Динамика эколого-геологических систем

Введение

Основным объектом исследований в области экологической геологии являются эколого-геологические системы (ЭГС). Они же анализируются и в ходе инженерно-экологических изысканий, в составе которых ЭГС играют ведущую роль [6].

Понятие об ЭГС сформировалось не сразу. Эколого-геологическая система рассматривалась как «часть экосистемы, выполняющая функции жизнеобеспечения человека и биоты на базе геологического компонента природной среды» [7]. Позже В.Т. Трофимов и Д.Г. Зилинг понятие ЭГС использовали в качестве объекта изучения в экологической геологии, считая, что ЭГС — это «верхняя часть литосферы (включающая подземные воды и газы) как абиотическая компонента экосистем высшего уровня организации, или, рассматривая объектное поле экологической геологии с позиций системного подхода, своеобразная эколого-геологическая система» [12, с. 118].

В 2009 г. В.Т. Трофимов детально проанализировал понятие ЭГС и ее структуру [11]. В его более тридцати публикациях, посвященных ЭГС, наиболее полно раскрываются структура и содержание эколого-геологических системы [7-13]. Под последней стали понимать открытую динамичную систему, включающую три подсистемных блока (литосферный, абиотический, биотический) и источники природных и техногенных воздействий, тесно связанных прямыми и обратными причинно-следственными связями, обусловливающими ее структурно-функциональное единство [1]. «В практическом плане — 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 в ее рамках. Эта система исследуется как многокомпонентная система, включающая породы, подземные воды, нефть и газы, геохимические и геофизические поля и протекающие современные геологические процессы, влияющая на существование и развитие биоты, в том числе и человеческого сообщества» [1, с. 207].

Позже появилась масса публикаций об ЭГС, раскрывающих особенности этих систем, их роль в экосистемах, их структуру, систематику, учет в составе инженерно-экологических изысканий и т.п. [2-6]. Тем не менее многие авторы это понятие до сих пор трактуют искаженно или неправильно.

Структура эколого-геологической системы и ее положение в объеме экосистемы согласно В.Т. Трофимову [11] показаны на рисунке 1. Эта схема составлена с учетом изменения содержания экологии, выходом ее за границы биоэкологи, изучающей взаимодействия биотического и абиотического компонентов внутри экосистемы, и превращением в науку, исследующую систему природа — человек— общество, а также в связи с необходимостью устранения принципиальной ошибки прежних схем, в которых геологические факторы в системе биотопа не учитывались совсем или, если и учитывались, то в «усеченном» виде.

Рис. 1. Схема структуры экосистемы с учетом геологической составляющей и внешних воздействий на нее. Точками выделены границы эколого-геологической системы: 1–5 - параметры литосферы: 1 - состав, строение и рельеф; 2 - подземные воды; 3 - геохимические поля; 4 - геофизические поля; 5 - современные эндо- и экзогенные процессы [11]

Если из этой схемы вычленить отдельно эколого-геологическую систему, то можно представить её состав так, как показано на рисунке 2. Как следует из этой схемы, ЭГС состоит из двух подсистем: абиотической (литотопа и эдафотопа, составляющих вместе биотоп) и биотической – биоценоза как совокупности микробоценоза, фитоценоза и зооценоза. В отличие от схемы, приведенной на рисунке 1, здесь вместо геодинамических процессов (которые не являются материальной субстанцией) введены геодинамические поля, их определяющие.

Рис. 2. Модель состава природной сухопутной (континентальной) эколого-геологической системы [3]

Все указанные на схеме рисунка 2 компоненты биоценоза и биотопа, включая и литотоп, изменяются во времени и представляют из себя динамичные системы. Однако закономерности динамики ЭГС к настоящему времени изучены слабо. Анализу этого вопроса и посвящена настоящая статья.

Подразделение ЭГС по динамике во времени позволяет учесть эволюцию эколого-геологической системы и её компонентов в геологическом и физическом времени. Рассмотренные выше компоненты ЭГС (см. рис. 1 и 2) не постоянны во времени, а, следовательно, и ЭГС в целом во времени также изменяется. Причем, если литотоп формируется и меняется в геологическом времени, то его современная природная или техногенная трансформация ощутимо осуществляется в физическом времени.

Динамика природных ЭГС в геологическом времени

Массивы грунтов и соответствующие им литотопы образуются и в настоящее время (в голоцене), и образовывались в ходе геологических процессов в разные предшествующие геологические эры: в кайнозое, в мезозое, в протерозое, в архее и в катархее. Их можно назвать палеолитотопами, выступающими как компоненты палео-ЭГС. Таким образом, литотопы имеют разный геологический возраст своего формирования, что безусловно отражается на особенностях их состояния, строения и свойств. Чем древнее геологический массив, выступающий в качестве литотопа ЭГС, тем он более изменен геологическими и постгенетическими процессами (метаморфизмом, метасоматозом, выветриванием и т.п.).

С другой стороны, целый ряд литотопов встречается лишь среди соответствующих им массивов грунтов нашего или новейшего времени - голоцена.  К ним, например, относятся литотопы массивов торфяных грунтов, литотопы массивов лёссовых грунтов (рис. 3), литотопы массивов современных вулканогенных и вулканогенно-осадочных грунтов и т.п. К этой же категории относятся и литотопы массивов техногенных и антропогенных грунтов, формирующиеся в эпоху техногенеза.

Рис.3. Литотоп массива лёссовых грунтов, затронутый современными эрозионными процессами, Израиль (www.wallpaperflare.com)

На протяжении всех этих временных эпох литотопы, точнее палеолитотопы, служили литогенной основой для формирующихся на них специфических, эволюционирующих в геологическом времени, палеоэкосистем (закономерности формирования палеоэкосистем изучаются в палеоэкологии, а особенности формирования биогеоценозов в них изучаются в палеосинэкологии – прим. автора). Их анализ и реконструкция возможны, в частности, на основе принципа актуализма.

Динамика природных ЭГС в физическом времени

Особенности динамики природной ЭГС и её компонентов в физическом времени (t) можно графически отразить в виде принципиальной схемы, показанной на рисунке 4.

Из этой схемы следует, что литотоп – самый консервативный компонент ЭГС в смысле его динамики в физическом времени, но самый длительный по времени своего существования: массив грунтов имеет длительную геологическую историю своего развития от момента его возникновения (t₀) до настоящего времени. Через некоторое время (t₁) после возникновения литотопа он в первую очередь заселяется микроорганизмами и в пределах ЭГС формируется первичный микробоценоз. С появлением в ЭГС низших растений (t₂), представленных лишайниками и мхами, микробоценоз расширяется в пространстве и видовом многообразии. В фитоценозе формируется начальная сукцессия, которая с появлением почв (t₄) переходит во вторую стадию, затем в третью и так вплоть до стабилизации фитоценоза при достижении им климаксной стадии с момента времени (t₇). К этой же стадии микробоценоз и эдафотоп также достигают своей стабилизации.

Рис. 4. Схема динамики ЭГС и ее компонентов в физическом времени

Из схемы также следует, что на значительном промежутке времени ни один из компонентов ЭГС не остается постоянным. Даже самый консервативный компонент – литотоп, после своего образования не постоянен во времени, так как в результате различных процессов меняется его объем. Развитие в его пределах выветривания, иных экзогенных геологических процессов приводит к снижению ресурса и качества геологического пространства литотопа.

Таким образом, на начальных этапах своего формирования, в интервале времени t₀-t₄ (см. рис. 4), ЭГС является неполной – ряд компонентов отсутствуют, и лишь с момента появления всех компонентов (t₄) она становится полной. Полная ЭГС также не постоянна во времени: сменяющиеся стадии сукцессий, освоение организмами нового пространства литотопа, взаимодействие и конкуренция организмов – все эти факторы обусловливают сложную динамику каждого из компонентов и ЭГС в целом как единой системы.

Данная схема отражает лишь самые общие черты динамики ЭГС и её компонентов. Понятно, что в конкретных эколого-геологических условиях, в разных климатических зонах, а также на литотопах массивов грунтов разного литолого-петрографического состава и возраста возможны различные отклонения в динамике отдельных компонентов ЭГС от предложенной схемы.

Например, фитоценоз может формироваться и раньше, чем эдафотоп (как показано на рисунке 5а), и позже его. В первом случае в пределах литотопа появляются растения-петрофиты (например, лишайники-эпилиты), субстратом для которых является не почва, а непосредственно скальные грунты (рис. 6). Во втором случае в пределах литотопа появляются только такие растения, для которых субстратом является исключительно почва.

а

б

Рис. 5. Различное соотношение динамики зооценоза и компонентов ЭГС во времени

Начало формирования зооценоза (t₃ на рисунке 5) также может совпадать с разными промежуткам времени: с учетом экологической пластичности животных эколого-геологическая система может заселяться животными и одновременно с микробоценозом (t₁), и одновременно с фитоценозом (t₂) (рис. 5а), и одновременно с эдафотопом (t₃, t₄), или позже их формирования (t₅, t₆), как это показано на рисунке 5б.

а

б

Рис. 6. Таллом эпилитного лишайника (а) рода ризокарпон (Rhizocarpon) на камнях курумника (б) горы Большой Иремель, выс. 1500 м.  (фото М.Скотниковой, 2019)

Однако, однозначно можно утверждать, что в пределах новообразованного литотопа (например, при вулканическом извержении и формировании литотопа магматических грунтов) в первую очередь формируется микробоценоз, а уже затем – последующие компоненты ЭГС.

Динамика техногенно трансформированных ЭГС

Картина ещё более усложняется при анализе динамики ЭГС, испытывающей различные техногенные воздействия. Так, например, при техногенном загрязнении литотопа во всей ЭГС во времени происходят существенные изменения (рис. 6).

Рис. 7. Динамика компонентов ЭГС во времени при загрязнении литотопа

Исходный природный литотоп (см. I на рисунке 7) загрязняется не мгновенно, а в течение определенного интервала времени Δt = t₂-t₁. За этот интервал загрязняющийся литотоп (II) трансформируется в загрязненный (III). Загрязнение литотопа вызывает трансформацию всех компонентов ЭГС (см. рис. 7): природный эдафотоп, микробоценоз, фитоценоз и зооценоз угнетаются на интервале Δt, а затем трансформируются в новые соответствующие компоненты. При этом исходная ЭГС полностью не восстанавливается во времени, меняется видовой состав микробо-, фито- и зооценоза, уменьшается их видовое разнообразие, снижается общая численность популяций организмов, остаются лишь самые устойчивые к данному загрязнению виды. О дновременно появляются и становятся доминирующими так называемые «сорные виды» растений и животных и т.п. В этом состоит специфика динамики компонентов ЭГС при техногенных воздействиях.

Аналогичные трансформации ЭГС будут происходить и при иных видах техногенных воздействий на литотоп: при воздействии на него различных физических полей – механического (статического и динамического), гидродинамического, термического, радиационного и т.п.

Помимо литотопа техногенные воздействия разной природы могут оказываться и на прочие компоненты ЭГС – эдафотоп, микробо-, фито- и зооценоз. Во всех этих случаях динамика изменения ЭГС будет отражать влияние данного техногенного воздействия на эти компоненты с учетом прямых и косвенных взаимосвязей между ними.

Заключение

Таким образом можно заключить, что и современные, и палео-ЭГС представляют собой динамичные образования, эволюционирующие и развивающиеся во времени:

Динамика эколого-геологических систем имеет сложный характер, отражающий их изменение и в геологическом, и в физическом времени.

Природный литотоп, как компонент ЭГС, представляет собой наиболее консервативный элемент, скорость изменения которого в физическом времени минимальна по сравнению с другими компонентами ЭГС.

Наиболее динамичные изменения в физическом времени характерны для ЭГС, подвергающихся техногенной трансформации.

Список литературы

1. Базовые понятия инженерной геологии и экологической геологии: 280 основных терминов // Под ред. В.Т. Трофимова. - М.: ОАО «Геомаркетинг», 2012. - 320 с.
2. Королёв В.А. Систематика эколого-геологических систем // Экологическая геология: теория, практика и региональные проблемы: сборник материалов VI Междунар. науч.-практич. конф. 15–18 сентября 2019: в 2х частях. Т. 1 / под ред. И.И. Косиновой. - Воронеж, ВГУ, 2019. С. 38–43
3. Королев В.А. Экологическая геокибернетика: Теория управления эколого-геологическими системами. - М.: ООО «Сам Полиграфист», 2020. - 440 с.
4. Королёв В. А., Григорьева И. Ю. Структура и особенности эколого-геологических систем массивов лёссовых грунтов // Материалы Межд. научно-практической конф. XII Ломоносовские чтения, посвященной Дню таджикской науки и 30-летию установления дипломатич. отношений между Республикой Таджикистан и Российской Федерацией (29-30 апреля 2022). Часть I. Естественные науки. — г. Душанбе, 2022. — С. 263–268.
5. Королёв В. А., Трофимов В. Т. К построению общей классификации континентальных эколого-геологических систем // Вестник Московского университета. Серия 4: Геология. 2022. № 1. — С. 54–61
6. Роль эколого-геологических систем в составе инженерно-экологических изысканий / В. А. Королёв, В. Т. Трофимов, М. А. Харькина и др. // Общероссийская научно-практическая конференция «Инженерно-экологические изыскания – нормативно-правовая база, современные методы и оборудование». — М.: Геомаркетинг, 2022.  С. 17–23
7. Теория и методология экологической геологии // Под ред. В.Т. Трофимова. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1997. 368 с.
8. Трофимов В.Т. Эколого-геологическая система – объект эколого-геологических исследований // Экологические проблемы недропользования. Наука и образование. / Мат-лы. 5-й Междунар. науч. конф. 19–24 ноября 2012 г. СПб: СПбГУ. - СПб.: Изд-во СПбГУ, 2012. С. 288–291.
9. Трофимов В. Т. Эколого-геологическая система // Российская геологическая энциклопедия: В 3-х т. Том 3. - М: СПб.: ВСЕГЕИ, 2012. С. 452–453.
10. Трофимов В.Т. Эколого-геологическая система и новая структура экосистемы // Геология, география и глобальная энергия. 2010. № 1(36). С. 6–26.
11. Трофимов В.Т. Эколого-геологическая система, её типы и положение в структуре экосистемы // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 4. Геология. 2009. № 2. С. 48–52.
12. Трофимов В.Т., Зилинг Д.Г. Экологическая геология в программе «Университеты России». // Геоэкология. 1994. № 3. С. 117-120.
13. Трофимов В.Т., Королёв В. А. Эколого-геологические особенности массивов песчаных грунтов // Инженерно-геологическое и эколого-геологическое изучение песков и песчаных массивов: Тр. Междунар. научн. конф. 27-28 сентября 2018. МГУ, Москва, Россия / Под ред. В.Т. Трофимова, В.А. Королева. - М.: ООО СамПринт, 2018. С. 233–244.