Полезные ископаемые и их классификация

Для литосферы присущи следующие экологические функции:

1) ресурсная (обеспеченность различными видами природных ресурсов, необходимых для биоты и человека);

2) геодинамическая (наличие нарушений верхних частей литосферы вследствие эндо- и экзогенных, естественных и искусственных процессов);

3) геохимическая (содержание химических элементов, необходимых для биоты и человека, а также наличие загрязняющих веществ);

4) геофизическая (наличие физических полей).

При рассмотрении каждой функции выявляются экологические последствия или добычи полезных ископаемых, или нарушений литосферы, или накопления химических элементов; раскрывается влияние физических полей на живые организмы.

Топливно-энергетические ресурсы

К основным полезным ископаемым относятся топливно-энергетические ресурсы, которые используются для производства энергии и в качестве топлива. К топливно-энергетическим ресурсам относится нефть, каменный и бурый уголь, газ, сланцы, уран. Каждый вид топливного сырья обладает определенной теплотворностью. Теплотворность – это количество энергии, выделяющееся при сжигании единицы топлива. Значительной теплотворностью выделяется нефть и газ.

Топливное сырье неравномерно размещено на территории земного шара. Самыми значительными объемами обладает Северная Америка и Евразия (здесь сосредоточено 87% общего энергопотенциала). К основным видам топливного сырья относятся нефть, газ, уголь.

Нефть - наиболее важный и эффективный вид топливного сырья. Отличается высокой калорийностью и теплотворностью, низким содержанием загрязняющих соединений. Нефть легко транспортируется и в процессе переработки из нее получают широкой ассортимент продуктов.

Месторождения нефти неравномерно размещены по земному шару. 62% всего нефтяного запаса мира сосредоточено на Аравийском полуострове и акватории Персидского залива; 11% мировых запасов нефтив Северной Америке, 7% в Африке и России, 9% в Южной Америке Перспективными являются месторождения нефти в шельфовой зоне морей и океанов, на материковом склоне (600-900 м). На морские месторождения в настоящее время приходится 25% общемировой добычи нефти. Крупные запасы нефти – в нефтеносных песках, горючих сланцах, битуминозных породах (содержат так называемую тяжелую нефть). Освоить эти запасы в промышленных масштабах пока не удается. Мировые энергетические потребности на 32% удовлетворяются за счет нефти.

Природный газ размещен в недрах Земли еще более неравномерно. Первое место в мире по ресурсам газообразного топлива занимает Россия (месторождения Западной Сибири). Значительные месторождения газа расположены в странах Ближнего и Среднего Востока (особенно велики ресурсы в Иране, Саудовской Аравии, на акватории Персидского залива). Меньше запасы в США, Северной Африке, Венесуэле. Перспективны – шельфовые зоны Мирового океана.

В мировом энергетическом балансе на долю природного газа приходится 17%, в ряде стран (США, Западной Европе, Японии) выше. В отличие от нефти газовый потенциал увеличивается быстрее добычи (примерно в 2 раза), кроме того более половины площади шельфа еще не исследовано в отношении газоносности, а на подводные газопромыслы приходится 15% общемировой добычи газа. На суше изучены лишь 30% перспективных на это сырье тектонических структур. Еще один резерв этого вида топливного ресурса – газосбережение.

Угленосные бассейны размещены неравномерно на территории земного шара. На долю России и сопредельных государств, США, Китая и ЮАР приходится более 90% извлекаемых ресурсов каменного угля. Крупными запасами обладают Польша, Германия, Австралия, Великобритания и другие страны.

До 60-х годов в структуре топливного баланса доминировал уголь (более 50%). В 80-х годах в связи с использованием нефти и газа доля угля сократилась (до 28%). В настоящее время за счет углей производилось до 30% энергии мира (причина – нестабильность мирового рынка).

Ядерным сырьем земной шар обеспечен неодинаково. Более 28% ресурсов ядерного сырья приходится на США и Канаду, 23% – на Австралию, 14% на ЮАР, 7% – на Бразилию. В остальных странах запасы урана незначительны. Ресурсы тория находятся в Индии (почти половина ресурсов), в Австралии, Бразилии, Малайзии и США.

Альтернативные источники энергии

К нетрадиционным энергетическим ресурсам относятся солнечная, ветровая, приливная, геотермальная, биоконверсионная энергии.

Общее количество солнечной энергии в 20 тысяч раз превышает современное потребление энергии мировым хозяйством. Так как плотность солнечного излучения на поверхности суши столь мала (даже в тропических пустынях днем она равна 5-6 кВт ч/м 2 в день, в умеренных – 3-4 кВт ч/м 2), то ее трудно технически освоить. Сейчас используются солнечные печи для получения низкотемпературного топлива.

Ветровая энергия издавна используется в Англии, Голландии, Франции и других странах, в небольших масштабах. Общие ресурсы ветровой энергии огромны, но строго локализованы. В Дании и других странах Европейского Севера ветряные двигатели дают не менее 12% энергии. Однако технические трудности при освоении энергии ветра значительны.

Приливная энергия реально используется на нескольких ПЭС: в России (Кислогубская), во Франции (устье Гаронны). Трудность использования энергии заключается в преобразовании ударной силы волны в гравитационнные, тепловые и электрические формы энергии.

Биоконверсионная энергия – энергия, аккумулированная в биомассе. Издавна древесина используется в качестве источника топлива. Существуют опытные разработки по получению биогаза из отходов сельского хозяйства, но в промышленных масштабах этот процесс еще не разработан. Биогаз состоит на 60-70% из метана (с теплотворной способностью – 5000 ккал на 1 м 3), при этом процесс выходов газа непрерывен, а получаемый остаток – шлам – является хорошим удобрением.

Геотермальная энергия – внутренняя энергия Земли. Нормальный температурный градиент Земли – 3 о С на 100 м глубины, в отдельных местах до 5 о С на 100 м. Геотермальные электростанции действуют в Италии, США, Японии, Исландии и др. В Калифорнии 7% энергии получают от гидротермальных источников. Ресурсы разогретых эндогенным теплом горных пород в 20 раз превышают запасы горючих ископаемых.

Нефть и газ (добываются)

Белорусские месторождения нефти и попутного газа расположены в восточной части Припятского прогиба.

На 2010 год было обнаружено и разведано около 75 месторождений, крупнейшие из которых: Речицкое, Осташковичское и Вишанское.

Почти все нефтяные залежи месторождений приурочены к девонским отложениям (подсолевая терригенная, подсолевая карбонатная, межсолевая, верхняя солевая толщи девона), и лишь 2 залежи – к верхнепротерозойским.

Промышленная добыча началась в 1965 и за все время было добыто уже более 115 млн тонн. Сейчас ежегодная добыча нефти составляет 1,5 млн т в год (для нужд республики необходимо более 12 млн т нефти в год). Максимальная годовая добыча была в 1975 г. - 8 млн т.

Горючие сланцы (не добываются)

Месторождения горючих сланцев Беларуси – Любанское и Туровское, приурочены к надсолевой девонской толще Припятского прогиба. Качество низкое - высокое зольность.

Про­гнозные ресурсы горючих сланцев в Припятскомсланценосном бассейне до глубины 600 м составляют 11 млрд т, в том числе до глу­бины 300 м - 5,5 млрд т.

Бурые угли (не добываются)

Месторождения бурых углей Беларуси обнаружены в отложениях различного возраста: в карбоне, юре, палеогене и неогене . Однако наибольшую ценность пока представляют именно неогеновые угли.

В западной части Припятского про­гиба выявлено 3 месторождения именно неогенового возраста: Житковичское, Бриневское и Тонежское. Глубина залегания 20-80 м, что позволяет добывать угли открытым (карьерным) способом.

Запасы на этих 3 месторождениях – более 100 млн т.

Торф (добывается)

Месторождения торфа в Беларуси распространены почти повсеместно, возраст этого полезного ископаемого четвертичный .

В Беларуси выявлено около 9200 месторож­дений, в которых сосредоточено 3 млрд т торфа. Эксплуатируется по­рядка 400 месторождений, ежегодно добывается 13-15 млн т. За все годы разработки торфяных залежей добыто 1,1 млрд т торфа.

Химическое сырье Беларуси

Калийные соли (добываются)

Калийные соли- основное минеральное богатство Беларуси, важнейший экспортный товар.

Они залегают в Припятском прогибе и связаны с нижней и верхней солевыми толщами верхнегодевона.

Основные месторождения калийной соли в Беларуси – Старобинское (запасы 2,7 млрд т) – разрабатывается, Петриковское (запасы 1,28 млрд т) и Октябрьское месторождения (запасы 637,2 млн т).

Общие промышленные запасы калийных солей – более 5 млрд т, по этому показателю Беларусь занимает 3 место в мире после Канады и России.

Промышленная добыча калийной соли была начата в 1961 году, сейчас годовая добыча калийных солей в Беларуси составляет около 20 млн тонн, из которых ежегодно производится более 8 млн т калийных удобрений.

Каменная соль (добывается)

Каменная соль - одно из важнейших полезных ископаемых Беларуси. Ее ресурсы, приуроченные кдевонским солевым толщам Припятского прогиба, практически неисчерпаемы.

В настоящее время разведаны три крупнейших месторождения: Мозырское, Старобинское и Давыдовское. Два первых эксплуатируются.

Суммарные запасы – около 22 млрд т.

Доломиты (добываются)

Месторождения доломита в Беларуси расположены на Оршанской впадине, приурочены к девонским отложениям.

Разведанное и разрабатываемое месторождение доломитов - Руба (Витебский район). Среднее содержание карбонатов около 94 %.

Месторождение разрабатывается открытым способом (карьер Гралево). Ежегодная добыча 3-4 млн т доломита. Основная продукция - доломитовая мука для известкования кислых почв.

Общие разведанные запасы месторождения составляют 755 млн т.

Фосфориты (не добываются)

Месторождения фосфоритов в Беларуси расположены на Оршанской впадине, приуроченыверхнемеловым отложениям.

Разведанные месторождения фосфоритов – Мстиславское (запасы 175 млн т), Лобковичское (запасы 246 млн т).

Металлические полезные ископаемые Беларуси

Пески (добываются)

Стекольные пески Беларуси разведаны (пока не добываются) в Гомельской (Лоевское) и Брестской (Городное) областях. Их общие запасы 15 млн м3. Стекольные пески пригодны для получения оконного и тарного стекла.

Формовочные пески Беларуси – Жлобинский и Добрушский р-ны. Суммарные запасы – 100 млн т. Ежегодно добывается около 0,6 млн м3 формовочных песков.
Песчано-гравийные смеси – север и центр Беларуси, 136 месторождений с об­щими запасами более 700 млн м 3 ; эксплуатируется 82 месторождения., суммарные запасы – 660 млн т. Ежегодно добывается около 3 млн м3 песчано-гравийныхматериалов. Они применяются, в основном, для приготовления бетонов и строительных растворов.

Глины (добываются)

Месторождения расположены на юге территории Беларуси.

Разведано более 210 месторождений легкоплавких глин (Витебская обл.) с об­щими запасами около 200 млн м 3 . Разрабатывается более 110 место­рождений, ежегодно добывается 2,5-3,5 млн м 3 сырья.

Тугоплавкие глины – на юге Беларуси (Лунинецкий, Лоевский, Столинский р-ны), около 20 месторождений.

Мел и мергель (добываются)

Месторождения мела и мергелей расположены в основном на востоке Беларуси, встречаются на западе страны. На площадях их неглубокого залегания, главным образом, в Кричевском, Климовичском, Костюковичском и Чериковском районах Могилевской области, Волковысском и Гродненском районах Гродненской области разведан целый ряд месторождений. Одни из них (например, Кричевское) представлены писчим мелом, другие (Коммунарское) - мергелем, третьи (Каменка) - мергелем и писчим мелом.

Суммарные запасы - около 270 млн т.

Гипс (не добывается)

Бриневское месторождение гипса расположено на западе Припятского прогиба и приурочено кверхнедевонским отложениям.

Запасы гипса 400 млн т.

Строительный камень (добывается )

Месторождения строительный камень в Беларуси Микашевичи и Ситница (Брестская область), Глушкевичи и Карьер Надежды (Гомельская область).

На месторождении Микашевичи (самое крупное) годовая добыча камня составляет около 3,5 млн м 3 , производство щебня - 5,5 млн м 3 , на месторождении Глушкевичи - 0,1 млн м 3 и 0,2 млн м 3 соответственно.

Лекция 2.1. Общие сведения о ресурсах литосферы

1. Полезные ископаемые и их классификация

2. Топливно-энергетические ресурсы

3. Альтернативные источники энергии

4. Минеральные ресурсы Беларуси.

Ресурсная функция

Ресурсная функция верхних горизонтов литосферы заключается в ее потенциальной способности обеспечения потребностей биоты (экосистем) абиотическими ресурсами, в том числе и потребностей человека теми или иными полезными ископаемыми, необходимыми для существования и развития человеческой цивилизации. (Королев, 1996; Трофимов, Зилинг, 2000, 2002).

Ресурсная функция является базовой в системе «литосфера-биота», так как с ней связаны не только условия жизни и эволюции биоты, но и сама возможность ее существования.

Данная функция определяет роль ресурсов (минеральных, органических, и органо-минеральных) для жизни и деятельности биоты как в качестве биогеоценоза, так и социальной структуры. Ресурсная функция литосферы обусловливает значение минерального, органического и ее органоминерального сырья, составляющего основу для жизнедеятельности биоты как в качестве биогеоценозов, так и антропогеоценоза (Ясаманов, 2003).

По мнению В.Т. Трофимова и др. (2000), она включает следующие аспекты:

· ресурсы,необходимые для жизни и деятельности биоты,

· ресурсы,необходимые для жизни и деятельности человеческого общества,

· ресурсы, как геологическое пространство, необходимое для расселения и существования биоты, в том числе и человеческого общества.

Первые два аспекта связаны с минерально-сырьевыми ресурсами, а последний, - с экологической емкостью геологического пространства, в пределах которого происходит жизнедеятельность организма.

С позиций биоцентризма потребности человека не должны вступать в противоречие с потребностями биоты в целом. Среди природных ресурсов на Земле по их значимости для развитых государств на первом месте стоят энергоресурсы. При современном уровне развития промышленности в мире технологическая энергетика создает и трансформирует огромное, если рассматривать планету в целом, количество энергии. Около 70% добываемых полезных ископаемых в мире составляют энергоресурсы. Следовательно, можно говорить о соизмеримости техногенного энергетического потенциала с энергетическим потенциалом Земли естественного происхождения, особенно на урбанизированных территориях.

Ресурсы литосферы, необходимые для жизнедеятельности биоты

Они представлены горными породами и минералами, которые включают химические элементы биофильного ряда, жизненно необходимые для роста и развития организмов, кудюриты -- минеральное вещество кудюров, являющегося минеральной пищей литофатов. и подземные воды. Углерод, кислород, азот, водород, кальций, фосфор, сера, калий, натрий и ряд других элементов требуются организмам в значительных количествах, поэтому они называются макробиогенными. Микробиогенными элементами для растений являются Fе, Мn, Сu, Zn, В, Si, Мо, С1, V, Са, обеспспечивающие процессы фотосинтеза, азотного обмена и метаболическую функцию.

Для животных требуются те же элементы, кроме бора. Часть из них они получают, используя в пищу продуценты, часть -- из минеральных соединений и природных вод. Кроме того для животных (консументов первого и второго порядков) дополнительно требуются селен, хром, никель, фтор, йод и др. Эти элементы в малых количествах жизненно необходимы для деятельности

организмов и выполнения биогеохимических функций.

Одни из перечисленных элементов находятся в газообразном состоянии в атмосфере, другие растворены в водах гидросферы или находятся в связанном состоянии в почвенном покрове и литосфере. Растения (продуценты) извлекают в процессе своей жизнедеятельности эти элементы непосредственно из грунтов вместе с почвенными и грунтовыми водами.

Минеральные вещества кудюров являются эпизодической пищей травоядных (консументы первого порядка) и всеядных (консументы третьего порядка) животных. Они употребляют их вместе с пищей по крайней мере два раза в год. Кудюры предназначены для регуляции солевого состава организма. В основном это минералы группы цеолитов. Стимуляторами роста растений, животных и рыб кроме цеолитов являются такие глинистые минералы, как бентониты, палыгорскиты, а также глауконит и диатомит.

Подземные воды -- основа для существования биоты, определяют направленность и скорость биохимических процессов растений и животных.

Минеральные ресурсы, необходимые для жизни и деятельности человеческого общества

К ним относятся все существующие полезные ископаемые, которые используются человечеством для производства необходимых материалов и энергии, В настоящее время из недр извлекается более 200 видов полезных ископаемых и объем годовой добычи минерального сырья достигает порядка 20 млрд т горной массы в год.

Наиболее важные группы полезных ископаемых и основные направления их использования показаны на рис. 4.

рис. 4.

Экологическое значение подземных вод огромно. Основные направления их использования и объемы потребления (км/год) приведены ниже.

65. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ ЛИТОСФЕРЫ: РЕСУРСНАЯ, ГЕОДИНАМИЧЕСКАЯ, ГЕОФИЗИКО-ГЕОХИМИЧЕСКАЯ

Люди еще в древности научились применять для своих нужд некоторые из ресурсов литосферы и других оболочек Земли, что нашло свое отражение в названиях исторических периодов развития человечества: «каменный век», «бронзовый век», «железный век». В наши дни используется более 200 различных видов ресурсов. Все природные ресурсы четко следует отграничивать от природных условий.

Природные ресурсы – это тела и силы природы, которые на данном уровне развития производительных сил и изученности могут быть использованы для удовлетворения потребностей человеческого общества в форме непосредственного участия в материальной деятельности.

Под полезными ископаемыми понимаются минеральные образования земной коры, которые могут эффективно использоваться в хозяйственной деятельности человека. Распространение полезных ископаемых в земной коре подчиняется геологическим закономерностям. К ресурсам литосферы относятся топливные, рудные и нерудные полезные ископаемые, а также энергия внутреннего тепла Земли. Таким образом, литосфера выполняет одну из важнейших для человечества функций – ресурсную – снабжение человека почти всеми видами известных ресурсов.

Кроме ресурсной функции, литосфера выполняет и еще одну важную функцию – геодинамическую. На Земле непрерывно проходят геологические процессы. В основе всех геологических процессов лежат разные источники энергии. Источником внутренних процессов является тепло, образующееся при радиоактивном распаде и гравитационной дифференциации веществ внутри Земли.

С внутренними процессами связаны различные тектонические движения земной коры, создающие основные формы рельефа – горы и равнины, магматизм, землетрясения. Тектонические движения проявляются в медленных вертикальных колебаниях земной коры, в образовании складок горных пород и тектонических разломов. Постоянно происходит изменение внешнего облика земной поверхности под воздействием литосферных и внутриземных процессов. Мы воочию можем находятся лишь немногие из таких процессов. К ним, в частности, относятся такие грозные явления, как землетрясения и вулканизм, вызванные сейсмической активностью внутриземных процессов.

В разнообразии химического состава и физико-химических свойств земной коры и заключается следующая функция литосферы – геофизико-геохими-ческая. По геологическим и геохимическим данным до глубины 16 км подсчитан усредненный химический состав пород земной коры: кислород – 47 %, кремний -27,5 %, алюминий – 8,6 %, железо – 5 %, кальций, натрий, магний и калий – 10,5 %, на все остальные элементы приходится около 1,5 %, в том числе на титан – 0,6 %, углерод – 0,1 %, медь -0,01 %, свинец – 0,0016 %, золото – 0,0000005 %. Очевидно, что первые восемь элементов составляют почти 99 % земной коры. Выполнение литосферой данной, не менее важной, чем предыдущие, функции приводит к наиболее эффективному хозяйственному использованию практически всех слоев литосферы. В частности, наиболее ценным по своему составу и физико-химическим свойствам является верхний тонкий слой земной коры, обладающий естественным плодородием и именуемый почвой.

Люди еще в древности научились применять для своих нужд некото­рые из этих ресурсов, что нашло свое выражение в названиях истори­ческих периодов развития человечества: «каменный век», «бронзовый век», «железный век». В наши дни используются более 200 различных видов минеральных ресурсов. По образному выражению академика А. Е. Ферсмана (1883-1945), ныне к ногам человечества сложена вся периодическая система Менделеева.

Полезные ископаемые - это минеральные образования земной ко­ры, которые могут эффективно использоваться в хозяйстве, скопле­ния полезных ископаемых образуют месторождения, а при больших площадях распространения - бассейны.

Распространение полезных ископаемых в земной коре подчиняет­ся геологическим (тектоническим) закономерностям (табл. 7.4).

Топливные полезные ископаемые имеют осадочное происхожде­ние и обычно сопутствуют чехлу древних платформ и их внутренним и краевым прогибам. Так что название «бассейн» отражает их проис­хождение довольно точно - «морской бассейн».

На земном шаре известно более 3,6 тыс. угольных бассейнов и ме­сторождений, которые в совокупности занимают 15% территории зем­ной суши. Основная часть ресурсов угля приходится на Азию, Север­ную Америку и Европу и сконцентрирована в десяти крупнейших бас­сейнах Китая, США, России, Индии, Германии.

Нефтегазоносных бассейнов разведано более 600, разрабатывает­ся 450. Общее число нефтяных месторождений достигает 35 тыс. Ос­новные запасы находятся в Северном полушарии и являются отложе­ниями мезозоя. Главная часть этих запасов также сконцентрирована в небольшом числе крупнейших бассейнов Саудовской Аравии, США, России, Ирана.

Рудные полезные ископаемые обычно приурочены к фундаментам (щитам) древних платформ, а также к складчатым областям. В таких областях они нередко образуют огромные по протяженности рудные (металлогенические) пояса, связанные своим происхождением с глу­бинными разломами в земной коре. Ресурсы геотермальной энергии особенно велики в странах и районах с повышенной сейсмической и вулканической активностью (Исландия, Италия, Новая Зеландия, Филиппины, Мексика, Камчатка и Северный Кавказ в России, Кали­форния в США).

Для хозяйственного освоения наиболее выгодны территориальные сочетания (скопления) полезных ископаемых, которые облегчают комплексную переработку сырья.

Добыча минеральных ресурсов закрытым (шахтным) способом в мировых масштабах ведется в зарубежной Европе, Европейской час­ти России, США, где многие месторождения и бассейны, находящиеся в верхних слоях земной коры, уже сильно выработаны.

Если полезные ископаемые залегают на глубине 20-30 м, выгоднее снять бульдозером верхний слой горной породы и вести добычу от­крытым способом. Открытым способом добывают, например, желез­ную руду в районе Курска, уголь на некоторых месторождениях Сибири.

По запасам и добыче многих минеральных богатств Россия занимает одно из первых мест в мире (газ, уголь, нефть, железная руда, алмазы).

В табл. 7.4 показана зависимость между строением земной коры, рельефом и размещением полезных ископаемых.

Таблииа 7.4

Залежи полезных ископаемых в зависимости от строения и возврата участка земной коры и форм рельефа

Формы рельефа	Строение и возраст участка земной коры	Характерные полезные ископаемые	Примеры
Равнины	Щиты архейско-протерозойских платформ	Обильные месторожде­ния железных руд	Украинский щит, Балтийский щит Русской платфор­мы
	Плиты древних платформ, чехол ко­торых сформировал­ся в палеозойское и мезозойское время	Нефть, газ, каменный уголь, строительные ма­териалы	Западно-Сибир­ская низменность, Русская равнина
Горы	Молодые складча­тые горы альпийско­го возраста	Полиметаллические ру­ды, строительные мате­риалы	Кавказ, Альпы
	Разрушенные складчато-глыбовые горы мезозойской, герцинской и каледон­ской складчатостей	Самые богатые полез­ными ископаемыми структуры: руды черных (железо, марганец) и цветных (хром, медь, никель, уран, ртуть) ме­таллов, россыпи золота, платины, алмазов	Казахский мелко-сопочник
	Омоложенные горы мезозойской и па­леозойской складча-тостей	Руды черных и цветных металлов, коренные и россыпные месторожде­ния золота, платины и алмазов	Урал, Аппалачи, горы Централь­ной Европы
Матери­ковая отмель (шельф)	Краевые прогибы	Нефть, газ	Мексиканский за­лив
	Затопленная часть плит, платформ	Нефть, газ	Персидский залив
Дно океана	Абиссальные равни­ны	Железо-марганцевые конкреции	Дно Северного моря

Гидросфера

Гидросфера (от греч. hydro - вода и sphaira - шар) - водная оболочка Земли, представляющая собой совокупность океанов, морей и конти­нентальных водных бассейнов - рек, озер, болот и др., подземных вод, ледников и снежных покровов.

Полагают, что водная оболочка Земли образовалась в раннем архее, то есть примерно 3800 млн лет назад. В этот период истории Зем­ли на нашей планете установилась температура, при которой вода мог­ла находиться в значительной мере в жидком агрегатном состоянии.

Вода как вещество обладает уникальными свойствами, к числу ко­торых относятся следующие:

♦ способность к растворению очень многих веществ;

♦ высокая теплоемкость;

♦ нахождение в жидком состоянии в интервале температур от 0 до 100 °С;

♦ большая легкость воды в твердом состоянии (льда), нежели в жид­ком.

Уникальные свойства воды позволили ей играть важную роль в эво­люционных процессах, происходящих в поверхностных слоях земной коры, в круговороте вещества в природе и являться условием возник­новения и развития жизни на Земле. Вода начинает выполнять свои геологические и биологические функции в истории Земли после возникновения гидросферы.

Гидросферу составляют поверхностные воды и подземные воды. Поверхностные воды гидросферы покрывают 70,8% земной поверхности. Их суммарный объем достигает 1370,3 млн км 3 , что составляет 1/800 общего объема планеты, а масса оценивается в 1,4 х 1018 т. К числу поверхностных вод, то есть вод, покрывающих сушу, относят Мировой океан, континентальные водные бассейны и материковые льды. Мировой океан включает в себя все моря и океаны Земли.

Моря и океаны покрывают 3/4 поверхности суши, или 361,1 млн км 2 . В Мировом океане сосредоточена основная масса поверхностных вод - 98%. Мировой океан условно разделен на четыре океана: Атлантиче­ский, Тихий, Индийский и Северный Ледовитый. Полагают, что современный уровень океана установился около 7000 лет назад. По дан­ным геологических исследований, колебания уровня океана за послед­ние 200 млн лет не превышали 100 м.

Вода в Мировом океане соленая. Среднее содержание солей со­ставляет около 3,5% по массе, или 35 г/л. Их качественный состав сле­дующий: из катионов преобладают Na + , Mg 2+ , K + , Ca 2+ , из анионов - Сl-, SO 4 2- , Вг - , С0з 2- , F - . Считается, что солевой состав Мирового океана остается постоянным с палеозойской эры времени начала развития жизни на суше, то есть примерно в течение 400 млн лет.

Континентальные водные бассейны представляют собой реки, озе­ра, болота, водохранилища. Их воды составляют 0,35% от общей мас­сы поверхностных вод гидросферы. Некоторые континентальные во­доемы - озера - содержат соленую воду. Эти озера имеют либо вулка­ническое происхождение, либо представляют собой изолированные остатки древних морей, либо образованы в районе мощных отложений растворимых солей. Однако в основном континентальные водоёмы пресные.

Пресная вода открытых водоемов также содержит растворимые соли, но в небольшом количестве. В зависимости от содержания раство­ренных, солей пресную воду разделяют на мягкую и жесткую. Чем меньше в воде растворено солей, тем она мягче. Самая жесткая прес­ная вода содержит солей не более 0,005% по массе, или 0,5 г/л.

Материковые льды составляют 1,65% от общей массы поверхност­ных вод гидросферы, 99% льда находится в Антарктиде и Гренландии. Общая масса снега и льда на Земле оценивается в 0,0004% массы на­шей планеты. Этого достаточно для того, чтобы покрыть всю поверхность планеты слоем льда толщиной 53 м. Согласно расчетам, если эта масса растает, то уровень океана поднимется на 64 м.

Химический состав поверхностных вод гидросферы приблизитель­но равен среднему составу морской воды. Из химических элементов по массе преобладают кислород (85,8%) и водород (10,7%). Поверхно­стные воды содержат значительное количество хлора (1,9%) и натрия (1,1%). Отмечается существенно более высокое, чем в земной коре, со­держание серы и брома.

Подземные воды гидросферы содержат основной запас пресной во­ды: Предполагают, что суммарный объем подземных вод примерно 28,5 млрд км 3 . Это почти в 15 раз больше, чем в Мировом океане. Счи­тают, что именно подземные воды являются основным резервуаром, пополняющим все поверхностные водоемы. Подземная гидросфера может быть разделена на пять зон.

Криозона. Область льдов. Зона охватывает полярные районы. Тол­щина ее оценивается в пределах 1 км.

Зона жидкой воды. Охватывает практически всю земную кору.

Зона парообразной воды ограничивается глубиной до 160 км. Пола­гают, что вода в этой зоне имеет температуру от 450 °С до 700 °С и на­ходится под давлением до 5 ГПа 1 .

Ниже, на глубинах до 270 км, располагается зона мономерных моле­кул воды. Она охватывает слои воды с диапазоном температур от 700 °С до 1000 °С и давлением до 10 ГПа.

Зона плотной воды простирается, предположительно, до глубин в 3000 км и опоясывает всю мантию Земли. Температуру воды в этой зоне оценивают в промежутке от 1000° до 4000 °С, а давление - до 120 ГПа. Вода при таких условиях полностью ионизирована.

Гидросфера Земли выполняет важные функции: она регулирует температуру планеты, обеспечивает круговорот веществ, является составной частью биосферы.

Непосредственное воздействие на регуляцию температуры поверхностных слоев Земли гидросфера оказывает благодаря одному важных свойств воды - большой теплоемкости. По этой причине поверхностные воды аккумулируют солнечную энергию, а затем медленно её отдают в окружающее пространство. Выравнивание температуры на поверхности Земли происходит исключительно благодаря круговороту воды. Кроме того, снег и лед имеют очень высокую отражающую

способность: она превышает среднюю для земной поверхности на 30%, Поэтому на полюсах разность между поглощенной и излученной энер­гией всегда отрицательна, то есть поглощенная поверхностью энергия меньше испущенной. Так происходит терморегуляция планеты.

Обеспечение круговорота веществ - другая важнейшая функция гидросферы.

Гидросфера находится в постоянном взаимодействии с атмосфе­рой, земной корой и биосферой. Вода гидросферы растворяет в себе воздух, концентрируя при этом кислород, используемый в дальней­шем водными живыми организмами. Находящийся в воздухе углекис­лый газ, образующийся преимущественно в результате дыхания жи­вых организмов, сжигания топлива и извержения вулканов, обладает высокой растворимостью в воде и аккумулируется в гидросфере. Гид­росфера растворяет в себе также тяжелые инертные газы - ксенон и криптон, содержание которых в воде выше, чем в воздухе.

Воды гидросферы, испаряясь, поступают в атмосферу и выпадают в виде осадков, которые проникают в горные породы, разрушая их. Так вода участвует в процессах выветривания горных пород. Обломки гор­ных пород сносятся текучими водами в реки, а затем в моря и океаны или в замкнутые континентальные водоемы и постепенно отлагаются на дне. Эти отложения впоследствии превращаются в осадочные гор­ные породы.

Полагают, что главные катионы морской воды - катионы натрия, магния, калия, кальция - образовались в результате выветривания горных пород и последующего выноса продуктов выветривания река­ми в море. Важнейшие анионы морской воды - анионы хлора, брома, фтора, сульфат-ион и карбонат-ион, вероятно, происходят из атмо­сферы и связаны с вулканической деятельностью.

Часть растворимых солей систематически выводится из состава гидросферы посредством их осаждения. Например, при взаимодейст­вии растворенных в воде карбонат-ионов с катионами кальция и маг­ния образуются нерастворимые соли, которые опускаются на дно в ви­де карбонатных осадочных горных пород. В осаждении некоторых со­лей большую роль играют организмы, населяющие гидросферу. Они извлекают из морской воды отдельные катионы и анионы, концентрируя их в своих скелетах и раковинах в виде карбонатов, силикатов, фосфатов и других соединений. После смерти организмов их твердые оболочки накапливаются на морском дне и образуют мощные тол­щи известняков, фосфоритов и различных кремнистых пород. Подав­ляющая часть осадочных горных пород и такие ценные полезные ископаемые, как нефть, уголь, бокситы, разнообразные соли и т.д., образевались в прошлые геологические периоды в различных водоемах гидросферы. Установлено, что даже самые древние горные породы, аб­солютный возраст которых достигает около 1,8 млрд лет, представляют собой сильно изменившиеся осадки, образованные в водной среде. Вода используется также в процессе фотосинтеза, в результате которого образуется органическое вещество и кислород.

В гидросфере примерно около 3500 млн лет назад зародилась жизнь на Земле. Эволюция организмов продолжалась исключительно в водной среде вплоть до начала палеозойской эры, когда примерно 400 млн лет назад началось постепенное переселение животных и растительных организмов на сушу. В этой связи гидросферу рассматривают как ком­понент биосферы (биосфера - сфера жизни, область обитания живых организмов).

Живые организмы распространены в гидросфере крайне неравно­мерно. Количество и многообразие живых организмов в отдельных участках поверхностных вод определяется многими причинами, в том числе комплексом факторов внешней среды: температурой, солено­стью воды, освещенностью, давлением. С увеличением глубины огра­ничивающее действие освещенности и давления возрастает: количест­во поступающего света резко уменьшается, а давление, наоборот, ста­новится очень высоким. Так, в морях и океанах заселены в основном литоральные зоны, то есть зоны не глубже 200 м, наиболее прогревае­мые солнечными лучами.

Характеризуя функции гидросферы на нашей планете, В. И. Вер­надский отмечал: «Вода определяет и создает всю биосферу. Она со­здает основные черты земной коры, вплоть до магматической оболоч­ки».

Атмосфера

Атмосфера (от греч. atmos - пар, испарение и sphaira - шар) - обо­лочка Земли, состоящая из воздуха.

В состав воздуха входит ряд газов и взвешенные в них частицы твердых и жидких примесей - аэрозолей. Масса атмосферы оценива­ется в 5,157 х 10 15 т. Столб воздуха оказывает давление на поверхность Земли: среднее атмосферное давление на уровне моря - 1013,25 гПа, или 760 мм рт. ст. Давление величиной 760 мм рт. ст. приравнено, к внесистемной единице давления - 1 атмосфере (1 атм.). Средняя температура воздуха у поверхности Земли - 15 °С, при этом температура изменяется примерно от 57 °С в субтропических пустынях до 89 °С в Антарктиде.

Атмосфера неоднородна. Различают следующие слои атмосферы: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу, кото­рые отличаются по особенностям распределения температуры, плот­ности воздуха и некоторым другим параметрам. Участки атмосферы, занимающие промежуточное положение между этими слоями, соот­ветственно называют тропопаузой, стратопаузой и мезопаузой.

Тропосфера - нижний слой атмосферы высотой от 8-10 км в по­лярных широтах и до 16-18 км в тропиках. Тропосфера характери­зуется падением температуры воздуха с высотой - с удалением от поверхности Земли на каждый километр температура уменьшается примерно на 6°С. Плотность воздуха быстро убывает. В тропосфере сосредоточено около 80% всей массы атмосферы.

Стратосфера располагается на высотах в среднем от 10-15 км до 50-55 км от поверхности Земли. Стратосфера характеризуется повы­шением температуры с высотой. Возрастание температуры происхо­дит по причине поглощения озоном, находящимся в этом слое атмо­сферы, коротковолновой радиации Солнца, прежде всего УФ (ультра­фиолетовых) лучей. При этом в нижней части стратосферы до уровня около 20 км температура мало меняется с высотой и может даже не­значительно уменьшаться. Выше температура начинает возрастать - сначала медленно, а с уровня 34-36 км намного быстрее. В верхней части стратосферы на высоте 50-55 км температура достигает 260-270 К.

Мезосфера - слой атмосферы, расположенный на высотах 55-85 км. В мезосфере температура воздуха с увеличением высоты уменьшает­ся - примерно с 270 К на нижней границе до 200 К на верхней границе.

Термосфера простирается на высотах примерно от 85 км до 250 км от поверхности Земли и характеризуется быстрым повышением тем­пературы воздуха, достигающей на высоте 250 км 800-1200 К. Повы­шение температуры происходит вследствие поглощения этим слоем атмосферы корпускулярной и рентгеновской радиации Солнца; здесь тормозятся и сгорают метеоры. Таким образом, термосфера выполняет функцию защитного слоя Земли.

Выше тропосферы находится экзосфера, верхняя граница которой условна и отмечается высотой примерно 1000 км над поверхностью Земли. Из экзосферы атмосферные газы рассеиваются в мировое пространство. Так происходит постепенный переход от атмосферы к межпланетному пространству.

Атмосферный воздух вблизи поверхности Земли состоит, из раз­личных газов, преимущественно из азота (78,1% по объему) и кисло­рода (20,9% по объему). В состав воздуха в небольшом количестве так­же входят следующие газы: аргон, углекислый газ, гелий, озон, радон, водяной пар. Кроме того, воздух может содержать различные переменные компоненты: оксиды азота, аммиак и др.

Помимо газов в состав воздуха входит атмосферный аэрозоль, ко­торый представляет собой взвешенные в воздухе очень мелкие твердые и жидкие частицы. Аэрозоль образуется в процессе жизнедеятельности организмов, хозяйственной деятельности человека, вулканических извержений, подъема пыли с поверхности планеты и из космической пыли, попадающей в верхние слои атмосферы.

Состав атмосферного воздуха до высоты порядка 100 км в.целом постоянен, во времени и однороден в разных районах Земли. При этом содержание переменных газообразных компонентов и аэрозолей не­одинаково. Выше 100-110 км происходит частичный распад молекул кислорода, углекислого газа и воды. На высоте около 1000 км начина­ют преобладать легкие газы - гелий и водород, а еще выше атмосфера Земли постепенно переходит в межпланетный газ.

Водяной пар - важная составная часть воздуха. Он поступает в ат­мосферу при испарении с поверхности, воды и влажной почвы, а также путем транспирации растениями. Относительное содержание водяно­го пара в воздухе меняется у земной поверхности от 2,6% в тропиках до 0,2% в полярных широтах. С удалением от поверхности Земли ко­личество водяного пара в атмосферном воздухе, быстро падает, и уже на высоте 1,5-2 км убывает наполовину. В тропосфере ввиду пониже­ния температуры водяной пар конденсируется. При конденсации во­дяного пара образуются облака, из которых выпадают атмосферные осадки в виде дождя, снега, града. Количество осадков, выпавших на Землю, равно количеству испарившейся с поверхности. Земли воды. Избыток водяного пара над океанами переносится на континенты воздушными потоками. Количество водяного пара, переносимого в атмо­сфере с океана на континенты, равно объему стока рек, впадающих в океаны.

Озон сосредоточен на 90% в стратосфере, остальная его часть находится в тропосфере. Озон поглощает УФ-радиацию Солнца, кото­рая негативно воздействует на живые организмы. Районы с пониженным содержанием озона в атмосфере называют озоновыми дырами.

Наибольшие колебания толщины озонового слоя наблюдаются в вы­соких широтах, поэтому вероятность возникновения озоновых дыр в районах, близких к полюсам, выше, чем у экватора.

Углекислый газ поступает в атмосферу в значительном количестве. Он постоянно выделяется в результате дыхания организмов, горения, извержения вулканов и других процессов, происходящих на Земле. Однако содержание углекислого газа в воздухе мало, поскольку ос­новная его масса растворяется в водах гидросферы. Тем не менее отме­чается, что за последние 200 лет содержание углекислого газа в атмо­сфере увеличилось на 35%. Причина такого существенного увеличе­ния - активная хозяйственная деятельность человека.

Главным источником тепла для атмосферы является поверхность Земли. Атмосферный воздух достаточно хорошо пропускает к земной поверхности солнечные лучи. Поступающая на Землю солнечная ра­диация частично поглощается атмосферой - главным образом, водя­ным паром и озоном, но подавляющая ее часть достигает земной по­верхности.

Суммарная солнечная радиация, достигающая поверхности Земли, частично отражается от нее. Величина отражения зависит от отражающей способности конкретного участка земной поверхности, так назы­ваемого альбедо. Среднее альбедо Земли - около 30%, при этом разница между величиной альбедо от 7-9% для чернозема до 90% для свежевыпавшего снега. Нагреваясь, земная поверхность выделяет тепловые лучи в атмосферу и нагревает ее нижние слои. Помимо основного ис­точника тепловой энергии атмосферы - теплоты земной поверхности; тепло в атмосферу поступает в результате конденсации водяного пара, а также путем поглощения прямой солнечной радиации.

Неодинаковый разогрев атмосферы в разных областях Земли вы­зывает неодинаковое распределение давления, что приводит к переме­щению воздушных масс вдоль поверхности Земли. Воздушные массы перемещаются из областей с высоким давлением в области с низким давлением. Такое движение воздушных масс называют ветром. При определенных условиях скорость ветра может быть очень большой, до 30 м/с и более (более 30 м/с - уже ураган).

Состояние нижнего слоя атмосферы в данном месте и в Данное вре­мя называют погодой. Погода характеризуется температурой воздуха, осадками, силой и направлением ветра, облачностью, влажностью воз­духа и атмосферным давлением. Погода определяется условиями цир­куляции атмосферы и географическим положением местности. Она наиболее устойчива в тропиках и наиболее изменчива в средних и высоких широтах. Характер погоды, ее сезонная динамика зависят от климата на данной территории.

Под, климатом понимаются наиболее часто повторяющиеся для данной местности особенности погоды, сохраняющиеся на протяже­нии длительного времени. Это усредненные за 100 лет характеристи­ки - температура, давление, количество осадков и др. Понятие клима­та (от греч, klima - наклон) возникло еще в Древней Греции. Уже тогда понимали, что погодные условия зависят от угла, под которым солнеч­ные лучи падают на поверхность Земли. Ведущим условием установ­ления определенного климата на данной территории является количе­ство энергии, приходящейся на единицу площади. Оно зависит от суммарной солнечной радиации, падающей на земную поверхность, и от альбедо этой поверхности. Так, в районе экватора и у полюсов тем­пература мало меняется в течение года, а в субтропических областях и в средних широтах годовая амплитуда температур может достигать 65 °С. Основными климатообразующими процессами являются теп­лообмен, влагообмен и циркуляция атмосферы. Все эти процессы име­ют один источник энергии - Солнце.

Атмосфера является непременным условием для всех форм жизни. Наибольшее значение для жизнедеятельности организмов имеют сле­дующие газы, входящие в состав воздуха: кислород, азот, водяной пар, углекислый газ, озон. Кислород необходим для дыхания подавляюще­му большинству живых организмов. Азот, усваиваемый из воздуха не­которыми микроорганизмами, необходим для минерального питания растений. Водяной пар, конденсируясь и выпадая в виде осадков, яв­ляется источником воды на суше. Углекислый газ - исходное вещест­во для процесса фотосинтеза. Озон поглощает вредное для организ­мов жесткое УФ-излучение.

Предполагают, что современная атмосфера имеет вторичное проис­хождение: она образовалась после завершения образования планеты около 4,5 млрд лет назад из газов, выделяемых твердыми оболочками Земли. В течение геологической истории Земли атмосфера под влия­нием различных факторов претерпевала значительные изменения своего состава.

Развитие атмосферы зависит от геологических и геохимических процессов, происходящих на Земле. После возникновения жизни на нашей планете, то есть примерно 3,5 млрд лет назад, на развитие атмо­сферы начали оказывать существенное влияние и живые организмы. Значительная часть газов - азот, углекислый газ, водяной пар - воз­никла в результате извержения вулканов. Кислород появился около 2 млрд лет назад как результат деятельности фотосинтезирующих орга­низмов, первоначально зародившихся в поверхностных водах океана.

В течение последнего времени происходят заметные изменения в атмосфере, связанные с активной хозяйственной деятельностью че­ловека. Так, согласно наблюдениям, за последние 200 лет произошел существенный рост концентрации парниковых газов: содержание угле­кислого газа возросло в 1,35 раза, метана - в 2,5 раза. Значительно увеличилось содержание многих других переменных компонентов в со­ставе воздуха.

Происходящие изменения состояния атмосферы - увеличение концентрации парниковых газов, озоновые дыры, загрязнение возду­ха - представляют собой глобальные экологические проблемы совре­менности.

65. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ ЛИТОСФЕРЫ: РЕСУРСНАЯ, ГЕОДИНАМИЧЕСКАЯ, ГЕОФИЗИКО-ГЕОХИМИЧЕСКАЯ

Люди еще в древности научились применять для своих нужд некоторые из ресурсов литосферы и других оболочек Земли, что нашло свое отражение в названиях исторических периодов развития человечества: «каменный век», «бронзовый век», «железный век». В наши дни используется более 200 различных видов ресурсов. Все природные ресурсы четко следует отграничивать от природных условий.

Природные ресурсы – это тела и силы природы, которые на данном уровне развития производительных сил и изученности могут быть использованы для удовлетворения потребностей человеческого общества в форме непосредственного участия в материальной деятельности.

Под полезными ископаемыми понимаются минеральные образования земной коры, которые могут эффективно использоваться в хозяйственной деятельности человека. Распространение полезных ископаемых в земной коре подчиняется геологическим закономерностям. К ресурсам литосферы относятся топливные, рудные и нерудные полезные ископаемые, а также энергия внутреннего тепла Земли. Таким образом, литосфера выполняет одну из важнейших для человечества функций – ресурсную – снабжение человека почти всеми видами известных ресурсов.

Кроме ресурсной функции, литосфера выполняет и еще одну важную функцию – геодинамическую. На Земле непрерывно проходят геологические процессы. В основе всех геологических процессов лежат разные источники энергии. Источником внутренних процессов является тепло, образующееся при радиоактивном распаде и гравитационной дифференциации веществ внутри Земли.

С внутренними процессами связаны различные тектонические движения земной коры, создающие основные формы рельефа – горы и равнины, магматизм, землетрясения. Тектонические движения проявляются в медленных вертикальных колебаниях земной коры, в образовании складок горных пород и тектонических разломов. Постоянно происходит изменение внешнего облика земной поверхности под воздействием литосферных и внутриземных процессов. Мы воочию можем находятся лишь немногие из таких процессов. К ним, в частности, относятся такие грозные явления, как землетрясения и вулканизм, вызванные сейсмической активностью внутриземных процессов.

В разнообразии химического состава и физико-химических свойств земной коры и заключается следующая функция литосферы – геофизико-геохими-ческая. По геологическим и геохимическим данным до глубины 16 км подсчитан усредненный химический состав пород земной коры: кислород – 47 %, кремний -27,5 %, алюминий – 8,6 %, железо – 5 %, кальций, натрий, магний и калий – 10,5 %, на все остальные элементы приходится около 1,5 %, в том числе на титан – 0,6 %, углерод – 0,1 %, медь -0,01 %, свинец – 0,0016 %, золото – 0,0000005 %. Очевидно, что первые восемь элементов составляют почти 99 % земной коры. Выполнение литосферой данной, не менее важной, чем предыдущие, функции приводит к наиболее эффективному хозяйственному использованию практически всех слоев литосферы. В частности, наиболее ценным по своему составу и физико-химическим свойствам является верхний тонкий слой земной коры, обладающий естественным плодородием и именуемый почвой.