Что такое геологическая среда
Геологическая среда
Часть поверхности Земли, которая, так или иначе, подвержена изменению, благодаря деятельности человека, определяющая направленность его хозяйствования, называется геологической средой. Она находится в прямой зависимости от биосферы, гидро- и литосферы, являясь их подсистемой, динамичной, многокомпонентной и постоянно меняющейся.
Размеры геологической среды
Ученые определили верхнюю и нижнюю границы геологической сферы, которые определяются различными факторами и внешним воздействием различных сфер.
Верхняя граница геологической среды начинается на уровне с дневным, видимым невооруженным глазом, рельефе земной поверхности. Атмосфера, гидро- и литосфера определяют ее начало, являясь многокомпонентными системами, постоянно изменяющимися не только в результате природных явлений, но и вследствие техногенеза – хозяйственной деятельности человека. Инженерные и прочие сооружения существенно меняют пределы верхней границы геологической среды. Для их возведения зачастую переносятся с места на место тонны почвы, камней и всевозможных горных пород.
Нижняя граница геологической среды непостоянная, ее величина определяется исключительно возможностью человека проникать в глубину земной коры. Почва и верхняя часть горных пород являются участниками деятельности человека, постоянно изменяясь под влиянием геологических разработок, прокладывания тоннелей, устройства коммуникаций и добычи полезных ископаемых.
Внутренние составляющие геологической среды
Геологическую среду как участник экосистемы невозможно рассматривать только с геологической точки зрения, настолько прочно человек занял место своей деятельностью определяющей силы в ее существовании. Поэтому совокупность всех компонентов геологической среды на данный момент выглядит следующим образом:
Чрезмерная добыча полезных ископаемых привела к образованию пустот в земной поверхности. В результате целые области имеют на своей территории большие участки осевшей почвы, что существенно изменило местную экосистему: вода стала непригодной для питья и полива культур.
Геологическая среда
В геологическую науку понятие о геологической среде было введено академиком Е. М. Сергеевым и развито его учениками и последователями. Под геологической средой обычно понимают верхнюю часть литосферы, находящуюся под воздействием инженерно-хозяйственной деятельности человека. Таким образом, толщина, или мощность, геологической среды определяется глубиной проникновения в толщу горных пород глубоких и сверхглубоких буровых скважин. На континентах она в среднем составляет 5-6 км, а самая глубокая скважина (Кольская) проникла в толщу горных пород на глубину, немногим превышающим 12 км. В океанах с судов «Гломар Челленджер» и «Джойдес Резолюшн» пробурено около 800 скважин, которые углубились от морского дна на 1-1,5 км.
Таким образом, геологическая среда — это область наиболее активного тектогенеза, оказывающая существенное воздействие на наземные и подземные сооружения, агротехнические и другие условия хозяйственной деятельности. Области, охватываемые геологической средой в этом понимании, будут непрерывно увеличиваться по мере освоения человеком: глубоких недр и проникновения в них. Следовательно, с увеличением глубины проникновения человека в недра не только число геологических объектов, но и сам объем геологической среды будут непрерывно расти.
В отличие от сугубо техногенного понимания геологическую среду необходимо рассматривать значительно шире: это среда, в которой совершаются любые геологические процессы. Минералообразование и процессы образования горных пород протекают в различных структурных элементах Земли с разной скоростью и направленностью. На континентах — это осадочный, гранито-гнейсовый и базальтовый слои, т. е. по свой сути практически вся континентальная литосфера, а в пределах океанов — осадочный и базальтовый слои, т. е. океанская литосфера.
Деятельность геолого-геохимических процессов, которые протекают в астеносфере, в верхней и нижней мантии, а также в земном ядре, обязательно в той или иной форме отзывается в литосфере: проникновение плюмов в литосферу, появление расплавленного вещества, перемещение литосферных плит.
Однако наибольшие видоизменения геологическая среда претерпевает в литосфере, особенно в ее самой верхней части. Здесь геологическая среда находится в зоне воздействия современных тектонических движений, которые проявляются в форме разнообразных дислокаций. Наиболее универсальным и повсеместно распространенным типом современных дислокаций, имеющих первостепенное геоэкологическое значение, являются активно действующие разрывные нарушения, приводящие к трещиноватости. Кроме них большая геоэкологическая роль принадлежит и активным коровым разрывам различной морфологии (сбросам, сдвигам, взбросам, надвигам, раздвигам), а также крупным деформациям и перемещениям блоков земной коры (горсты, грабены). Все они формируют рельеф и затрудняют инженерно-хозяйственную деятельность человека.
Геологическая среда создает аномальные геофизические (магнитные, гравитационные, электромагнитные, геотермические и др.) и геохимические поля и аномалии, которые влияют не только на хозяйственную деятельность людей, но и на здоровье и состояние органического мира.
Неблагоприятные геодинамические процессы
На состояние геологической среды негативное влияние оказывают экзогенные и эндогенные процессы. К числу поверхностных относятся денудационные, гравитационные склоновые процессы, формирующие осыпи, оползни; процессы, происходящие в областях развития многолетнемерзлых пород или в криолитозоне и в областях активной циркуляции подземных вод. Проявлениями неблагоприятных эндогенных процессов являются зоны сейсмичности и сейсмоактивные разрывные нарушения, вулканические явления и сопутствующая им сольфатарно-фумарольная деятельность. Однако надо иметь в виду, что деятельность эндогенных и экзогенных процессов нередко оказывается взаимообусловленной. Например, вулканические извержения часто сопровождаются землетрясениями, хотя землетрясения могут возникать в местах полного отсутствия вулканической деятельности. Как извержения вулканов, так и землетрясения вызывают обвалы и камнепады, оползни, провалы и меняют характер циркуляции подземных вод.
Геологическая среда
Геологическая среда – это часть литосферы в зоне инженерно-хозяйственной деятельности; объективно существующая открытая дискретная динамичная многокомпонентная природная система, включающая горные породы и их массивы (пачки, толщи, монопородные структуры монолитных, пористых, трещиноватых, рыхлых, связных и пр. минеральных веществ), почвы, рельеф, подземные воды, газы и биоту. Мощность Г.с. определяется глубиной производственной деятельности, осуществляемой человеком. Верхней ее границей являются ландшафты, рельеф, водоемы, почвы и пр.; нижняя граница Ее. определяется, с одной стороны, уровнем развития цивилизации и технического прогресса, с другой — потребностями реализации проектов подземного строительства, добычи полезных ископаемых, специальных видов строительства и пр.
Причинами ухудшения параметров Г.с. при техногенезе являются:
Под воздействием факторов атмосферы, поверхностной и подземной гидросфер, биоты, космического пространства, внутренних сфер Земли и техногенеза в пределах Г.с. изменяются вещества, структуры, естественные геофизические поля и геохимические реакции, расчлененность рельефа, устойчивость грунтов и геологических массивов, что сопровождается развитием соответствующих природных и техноприродных экзогенных геологических процессов и явлений. Последние при техногенезе существенно активизируются и поэтому проблема минимизации их негативных воздействий на Г.с. в целом не менее масштабна, чем, к примеру, освоение космоса или глубинных зон нашей планеты.
Субъекты Г.с. — ландшафты и рельеф — имеют большое рекреационное и этико-эстетическое значение; их состав, свойства и устойчивость влияют на объем совокупного общественного продукта и национального дохода. Они служат активной контактной зоной Г.с. с др. средами (атмосферой, гидросферой и пр.), характер и интенсивность трансформаций в которой определяют уровень опасности компонентов Г.с. для населения и расположенных здесь объектов. Управление и контроль над интенсивностью техногенной нагрузки, осложнением инженерно-геологических условий соответственно достигается корректировкой хозяйственной деятельности (разумный баланс между использованием территории и реализацией эффективного комплекса мер по инженерной защите). В этом заключается решение проблемы управления Г.с. и безопасного функционирования системы «человек↔геологическая среда». Инженерно-хозяйственная деятельность оказывает на Г.с. активные, закономерные (сознательно осуществляемые мероприятия при различных видах строительства, разработке полезных ископаемых, сельскохозяйственном освоении, создании рекреаций и пр.) и случайные (следствия природных и техногенных катастроф при военных действиях, авариях на атомных станциях, гидротехнических сооружениях, опасных производствах, повышении сейсмичности в зонах влияния водохранилищ и т.п.) воздействия, разнообразные по механизму, содержанию и масштабам.
Г.с. как арена хозяйственной деятельности является объектом управления, включая комплекс федеральных, региональных и ведомственных разработок, базирующихся на системе научно обоснованных рекомендаций по исключению угрозы чрезвычайных ситуаций, связанных с активизацией опасных геологических процессов и явлений, усложняющих функционирование техноприродных систем и Г.с. в целом. Наложение техногенных факторов на геологические, геоструктурные, геоморфологические и гидрогеологические условия отражают текущий момент эволюции Г.с. Минимизация негативных эффектов проявления опасных геологических процессов с целью поддержания безопасных для живой природы параметров окружающей среды и восстановления условий рационального природопользования обусловили необходимость проведения специального контроля за антропогенной деятельностью. В рамках каждого проекта, связанного со строительством и эксплуатацией зданий, сооружений, объектов экономики, инфраструктуры и пр. и предусматривающего определенные техногенные воздействия на Г.с., разрабатываются и внедряются программы мониторинга — системы комплексных наблюдений, прогноза, контроля и управления Г.с. при существующей и проектируемой техногенной нагрузке.
Рациональное использование Г.с. — важнейшая часть экономического потенциала природопользования и ресурсосбережения, регламентируется взаимодействиями в условной бинарной системе «естественные↔ресурсы материальный баланс» как составной элемент производительных сил общества. Действенный механизм оптимизации техногенных трансформаций и обеспечения безопасности Г.с. — процедура риск-анализа (оценка природного геологического риска), включающая:
Источники: Методика инженерно-геологических исследований. Бондарик Г.К. —М., 1986; Теоретические основы инженерной геологии: Геологические основы. Под редакцией Сергеева Е.М. —М., 1985; Инженерная геология. Сергеев Е.М. —М., 1982.
Что такое геологическая среда
Геологическая среда как активная иерархически устроенная термодинамическая система с внутренними источниками энергии
1.1. Современные представления о геологической среде
— комплекс элементов геологической среды, явлений и процессов, подлежащих исследованию;
— виды воздействия на объект и их пороговые значения;
— параметры исследуемого объекта ЯТЦ;
— критерии оценки воздействия геологической среды на объект и объекта на геологическую среду.
Основное свойство геологической среды ее многокомпонентность и крайняя неоднородность. Можно считать, что геологическая среда состоит из бесчисленного множества элементов (горные породы, почвы, микроорганизмы, растворы, газы, элементы структуры, физические поля и т. д.), и все их в принципе невозможно учесть, да и в этом нет необходимости, так как многие не играют существенной роли применительно к рассматриваемой в данной работе проблеме. Поэтому с методологической точки зрения, необходимо ограничиться теми элементами, которые непосредственно оказывают влияние на объекты ЯТЦ. В общем, элементы геологической среды можно условно разделить на четыре категории:
1. Твердая фаза;
2. Жидкая фаза;
3. Газообразная фаза;
4. Структурные элементы.
Элементы этих категорий испытывают между собой постоянное взаимодействие и взаимопревращение, которые собственно и определяют устойчивость и стабильность геологической среды (рис.1 ).
В свою очередь их можно описать следующими тремя группами характеристик:
I. Свойства геологической среды.
II. Процессы в геологической среде.
III. Состояние геологической среды.
Свойства это те физические параметры геологической среды, которые отвечают за формирование ее отдельных элементов и которые в режиме реального времени можно считать относительно статичными (например, прочность горных пород, мощность коры выветривания, глубина залегания кристаллического фундамента и т. д.). Главная отличительная черта состоит в том, что их можно описать зависимостями, в которые не входит параметр времени.
Между отдельными элементами геологической среды имеется взаимозависимость и трудно отнести тот или иной параметр к свойствам, процессам или состоянию. Например, напряженное состояние породного массива описывается некоторым тензором полей напряжений и может быть отнесено к свойствам среды, однако, как известно во времени и пространстве происходит постоянное изменение как направления так и абсолютных значений компонент напряжений. В тоже время, напряжения являются продуктом тектонических процессов и связаны со свойствами горных пород, поэтому можно говорить о напряженном состоянии массива горных пород.
Наиболее важные факторы геологической среды, которые существенным образом могут влиять на состояние объектов ЯТЦ следующие.
1. Тип горных пород, грунтов и почв, их структура, текстура, физико-механические и геохимические свойства.
2. Тектоническая нарушенность и неоднородность породного массива.
3. Параметры гидрогеологических свойств и процессов.
4. Эндогенные и экзогенные процессы, тепловое поле.
5. Особенности геологических структур.
6. Рельеф земной поверхности.
7. Геодинамическая активность, сейсмичность.
9. Геофизические поля.
В работе [9] предложена следующая градация разломов:
1) современные (годы-десятки лет);
2) позднеголоценовые (тыс. лет);
3) голоценовые (до 10 тыс. лет);
4) позднечетвертитчные (до 100-150 тыс. лет);
5) среднечетвертичные (до 400 тыс. лет).
Направленность геологических процессов подчиняется законам, которые имеют сходство с законами термодинамики, когда системы с большим термодинамическим потенциалам передают энергию соседним системам с меньшим потенциалом. Внутренними источниками энергии являются глубинные эндогенные силы, перераспределяющие в результате тепловой конвекции энергию между отдельными элементами геологической среды, которая в противоборстве с гравитационными силами и служит источником современных геодинамических процессов. Безусловно, здесь играют большую роль и космодинамические факторы. При этом в зависимости от запаса устойчивости отдельных элементов геологической среды происходит их разрушение или переход в новое термодинамически устойчивое состояние. Именно динамика этих процессов и определяет степень опасности геологической среды по отношению к расположенным в ней объектам ЯТЦ. На рис. 2 приведена иерархическая классификация структурных элементов гео-логической среды, которые определяют термодинамический потенциал всех входящих в данный класс структур. Под термодинамическим потенциалом понимается некоторая суммарная энергия объема геологической среды. Согласно второму началу термодинамики в замкнутой макроскопической системе при любом реальном процессе энтропия возрастает. В состоянии равновесия энтропия замкнутой системы максимальна и никакие процессы в системе невозможны. В действительности любой объем геологической среды не является замкнутым, поэтому использование законов термодинамики для описания процессов в геологической среде можно лишь в качественном плане для определения их направленности. Как известно, при необратимых процессах энтропия возрастает, а при обратимых не изменяется.
1.2. Стабильность и устойчивость геологической среды
В работе А. Д. Арманд [11] наглядно показана модель гомеостатического и критического состояний геосистем на примере взаимодействия воздушных шариков, являющихся образами отдельных факторов геосистем, которые стремятся занять самое высокое место на неровном потолке. При направлении вверх увеличивается содержание свободной энергии в системе и уменьшается энтропия. Критические зоны это те участки неровного потолка переход через которые характеризует видоизменение системы из одной области устойчивости в другую. Аналогия с термодинамической системой, когда переходный процесс совершается в закрытой системе при отсутствии обмена между объемом и внешней средой, не достаточно обоснованна, так как мы рассматриваем отдельные объемы геологической среды, которые постоянно обмениваются энергией с внешней средой. По существу это является главным условием устойчивости систем и их существования в их настоящем виде, например, без вертикальных движений земной коры, невозможна длительная жизнь горных систем, которые в результате эрозионных процессов превратились бы в равнины.
Фактически интерпретации этого термина у различных исследователей сводятся к трем направлениям:
— способность сохранять определенные параметры;
— способность изменяться в пределах определенных допустимых норм;
— способность компенсировать возмущение и возвращаться в исходное состояние.
Конкретный фактор геологической среды по отношению к величине D j может находиться в 3 состояниях:
а) Стабильно-устойчивом;
б) Стабильно-неустойчивом;
в) Нестабильно-неустойчивом.
В связи с этим, фундаментальными параметрами геологической среды являются те, которые определяют ее стабильность и устойчивость. Анализ рис. 3. показывает, что нет смысла рассматривать устойчивость без привязки к времени. Мы должны рассматривать сам геологический фактор не в какой то момент, а его изменение за некоторый конкретный интервал времени. Этот интервал зависит от характера решаемой задачи, т.е. времени существования объекта ЯТЦ и степени его ответственности. Чем опаснее объект, тем более длительное время мы должны проанализировать с точки зрения оценки устойчивости и стабильности геологической среды в ретроспективе. На будущий период этот интервал равен времени существовния объекта. Отсюда, чем меньше интервалы времени оценки, тем «кажущаяся» стабильность выше. Отсюда вторая фундаментальная особенность заключается в том, что геологическая среда это динамическая среда, имеющая свои внутренние и внешние источники развития. Таким образом, для решения задач обеспечения геоэкологической безопасности размещения объектов ЯТЦ под геологической средой может пониматься верхняя часть литосферы, иерархически структурированная и обладающая внутренними и внешними источниками энергии термодинамическая система, которая характеризуется определенной структурой, свойствами, состоянием и процессами и находится под воздействием хозяйственной деятельности человека.
Стабильность геологической среды применительно к объектам ядерно-топливного цикла это наличие в ней таких свойств и процессов, которые гарантируют сохранность изоляционных свойств массива и не превышение предельно допустимых норм концентрации (ПДК) радионуклидов за пределами санитарно-технической зоны в течение всего времени эксплуатации объектов. Устойчивость геологической среды это ее способность под влиянием возмущений природного и техногенного характера изменять свои элементы таким образом, что это изменение не выходит за рамки определенного диапазона, который гарантирует не превышение ПДК радионуклидов на данной территории в течение всего срока эксплуатации объектов.
Отсюда проблема прогнозирования и оценки устойчивости геологической среды должна включать в себя решение трех задач:
1. Определение основных факторов, определяющих стабильность и устойчивость геологической среды;
2. Установление критериев оценки и прогноза устойчивости;
3. Обоснование предельно допустимых норм критериев оценки и прогноза.
Технологическая карта урока «Геологическая среда как часть окружающей человека среды. Экологические проблемы, связанные с освоением»
Технологическая карта урока.
Предмет: География. 10 класс.
Тема урока: Геологическая среда как часть окружающей человека среды. Экологические проблемы, связанные с освоением геологической среды.
№ урока в теме: №2. В теме: «Введение в геологию»
Тип урока: изучение нового
Образовательные: Обобщить знания учащихся о геологической среде, составить представление об экологических проблемах геологической среды.
Развивающие: Продолжить формирование представлений и знаний об особенностях и главных чертах Планеты: помочь ученикам сформулировать основные экологические проблемы, и найти пути их решения.
Воспитательные: Формировать умения устанавливать причинно – следственные связи, умения работать с таблицами и статистическим материалом. Воспитывать любовь к природе, эстетическое восприятие окружающего мира.
Планируемый результат: Учащиеся должны знать и уметь раскрывать понятие «геологическая среда», использовать свои знания и умения, что бы формулировать проблемы геологической среды, связанные с антропогенной деятельностью.
Формы организации учебной деятельности: Фронтальная работа.
Методы обучения: : объяснительно – иллюстративный.
Приемы: Анализ, Сравнение, установка причинно-следственных связей, приемы развития интереса.
Оборудование: проектор, физическая карта мира.
Геологическая среда как часть окружающей человека среды. Экологические проблемы, связанные с освоением геологической среды »
Здравствуйте ребята! Сегодня мы с вами поговорим об очень важной части нашей жизни, о геологической среде. Постараемся оглянуться назад в прошлое, и оценить, как человек взаимодействовал с Геологической средой, и какие последствия этого взаимодействия мы с вами наблюдаем в настоящее время. Назовем с вами экологические проблемы, связанные с освоением геологической среды, и постараемся найти пути решения этих проблем. (Слайд 1)
Изложить цели и задачи урока (сообщает, что учащиеся будут делать на уроке)
Как же складывались отношения геологической среды и человека? Основные этапы взаимодействия Человека и ГС? Какие изменения претерпела геологическая среда в результате антропогенной деятельности? Какие последствия мы можем наблюдать в настоящее время?
Изучение нового материала
Взаимодействие человека с геологической средой — проблема не новая и уходит своими корнями в каменный век, когда пещеры стали использоваться первобытными людьми в качестве жилища, а одним из первых орудий труда стал каменный топор. Этим исчерпывалось использование ресурсных функций литосферы, и только катастрофические геологические процессы оказывали негативное воздействие на развитие человеческой популяции. (Продолжение в приложении 1)
И только с конца семнадцатого — начала восемнадцатого веков воздействие человека на среду обитания стало всеобщим и, как правило, разрушительным. Началась эпоха техногенеза.
На этом этапе воздействие человечества на природную среду выражается в выработке энергетических ресурсов, загрязнении геосферных оболочек Земли. Процесс техногенеза стал явлением грандиозным по масштабам и опасным по своим последствиям.На фоне все ускоряющегося роста народонаселения это породило современный глобальный экологический кризис, признаваемый практически всеми учеными.
Техногенное воздействие на геологическую среду. (Приложение 2)
Эти воздействия можно подразделить на: 1) физические, 2) физико-
Физическое воздействие определяется горно-технической, инженерно-строительной, сельскохозяйственной и военной деятельностью. Большое воздействие на геологическую среду оказывали подземные и
наземные ядерные взрывы, проводившиеся в различных местах земного шара. В
настоящее время около 15% суши, т.е. 1/6 всей ее площади покрыта инженерными
сооружениями – дорогами, каналами, водохранилищами, промышленными комплексами,
зданиями и др., что соответствует 2-х кратному увеличению за последние 15 лет.
Физико-химическое и химическое воздействие на земную кору оказывает
организация свалок твердых бытовых отходов (ТБО), промышленные и коммунальные
стоки вод, сюда надо
добавить и неутилизированные токсичные отходы,
Техногенное воздействие сейчас проникает и в более глубокие горизонты земной коры, благодаря огромному оличеству нефтяных и газовых скважин, подземному
строительству в городах, прокладке глубокопогруженных трубопроводов, тоннелей, железных дорог и др.
Антропогенные прогибания земной коры : Данный процесс связан с добычей твёрдых полезных ископаемых, откачкой флюидов (воды, нефти и газов), с созданием водохранилищ, строительством в городах высотных зданий.
Антропогенные землетрясения Изменение гидростатических и гидродинамических условий при откачке из коры жидких полезных ископаемых и внедрении замещающих сред. Возбуждение человеком движений земной коры охватывает по меньшей мере её верхние ча сти, местами проникая и глубже.
Таблица 1 (Приложение 4) Анализ таблицы: «В первой половине 21-го века человечество приблизится к опасной черте возмущения биосферы..»
В этом взгляде интересным является то, что геологическая среда привязывается к определенной территории и то, что она взаимодействует с внешними природные силами, постоянно изменяя свое термодинамическое состояние.
Второй взгляд (Л. Мюллер, М.В. Рац, Е.М. Сергееев, В.Т. Трофимов и др.) заключается в том, что под геологической рассматривается среда взаимосвязанная с ка-ким то конкретным объектом. Это может быть любой искусственный инженерный объект или объект живой природы. (Слайд 3)
Как же складывались отношения геологической среды и человека? Основные этапы взаимодействия Человека и ГС? (Слайд5)
Рассказывает об этапах развития взаимодействия человека с геологической средой, демонстрирует пример взаимодействия. (Слайд 6)
Рассказывает Учащимся об Очаговой интенсификации животноводства (выпаса животных) и поливного земледелия приводившего к опустыниванию и засолению земель. (Слайд 7,8) Приведите свои примеры.
Нас интересует, как техногенная деятельность человека изменяет геологическую среду – приповерхностную часть земной коры и как скорости этого процесса соотносятся со скоростями естественных процессов. (Слайд 9 )
Хозяйственная деятельность человека настолько разнообразна, что ее влияние на поверхностную часть земной коры с трудом поддается учету.
Давайте с вами приведем примеры таких воздействий, и в первую очередь разберем – Физические воздействия. (Слайд 11-14)
Формулирует вывод о физических воздействиях на геологическую среду: «Благодаря этой деятельности изменяется рельеф; происходит изменение свойств пород –
уплотнение – разуплотнение; разрушение; изменяется режим и уровень грунтовых вод и т.д.»
Приведем с вами примеры химического и физико-химического загрязнения. (Слайд 15-18) Давайте подумаем, каковы будут последствия этих воздействий?
Все это разрушает верхнюю часть земной коры – геологическую среду и приводит к ее необратимым изменениям.
Отдельно мне бы хотелось остановиться, на таких последствиях антропогенной деятельности как:
Прогибания земной коры. (Слады 19-21)
Антропогенные землетрясения (Слайды 22-23)