Горнопромышленные ландшафты

1.4.1.Горнопромышленные ландшафты.

Добыча любого полезного ископаемого - это серьезное вмешательство в природу, и один из мощных видов техногенеза. В местах добычи полезных ископаемых происходит почти полное уничтожение природных ландшафтов на месте которых возникают скважины, шахты, карьеры, отвалы, отходы первичного обогащения руд, угольные терриконы, транспортные магистрали и т.д. и формируются особые ландшафтно - геохимические системы – горонопромышленные ландшафты. Горнопромышленные ландшафты неоднородны. В них выделяют 4 функциональные зоны:

первая зона – шахтно-карьерно-отвальная, приуроченная непосредственно к участку добычи полезных ископаемых. Она характеризуется практически полной деградацией почвенно-растительного покрова и высокими концентрациями металлов в пыли, техногенных наносах, воде и растениях;

вторая зона – территории горно-обогатительных комбинатов и обогатительных фабрик. Она характеризуется полной или значительной перестройкой первоначальной структуры за счет отчуждения площадей под предприятиями и загрязнения токсичными отходами, выбросами и стоками;

третья зона – селитебные и пригородные ландшафты, расположенные в непосредственной близости от месторождений и комбинатов сильно загрязненные но сами не являющиеся источниками выбросов;

четвертая зона с умеренным площадным загрязнением имеет нестабильные очертания и располагается в радиусе от 3-5 до 10-20 км. Фоновые ландшафты располагаются обычно не ближе 15-20 км от источников рудных выбросов и стоков.

В первой зоне наибольшее воздействие на природные ландшафты оказывает добыча полезных ископаемых открытым способом, в результате которой создаются карьеры глубиной до ЗОО-5ОО м и отвалы, морфология которых определяется видом складирования вскрышной породы (гидроотвалы, автоотвалы, железнодорожные отвалы). Объем перемещаемых пород огромен (объем Лебединского карьера КМА составляет 170 млн. куб.м). Кроме того, добыча полезных ископаемых открытым способом сопровождается образованием депрессионных воронок, загрязнением подземных вод и региональным перераспределением миграционных потоков, ухудшением водно-солевого баланса ландшафта, повышенной запыленностью и загазованностью атмосферы.

Свежие некультивированные отвалы вскрышных пород производят впечатление индустриальной пустыни. Ветер разносит большие объемы пыли, загрязняя воздух в радиусе нескольких километров (на расстоянии 2-3 км ПДК может быть превышено на 1-2 порядка). Скорость зарастания отвалов определяется свойствами грунтов и физико-географическими условиями их местонахождения. При токсичности грунтов они долгое время могут быть безжизненными.

Наиболее часто открытый способ добычи применяется при разработке угольных бассейнов. С добычей угля связаны и значительные геохимические изменения ландшафтов, которые обусловлены высокой концентрацией многих химических элементов в угле и большой массой сырья, извлекаемого при добыче (ежегодная мировая добыча составляет несколько миллиардов тонн). В углях концентрируется свыше 30 химических элементов, содержание которых в сотни и тысячи раз выше, чем в других осадочных породах. Состав типоморфных элементов зависит от конкретных геологических условий формирования месторождения и включает такие элементы как золото, германий, уран, кадмий, висмут, вольфрам, мышьяк, сурьма, бериллий, цинк, свинец, ртуть, редкоземельные элементы, сера, железо.

Рекомендуемые материалы

Поступление этих элементов в ландшафт происходит главным образом из отвалов вскрышных пород, пыление которых приводит к повышенной концентрации пыли в воздухе, а размыв дождевыми и талыми водами приводит к загрязнению поверхностных и грунтовых вод. Геохимические особенности этих ландшафтов в значительной степени определяются процессами окисления сульфидов железа и других металлов, содержащихся в углях. Их поступление с пылью и талыми и дождевыми водами в почвы приводит к резкому увеличению содержания сульфатов в водах и почвах. РН почв снижается до 2-3, меняются условия миграции химических элементов, многие переходят из слаборастворимых сульфидов в оксидные и водорастворимые сульфатные формы, происходит формирование сернокислых ландшафтов. В техногенных угленосных наносах и почвах содержание сульфатной серы достигает 60-70%, а свободной серы 10-20% от валового количества. Поэтому в районах добычи угля происходит не только концентрация типоморфных элементов углей, но и их сернокислое выщелачивание. Оно приводит к формированию аномалий на щелочных и сорбционных барьерах, расположенных на значительном удалении от места добычи угля. При возгорании отвалов происходит загрязнение полициклическими ароматическими углеводородами.

Открытая разработка применяется и при добыче железных руд. Непосредственно сама добыча и перемещение больших объемов горных пород контрастных геохимических аномалий не вызывает, но в техногенную миграцию вовлекается широкий спектр химических элементов (Mo, As, Mn, Zn, Co, Cr). При обогащении железной руды сульфидами в любом климате происходит образование сернокислых ожелезненных ландшафтов, в которых развивается выщелачивание металлов и их миграция в кислых водах на значительные расстояния.

Значительно более благоприятная экологическая ситуация складывается при разработке торфяных месторождений.В зависимости от способа добычи торфа формируются различные типы карьерных ландшафтов. При экскаваторном способе отрабатываются параллельно распложенные карьеры шириной 3-6 м, длиной до 800 м, разделенные перемычками в 2-3 м. При гидравлическом способе залежь размывается струей воды в пределах прямоугольных карьеров размером 30х125 или 60х220 м с перемычками между ними порядка 4м. При современном фрезерном способе добычи осушенная торфяная залежь разрабатывается послойно в течение нескольких лет в пределах отдельных карьеров площадью 1-2 га, ограниченных через каждые 20-40 м картовыми, а через 500 м – валовыми осушительными канавами. Складируемые в караваны (длиной до 100 м и шириной у основания 5-8 м). Дальнейшая судьба отработанного месторождения складывается в зависимости от способа добычи.

На отработанных фрезерных полях при удовлетворительном дренаже начинается постепенное зарастание поверхности: от сорно-разнотравных комплексов до сложных древесно-кустарниково-травянистых комплексов. При неудовлетворительном состоянии дренажных систем происходит заболачивание и формирование лугово-болотных и болотные комплексов с участками стоячей воды.

Зарастание карьеров, созданных при экскаваторном и гидравлическом способах добычи меньше зависит от состояния дренажной сети и определяется в первую очередь местоположением участка. На перемычках, (более сухих местообитаниях) появляются травяные и травяно-моховые группировки, а на дне карьеров – водно-болотные и болотные. В глубоких карьерах может происходить полное разрушение перемычек между карьерами и образование крупных искусственных водоемов со специфической системой островков.

После отработки месторождений на этих территориях возникает карьерно-отвальные ландшафты. Их облик и дальнейшая судьба определяются типом бывшего месторождения и уровнем трансформации территории. Принято выделять следующие типы карьерно-отвального ландшафта:

1. Обнаженный (лишенный растительности из-за своей молодости или токсичности).

2. Пустошный (покрытый сорно-полевой растительностью: луговой или лугово-степной). Это один из самых распространенных видов ландшафтов в зрелой стадии.

3. Лесной (одетый высокоствольными лесом: сосновым или березово-осиновым).

4. Камнеломный бедленд (на местах добычи известняка, песчаника, писчего мела и других плотных пород). Это каменистые донно-карьерные урочища с крутыми склонами, полуразрушенными отвалами, лишенные почв и долго не зарастающий.

5. Торфяно-карьерный (на местах торфоразработок). Сильное переувлажнение приводит к образованию озер в понижениях. Растительность представлена болотным разнотравьем, угнетенными древесными и кустарниковыми породами.

В настоящее время разработано несколько вариантов рекультивации таких ландшафтов. Это полевая рекультивация - выравнивание антропогенного рельефа и возвращение территории к сельскохозяйственному использованию. Это наиболее кардинальное преобразование техногенного ландшафта. Но экономически это чаще всего бывает не выгодно, так как требует значительных затрат сегодня с очень отдаленным возвратом вложенных средств. Экономически более целесообразным считают залужение и облесение карьерно-отвальных комплексов, т.е восстановление растительного покрова без изменения литогенной основы. Данный вид рекультивации требует меньших затрат, и предполагает главным образом рекреационное использование восстановленных ландшафтов. Сельскохозяйственное использование при этом чаще всего невозможно.

Рекультивационные работы принято делить на два этапа:

1. горно-технический;

2. биологический.

Горно-технические мероприятия направлены на изменение или преобразование геолого-геоморфологического строения нарушенной местности. В итоге создается рельеф с искусственным чехлом поверхностных отложений - прерывистым или сплошным в зависимости от будущего вида использования территории. Интересные отвалы создаются в угледобывающих районах Германии. Пустая порода идет на образование искусственных холмов с лесопосадками. Высота таких холмов в Рурском районе достигает 60 м. Применяется отсыпка от периферии к центру. На начальном этапе создается насыпь высотой 8-10 м по всему периметру отведенной площади. Это первый ярус холма. Затем с насыпи идет отвалообразование к центру, на высоту 8-10 м по всей отведенной площади второго яруса. Таким образом, сооружают 4-6 ярусов, отделенных между собой террасами. Поверхность этих террас имеет уклон от периферии к центру, что позволяет улавливать осадки. Затем производится биологическая рекультивация и выращивание древесных пород смешанного состава.

После горнотехнических работ осуществляются биологические мероприятия. Иногда рекультивируемые участки покрываются искусственной (культурной) почвой с определенными заданными свойствами. Но в силу экономических соображений это не всегда целесообразно. Поэтому чаще всего осуществляются посадки стойких и неприхотливых культур, произрастание которых приводит в ограниченные сроки к формированию почвы. Геохимической рекультавации практически никогда не происходит. Предполагается, что восстановление природного ландшафта приведет к самоочищению территории от техногенного загрязнения.

Рекультивированные земли используют:

· в качестве сельскохозяйственных угодий;

· для создания лесов различного назначения;

· для образования водохозяйственных объектов;

· под строительство;

· под рекреационные комплексы (глубокие карьеры чаще всего превращают в водоемы).

При подземной добыче формируется провально-терриконовый тип местности с высотой терриконов от 50 до 200 м (в Уэльсе до 300 м). Склоны терриконов изъедены рытвинами, вынутые с больших глубин породы бесплодны, растительностью зарастают очень медленно. Терриконы угольных шахт из-за большой температуры внутри склонны к самовозгоранию. Над шахтами из-за обрушения кровли подземных выработок образуются провальные воронки (антропогенный псевдокарст), происходят оползневые смещения грунтов, затопление грунтовыми водами земель и усиление процессов эрозии в пределах депрессионной воронки, шахтными водами загрязняются подземные воды.

Шахтным способом разрабатываются, кроме месторождений каменного угля и железной руды, основная часть руд цветных металлов. Именно добыча этих металлов создает сложную экогеохимическую ситуацию. Рудные районы характеризуются наличием природных аномалий с контрастностью на порядок выше фоновых, а непосредственно над самим месторождением концентрация некоторых цветных и редких металлов в почвах и растительности превышает фон в тысячи и десятки тысяч раз. Добыча и особенно переработка руд приводит к еще более высоким уровням содержания металлов во всех компонентах техногенных ландшафта. Геохимический спектр анамалий определяется типом месторождения, т.е. его типоморфными элементами. Каждый минералого-геохимический и генетический тип месторождения характеризуется определенными ассоциациями типоморфных элементов (табл.5.1.)

Типоморфные элементы руд и первичных ореолов месторождений (по С.В.Григоряну, Ю.Е.Саету)

Таблица 1.1.

При добыче руд закрытым способом наиболее контрастные аномалии возникают во второй зоне, где происходит деградация почвенно-растительного покрова, и куда поступает дополнительное загрязнение, связанное с обогащением и плавлением руд. Содержание пыли и тяжелых металлов в воздухе в этой зоне в радиусе до 2-3- км превышает ПДК на 1-2 порядка.

1.4.2. Техногенные изменения ландшафтов в районах развития нефтедобывающей промышленности.

Добыча нефти и газа относится к региональному типу производств, охватывающих территории в сотни и тысячи квадратных километров. Нефте- и газодобывающие районы соседствуют с перспективными территориями, где ведутся поисково-разведочные геофизические и буровые работы, и в будущем возможно строительство новых комплексов. Нефтяной промысел эксплуатирует одно или несколько месторождений. На его территории размером в десятки и сотни квадратных километров функционируют и оказывают воздействие на природную среду эксплуатационные, разведочные, наблюдательные и нагнетательные скважины, сборные пункты, насосно-компрессорные скважины, пункты первичной подготовки нефти, сеть трубопроводов и другие сооружения, обеспечивающие добычу и транспортировку нефти.

Воздействие всего комплекса этих технических сооружений приводит к разнообразным нарушениям компонентов природных ландшафтов, и, в конечном счете, может создать на территории нефтегазового предприятия кризисные экологические ситуации. Эти воздействия могут выражаться в:

- механическом нарушении почвенно-растительного покрова,

-воздействии на геологическую среду,

- тектонической активизации недр.

Механические нарушения почвенного покрова и растительности вызывают: усиление криогенных процессов (термокарста, термоэрозии, солифлюкции, пучения, оживление курумов) эрозию, дефляцию.

Воздействия на геологическую среду приводят к проседанию земной поверхности и, как следствие, к заболачиванию, подтоплению, или осушению. Нарушение гидрогеологических условий приводит к изменению водно-физических характеристик почвы, вызывая нарушения установившихся ландшафтно-геохимических процессов.

Тектоническая активизация проявляется в сейсмичности, микроподвижках пластов, образовании трещин. Это вызывает механическую деструкцию почв и грунтов, отток части жидкости из недр на поверхность, усиление карстообразования, засоление и загрязнение грунтовых вод.

Кроме природных, возникновению кризисных экологических ситуаций способствуют антропогенные факторы:

· разливы нефти и соленых вод (хронические утечки или залповые выбросы);

· попадание в природную среду промысловых сточных вод, химических реагентов, буровых жидкостей.

Нефть и сопутствующие ей химические вещества производят изменения во всех компонентах ландшафта: нарушается структура, водно-солевой режим почв, соотношение и подвижность химических элементов, трансформируется почвенный биоценоз, деградирует наземная растительность, загрязняются поверхностные и грунтовые воды. Для оценки загрязнения ландшафта важно знать как состав и количество разлитой жидкости, так и физико-географические факторы среды. Признаки нарушения состояния ландшафтов связаны со следующими явлениями:

6. Вибрация и ее воздействие на организм человека - лекция, которая пользуется популярностью у тех, кто читал эту лекцию.

· постепенным увеличением содержания в почвах нефтяных компонентов, продуктов их трансформации, хлоридно-натриевых и сульфатно-натриевых солей;

· неуклонным уменьшением продуктивности почв,

· ухудшением состояния растительности( в том числе лесов), появлением признаков “эвтрофикации” или уменьшением объема фитомассы водоемов.

При увеличении содержания в почвах нефтяных компонентов происходят изменения химического состава, физических свойств и структуры почв; резкая трансформация фракционного состава гумуса, изменение окислительно-восстановительных условий, увеличение подвижности ряда микроэлементов. Нефтяные компоненты, аккумулируясь в почвенных горизонтах, обволакивая корни, листья и стебли растений и проникая через клеточные мембраны, нарушают водно-воздушный баланс среды и организмов, разрушают сложившиеся трофические связи. Это приводит к неуклонному снижению продуктивности почв, ухудшению состояния растительности вплоть до гибели почвенных животных и растений. Уровень загрязнения, при котором происходят эти первые изменения, зависит от конкретных ландшафтных условий, облегчающих или затрудняющих самоочищение среды. Допустимая концентрация нефтепродуктов в почвах, при которой не требуется проведения мероприятий по санации почв составляет 1000 мг/кг (1%) и достигает 5000-6000 мг/кг. Полное уничтожение растительности (травянистой) и более половины древесной происходит при насыщении гумусового горизонта нефтью в степных районах - более 6%, в таежно-лесных - более 3%, в мерзлотно-тундрово-таежных -более 0,5-1%.

Контроль за состоянием почв в районах добычи нефти может проводиться на основе мониторинга уровней содержания и качественного состава широкой гаммы относительно устойчивых органических соединений - полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). В почвах присутствуют ПАУ, генетически связанные с процессами, протекающими в почвах. Появление специфических групп ПАУ, продуктов биохимической их деградации (т.е. сдвиг в соотношении отдельных групп) является хорошим индикатором начальных этапов загрязнения. Диагностика ранних стадий изменения ландшафтов при загрязнении нефтью может проводиться также с помощью изучения физиологического состояния автотрофных организмов (почвенные и водные водоросли) высших растений и микроорганизмов. Установлено, (метод флюоресценции и послесвечения), что если после загрязнения уровень фотосинтетической активности не опустился ниже 40-60% по сравнению с контрольными величинами, то биоценоз может восстановиться (число живых клеток не ниже 15-20%).

Восстановление почв и ландшафтов в целом после нефтяного загрязнениядолжно базироваться на максимальной мобилизации внутренних резервов геосистем для восстановления своих первоначальных функций. Самовосстановление и рекультивация - неразрывный биогеохимический процесс, а рекультивация - ускорение процесса самоочищения с использованием природных резервов - климатических, микробиологических, ландшафтно-геохимических. Общая длительность процесса рекультивации зависит от почвенно-климатических условий и характера загрязнения. Наиболее быстро этот процесс может быть завершен в степных, лесостепных и влажных субтропических условиях и составит 2-5 лет.