Глава 1. Земельные ресурсы

1.1. Литосфера и ее основные экологические функции

Земельные ресурсы планеты являются одним из элементов формирующей биосферу литосферы – верхней оболочки Земли, постепенно переходящей с глубиной в сферы с меньшей прочностью вещества и включающей земную кору и верхнюю мантию Земли (Реймерс, 1990).

Масса земной коры составляет 0,8 % массы всей Земли. Средняя плотность вещества земной коры 2,8 г/см³. Средняя толщина ее – приблизительно 30 км, с колебаниями 4–6 км под срединными океаническими хребтами и некоторыми абиссальными впадинами и до 55–70 км – под молодыми складчатыми горами.

В земной коре сверху вниз выделяют три слоя:

♦ осадочный, в котором преобладают глины, глинистые сланцы, песчаные, карбонатные и вулканогенные породы. Толщина осадочного слоя изменяется от 20–25 км в глубоких впадинах до практически полного его отсутствия на кристаллических щитах;

♦ гранитный, состоящий из таких пород, как граниты, гнейсы, гранодиориты, диориты, кристаллические сланцы, амфиболиты. Этот слой отсутствует под океанами, а на континентах его мощность достигает нескольких километров;

♦ базальтовый, сложенный кристаллическими породами основного состава, более плотными по сравнению с гранитным слоем. Под континентами его мощность составляет 15–40 км, а под океанами – 2–7 км (Голубев, 1999).

Земная кора совместно с верхней мантией образует тектоносферу – тот слой, в котором происходят основные тектонические движения и деформации, приводящие к изменению рельефа земной поверхности и океанического дна.

Литосфера лежит на астеносфере – более слабой, более горячей и более глубокой части верхней мантии. Граница между литосферой и астеносферой определяется различием на воздействие напряжения: литосфера остается жесткой в течение очень длительного геологического времени и деформируется разломами, в то время как астеносфера деформируется вязко и пластично. Литосфера разбита на тектонические плиты. Самая верхняя часть литосферы, что вступает в химическую реакцию с атмосферой, гидросферой и биосферой через процесс формирования почвы, называется педосферой.

Понятие о литосфере как о прочном внешнем слое Земли было разработано Джозефом Барреллом, который в ряде научных работ ввел основные понятия, термины и определения. Его концепция была основана на наличии значительных аномалий силы тяжести на континентальной коре. Исходя из этого, ученый сделал вывод, что должен существовать прочный верхний слой (литосфера) над более слабым текучим слоем (астеносфера).

Эти идеи были расширены геологом Реджиналдом Олдуортом Дэли в его основополагающей работе «Сила и строение Земли» (1940) и приняты геологами и геофизиками. Хотя представления о литосфере и астеносфере были разработаны задолго до этого, сама теория тектонических плит была сформулирована только в 1960-х гг. Понятия о том, что существует прочная литосфера и что она опирается на более слабую астеносферу, имеют важное значение для этой теории.

Существует два типа литосферы:

♦ океаническая литосфера, которая связана с океанической корой и существует в океанических бассейнах;

♦ континентальная литосфера, которая связана с континентальной корой.

Океаническая литосфера, как правило, имеет толщину около 50–100 км (но под срединно-океаническими хребтами она не толще, чем кора), в то время как континентальная литосфера – 40–200 км, верхний слой типичной континентальной литосферы толщиной 30–50 км является корой. Мантия литосферы состоит в основном из перидотитов.

Самые верхние горизонты литосферы находятся в совместном и взаимосвязанном взаимодействии с другими геосферами – атмосферой, гидросферой, биотой. В результате такого взаимодействия на поверхности литосферы образуется кора выветривания – совместный продукт деятельности воды, воздуха и живых существ. Именно на ней развиваются почвы. Мощность коры выветривания и ее строение подчиняются в целом закону географической зональности, устанавливающему, что в разных географических широтах повторяются географические зоны, обладающие определенными общими свойствами.

На суше литосфера покрыта педосферой (почвенный комплекс), биотой (растительность и животный мир) и криосферой (зона вечного льда и снега).

Сквозь почву и кору выветривания в литосфере происходит активный газообмен с атмосферой. Существует обмен между литосферой и гидросферой. Неоднородность литосферы является следствием всей геологической истории развития планеты Земля, т. е. энергетического взаимодействия основных противоположно направленных процессов – саморегулирования и поступательной эволюции. Расходуемую на геологические и биологические процессы энергию наша планета получает преимущественно из одного источника – Солнца. Однако в самой литосфере имеются также собственные источники энергии, прежде всего такие, как реакции распада радиоактивных элементов, протекающие с выделением огромного количества теплоты.

Непрерывное поступление энергии в той или иной форме в литосферу обусловливает неравновесность ее энергетического состояния, что проявляется землетрясениями, процессами горообразования, текучести рек, образования и исчезновения морей, изменения рельефа и ландшафта и т. д.

Наряду с энергией литосфера поглощает большое количество вещества в виде паров, газов, жидкой магмы из мантии, метеоритов из космического пространства и др. Вместе с тем земная кора отдает свои энергию и вещество в мантию и околоземное космическое пространство.

Именно непрерывный энерго- и массообмен литосферы с атмосферой, гидросферой, космическим пространством, внутренними глубинными сферами Земли является тем основным механизмом, который обусловливает протекание всех геологических и биологических процессов, наблюдаемых в литосфере и на ее поверхности.

Литосфера наряду с солнечной радиацией и космическим излучением является источником энергии, а также ее накопителем, преобразователем, поглотителем и передающей средой. Значительная часть этой энергии используется на поддержание геологических процессов и создание условий, пригодных для жизнедеятельности растительного, животного мира и человечества. Эти качества литосферы проистекают из особенностей ее строения, состояния и происходящих как внутри, так и на ее поверхности геологических процессов и реализуются через ее экологические функции.

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 (Трофимов, Зилинг, 2002).

Литосфера – среда сосредоточения природных минеральных и иных ресурсов, необходимых для функционирования и развития человечества. В связи с этим в настоящее время наибольшую значимость для рассмотрения представляют именно ее экологические функции и их преобразование под влиянием техногенеза. Классификация экологических функций литосферы приведена на рис. 1.1.

Ресурсная экологическая функция литосферы определяется ролью ее минеральных, органических, органоминеральных ресурсов, геологического пространства для жизни и деятельности биоты как в качестве биоценоза, так и человеческого сообщества как социальной структуры (Трофимов, Зилинг, 2002).

Изучение ресурсной экологической функции литосферы позволяет оценить емкость эколого-геологической системы, возможности ее регулирования для обеспечения устойчивого функционирования экосистем в целом.

Данная функция литосферы определяет комфортность существования биоты, т. е. живой составляющей биосферы, и в значительной степени возможность ее развития. Она тесно связана с социально-экономическими проблемами человеческой цивилизации и призвана обеспечить литосферно-генетическое обоснование решений по использованию той или иной территории в любых целях.

Ресурсная функция литосферы многогранна и включает в себя такие категории, как минерально-сырьевые ресурсы литосферы, необходимые для жизнедеятельности биоты (с учетом человеческого сообщества); ресурсы геологического пространства, т. е. площадь и объем, необходимые для расселения и функционирования биоты, включая человека как биологический вид и как социальную структуру.

На фоне эволюции природных геологических сред в истории Земли выделяют два этапа. Первый этап – естественно-природный, охватывающий временной период от зарождения Земли (около 3,5 млрд лет назад) до появления человеческой цивилизации. Второй этап – природно-техногенный, охватывающий временной интервал порядка 200 лет и являющийся в основном порождением техногенеза.

Ресурсы литосферы на первом этапе создавались и накапливались исключительно за счет естественных геологических и космических процессов. На этом этапе возникли все известные минеральные ресурсы и топливно-энергетический потенциал литосферы.

Со вторым этапом связано коренное изменение сущности ресурсной функции литосферы, вызванное тем, что период накопления ресурсов сменился периодом интенсивного и всепрогрессирующего их потребления, включая и ресурсы невозобновляемые, а также дефицитом геологического пространства, наиболее ощутимого в малых по площади странах Европы с большой плотностью населения.

Геодинамическая экологическая функция литосферы отражает свойства литосферы влиять на состояние биоты, безопасность и комфортность проживания человека через природные и антропогенные процессы и явления (Трофимов, Зилинг, 2002).

Данная функция реализуется через проявление опасных и катастрофических геологических процессов, таких как извержения вулканов, землетрясения, сели, лавины и другие, а также влияние на биоту геодинамических и геопатогенных зон.

На первом временном этапе геологической истории геодинамическая функция была связана исключительно с естественными планетарными и космическими процессами, тогда как на втором этапе наибольшую роль в формировании геодинамической экологической функции играет техногенное воздействие, с которым связаны интенсификация и динамика деструктивных процессов литосферы.

Техногенез не только вызывает негативные процессы или активизирует природные, но в ряде случаев позволяет снижать их мощность и локализирует их на определенной территории. Это является специфической чертой геодинамической функции литосферы в техногенезе, позволяющей управлять экзогенными геологическими процессами с помощью современных мер инженерной защиты территорий, объектов, зданий и сооружений. Кроме того, необходимость разработки более совершенных способов и технического оснащения защитных мер стимулирует развитие науки и технический прогресс.

Геохимическая и геофизическая экологические функции литосферы ранее рассматривались как единая геофизико-геохимическая функция, имеющая четкую медико-биологическую направленность. Однако в настоящее время в связи с различием природы этих функций они должны рассматриваться как самостоятельные факторы.

Геофизическая экологическая функция связана с природными и техногенными физическими полями и их специфическим воздействием на биосферу, а геохимическая экологическая функция – с вещественным составом литосферы, геохимическими полями и аномалиями химической природы.

Геофизическая экологическая функция литосферы отражает свойства геофизических полей (неоднородностей) литосферы природного и техногенного происхождения влиять на состояние биоты, включая человека (Трофимов, Зилинг, 2002).

Экологические функции литосферы являются проявлением большого геологического цикла, или цикла эрозии, – седиминтации.

Взаимодействие литосферы с другими компонентами биосферы (атмосферой, гидросферой и биотой) происходит в рамках глобального круговорота вещества и энергии. Вследствие экзогенных процессов биогеохимического круговорота продукты коры выветривания, разрушающейся под действием природных и техногенных факторов, перемещаются под воздействием силы тяжести, при участии воды и ветра, ледников, других агентов; причем в любой точке Земли процессы расходования и накопления вещества находятся в тесном взаимодействии.

Процессы в недрах Земли (эндогенные процессы) приводят в конечном счете к вертикальным и (или) горизонтальным тектоническим движениям и к проявлению вулканической деятельности, сопровождающимися выносом на земную поверхность и в верхние слои литосферы большого количества твердого материала (цв. вкл., фото 1, 2).

За счет взаимодействия экзогенных и эндогенных процессов в литосфере формируется рельеф Земли.

В областях преимущественного накопления твердого вещества осадочные и вулканогенные породы постепенно опускаются. По мере погружения в течение длительного геологического времени они подвергались воздействию значительных и увеличивающихся с глубиной давлений и температур, а также глубинных растворов веществ и таким образом метаморфизировались в минералы и другие полезные ископаемые. Часть магмы, образующейся в результате этих процессов, прорывалась ближе к земной поверхности и преобразовывалась в кристаллические породы. Вулканогенные породы отлагались в виде глубинных интрузий и лав, излившихся на земную поверхность.

В областях горообразования вертикальные тектонические движения поднимали на большую высоту кристаллические и метаморфизированные породы, которые впоследствии под действием природных сил снова разрушались и сносились. В самом верхнем слое земной коры, в зоне гипергенеза, кристаллические породы разрушаются, снова формируя коры выветривания и тем самым замыкая цикл. Так выглядит большой геологический круговорот, который до недавнего времени занимал миллионы и десятки миллионов лет (цв. вкл., фото 3–5).

В результате протекания большого геологического круговорота сформировался географический облик Земли, образовались все известные рельефы, ландшафты и полезные ископаемые.

Последние 200 лет человек активно влияет на эндогенные и экзогенные процессы геологического круговорота и выступает основной геологической силой, изменяя своей деятельностью рельеф, ландшафт, химические и физические факторы окружающей среды.