геодинамических зон, влияющих на биоту.

На втором, природно-техногенном этапе развития важная роль в становлении геодинамической функции переходит к техногенному воздействию, с которым связана не только интенсификация деструктивных процессов, но и их динамика. Можно уверенно говорить о резком возрастании роли геодинамической функции литосферы на современном этапе развития и о принципиально новом, более интенсивном уровне ее влияния на биоту и комфортность существования человека. Одновременно следует учитывать, что техногенез не только вызывает к жизни новые негативные процессы или активизирует природные, но в ряде случаев позволяет снижать их активность и осуществлять локализацию. Последнее можно рассматривать как отличительную, специфическую черту геодинамической функции, открывающую возможность управления экзогенными гео

логическими процессами с помощью мер инженерной защиты объектов, сооружений и территорий.

Геофизическая и геохимическая функции литосферы как продукт эволюции Земли занимают свою экологическую нишу. Первый этап их становления охватывает весь период развития Земли до начала техногенеза и является временем формирования подавляющей части аномалий геохимических и геофизических полей, включая геопатогенные. Динамика и масштабы этого процесса тесно связаны с этапами эволюции Земли и определялись только природными факторами.

На втором — природно-техногенном этапе развития эти функции получили четкую техногенную обусловленность и часто являются ведущими при оценке современного состояния экосистем. На урбанизированных территориях, в промышленных и горно-добывающих районах, в зонах интенсивного земледелия именно они стали во многом определять комфортность существования, а часто и медико-санитарные условия жизни человека. По сути такое качество рассматриваемые функции приобрели только в эпоху техногенеза, когда стали формироваться техногенные геохимические и физические аномалии. По площади распространения и глубине воздействия на биоту, включая человека, они значительно опаснее многих природных аномалий. Наглядным примером является так называемый «Чернобыльский след», охвативший часть территории трех государств — России, Украины и Белоруссии.

Таковы особенности и главные черты экологических функций литосферы как продукта геологической эволюции Земли с учетом техногенеза.

Представляется, что предложенное понимание с историко-генетических позиций сущности и обусловленности экологических функций литосферы не только раскрывает их роль в развитии биоты, но и может быть теоретическим базисом при переходе к разработке проблемы управления этими функциями.
Общая систематика экологических функций литосферы и составляющих их категорий приведена на рисунке ниже

Материальным носителем проявления экологических функций литосферы, который можно измерить и отразить на картографических моделях являются экологические свойства литосферы.

Определим содержание этого понятия следующим образом: экологическое свойство литосферы — одна из сторон литосферы, ее специфический, экологически значимый атрибут, обусловленный природой ее вещественного состава, геодинамических, геохимических и геофизических полей и органически связанный с жизнеобеспечением биоты, условиями ее существования и эволюции.

Экологические свойства литосферы следует рассматривать как результат ее эволюционного развития и техногенного преобразования, с которым связано существование биоты и ее дальнейшее функционирование. Это экологическая составляющая (грань) литосферы, изучаемая экологической геологией.

Для лучшего понимания сущности экологических свойств литосферы назовем некоторые из них применительно к ресурсной, геодинамической, геохимической и геофизической экологическим функциям литосферы. Эта информация приведена в табл. Она не претендует на полноту перечисления всех свойств, но позволяет понять, что из себя представляют экологические свойства литосферы, и показывает один из возможных подходов к их выделению. Анализ содержания этой таблицы позволяет утверждать, что экологические функции литосферы являются конкретным, реально осязаемым проявлением (выражением) ее экологических свойств.

Завершая рассмотрение общих представлений об экологических функциях и свойствах литосферы, проиллюстрируем сказанное на конкретном примере. В качестве такового можно привести экологически ориентированное изучение зоны аэрации, выполненное в середине 90-х годов сотрудниками СНИИГГиМС под руководством Н.А.Лизалека. Эти исследования были направлены на изучение обменных и водно-растворимых комплексов минеральной среды зоны аэрации и водообмена, т.е. всей зоны минерального питания растений. Характернейшей чертой этой зоны являются биохимические реакции, в результате которых обеспечивается подготовка минеральной пищи растений.

По сути — это зарождение нового подхода к изучению литосферы геологами как основы развития биоты (в данном случае растений), что органически вписывается в представления об экологических свойствах литосферы. В приведенном примере комплекс горных пород рассматривался как основа минерального питания растений (минеральная ресурсная составляющая), подготавливаемая биохимическими реакциями (энергетическая составляющая) с формированием обменных водно-растворимых комплексов (гидрогеохимическая составляющая) единой системы «литосфера (зона аэрации)—> грунтовые воды —» почва—> биота». В целом эта система выступает как «депо» минеральных ресурсов для растений.

Рассматривая эту проблему с более общих позиций, следует сделать вывод, что познание механизма взаимодействия живого и косного вещества возможно только на основе целенаправленного экологически ориентированного изучения литосферы и биохимии живого вещества. Именно это положение и реализует представления об экологических функциях литосферы.