Актуальность работы заключается в востребованности исследований проблемы рационального природопользования и охраны окружающей среды на фоне все усиливающейся кризисной ситуации в природе, а также в связи с сущест-вующими задачами и растущего масштаба интенсивного развития промышлен-ности и сельского хозяйства в самой заселенной части юга Западной Сибири, к которой относится Верхнее Приобье. Научно-технический прогресс есть закономерное развитие общества, которое не обходится без действий, связанных с эксплуатацией природных ресурсов. Между тем, усиление вмешательства человека в естественные процессы так или иначе увеличивает техногенные нагрузки на окружающую среду, нарушающие установившиеся длительным временем естественное равновесие и приводящим к непредсказуемым последствиям локального, регионального и даже глобального характера. Сохранение высоких темпов роста антропогенного воздействия на природу и быстрая трансформация естест- венных экосистем ведут к катастрофическим результатам. В связи с этим все острее встает вопрос о научно-обоснованном освоении природных богатств, под которым подразумевается наиболее их эффективное использование, не приводящее к резким изменениям природно-ресурсного потенциала, сохранение наиболее благоприятного режима для его воспроизводства. Для решения этих задач важное значение приобретают геоэкологические исследованиях установлением взаимосвязи и закономерностей развития всех биосферных факторов, определяющих экологическую обстановку той или иной территории.
Для территории Верхнего Приобья главным абиотическим функциональным компонентом, играющим основную роль в формировании экологического потенциала, являются покровные четвертичные отложения, в сложении которых участвует один из наиболее сложных по физико-механическим показателям грунтов - лесс и лессовидные породы. Поэтому главным инструментом в познании экологических свойств этих отложений служат литологические исследования, которыми диссертант занимался много лет и результаты которых изложены в^ многочисленных научных отчетах и публикациях. Эти исследования предусматривают комплексный подход с привлечением современных методов научного анализа и имеющегося богатейшего материала в публикациях по литологии этого региона, а также создания системы знаний, позволяющих разгадывать сложные переплетения разных факторов, влияющих на формирование природных экосистем, их внутрисистемных и межсистемных связей, а также проявлений ими экологических функций. Геоэкологические исследования на территории Верхнего Приобья в региональном плане практически не проводились, и связанные с ними проблемы затрагивались опосредованно, так как становление этой научной дисциплины и ее теоретическое обоснование произошло менее десяти лет тому назад. Теоретические проблемы региональной экологической геологии - закономерности литогенеза, определяющие направленность процессов образования экологических функций литосферы, впервые становятся предметом исследований на территории Верхнего Приобья.
Цель и задачи исследований
Целью диссертационной работы является установление закономерностей формирования, пространственного размещения и особенностей проявления экологических функций четвертичных покровных отложений для создания научной основы экологического прогноза, оценки и районирования, выделения экосистем разных уровней организации, разработки методики картирования и рационального природопользования.
Достижение намеченной цели предусматривает решение следующих научных задач:
1. Провести комплексные литологические исследования четвертичных покровных отложений как вещественной и геодинамической основы природных экосистем Верхнего Приобья и определить их роль в формировании и распределении экологических функций.
1 2 . Выявить и охарактеризовать фо^мы_проявления_экотогичес^их^функций
рассматриваемых отложений.
3 . Создать региональную классификацию природных экосистем Верхнего Приобья с их эколого-функциональной характеристикой на примерах локальных и региональных подразделений.
4. Определить критерии прогноза, оценки и пространственного распределения экологических функций , и * разработать методику экогеологического районирования и картирования. Фактические материалы
Фактической основой диссертационной работы являются материалы, полученные и наработанные диссертантом в процессе многолетних с 1980 г. до настоя-щего времени специальных литологических исследовании четвертичных отложений юго-востока Западно-Сибирской равнины, административно относящегося к Новосибирской области и Алтайскому краю. Эти материалы изложены в семи многостраничных (общим объемом до 1000 машинописных страниц) научных тематических отчетах автора-диссертанта с многочисленными иллюстрациями, картами, таблицами, хранящимися во Всероссийском геологическом фонде (Москва), в фондах СНИИГГиМСа (Новосибирск), ВНИИгеолнеруде (Казань), а также в других региональных геологических организациях, больших количествах публикаций в центральных и местных изданиях. Высокая степень достоверности и обоснованности научных результатов гарантируется обширным объемом и надежным качест-
41 вом используемого фактического материала. Только в одном отчете содержатся ре-
зультаты исследований 500 образцов для изучения минерального, гранулометрического и химического составов лессовых пород. Было выполнено 150 определений легкой и тяжелой фракций этих пород, 150 количественных и 510 приближенно-количественных спектральных, 251 химических, 203 рентгеноструктурных, 41 атомно-адсорбционных, 9 пламенно-фотометрических, 6 хромотографических, 141 гранулометрических анализов и 22 определения сорбционных и ионообменных свойств рассматриваемых пород. Все виды лабораторных работ были выполнены высококвалифицированными специалистами СНИИГГиМСа, а микроскопические исследования около 500 прозрачных шлифов и сыпучих проб были проведены самим диссертантом.
экспериментальных работ ^по выявлению jioBbix видов минерального сырья природоохранного и сельскохозяйственного назначения получены в лабораториях СНИИГГиМСа и птицефабриках Новосибирской области, а испытания физико-механических особенностей лессовых пород проводились на кафедре инженерной геологии АГТУ. Для более детального изучения вещественного состава, структурно-текстурного строения лессовых пород, характера их изменения по горизонтали и вертикали, установлении условий залегания были использованы материалы бурения 28 скважин глубиной до 12 м и общим объемом 257,4 погонных метра и 150 м разведочных канав на склоновых выходах лессовых пород «*л. левобережья Новосибирской области.
Методы исследований
Теоретической основой диссертационной работы являются труды основоположников геоэкологической науки в России академиков Е.М. Сергеева и В.И. Осипова, создателей нового ее направления - экологической геологии - профессоров В.Т. Трофимова и Д.Г. Зилинга, а также многих других исследователей этой проблемы. В работе использовались принципиальные положения новой экологической научной дисциплины - архитектурно-строительной геоэкологии профессора В.Е.Ольховатенко. .Цитологические исследования проводились с ис-
^> пользованием капитальных трудов академика Н.М.Страхова, Л.Б.Рухина,
(ТВ-
Ю.П.Казанского и др. Кроме того, для решения поставленных задач нашли применение новейшие теоретические разработки по проблемам литологии, изложенные в многотомном труде "Осадочные породы", три тома которых увидели свет в 1987, 1990 и 1994 гг., одним из авторов которых - диссертант. При решении вопросов региональной геологии использовались работы И.А.Волкова (1971), О.М.Адаменко (1974), СА.Архипова (1971), С.И.Черноусова, В.С.Арефьева, В.С.Осьмушкина и др. (1988), В.С.Зыкиной и др. (1981), а также много других публикаций этих же и иных авторов.
По вопросам инженерной геологии выводы делались на основе теоретических концепций Е.М.Сергеева, Н.И.Кригера, А.К.Ларионова, В.И.Осипова, В.Т.Трофимова, Б.Ф.Галая, Г.И.Швецова, Т.Г.Рященко, В.П.Ананьева, В.И.Коробкина, Г.М.Рогова, В.Е.Ольховатенко и многих других ученых. Конкретные результаты региональных исследований познавались из опубликованных работ А.Ф.Никитенко, В.С.Арефьева, Ф.С.Тофанюка,Т.А.Горбуновой, А.В.Минервина, Г.А.Сулакшиной, С.И.Черноусова, А.Я.Швецова и других.
Основные положения и выводы диссертации базируются на теоретических и экспериментальных исследованиях, многочисленных химических, спектраль- ных, рентгеноструктурных, атомно-адсорбционных и других видов лабораторных анализов, а также на описаниях прозрачных шлифов и препаратов из сыпучего материала под микроскопом и бинокуляром для детального изучения вещественного состава, структурно-текстурных особенностей пород, типо-морфных признаков слагающих их минеральных обломков., характера постсе-диментационных преобразований. При этом особое внимание уделено наиболее чувствительным минеральным индикаторам — глинистым и хемогенным минералам, идентификация которых контролировалась рентгеноструктурным и различными химическими анализами. Результаты литологических исследований сопоставлялись с инженерно-геологическими особенностями этих же по- род для установления закономерностей их взаимосвязи и факторов, влияющих на физико-механические параметры лессовых пород и на формирование экологических функций литосферы, представленной покровными четвертичными отложениями. Разработан специальный метод ускоренного и более точного картирования физико-механических свойств пород, в частности, просадочности и пористости с использованием литофациальных карт, карт типов почв и др. Обобщение и научная интерпретация полученных результатов исследований осуществлялись самим диссертантом. Большой объем фактического материала осмысливался и систематизировался по выделенным признакам с четкой де- тальной характеристикой по всем литологическим параметрам. На этой основе
• 6
методы оценки и прогноза форм проявлений экологических функций, .определялись критерии районирования и выделения природных экосистем разных уровней организации, а также создавались способы наиболее рационального и информативного их выражения.
Защищаемые положения :
1. Экологические функции четвертичных покровных отложений являются суммированным проявлением минералогических, геохимических, физико-механических, биологических и других свойств, приобретенных ими в процессе литогенеза и представляющих суть природных экосистем.
2. Цитологический состав покровных отложений формирует вещественную основу природных экосистем, их внутрисистемные и межсистемные связи, а физико-механические свойства пород определяют динамику функционирования природных экосистем и их экологическую устойчивость внешнему природному и техногенному воздействию.
3. Лесс представляет собой главный функциональный компонент четвертичных покровных отложений Верхнего Приобья, оказывающий наибольшее влияние на формирование экологических функции - инженерно- \J геологических особенностей, образование почвенного покрова, проявление биологических свойств горных пород и др.
4. Познание закономерностей литогенеза составляет научную основу изучения распространения и эволюции природных экосистем, необходимых для долгосрочных прогнозов естественных условий и экологических функций, для эко-геологического районирования, картирования, типизации природных систем и для создания теоретического обоснования рационального природопользования.
Научная новизна проведенных исследований
1. Установлены основные закономерности формирования четвертичных покровных отложений Верхнего Приобья, распределения их экологических функций и доминантной роли в осадконакоплении эоловых процессов.
\V' I 2. Составлено теоретическое обоснование механизма проявления
экологических свойств рассматриваемых отложений в зависимости от вещественных и геодинамических факторов. Выдвинута и обоснована электризационная гипотеза образования особых функциональных проявлений лесса.
3. Определены критерии выделения экосистем разных уровней организации со своими ресурсными, геодинамическими, биогеохимическими и другими возможностями.
4. Разработана облегченная и упрощенная методика экогеологического картирования с использованием имеющихся почвенных, литофациальных, геоморфологических и других карт.
5. Создана научная основа рационального природопользования на территории Верхнего Приобья с учетом эколого-функциональных возможностей четвертичных покровных отложений и их природно-ресурсного потенциала, вовлечения новых видов минерального сырья природоохранного и сельскохозяйственного назначения из местных пород, которые до этого в полезном качестве не использовались, а также изыскания новых технологий восстановления окружающей среды.
Установлена причина глобального распространения лесса только в умеренных климатических поясах.
Практическая значимость работы состоит в том, что установленные закономерности формирования экологических функций покровных отложений позволяют более дифференцировано и аргументировано производить прогнозы и оценки распределения их экологических ресурсов в пространстве и во времени, дают возможность предсказывать динамику изменения эколого-функциональных факторов в разных природных и техногенных условиях, а также использовать для предварительного определения устойчивости лессовых грунтов и характера их распределения. Практические внедрения результатов диссертационной работы засвидетельствованы соответствующими документами научно-исследовательского и проектно-изыскательского института "Ново-сибирсктеплоэлектропроект", ГУП 12 Военпроекта, Сибирского научно-исследовательского института геологии, геофизики и минерального сырья, участием в разработках двух госбюджетных тем - № гос.регистрации 01970000747 "Совершенствование методов расчета оснований зданий и сооружений на лессовых грунтах Западной Сибири с учетом выявленных закономер-
•ногтей их деформирования" 2001 г., № гос.регистрации 01.200.112718 "Иссле-дования изменения прочности лессовых грунтов в основании реконструируемых зданий и сооружений на базе микроструктурного анализа" 2002 г., выполненных на кафедре ОФИГиГ Алтайского государственного технического университета, и госбюджетной темы № гос.регистрации 0198 000 9389 "Теоретическое обоснование геодезическо-гравиметрического мониторинга локальной техногенной геодинамики и деформации ", выполненной по плану НИР 1996-1999 гг. в Сибирской государственной геодезической академии. Имеются два авторских свидетельства на изобретения: авторское свидетельство 1666030 "Минеральные добавки в корм для сельскохозяйственной птицы", 19.01.1989. Бюлл.28; авторское свидетельство 1635955 "Способ приготовления корма с минеральными добавками для сельскохозяйственной птицы". 4.04.1989. Бюлл. № 11, 7 научно-тематических отчетов, многочисленные рекомендации которых внедрены в производство с высоким экономическим эффектом.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на многочисленных научных и научно-практических совещаниях: Всесоюзной конференции "Эволюция осадочного процесса на континентах и океанах" (Новосибирск, АН СССР, 1981), Всесоюзной научно-технической конференции "Общие проблемы геоэкологии" (Москва, АН СССР, 1982), 28-ом всемирном геологическом конгрессе (Москва, АН СССР, 1984), научно-практической конференции "Основные направления экономического развития Алтайского края в 12-ой пятилетке на период до 2000 г." (Барнаул, Крайсо-вет, 1984), Всесоюзной конференции "Проблемы прогноза, поисков и разведки месторождений неметаллических полезных ископаемых" (Казань, ВНИИгеол-неруд,1986), 16-ом Всесоюзном совещании "Глинистые минералы и породы, их использование в народном хозяйстве" (Новосибирск, АН СССР, 1988), Международной конференции "Проблемы геологии Сибири" (Томск, ТГУ, 1996),
^ конференции "Природные минералы на службе человека" (Новосибирск, СО
РАН, НМА, 1997), Международной научно-практической конференции "Гуманизм и строительство на пороге третьего тысячелетия" (Барнаул, АГТУ, 1999), научно-практической конференции "Проблемы экологии в программах профессионального образования" (Новосибирск, СО РАН, 2000), 59-ой научно-технической конференции НГАСУ (Новосибирск, 2002), 54-ой научно-технической конференции "Современные проблемы геодезии и оптики. Секция геоэкологии" (Новосибирск, 2004), Международной научной конференции "Инженерная геология массивов лессовых пород" (Москва, 2004).
\Ш) Структура диссертационной работы, публикации и персоналии
Диссертация состоит из общей характеристики работы, введения, семи глав, заключения, общим объемом 303 страниц текста, 44 рисунка, 14 таблиц, списка использованной литературы из 205 наименований и 8 фондовых научных отчетов. По теме работы опубликованы две монографии, в пяти других монографиях рассматриваемым вопросам посвящены отдельные разделы. Список опубликованных работ состоит из 30 названий, семь из которых монографии.
В работе над диссертацией автор пользовался постоянной и многосторонней поддержкой научного консультанта, Заслуженного деятеля науки и техники РФ, доктора геолого-минералогических наук, члена-корреспондента Российской академии архитектуры и строительных наук, профессора Г.И.Швецова, доктора технических наук, действительного члена Международной Академии наук экологии, безопасности человека и природы, профессора Ю.П.Гуляева, за что выражает им глубокую благодарность. Диссертант признателен за помощь, консультации, совместные эксперименты и критические замечания В.К.Козловой, В.С.Кусковскому, Ю.Н.Занину, В.С.Старосельцеву, Г.Н. Черкасову, В.А.Казанцеву, Л.П.Рихванову, Ю.И.Лоскутову, В.С.Зыкиной, СИ. Черноусову, В.С.Храпову, И.В.Носкову, СГ.Камаеву, О.А.Коробовой,
10
Л.В.Нуждину, В.М.Евтушенко, А.И.Ларичеву, Л.В.Смирнову, В.М. Лазареву, Т.А. Дивиной и др. Особая благодарность за техническую помощь выражается Л.А. Никитиной.
11
V)
ВВЕДЕНИЕ
В последние десятилетия на территории нашей страны, особенно в районах интенсивного промышленного и сельскохозяйственного развития с использованием несовершенных технологий, недостаточным соблюдением элементарных мероприятий по охране окружающей среды происходит ускоренная деградация биосферы, сферы существования жизни, ведущая к экологическому бедствию и непредсказуемым техногенным катастрофам. По данным на 1994 г. 34 % территории России занимают площади с высокой экологической напряженностью и только 17 % с низкой, соответствующей малозаселенным районам севера, Сибири и Дальнего Востока [46,196].
Преобразующее воздействие человеческой деятельности на природу есть закономерное явление, оно неизбежно и усиливается по мере роста численности населе-ния, распространения процессов урбанизации, научно-технического прогресса, увеличение числа и объема веществ, а также расширения пространств, вовлекаемых в хозяйственный оборот. С каждым годом взаимодействие между человеком и природой становится все более интенсивным. Наибольшим экологическим преобразованиям подвергается самая верхняя часть литосферы- главного составляющего и функционального компонента окружающей среды. Человек, вступая во взаимодействие с литосферой, изменяет и нарушает ее первичное равновесное состояние, затем сам испытывает обратную, большей частью негативную, реакцию этой геологической среды. Им созданы искусственные и им же управляемые природно-технические системы, существенно перестраивающие природную обстановку. Появление новых технологий и технических средств только увеличивают последствия техногенеза, вследствие чего противоречия во взаимоотношениях между обществом и природой достигли уровня, когда нарушение окружающей среды превышает предел выносливости биосферы, ее экологической емкости и приобрели такие большие масштабы, близкие к критическим отметкам и представляют собой реальную угрозу экологических бедствий. Это еще раз подтверждает мнение В. И. Вернадского, высказанное им еще в 1904 г., что человеческая деятельность превратилась в мощную преобразующую Землю силу, сопоставимую с геологическими процессами [39]. Из чего следует, что сохранение высоких темпов эксплуатации природной среды ускорит трансформацию природных экосистем, разрушение установившихся естественных связей, которые ведут к нежелательным последствиям. Быстрая деградация биосферы под техногенным воздейст-
12
вием делает реальностью глобальные природные катастрофы в недалеком будущем, если не будут приняты соответствующие меры по их предотвращению.
Существующая экологическая обстановка требует повышенного внимания к проблеме охраны окружающей среды, разработке ресурсосберегающих и безотходных технологий производства и рациональному использованию природных ресурсов с минимальным уроном для естественной среды. Осознание необходимости решения задач по сохранению биосферы привело в последние десятилетия к быстрой экологизации многих естественных и неестественных наук, а прикладная экология фактически вошла в новую науку- геоэкологию, объединяющую целый ряд дисциплин, изучающих биосферу и связанных с нею процессы. Одной из них является экологическая геология, представляющая новое направление в геологии, которая исследует законо-мерности формирования и пространственно-временного изменения экологического качества верхней оболочки литосферы и ее экологических функций, т. е. познание экологических качеств и свойств верхних горизонтов земной коры как одного из основных абиотических компонентов биосферы со своими многофакторными условиями развития- разнообразным минеральным составом, геохимическим и гидрохимическим режимами, физико-механическими показателями, газовыми и температурными характеристиками, влияющими на существование жизни и преобразующимися под воздействием природных сил и техногенеза.
Постановка таких геоэкологических исследований на территории Верхнего Приобья, одном из самого развитого в промышленном и сельскохозяйственном от- ношении региона, имеет важное и актуальное научное и практическое значение. По-лученные результаты исследований составляют фактологическую основу теории и методов оценки устойчивости приповерхностной части литосферы к природным и техногенным воздействиям, прогнозирования состояния и динамики изменений экологических функций литосферы под влиянием тех же факторов, обоснования инженерной защиты территорий от природных и антропогенных геологических процессов, могущих ухудшить экологическую обстановку, а также обеспечения принципами научно-аргументированного рационального использования природных ресурсов, размещения промышленных и сельскохозяйственных объектов, геоэкологического картирования, выделения природных и природно-техногенных экосистем, разработки критериев районирования территории, паспортизации и кадастра.
13
v Территория Верхнего Приобья расположена на самой заселенной части юго-
востока Западной Сибири, где сконцентрировано более 58 % ее населения. Здесь сосредоточены важные промышленные объекты, побочные продукты производства которых сильно загрязняют атмосферу, гидросферу и литосферу, приводят к гибели биоценозов и наносят сильный вред здоровью человека. С другой стороны экстенсивное землепользование способствует разрушению плодородного почвенного слоя, усилению эрозии и оврагообразования.
Поверхностные четвертичные отложения в этом регионе представлены преимущественно лессом и лессовидными накоплениями, образующие мощные покровы на равнинных плато, плоскогривных междуречьях и занимают обширные площади прилегающих к ним равнин. Они являются главным объектом эксплуатации в форме промышленного развития региона и интенсивной сельскохозяйственной деятельности человека. На них стоят такие крупные города как Новосибирск, Барнаул и др. По ним пролегают большинство дорог, и воздвигнуты многие другие элементы инфраструктуры-Лессовые карьеры - основной источник сырья для многочисленных кирпичных заводов. Лесс и подобные породы составляют наиболее благоприятный почвообра-зующий субстрат, от которого зависят плодородие полей и продуктивность лугов и пастбищ. Некоторые виды лесса успешно применяются в качестве биостимулирую-щих минеральных добавок в рационе сельскохозяйственных животных для повышения экономической эффективности их разведения. По лессовым отложениям проложили свои русла все реки этого региона, они же служат ложем большинства степных
ф озер. Такая огромная природоформирующая роль сочетается с очень сильной неус-
тойчивостью лессовых пород к внешним воздействиям, обусловленной генетическими структурными особенностями. Они обладают наибольшей пористостью и проса-
дочностью.
»
Из вышеизложенного ясно, что четвертичные покровные отложения Верхнего Приобья являются главным абиотическим функциональным компонентом биосферы этого региона, вещественной основой природных экосистем и носителем инженерно-геологических и других свойств, в детальном изучении которых заключается решение рассматриваемых научных и практических геоэкологических проблем.
Установление закономерностей формирования экологических функций четвертичных покровных отложений, формы их проявления и влияния на окружающую ере-
14
ду, образования природных и природно-техногенных экосистем является основными задачами проведенных исследований. Подобные научные работы со всесторонним геоэкологическим анализом проводятся для рассматриваемого региона впервые.
Рассматриваемая в диссертации территория Верхнего Приобья охватывает бассейн Верхней Оби от точки слияния рек Бии и Катуни до г. Колывани. В административном отношении эта территория входит в состав юго-востока Новосибирской области и степной части Алтайского края.
to
15
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ
Как научное направление, имеющее теоретическую основу, определенный объект и собственные методы исследований, геоэкология является очень молодой отраслью знаний, быстрое и разносторонне развитие которой началось только в конце прошлого столетия и связано с нарастающим ухудшением экологического состояния окружающей среды под воздействием антропогенных факторов. В настоящее время геоэкологические проблемы приобретают глобальный характер и нарастает по мере усиления и расширения техногенеза и его влияния на окружающую среду через добычу полезных ископаемых, интенсификацию сельскохозяйственного производства, урбанизацию и возведение различных зданий и сооружений, а также через освоение новых территорий.
Это естественно-научное направление исследований возникло не на пустом месте. Особое место в заложении теоретических основ геоэкологических исследований в науках о Земле принадлежит выдающемуся ученому прошлого столетия, академику В. И. Вернадскому, создавшему учение о биосфере— земной оболочке существования жизни, взаимодействия живого и костного вещества [39]. Он подчеркнул важность изучения процессов взаимосвязи живого вещества с атмосферой, гидросферой и литосферой, без знания которых невозможно понять жизнь биосферы, ее законы и эволюцию. В.И.Вернадский предсказал возрастающее воздействие человека на природу через химические преобразования состава природных вод, использование ресурсов земной коры, изменения рельефа. В своей работе о химическом строении биосферы он обратил особое внимание на роль в ней костного вещества. Он пишет: «... химический состав биосферы не является одинаковым во всем лике Земли, но резко меняется как функция литологического состава и климатических зон в разных местах биосферы в связи с литологией верхней части планеты» [40, стр. 65]. По его мнению?с научно-техническим прогрессом произойдет перестройка биосферы в ноосферу, высшую стадию развития биосферы, которая связана с возникновением и становлением в ней цивилизованного человечества, когда разумная человеческая деятельность становится определяющим фактором развития на Земле. Характер и масштаб влияния этой деятельности на природу будет зависеть от степени научного познания и научного мировозрения общества.
16 |
