Определены общие особенности эколого-геологических систем (ЭГС) массивов скальных грунтов, как объектов геоэкологических исследований и инженерно-экологических изысканий. Эколого-геологические системы включают абиотические (литотоп, эдафотоп) и биотические (микробоценоз, фитоценоз, зооценоз) компоненты. Выявлены характерные особенности эколого-геологических систем природных скальных массивов на примере ЭГС сцементированных карбонатных и меловых грунтов и зон их выветривания Южного Урала, Крыма, Белгородской области, Алтая и Сихоте-Алиня. На примере карстовых пещер Южного Урала дана характеристика геологических процессов массивов карбонатных грунтов и их микробных сообществ. Описаны геологические особенности развития почвенных покровов на массивах скальных сцементированных карбонатных грунтов Крыма. Выявлены особенности обитания членистоногих на меловых скальных массивах Белгородской области. На примере Сихотэ-Алинского вулканического пояса (туфы риолитового состава) и Телецкой разломной зоны (илисто-глинистые образования выветрелых гнейсов и сланцев) показано значение биоминеральных комплексов в жизни копытных животных.
Структура эколого-геологической системы (ЭГС) с учетом геологической составляющей, включая состав, состояние и рельеф геологического массива, подземные воды, геохимические поля, геофизические поля, современные эндо- и экзогенные процессы, была разработана В.Т.Трофимовым [34] и явилась логичным развитием представлений ученых об экосистемах [1,18,25], и в частности — представлений В.Н.Сукачева о биогеоценозах [31]. Именно выделение эколого-геологических систем позволяет в полной мере выявить взаимосвязь «неживого» (массива грунтов, литотопа) и «живого» (микроорганизмов, растений, животных). Другими словами, эколого-геологическая система – это определенный объем литосферы с находящейся в ней и на ней биотой, включая человека и социум, на которые воздействуют природные и техногенные факторы, под влиянием которых развиваются современные геологические процессы в названной системе, влияющие на условия жизни биоты.
Практическое значение изучения ЭГС связано с современной экологизацией всех отраслей народного хозяйства, в том числе инженерных изысканий для строительства. Достаточно сказать, что в новом СП 502.1325800.2021 «Инженерно-экологические изыскания. Общие правила производства работ» используется экосистемный подход, направленный на изучение абиотических сред (литосферы, педосферы, поверхностной гидросферы и атмосферы) как среды обитания живых организмов, включая человека [9,35,37,39].
К настоящему времени в той, или иной степени уже охарактеризованы систематика природных и техногенных ЭГС [10,11], а также особенности природных ЭГС, формирующихся на массивах песчаных и лёссовых грунтов [8,15,35,36]. Однако характерные особенности природных континентальных (сухопутных) ЭГС массивов скальных грунтов остаются пока слабо изученными. Поэтому цель настоящей статьи – восполнить этот пробел.
Сухопутные природные однородные ЭГС, развитые на массивах скальных грунтов, имеют свои характерные общие особенности, отличающие их от ЭГС массивов дисперсных и иных грунтов и влияющие на развитие и функционирование экосистемы (табл. 1). Эти характерные черты отражаются в особенностях как абиотических, так и биотических компонентов ЭГС – литотопа (включая грунты, рельеф, экзогенные и эндогенные процессы, гидрогеологические условия), эдафотопа (почв) и биотопа (микробо-, фито- и зооценоза), а также в реализации ими экологических функций.
Таблица 1. Общие особенности эколого-геологических систем массивов скальных грунтов
Рис. 1. Формы выветривания массивов меловых грунтов, Дивногорье, Успенский монастырь в меловых горах (Воронежская область) (фото: https://cattur.ru/russia/divnogore.html)
В массивах карбонатных грунтов широко развит карст, как его открытые, так и закрытые формы. Закрытые формы карта – карстовые пещеры представляют собой уникальные подземные экосистемы, характерными чертами которых являются отсутствие света, незначительные колебания температуры, высокая влажность, низкое содержание питательных веществ. Пещеры различаются морфологией и размером, уровнем антропогенной нагрузки. Основные характеристики крупных пещер Южного Урала представлены в табл. 2.
Таблица 2. Характеристики пещер массивов карбонатных грунтов Южного Урала (по А.С. Рябовой [26])
Рис. 2. Схема гидродинамической зональности карстовых вод Горного Крыма (по А.Б.Климчуку [29]): 1 – слабопроницаемые породы, 2—карстующиеся породы, 3 – тектонические нарушения:3а – в цоколе, 3б – в карстующихся породах, 4 – границы гидрогеодинамических зон, 5 – направления движения подземных вод, 6 – карстовые источники. Карстовые массивы: а – цокольные приморские, б – склоновые континентальные. Гидрогеодинамические зоны I—эпикарстовая (преимущественно рассеянное питание; безнапорные воды, образующие подвешенный горизонт), II – аэрации (вадозная – преимущественно нисходящее свободное движение вод по трещинам и каналам); III – сезонных колебаний уровня;IV – зона полного насыщения: подзоны IVa –преимущественно безнапорных водоткрытого карста с интенсивным водообменом, с локальным напором в каналах (фреатическая); IVб — напорных вод с интенсивным водообменом; IVв – напорных вод (артезианского напора) закрытого карста с замедленным водообменом
Трещинно-карстовые и грунтовые воды холодные с температурой 7-110С, преимущественно гидрокарбонатно-кальциевые с минерализацией 0,4-0,5 г/л [29].
От особенностей гидротопа зависит развитие биоты в пределах данных ЭГС. Для водообеспечения фитоценозов карбонатных массивов наибольшее значение имеют эпикарстовая гидродинамическая зона и зона аэрации, как зоны, располагающиеся в корнеобитаемом слое. Именно здесь происходит свободное движение воды по трещинам и каналам и корни растения способны всасывать эту воду.
Не менее важной особенностью литотопов ЭГС массивов скальных грунтов является специфический рельеф территории. Основными факторами рельефа, влияющими на ЭГС массивов скальных грунтов, является высота склонов, расчленённость и экспозиция склонов. Склоны южной и близких к ней экспозиций получают больше тепла, они более сухие, снежный покров на них держится меньше, а снеготаяние более бурное. На южных склонах сильнее проявляются процессы денудации. От особенностей рельефа зависит развитие соответствующих эдафотопов, а также микробо-, фито- и зооценозов. Рельеф территории во многом определяет её биоразнообразие и выступает как важнейший фактор ресурса геологического пространства [2]. Кроме того, рельеф территории со скальными массивами, особенно при сильной разности высот, обусловливает на этой территории проявление вертикальной поясности в тепло-влагообеспеченности и соответственно — вертикальной поясности почв и биотопов ЭГС.
Другой характерной особенностью литотопов ЭГС массивов скальных грунтов является возможное наличие в них различных месторождений полезных ископаемых, геохимических потоков элементов и формирование ореолов рассеяния.
Общие особенности эдафотопа ЭГС массивов скальных грунтов состоят в том, что почвы, формирующиеся на скальных массивах: 1) обладают меньшим разнообразием генетических типов; 2) у них менее четко выражены генетические горизонты; 3) они характеризуются меньшей мощностью; 4) у них меньшее видовое разнообразие почвенных микро- и макроорганизмов; 5) у них намного меньшая биомасса почвенных организмов; 6) для них характерно не сплошное, а спорадическое (локальное, фрагментарное) распространение и приуроченность к корам выветривания (см. табл. 1). При этом необходимо иметь ввиду, что распространение тех, или иных типов почв и их тепло-влагообеспеченность в пределах рассматриваемых ЭГС подчиняются широтной и вертикальной зональности.
На скальных массивах эдафотопы либо отсутствуют совсем, либо слабо и спорадически (фрагментарно) развиты в виде литозёмов, петрозёмов и примитивных почв-литосолей. Это обусловлено тем, что на скальных массивах почвы постоянно смываются и состав почв обновляется за счет обломочного материала коренных скальных грунтов и кор выветривания. При наличии в генетическом горизонте почвы более 40% обломков крупнее 1 мм к названию таких горизонтов добавляют определение «фрагментарные» [5].
Так, например, в Крыму на массивах карбонатных грунтов и продуктах их выветривания формируются черноземы карбонатные. В местах близкого залегания к поверхности плотных карбонатных пород мощность почв зависит от геоморфологического фактора. На участках самых высоких элементов мезорельефа формируются короткопрофильные и маломощные виды черноземов, гумусированная часть профиля которых не превышает 25 и 40 см соответственно. Им нередко сопутствуют примитивные и неполноразвитые почвы, а также выходы карбонатных грунтов (рис. 3). Своеобразие материнских пород придает развивающимся на них почвах специфические черты, прежде всего скелетность, гравелистость, щебнистость, каменистость и т.д. [6].
Рис. 3. Неполноразвитые черноземовидные почвы с выходами рифовых известняков на вершине Ай-Петри, Крым (фото М.А. Харькиной)
В межгрядовых котловинах и других понижениях рельефа на карбонатных массивах гумусированная часть почвенногго профиля, благодаря намытости, превышает 100 см [6]. Карбонатные почвы характеризуются значительным содержанием свободной извести (иногда до 30%), количество которой вниз по профилю увеличивается. Содержание гумуса в пахотном слое колеблется от 2,8 до 4,6% при среднем 3,4—3,8%; в смытых почвах его количество не превышает 2,5%. Сверху вниз по профилю количество
Лишь при наличии кор выветривания и в случае субгоризонтальной или слабо наклонной поверхности скального массива на нём могут формироваться более-менее развитые почвы, как, например, на поверхности карбонатных массивов квест в Крыму. Как правило такие почвы представлены горными примитивными разностями или высокогорными дерново-гольцовыми почвами. Их свойства и химико-минеральный состав определяются материнской горной породой. Они характеризуются небольшой мощностью (10-25 см) и прерывистым распространением, чередуются с выходами на поверхность скальных грунтов, отличаются большой щебнистостью и плохой сортированностью материала, слагающего почвы.
К биотическим компонентам природных ЭГС относятся микробоценозы, фитоценозы и зооценозы.
Исследованием роли микроорганизмов в формирование компонентов ЭГС, в почвообразовании, выветривании и т.п. занимались М.А.Глазовская [3], Г.А.Заварзин, Н.А.Красильников [12], Б.Б.Полынов [21,22], А.С.Рябова [26], Н.Н.Сушкина [32], Е.А.Ярилова [41] и многие др. Общими особенностями микробоценоза ЭГС массивов скальных грунтов являются (табл. 1): 1) относительно небольшое видовое разнообразие микроорганизмов; 2) их невысокая плотность популяций, за исключением ЭГС массивов пористых и трещиноватых, выветрелых грунтов, а также подземных пещер (карстовых, тектонических и др.); 3) меньшая биомасса микроорганизмов в единице объема грунта; 4) возможность проникновения микроорганизмов на меньшую глубину массива по сравнению с массивами дисперсных грунтов. В массивах скальных грунтов возможно формирование поверхностных (наземных) и подземных микробоценозов, которые существенно отличаются друг от друга.
Для поверхностных микробоценозов скальных массивов характерно наличие микроорганизмов-петрофилов и эпилитов, которые, как правило, являются аэробными и селятся либо непосредственно на поверхности скал, либо в их трещинах и открытых порах. Основная роль микроорганизмов в массивах скальных грунтов состоит в их биологическом выветривании. Но наряду с разрушением, микроорганизмы способны и создавать биогенные скальные грунты карбонатного, силикатного, железистого, сульфатного и иного состава, а также руды, выступая как агент формирования биолитов [43].
Подземные микробоценозы формируются в пещерах (карстовых и др.) и прочих крупных пустотах массивов скальных грунтов, достигая значительной глубины. Микробоценозы подземных полостей и пещер характеризуются существенными отличиями от поверхностных, обусловленными отсутствием солнечного света, почти постоянной температурой и влажностью воздуха и т.п. В пещерном микробном комплексе доминируют бактерии и протисты (Протисты – одноклеточные организмы, эукариоты, прим. ред.). К пещерной микрофлоре, особенно, бактериальной, в последние десятилетия проявляется значительный научный интерес. При этом микробиология пещер до настоящего времени в полной степени не разработана [28,40].
В карстовых пещерах (табл. 2) существуют сообщества микроорганизмов, хорошо приспособленные к этим специфическим условиям. Они зачастую выполняют роль первичных продуцентов при отсутствии растений. Характеристики микробных сообществ карстовых пещер Южного Урала изучены А.С.Рябовой [26]. Микробные сообщества на поверхности массива скальных карбонатных грунтов представлены актинобактериями, спорообразующими, литотрофными бактериями и микроскопическими грибами, с доминированием представителей родов Penicillium, Aspergillus, Geotrichum. Установлено, что в пещерах карбонатных массивов галерейного типа (пещеры Киндерлинская, Шульган-Таш) содержание микроорганизмов в грунте убывает по мере продвижения вглубь полости – бактерий до 106 -104 КОЕ/г, микроскопических грибов до 103 -102 КОЕ/г. Причем удаление от дневной поверхности приводит к снижению видового богатства микромицетов. Антропогенная нагрузка приводит к возрастанию количества микроорганизмов в грунте от 4 до 40 раз и увеличению видового богатства микромицетов в 2-10 раз по сравнению с ненарушенными участками. Другим фактором, оказывающим существенное влияние на численность культивируемых форм микроорганизмов, является проникновение поверхностных вод. Для ледяной пещеры мешкообразной формы (Аскинская пещера) установлено, что поступление поверхностных вод в виде капельников, стекающей в полость талой и дождевой воды оказывает большее воздействие на численность микроорганизмов в грунте, чем рекреационная нагрузка [26].
Основными особенностями фитоценоза ЭГС массивов скальных грунтов являются (см. табл. 1): 1) меньшее видовое разнообразие растений; 2) проникновение корней на меньшую глубину; 3) меньшая биомасса растений; 4) неспособность растений препятствовать развитию ЭГП; 5) приуроченность облигатных растений (петрофитов) к скальным грунтам; 6) подчинение фитоценозов широтной и высотной зональности (поясности): 7) значительная роль лишайников-эпилитов.
Для таких фитоценозов характерно наличие растений-петрофитов, литофагофитов и эпилитов (собственно литофитов). Растения-эпилиты в основном представлены низшими формами – лишайниками (Lichenes), мхами (Bryophita) и водорослями (Algae).
В ЭГС скальных массивов особенно высока роль лишайников-эпилитов (рис.4-6). Обладая широким диапазоном устойчивости, они способны осваивать трудно используемые многими другими организмами скальные местообитания, быть первопоселенцами на вновь формирующихся скальных субстратах — застывших лавовых потоках, прибрежных скалах, массивах карбонатных грунтов и пр. [13,30]. Исследованием лишайников-эпилитов и их роли в ЭГС скальных массивов занимались З.Джураева [4], К.Н.Игошина [7], М.А.Магомедова [16], А.А.Ниценко [17], Б.Б.Полынов [21,22], Н.В.Седельникова [27], А.В.Сонина [30], Н.Н.Сушкина [32], И.Н.Урбанавичене, Е.А.Ярилова [41] и др.
Рис. 4. Эпилитные лишайники: а — Lecanora (Protoparmeliopsis) muralis на валунах Соловецкого архипелага; накипные лишайники на скальных выступах [14]
Рис. 5. Сообщества лишайников (Cetraria sp., Cladonia sp. и др.) на скальных выступах в Хибинах (а, б) (фото С.Д.Балыковой)
Рис. 6. Лишайники: а — арктопормелия (Arctopormelia sp.) на скалах, Карелия; б – кладония оленья (Cladonua cf rangiferina), Карелия (фото С.Д.Балыковой)
Не менее интересна роль водорослей, селящихся на скальных выступах в прибрежной зоне литорали и сублиторали. В ряде мест сообщества наскальных водорослей выходят на поверхность, как например, в пляжной, приливной и прибойной зоне морских побережий (рис. 7)
Рис. 7. Наскальные водоросли – фукус пузырчатый (Fucus vesiculosus), Карелия, а, б (фото С.Д.Балыковой)
Литофагофиты в основном представлены высшими растениями – папоротниками (Polypodiophyta), камнеломками (Saxifragaceae), очитками (Sedum), овсяницами (Festuca), сеслериями (Sesleria), колокольчиками (Campanula) и др. Среди кустарниковой и древесной растительности к ним относятся можжевельники (Juniperus) и сосны (Pinus). При этом доминантами являются лишайники-эпилиты: именно они обусловливают начальные сукцессии при формировании на скалах фитоценозов и являются их важнейшим компонентом (рис. 4-6). Доминирующим фактором в развитии лишайникового покрова на скалах выступает световой, который связан с углом наклона скальной поверхности, что подтверждается исследованиями А.В.Сониной [30] на скальных массивах Северо-Запада России.
Что касается корневой системы, то произрастание растений на крутых склонах с развитыми процессами эрозии и выветривания приводит к оголению корня. В научной литературе [19] имеется описание эндемика меловых массивов, произрастающего на крутых склонах бедренеца скального (Pimpinella tragium), распространенного в долинах Волги и Дона на меловых обнажениях (рис. 8). Это облигатный кальцефит меловых обнажений, произрастающий на склонах крутизной до 45-50 градусов. Проективное покрытие обнажений не превышает 55%, а в отдельных случаях составляет всего 5-20%. Это обусловлено произрастанием бедренца на меловом субстрате, верхний слой которого из-за сезонных смен температуры и влажности постепенно разрыхляется и вымывается при таянии снега и осадках. Небольшие по размерам особи этих растений либо вымываются, либо у более сильных особей происходит достаточно сильное – до 10 см – оголение корня, что существенно снижает срок жизни растения.
Рис. 8. Бедренец скальный (Pimpinella tragium) на крутом склоне скального массива [38]
На массивах скальных грунтов разного минерального состава формируются фитоценозы, адаптированные к соответствующему субстрату. Так, например, на карбонатных скальных грунтах образуются фитоценозы с преобладанием кальцефитов (рис. 9).
Рис. 9. Фитоценоз кальцефитов на массиве карбонатных грунтов, Крым (фото В.С.Королева)
Общими особенностями зооценозов ЭГС массивов скальных грунтов также является (см. табл. 1): 1) относительно небольшое разнообразие животных по сравнению с массивами дисперсных грунтов; 2) отсутствие подземных роющих животных, но наличие подземных пещерных комплексов; 3) меньшая биомасса животных; 4) неспособность влиять на развитие ЭГП; 5) проявление литофагии в биоминеральном комплексе скальных массивов. Зооценозы скальных массивов подчиняются широтной и высотной зональности [42].
Относительно небольшое разнообразие животного мира на скальных массивах меловых грунтов связано с экстремальными условиями существования. Например, особенностью отложений мела является слабая доступность для живых организмов воды, содержащейся в микропорах, и особой тепловой режим обитаемого горизонта в связи с низкой теплопроводностью мела. Обитаемые горизонты меловых отложений в приповерхностной части массива (например, в Белгородской области) характеризуются более низкой температурой в летние месяцы и незначительной разницей дневных и ночных температур. Суточные вариации температуры на развитых почвах в Белгородской области на 4-20 0С превышают таковые на меловых массивах [23, 24].
В отличие от иных грунтов, скальные массивы представляют собой не очень благоприятный ресурс геологического пространства и среду обитания животных, т.к. они «трудно разрабатываются» роющими формами [2]. Лишь трещины, крупные поры и пустоты (включая пещерные) скальных массивов могут заселяться животными.
Еще одной особенностью меловых массивов является их высокая освещенность. Обладая высоким альбедо, мел способен обеспечивать дополнительный по отношению к другим источникам тепла нагрев тел, находящихся на его поверхности, что особенно сказывается на членистоногих, если они оказываются на «светлом» фоне. Даже кратковременный их выход на открытую поверхность мела грозит быстрым перегревом и потерей влаги. Поэтому выходы мела на поверхность обладают различной пригодностью для расселения живых организмов, в том числе членистоногих и других беспозвоночных. Скальные субвертикальные обнажения с протяженными узкими трещинами, в которые проникают корни растений и накапливается много органики, заселяются детритоядными мокрицами, хищными многоножками и пауками-засадниками из семейства Clubionilae и Gnaphosidae, на поверхности обнажений обитают пауки из семейства Salticidae. В основании обнажений, где скапливается меловой щебень и имеются обширные полости, в которые проникает дневной свет, попадает крупнодисперсная органика и поддерживается высокий уровень влажности, обитают мезо- и гигрофильные детритоядные членистоногие (мокрицы Oniscidae, кивсяки Blaniulidae, Julidae, чернотелки Tenebrionidae и др.), днем находятся сумеречные и избегающие перегрева дневные хищники (например, жуки из семейств Carabidae Staphylinidae, Histeridae, Lycosidae, Gnaphosidae, Lithobiidae), а также пауки из семейств Theridiidae, Agelenidae, Linyphiidae [23,24].
Другой важной особенностью ЭГС массивов скальных грунтов является то, что отдельные типы скальных грунтов выступают как биоминеральные комплексы
. Проявление литофагии в биоминеральных комплексах, развитых на массивах скальных грунтов, изучено Т.А. Подчасовой [20] на примере Сихотэ-Алинского вулканического пояса (туфы риолитового состава) и Телецкой разломной зоны Алтая (илисто-глинистые образования выветрелых гнейсов и сланцев). Биоминеральные комплексы подразделяются на две категории – литоморфные и гидроморфные. Гидроморфные комплексы формируются на основе минерализованных источников подземных вод и структурно приурочены к различным разрывным нарушениям. Литоморфные комплексы могут формироваться массивах скальных грунтов различного генезиса, и чаще всего, структурно приурочены к вулканическим поясам, либо к областям горных складчатостей. В результате процесса выветривания и цеолитизации материнских пород образуется минеральное вещество, привлекающее животных.
Скальные грунты природных биоминеральных комплексов, потребляемые животными, оказывают как сорбционное действие на организм животных, так и обогащать его недостающими химическими элементами. Установлено, что копытные животные на природных биоминеральных комплексах (в пределах различных геологических структур и условий тепло-/влагообеспеченности) потребляют полиминеральные смеси, в которых преобладают минералы коры выветривания с высокими сорбционными и ионообменными свойствами (цеолиты, глинистые минералы), кварц; потребляемые минеральные вещества и воды биоминеральных комплексов отличаются повышенным содержанием биодоступных форм редкоземельных элементов, преимущественно из подгруппы легких (La, Ce, Pr, Nd, Sm) [20].
Таким образом, массивы скальных грунтов, являющиеся литогенной основой формирующихся на них ЭГС, определяют специфические черты биотических компонентов этих систем – эдафотопов, микробо-, фито- и зооценозов.
Эколого-геологические системы (ЭГС), формирующиеся на массивах скальных грунтов, представляют собой сложные образования. Важнейшие особенности ЭГС массивов скальных грунтов в основном обусловлены их литогенной основой — скальными грунтами, обладающими специфическими составом, строением и свойствами. Состав и свойства литотопа во многом определяют свойства эдафотопа и видовой состав фитоценозов. Литотоп оказывает меньшее влияние на зооценозы, но в значительной мере определяет состав и свойства биоминеральных комплексов, потребляемых животными.
Характерной особенностью эдафотопа ЭГС массивов скальных грунтов является наследование минерального и химического состава материнской породы. Непосредственно на массивах скальных грунтов формируются фрагментарные, короткопрофильные почвы со слаборазвитым гумусовым горизонтом, а на коре выветривания этих массивов – развитые почвы с большим количеством органического вещества
3. Установлены характерные особенности фитоценозов ЭГС массивов скальных грунтов. Их доминантами являются лишайники-эпилиты, обусловливающие начальные сукцессии при формировании фитоценозов на скалах.
4. Отмеченные обстоятельства необходимо учитывать при анализе экосистем и ЭГС, формирующихся на массивах скальных грунтов, при их систематизации, инженерно-экологических изысканиях и геоэкологических исследованиях.
наверх
Поделиться
Поделиться
Скопировать ссылку
Оформить подписку