Минеральные ресурсы, необходимые для жизни и деятельности человеческого общества. Определение и структура ресурсов геологического пространства. Подземные воды как ресурс литосферы, необходимый для жизни биоты

Литосфера представляет собой верхнюю твердую оболочку планеты толщиной от 50 до 200 км, имеющую большую прочность и переходящую без определенной резкой границы в нижележащую астеносферу. Сверху литосфера ограничивается гидросферой и атмосферой, частично проникающими в нее. Литосфера является геологической основой ландшафта, почв, средой обмена веществом и энергией с атмосферой и поверхностной гидросферой, через нее осуществляется круговорот воды в природе. Она служит накопителем пресных вод, входящих в структуру наземной биоты, обеспечивая процессы ее жизнедеятельности. Литосфера – среда сосредоточения природных минеральных ресурсов, необходимых для функционирования и развития человечества как общественной социальной структуры. В связи с этим свойства литосферы требуют особого рассмотрения в первую очередь с позиции ее геоэкологических функций, как продукта природного и техногенного развития верхней части земной коры. Под геоэкологическими функциями литосферы понимается все многообразие функций, определяющих ее роль и значение, в жизнеобеспечении биоты и человеческого общества. Все геоэкологические функциональные зависимости между природной и техногенно преобразованной литосферой, с одной стороны, и биотой и человечеством, с другой, можно свести к четырем основным группам: ресурсной, геодинамической, геофизической и геохимической.

Ресурсная геоэкологическая функция литосферы определяет роль минеральных, органических и органоминеральных ресурсов, геологического пространства литосферы для жизнедеятельности биоты и человеческого общества. Она включает в себя минеральные ресурсы литосферы, необходимые для жизни биоты; минеральные ресурсы, необходимые для человеческого общества как социальной структуры; ресурсы геологического пространства – площадные и объемные ресурсы литосферы, необходимые для расселения и существования биоты, включая человека как биологический вид и человечество как социальную структуру. Первые два аспекта связаны с изучением и оценкой минеральных, органических и органоминеральных ресурсов литосферы, в том числе подземные воды. Последний вид ресурсов обусловлен геоэкологической емкостью геологического пространства, охватывающего приповерхностную часть литосферы как в площадном, так и объемном измерении. Ресурсы литосферы, необходимые для жизни биоты, включая человека как биологический вид, представлены четырьмя составляющими: 1) горными породами, включающими в себя элементы биофильного ряда – растворимые элементы, жизненно необходимые организмам и называемые биогенными элементами; 2) кудюритами – минеральными веществами кудюров, являющихся минеральной пищей животных – литофагов; 3) подземными водами. Элементы и их соединения, составляющие основу биофильного ряда и требующиеся биоте в больших количествах, называют макробиогенными (углерод, кислород, азот, водород, кальций, фосфор, сера), а в малых количествах – микробиогенными. Для растений это Fe, Mn, Cu, Zn, B, Si, Mo, Cl, V, Ca, которые обеспечивают функции фотосинтеза, азотного обмена и метаболическую функцию. Для животных требуются как перечисленные элементы (кроме бора), так и дополнительно селен, хром, никель, фтор, йод и олово. Несмотря на малые количества, все эти элементы необходимы для жизнедеятельности биосистем и выполнения живыми организмами биогеохимических функций. Важным аспектом, связанным с пониманием жизнедеятельности биоты, являются биогеохимические циклы. Это в большей или меньшей степени замкнутые пути циркуляции химических элементов, входящих в состав клеточной протоплазмы из внешней среды в организм и опять поступающих во внешнюю среду. В таком круговороте вещества различают два фонда – резервный и обменный. Первый, как правило, небиологический компонент – большая масса медленно движущихся веществ, второй – быстрый обмен между организмами и их окружением. На этой основе выделяются два типа биогеохимических циклов: 1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере и океане; 2) осадочный цикл с резервным фондом в земной коре, который является предметом изучения геологических наук. Он включает в себя такие элементы, как фосфор, железо, сера и др. Минеральные вещества кудюров являются эпизодической пищей травоядных и всеядных животных, употребляемой ими два раза в год с целью регуляции солевого состава организма. В основном это минералы группы цеолитов. Эта группа минеральных ресурсов включает в себя так называемые «нетрадиционные» источники минерального сырья, к которым относятся цеолиты, бентониты, полыгорскиты, глаукониты, диатомит. Все они являются стимуляторами роста растений, животных и рыб. Подземные воды как основа существования биоты пояснений не требуют. Как отмечал В. И. Вернадский, «живое вещество в течение всего 7–10 млн лет пропускает через себя такое количество воды, которое равно по объему и количеству Мировому океану». Минеральные ресурсы, необходимые для жизни и деятельности человеческого общества относятся к категории исчерпаемых ресурсов и группе невозобновляемых, за исключением пресных подземных вод. Особенно важную роль они играют в социально-экономическом развитии человеческого общества. По сути, минеральные ресурсы являются базисом пирамиды, отражающей социально-экономические и геоэкологические проблемы развития материальной основы современного общества. Эти проблемы взаимосвязаны между собой и в сумме определяют роль ресурсной функции литосферы (состояние ее минерально-сырьевой базы) в функционировании геосистем высокого уровня организации. В настоящее время из недр извлекается около 200 видов полезных ископаемых, включающих все элементы таблицы Менделеева, а годовой объем мировой добычи минерального сырья достигает порядка 17–18 млрд т. горной массы в год. По прогнозам некоторых экономистов запасы многих видов минерального сырья иссякнут к 2050 г., а свинца и цинка хватит лишь до начала XXI в. Геоэкологическое значение подземных вод определяется объемами и направлениями их использования. Основными из них являются: хозяйственно-питьевое водоснабжение, техническое водоснабжение, орошение земель, обводнение пастбищ, лечебное (использование минеральных вод в бальнеологических целях), геотермальные (использование геотермальных вод для отопления и получения электроэнергии), промышленное (использование подземных вод для извлечения ряда полезных компонентов – йода, брома, бора, лития, стронция, поваренной соли и др.). Рассматривая геологическое пространство как ресурс, необходимый для расселения и существования биоты, можно констатировать, что и здесь его резервы лимитированы. В настоящее время на нашей планете освоено 56 % поверхности суши. Интенсивно осваивается подземное пространство литосферы на урбанизированных территориях и в местах захоронения и складирования экологически опасных (токсичных и радиоактивных) отходов.

Влияние хозяйственной деятельности человека на геологическую среду усиливается с каждым годом и приобретает все более неуправляемый характер. В зависимости от размеров проявления подобных процессов различают широкомасштабное (региональное), локальное (площадное, ограниченное), линейное (латеральное) и точечное техногенное воздействие . По времени воздействие может быть постоянным и эпизодическим. В природных условиях трудно выделить преобладающий фактор воздействия, в большинстве случаев наблюдается результат суммарного влияния нескольких. По характеру влияния на геологическую среду различают воздействия, приводящие, с одной стороны, к истощению ее ресурсов (водоотбор для нужд водоснабжения, осушительные мелиорации, добыча полезных ископаемых и др.), а с другой – к положительным и отрицательным изменениям (искусственное восполнение запасов, орошение земель, подтопление территории и др.).

Среди основных факторов техногенного воздействия выделяют следующие: сельскохозяйственный, промышленно-селитебный, горнотехнический, водохозяйственный, транспортный. Значительное влияние на ход развития (динамику) геологической среды оказывают промышленно-селитебный и горнотехнический факторы. Подобное воздействие вырабатывается трансформацией рельефа земной поверхности, различного рода деформациями массивов горных пород, химическим загрязнением почв и подземных вод, активизацией экзогенных и сейсмотектонических процессов.

Различные факторы техногенного воздействия на верхнюю часть литосферы приводят к нарушению естественного экологического состояния геологической среды либо к загрязнению ее компонентов, прежде всего почв и подземных вод.

Нарушенность геологической среды обусловлена физическим (механическим, гидродинамическим и т. п.) воздействием на массивы горных пород, при котором они деформируются и способствуют развитию неблагоприятных, часто опасных явлений. На примере систем разработки месторождений полезных ископаемых можно получить представление об основных процессах и явлениях подобного рода (табл. 6).

Изъятие и перемещение больших объемов горных пород обусловлены тем, что объемы полезного ископаемого по отношению к массам извлекаемой породы невелики. Для железа и алюминия это 15–30 %, свинца и меди примерно 1 %, серебра и олова – 0,01 %, а для золота и пла- тины – 0,00001 %. В связи с этим внушительны объемы отвалов, которые в мировом масштабе равны для рудных ископаемых более 1200 км 3 , нерудных около 100 и топливных около 300 км 3 . Открытая разработка минерального сырья в среднем в 3–4 раза дешевле шахтной, поэтому доля карьерной добычи равна 70 %. В среднем карьеры мира углубляются на 5–10 м в год, их максимальные глубины равны 500–700 м, а высоты отвалов и терриконов превышают 100 м. В настоящее время в крупных угольных бассейнах насчитывается до 1000–1500 терриконов. Таким образом, амплитуды техногенного рельефа приближаются к 1 км. Открытыми разработками полезных ископаемых нарушены сотни тысяч гектаров земли, на которых образовались своеобразные карьерно-отвальные ландшафты. Современные драги перерабатывают продуктивные на россыпные месторождения на глубину до 50 м. Ежегодно техногенные ландшафты промышленных зон расширяются на 35–40 тыс. га.

Откачка воды из карьеров, часто необходимая для создания условий разработки месторождений, вызывает ряд сложных процессов на днищах и стенках карьеров.

Существуют различные способы добычи полезных ископаемых.

Минеральные ресурсы, которые находятся на поверхности земной коры или же залегают неглубоко в недрах, добываются открытым способом . Открытый способ добычи полезных ископаемых представляет собой процесс создания на месторождении котлованов, которые называются разрезами или карьерами. Размеры таких разрезов и карьеров зависят от обширности месторождения и глубины залегания полезных ископаемых. При помощи открытого способа в основном добывают сырье, используемое для строительства: известняк, песок, мел и тому подобное. Также открытым способом добывают торф, некоторые виды угля, также железные и медные руды.

Твердые полезные ископаемые, которые залегают на большой глубине в недрах земли, добывают с помощьюсооружения подземных шахт . Чаще всего таким способом добывается уголь. Шахтный способ добычи полезных ископаемых считается наиболее опасным для жизни сотрудников таких предприятий.

Полезные ископаемые жидкого и газообразного типа извлекают из земли путем бурения специальных скважин , откуда полезные ископаемые поступают на поверхность по трубам. Для добычи полезных ископаемых определенного вида используют дополнительные методы. К примеру, для добычи соли ее растворяют под землей путем подачи в скважину воды. А такое сырье, как сера, предварительно расплавляется под действием горячего пара, подающегося через скважину.

Даже при добыче некоторых цветных металлов в горнодобывающем деле используется вода, точнее примеси из подземных вод. Именно таким образом добывается литий – его находят в подземных водах, где он растворен и находится в минеральной оде в виде соединений. Также можно встретить месторождения подземных вод, из которых осаждают медь. Ярким таки примером является Дегтярский рудник на Урале. Медь растворяется в подземных водах под действие бактерий, способных растворять соединения меди с серой, превращая их в медный купорос.

Такое сырье, как германий, по мнению многих специалистов, выгодно добывать из переработок тепловых электростанций, точнее из их золы.

Ежегодно разрабатываются новые способы добычи полезных ископаемых. Развитие современных технологий способствует появлению новых методов и оборудования для добычи тех или иных полезных ископаемых.

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.

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.

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.

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.

Таблица 7.4

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

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 °C;

♦ 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 ч 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 – Cl - ,SO 4 2- ,Br - ,CO 3 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 водоемы 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 млрдкм 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 °Cдо700 °C и находится под давлением до 5 ГПа.

Ниже, на глубинах до 270 км, располагается зона мономерных молекул воды. Она охватывает слои воды с диапазоном температур от 700 °C до 1000 °C 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 °C, 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 из важных свойств воды – большой теплоемкости. По этой причине поверхностные воды аккумулируют солнечную энергию, а затем медленно ее 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., образовались 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 × 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 °C, при этом температура изменяется примерно от 57 °C в субтропических пустынях до -89 °C 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 °C. 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 260270 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 аэрозолъ, 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 свеже-выпавшего 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 °C. 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.