Техногенные изменения геологической среды при добыче полезных ископаемых

Областью геологической
деятельности человека является
геологическая среда – верхняя часть
земной коры и внешние оболочки Земли.
Геологическая среда формируется в
результате сложного и долгого
взаимодействия внешних оболочек Земли
под влиянием эндогенных и экзогенных
сил. Миллионы лет взаимодействия всех
процессов привели в равновесие на Земле
геологическую среду. Где-то это равновесие
прочное, например, ледники, поддерживаемые
полярным климатом, а где-то очень хрупкое,
например, тропические леса, казахстанские
почвы и др. Достаточно более-менее
активного вмешательства в установившийся
баланс, и в природе произойдут необратимые
явления.

До существования
человека равновесие в природе нарушалось
и не раз. Например, катастрофическое
вымирание отдельных видов животных,
оледенение и др. явления. Источниками
этих нарушений являлись внешние
космические явления (внедрения астероидов,
комет и других тел) и внутренние эндогенные
(вулканические извержения, изменение
наклона земной оси и др.). Но все эти
явления в геологическом летоисчислении
совершались редко и результаты катастроф
Земля впоследствии залечивала. Но вот
на Земле появился человек. Пока он был
молодым и технически не вооруженным в
худшем случае он мог уничтожить только
отдельные виды животных (бизонов,
странствующего голубя, стеллерову
корову). Но в ХХ веке, особенно в середине
века с развитием мощной индустрии в
высокоразвитых странах заметно усилилось
воздействие человека на окружающую
среду.

Совокупность всех
видов воздействия человека на геологическую
среду называется
техногенезом.
Какими видами деятельности человека
проявляется эти воздействия? Прежде
всего, инженерно-строительным,
сельскохозяйственным, промышленным,
гидротехническим и другими видами
деятельности. Из всех видов техногенеза
горнотехнические работы имеют, пожалуй,
наибольшее значение, поскольку они
затрагивают не только поверхность, но
и недра земной коры. В целом же всю
область техногенного влияния человека
на геологическую среду называют
техносферой
или ноосферой.

Виды техногенных последствий

Последствия
техногенного воздействия на геологическую
среду делят на минералогические,
геохимические, гидрогеологические и
инженерно-геологические.

Минералогические
последствия техногенеза обусловлены
все возрастающими масштабами
перераспределения вещества земной коры
в процессе добычи и переработки полезных
ископаемых. При добыче полезных ископаемых
ежегодно перемещается около 60 км3
пород, и
это количество за 10-12 лет постоянно
удваивается. Таким образом, минералогические
последствия деятельности человека
проявляются в истощении минеральных
ресурсов и вызывают изменения
технологических условий разработки
месторождений.

Геохимические
последствия техногенеза состоят в
нарушении и преобразовании химического
баланса веществ в геологической среде.
Эти последствия весьма разнообразны.
Они обусловлены извлечением из недр
большого количества горной массы,
рассеиванием на поверхности Земли, в
поверхностных и подземных водах природных
и синтезированных веществ. Особенно
велико рассеивание веществ в связи с
эксплуатацией энергетических установок,
промышленных и жилищно-коммунальных
комплексов, транспортных средств, а
также в связи с химизацией сельского
хозяйства. При этом идет интенсивное
перераспределение компонентов между
литосферой и контактирующими с ней
атмосферой, гидросферой и биосферой.
Извлекаются из недр и затем интенсивно
рассеиваются радиоактивные элементы,
сернистые соединения, ртуть, углерод,
азот и др.

Геофизичесие
последствия выражаются в появлении в
верхней части земной коры искусственных
физических полей (блуждающих токов,
сейсмических, звуковых волн и др.),
которые воздействуют на вещество
литосферы, усиливают коррозию металлов,
повышают агрессивность воды и т.п.

Геодинамические
последствия техногенеза проявляются
в нарушении геостатического поля в
связи с проходкой горных выработок,
перераспределением больших объемов
воды на поверхности при строительстве
гидротехнических сооружений, извлечением
из недр значительных масс горных пород
и твердых полезных ископаемых, нефти,
газа и подземных вод.

Геотермические
последствия техногенеза обусловлены
нарушением теплового баланса отдельных
территорий в результате изменения
теплообмена между литосферой, атмосферой
и гидросферой. Эти последствия проявляются
в изменении вводно-теплового режима
водотоков и водоемов, в изменении
теплового режима поверхности литосферы,
обусловленном массовым уничтожением
лесов, строительством и эксплуатацией
линейных коммуникаций и энергетических
установок. Особенно ощутимы геотермические
последствия в районах развития
криолитозоны, где в условиях широкого
распространения льдистых пород нарушение
водно-теплового баланса приводит к
активизации термокарстовых процессов.

Геоморфологические
последствия выражаются в создании
техногенного рельефа и в изменении
первичного рельефа территорий вследствие
нарушения равновесия между аккумулятивными
и денудационными процессами. Наиболее
существенными факторами формирования
техногенного ландшафта является добыча
и переработка полезных ископаемых. Эти
техногенные процессы сопровождаются
созданием понижений на месте карьеров
и провалов, возникающих при обрушении
кровли горных выработок, а также
складировании на поверхности пород
вскрыши, некондиционных руд и отходов
переработки минерального сырья.

Гидрогеологические
последствия техногенеза возникают при
прямом или косвенном воздействии на
водоносные горизонты и проявляются в
изменении ресурсов, уровней, режима и
качества подземных вод. Причинами этих
изменений являются добыча твердых
полезных ископаемых, мероприятия по
предотвращению водотоков в горные
выработки, добыча нефти и газа, эксплуатация
подземных вод, регулирование поверхностного
стока водохранилищами, строительство
и эксплуатация мелиоративных систем.

Инженерно-геологические
последствия техногенеза являются
проявлением экзогенных процессов,
которые могут быть не свойственными
конкретной физико-географической или
геологической обстановке. Под влиянием
техногенеза активизируются оползневые,
осыпные, суффозионные процессы. Эти
процессы интенсивно развиваются в
искусственных формах рельефа, по берегам
водоемов. Строительство и эксплуатация
линейных коммуникаций вызывает пучение
грунтов и развитие наледей, на территории
мерзлой зоны развиваются термокарстовые
процессы.

Техногенные
изменения объектов геологической среды

Техногенным
изменениям подвергаются внешние оболочки
Земли: атмосфера, гидросфера, биосфера
и верхняя зона внутренних оболочек –
земная кора.

Изменение
атмосферы.
В течение многих тысячелетий атмосферный
воздух Земли имел практически неизменный
состав: азот (78%), кислород (21%), углекислый
газ (0,027%), пары воды и инертные газы (до
0,9%). Под влиянием инженерно-хозяйственной
деятельности, начиная с XIX
столетия, газовое равновесие атмосферы
стало нарушаться, что выразилось в
запылении воздуха, уменьшении содержания
в нем кислорода и увеличение углекислого
газа. Общая загрязненность атмосферы
к настоящему времени по сравнению с
началом прошлого века возросла в 20 раз.

Главными источниками
загрязнения атмосферы являются
промышленные предприятия (особенно
химические, топливно-энергетические и
металлургические), транспорт, города и
поселки, сельское хозяйство, ядерные
взрывы, военные действия и др. Примерно
за 100 прошедших лет концентрация
углекислого газа повысилась с 0,027 до
0,032% и к концу XXI
века может возрасти до 0,038%. В значительном
количестве поступают в атмосферу
соединения серы. При росте содержаний
в атмосфере углекислого газа, сернистых
и других токсичных соединений увеличивается
использование кислорода. Его количество
ежегодно уменьшается на 10 млрд.т. За
последние 50 лет израсходовано кислорода
столько же, сколько за весь антропогенный
период. В настоящее время на Земле
имеются районы с дефицитом кислорода
в воздухе, что в наибольшей мере связано
с насыщенностью автотранспортом и
промышленными предприятиями. Однако,
по мнению специалистов, человечеству
все же не угрожает кислородный голод,
ибо количество этого газа в воздухе
весьма велико.

Изменение газового
состава атмосферы, главным образом,
увеличение количества СО2,
может вызвать глобальные изменения
климата. Проявится это повышением
температуры на планете. К середине ХХI
века она может увеличиться на 0,5о,
а дальнейшее повышение до 2о,
если оно произойдет, приведет уже к
катастрофическим последствиям – таянию
полярных льдов, подъему уровня океанов
и морей, затоплению прибрежных регионов,
изменению площадей континентов и
океанов.

Изменения
гидросферы. Гидросфера
как поверхностная, так и подземная,
являются важным компонентом природной
среды. Поэтому прямые и косвенные
воздействия человека на водную оболочку,
изменяющие ее количественно и качественно,
существенно изменяют водный режим
планеты и геологическую роль гидросферы.
Выделяют бытовое, агрохимическое и
промышленное загрязнение вод.

Бытовое загрязнение
связано с бытовыми отходами населенных
пунктов, прежде всего, городов. По составу
бытовое загрязнение вод представлено
синтетическими моющими средствами,
содержащими фосфор, органическими
веществами и токсичными элементами
(свинец, хром, кадмий, ртуть и др.).

Агрохимическое
загрязнение обусловлено постоянно
возрастающим использованием в сельском
хозяйстве удобрений и ядохимикатов.
Атмосферные осадки вымывают удобрения
и ядохимикаты и выносят их через
почвенно-растительный слой в подземные
и поверхностные воды. Это приводит к
резкому повышению концентрации в воде
ряда веществ, особенно нитратов, и делает
в таких случаях непригодными для питья
подземные воды. Снос агрохимических
продуктов в непроточные водоемы приводит
к увеличению концентрации питательных
солей в воде и зарастанию водоёмов
водорослями и планктоном.

Промышленное
загрязнение обусловлено стоками
предприятий и в настоящее время
приобретает планетарный характер. В
отходах производства, сбрасываемых в
реки и водоёмы, содержится большой
количество вредных и токсичных веществ,
которые, как правило, являются трудно
растворимыми и неразлагающимися. Особое
место среди этих загрязнителей занимают
нефтепродукты и радиоактивные отходы.
Одна капля нефти образует на поверхности
воды пятно диаметром 0,3 м. Тончайшая
пленка нефти изолирует воду от атмосферного
воздуха, меняет режимы углеродно-кислородного
обмена, снижает испарение, нарушает
экологическое равновесие. Ежегодно в
океан поступает более 6 млн.т. нефтепродуктов,
которые долго сохраняются на транспортных
трассах, территориях портов, в местах
аварии танкеров. Это загрязнение
приобретает уже глобальный характер.
Вызывает также тревогу рост концентрации
в отдельных районах радиоактивных
частиц, что обусловлено захоронением
в океане радиоактивных отходов.

Важными последствиями
воздействия техногенеза на гидросферу
являются изменение уровня поверхностных
и подземных вод. За последние десятилетия
резко изменен режим многих рек, созданные
в их долинах водохранилища сглаживают
сезонные колебания уровней и расхода
воды, уменьшают скорости течения воды.
Тысячи мелких рек под влиянием деятельности
предприятий и населенных пунктов в
связи с интенсивным забором и загрязнением
воды мелеют, пересыхают, а нередко
полностью исчезают.

Изменение
биосферы. Изменение
биологического равновесия на планете
происходит двумя путями: прямым и
косвенным. Прямой путь – это непосредственное
уничтожение животных и растений. Так,
за последние столетия людьми были
истреблены такие виды животных как
стеллерова корова, дронт, странствующий
голубь, сумчатый волк и др., уничтожены
сотни видов растений, вырубаются и
выжигаются леса. Косвенный путь
отрицательного влияния на биосферу
выражается в последствиях человеческой
деятельности. Так, использование
пестицидов в сельском хозяйстве, в
частности дуста, приводит к массовой
гибели птиц, поедающих отравленных
насекомых, а потребление убитой на охоте
дичи способствует развитию у людей
онкологических заболеваний. Страдает
косвенным путем от промышленной
деятельности людей, главным образом,
от так называемых кислотных дождей
растительная природа. В результате
сгорания и переработки серосодержащих
продуктов в атмосферу выбрасывается
серный ангидрид, который, соединяясь с
дождевой водой, образует слабую серную
кислоту. Осаждаясь на растительность,
на листву деревьев, кислота уничтожает
её, что приводит к гибели деревьев.
Известно, что в Западной Европе ветры,
дующие из центральных промышленных
районов в северном направлении, приносят
кислотные дожди в страны Скандинавии,
уничтожая ежегодно по некоторым данным
около 1% лесов.

Изменения в
земной коре. Состав
земной коры наиболее интенсивно меняется
в приповерхностной части в связи с
постоянно возрастающим уровнем добычи
и использования природных ресурсов, и,
прежде всего, минерального сырья.
Ежегодно добывается около 10 млрд.т. руд
и минерального топлива, более 300 млн.т.
минеральных удобрений. При существующей
технологии теряется почти половина
металлов и треть химического сырья. В
результате ведения горных работ
количество многих химических

Горно-техническая
деятельность затрагивает непосредственно
недра, поэтому и последствия ее обычно
более существенны. Горно-строительные
и добычные работы нарушают строение
массивов горных пород, создают значительные
полости и пустоты, которые по масштабам
порой превосходят природные образования.
При добыче полезных ископаемых человек
проникает в недра на большую глубину.
Например, добыча свинцово-цинковых руд
на руднике Пршибрам в Чехии идет на
глубине 1500 м.; рудник Колар (золото) в
Индии достиг глубины 3800 м., а разработка
золото-урановых руд в ЮАР ведется на
глубине около 4 км. Еще на большие глубины
проникли буровые скважины на нефть.
Сверхглубокая скважина на Кольском
полуострове превысила отметку 11 км.

Проходка подземных
горных выработок, извлечение твердых
полезных ископаемых и сопутствующей
горной массы, нефти, газа, подземных вод
вызывает нарушение геостатического
поля и обусловливает проявление
геодинамических последствий техногенеза
– нарушение верхней части литосферы.
Так, при выемке подземными работами
горной массы происходит обрушение
поверхности над горными выработками,
образуются провалы и воронки глубиной
до нескольких десятков метров. Обширные
опускания территории (до 5-10м) возникают
в результате снижения пластовых давлений
в связи с откачкой из недр флюидов и
газов. Иногда подобные опускания могут
иметь катастрофические последствия.
Более значительны по глубине и площади
углубления, образованные при открытом
способе добычи полезных ископаемых,
доля которого в среднем составляет
около 70%. Уже сейчас глубина карьеров
достигает 300-800 метров, проектируются
карьеры глубиной до 1000 м и протяженностью
карьерных полей 205 км.

В итоге горно-добычной
деятельности изменяется не только
внутренняя структура земной коры,
видоизменяется её поверхность – рельеф.
Для горнопромышленных районов характерен
грядово-холмистый техногенный рельеф,
сформированный за счет складирования
пустых пород и отходов переработки
минерального сырья. Характерны
отрицательные формы – провалы, воронки,
обширные депрессии, как правило, залитые
водой. Для ликвидации последствий
разрушительного техногенеза необходимо
предусматривать восстановление
(рекультивацию) нарушенных земель.