Літосфера – кам’яна оболонка Землі, яка включає земну кору товщиною від 6 (під океанами) до 80 км (гірські системи). Земна кора складена гірськими породами. Частка різних гірських порід в земній корі неоднакова – більше 70% приходиться на базальти, граніти і інші магматичні породи, біля 17% - на перетворені тиском і високою температурою породи і лише 12% - на осадові породи. На континентах переважають граніти, а під океанами – базальти. Під земною корою знаходиться мантія (до 2900 км вглибину) і ядро (від 29000 63800 км).

Живі організми в літосфері можуть жити на глибині до 3 км.

До складу літосфери входять два найголовніших компоненти надра Землі і грунт.

Надра Землі – частина природного середовища, яка знаходиться під земною поверхнею, включаючи мінерали, елементи і гірські породи, які виходять на поверхню землі. Надра - мінеральна основа біосфери; для людини надра-традиційний об’єкт добування корисних копалин – паливних (вугілля, нафта, горючі сланці), рудних (залізо, алюміній, мідь, олово та ін.) і нерудних (фосфорити, апатити та ін.), природних будівельних матеріалів (вапняки, піски, гравій та ін.).

Грунт – тонкий верхній шар континентальної земної кори,  один з найголовніших ресурсів планети, гігантська екологічна система, яка поряд з Світовим океаном вирішально впливає на всю біосферу.

5.1. Антропогенні зміни поверхні літосфери

Людина існує в певному просторі і основною складовою цього простору служить поверхня літосфери.

В процесі еволюції людина почала змінювати поверхню землі,  особливо великих масштабів ці виміри досягли в останні п’ятдесят років. Це добре ілюструють дані про будівництво великих водосховищ: 90% великих водосховищ світу були побудовані після 1950 р., а в колишньому СРСР в цей період побудовано 94% великих водосховищ.

Порушення поверхні літосфери починаються з самого малого - з будівництва житла, коли необхідно вирівнювати поверхню і закладати фундамент. Зростання подібних порушень відбулося після 1950 р., коли в усьому світі, і в тому числі в СРСР йшов швидкий процес урбанізації, який призвів до збільшення чисельності міського населення. В цей час інтенсивно розвивалася господарська інфраструктура, що супроводжувалося серйозними змінами поверхні літосфери - будувалися залізничні та автомобільні дороги, прокладалися нафтопроводи, лінії електропередач та зв’язку.

Крім водосховищ, побудовані канали великої протяжності, сітки мілких каналів, а також дренажні системи, В сітках каналів, як зрошувальних, так і в дренажних, які в більшості своїй не облицьовані, йдуть активні ерозійні процеси. Подібні порушення поверхні займають зараз, наприклад, на території Росії більше 12,3 млн. га., із яких приблизно половину складають осушені землі. На багатьох осушених землях  спостерігається осідання ґрунту в результаті згорання торфу і руйнування підземних дренажних систем.

Загородження греблями річки виявляється порушенням літосфери практично на всьому протязі, так як вже водосховище змінює баланс стоку насосів, значна частина яких затримується у верхньому буфері греблі.

В результаті нижче водосховища йде ерозія русла, а в гирлі починають відбуватися зміни, обумовлені порушенням балансу насосів.

Поверхня літосфери порушується при гірських розробках, створенні кар’єрів. розрізів і під’їзних шляхів до них. Наприклад, в Росії, за статистичними даними, площа порушення земель в зв’язку з подібною діяльністю в 1989 р. склала 1,2 млн. га.

В Західному Сибірі, де ведуться пошуки нафти і газу, розвивається новий тип антропогенних порушень поверхні літосфери. Тут широко використовуються всюдиходи які вибивають глибокі колії і процес оновлення тундрової і лісотундрової рослинності відбувається дуже повільно. Швидко розвивається процес ерозії ґрунту, так як колії служать борознами стоку для талих і дощових вод. На місці руху всюдиходів формується антропогенна дренажна сітка.

Ще один шлях порушення літосфери - геологорозвідувальні роботи, які супроводжуються копанням шурфів, бурінням малих скважин, вибухами поверхневих зарядів при проведенні систематичної розвідки і т. ін. При регіональних дослідженнях вага зарядів досягає 1000 кг і як наслідок ушкодження літосфери досягає 100-метрової глибини.

Порушення літосфери приводять, як правило, до активізації небезпечних стихійних природних явищ, таких як, поповзні, завали, просідання ґрунту, створення умов для формування снігових лавин, сприяння збільшенню поверхневого стоку; змінюються умови інфільтрації і рух флюїдів в ґрунті, порушуються біоценотичні взаємозв’язки ґрунтових організмів.

5.2. Надра Землі, їх використання та охорона

Зараз у світі відбувається великомасштабне втручання людини в систему водоносних, нафтових і газоносних горизонтів літосфери, які розташовані на різних глибинах. При цьому вплив на літосферні флюїди здійснюється декількома шляхами.

Частина поверхневого стоку переводиться в підземний, особливо при зрошуванні. Під час зрошування в магістральних каналах і безпосередньо на полях даремно витрачається до 30 % води. В результаті на більшій частині зрошувальної території відбувається піднімання рівня ґрунтових вод і навіть виникають заболочені площі. Площа на якій підвищився рівень води внаслідок зрошування, досягає у світі декількох мільйонів гектарів.

Інший шлях переведення поверхневого стоку в товщу літосфери - це підтоплення земель в районах водосховищ, де також піднімається рівень ґрунтових вод.. Таке підіймання ґрунтових вод і заповнення водою раніше ненасиченої зони змінюють механічні якості ґрунту, сприяють руйнуванню берегів водосховищ, розвитку суфозії (вимивання з ґрунту мінеральних часток, осідання верхніх товщ ґрунту і утворення понижень та порожнин) та ін.

Під великими водосховищами в місцях розломів земельної кори не виключене проникнення поверхневих вод в глибинні пласти і в глибоко залягаючи водоносні горизонти. Це може породжувати сейсмічність, що добре відомо із практики будівництва великих водосховищ.

Переведення частини поверхневого стоку в підземний виникає у всіх містах в результаті роботи водопровідної і каналізаційної системи. В містах, в ненасичену зону літосфери і до вільних горизонтів ґрунтових вод, поступає до 3 куб/км² води, в тому числі гарячої із тепломережі. Результатом  цього є затоплення підвалів будинків і підземних комунікацій. Виникають руйнування фундаменту, осідання ґрунтів, розвивається суфозія.

Ще один шлях утручання в літосферу - це закачування забруднених відпрацьованих вод в глибокі скважин та закачування гарячої води і пари в нафтові скважини з метою збільшення нафтовіддачі пласту. Масштаби негативних наслідків таких закачувань величезні.

Потужним засобом впливу на літосферні флюїди є відкачування води із різних горизонтів підземних вод. Зокрема, відкачування шахтових вод і вод із кар’єрів і розрізів. При відкачуваннях, які обов’язково перевищують поповнення води, виникає пониження рівня підземних вод і поява великих вирв депресії. Найбільше пониження рівня підземних вод спостерігається в районі великих міст, що використовують для водопостачання підземні води з глибини 50-60 м.

 Вторгненням в флюїдні системи літосфери є добування нафти і газу.

За період розвитку нафтогазових родовищ пробурено багато десятків тисяч таких скважин глибиною до 2 км. На їх місці виникли великі депресійні вирви, були розкриті і розгерметизовано всі глибоко залеглі водоносні, нафтоносні і газоносні горизонти.

Наслідки цього процесу виявляються по-різному. В Татарії, наприклад, де видобуток нафти ведеться вже тривалий час, в районі Ромашкінського нафтового родовища з вересня 1986 р. по січень 1989 р. зареєстровано 198 землетрусів силою до 10 балів. Більша частина епіцентрів землетрусів залягає на глибині 2-3 км в осадовому чохлі старої Східноєвропейської платформи.

Крім розвідувальних і промислових свердловин, достатньо глибокі горизонти надр пронизують шахти по видобуванню корисних копалин: вугілля, поліметалічних руд, солей. Утворені підземні пустоти весь час зростають за об’ємами і площами. На більшості підприємств по видобуванню вугілля взагалі не прийнято заповнювати випрацьований простір. Все це призводить до просідань ґрунту, а також  порушення флюїдних систем. Найчастіше з всього , закриті шахти затопляються.

Є вагомі причини вважати, що райони видобутку нафти, газу та вугілля є джерелами виділення в атмосферу метану – одного з парникових газів.

Запаси корисних копалин в надрах Землі не безмежні і відносяться до категорії не відновлюваних природних ресурсів. Більшість корисних копалин значною мірою вже вичерпані, особливо багаті на них родовища верхніх горизонтів земної кори.

Учені неодноразово робили спроби підрахунків запасів і строків вичерпання природних копалин в цілому на земній кулі та в окремих регіонах. Звичайно, що ці підрахунки приблизні і базуються на даних, які доступні сучасному рівню знань (див. табл.5.1).

Таблиця 5.1. Ресурси і час вичерпання основних корисних копалин

Новим фактором потужного впливу на надра є ядерні підземні вибухи. Їх проводять для створення підземних ємностей в соляних куполах, для створення провальних вирв і для глибинного сейсмічного зондування. Крім того проводять вибухи з воєнною метою.

В результаті такого потужного впливу на значних площах піддаються розгерметизації зони аномально високих пластових тисків. В 60-х роках почав підвищуватися рівень підземних вод у верхніх горизонтах, що особливо яскраво виявилося в Прикаспійському регіоні. За цим прослідувало зростання сейсмічної активності в західній частині регіону, почастішали викиди грязевих вулканів та зародилася хвиля деформацій, яка виникла на Апшероні – найбільш старому районі нафтовидобутку, і рухалася з області альпійської складчастості на північний схід в сторону молодих та старих платформ з швидкістю 50 - 60 км/рік. Просування цієї хвилі супроводжується різким зниженням нафтовидобутку по всьому регіоні.

В наш час це, мабуть, єдине пояснення підняття рівня Каспію в ХХ столітті, яке ,на відміну від інших, відзначалося незвично швидкими темпами. Пояснення, пов’язані із змінами конфігурації дна в результаті тектонічних рухів, не підтверджуються високоточними повторними нівеліровками. Спроба пояснити зміни водного балансу Каспію збільшенням притоку води в нього і зменшенням випарювання не узгоджуються з особливостями зональної циркуляції, підвищенням глобальної температури та відбиранням води на зрошування і господарські потреби.

Таким чином, масштаби техногенної дестабілізації надр Арало-Каспійського перегину набули не локального а регіонального характеру. Ця дестабілізація незворотна і не піддається поки що регулюванню.

У зв’язку з тим, що надра Землі стали не тільки джерелом добування корисних копалин, але і місцем захоронення шкідливих хімічних і радіоактивних відходів виробництва, сховищем видобутих нафти і газу, місцем проведення підземних ядерних випробувань , будівництва деяких підземних споруд, прокладання транспортних комунікацій і т.д., необхідним стає розробка принципів раціонального використання і охорони надр.

Раціональне використання і охорона надр складається з слідуючих заходів:

- створення нових високо екологічних технологій розробки родовищ корисних копалин;

- вилучення з добутої мінеральної сировини (у тому числі і бідних руд) всіх хімічних елементів або їх сполук, що містяться в них;

- утилізація відпрацьованої породи або надійне її захоронення;

- запобігання втратам мінеральної сировини в період експлуатації родовищ;

- вилучення з руд основних і супутніх компонентів;

- збереження чистоти водоносних горизонтів, очищення і утилізація стічних вод;

- забезпечення економії мінеральної сировини при транспортуванні і переробці;

- удосконалення методів захоронення радіоактивних відходів з метою запобігання радіоактивного забруднення навколишнього середовища;

- охорона родовищ корисних копалин від затоплення при створенні водосховищ, організації звалищ промислових і побутових відходів;

- охорона родовищ від пожеж;

- пошук природних і штучних замінників дефіцитних мінеральних сполук, повніше використання вторинних ресурсів;

• використання альтернативних екологічно чистих джерел енергії.

5.3. Грунт – як головний засіб сільськогосподарського виробництва та середовище життя

Грунт – верхній тонкий шар континентальної земної кори , утворений під впливом рослин, тварин, мікроорганізмів та клімату з материнських гірських порід, на яких він знаходиться. Це важливий і складний компонент біосфери, тісно пов’язаний з іншими ії частинами.

В ґрунті складним чином взаємодіють слідуючи основні компоненти:

- мінеральні частини (пісок, глина), вода, повітря;

- детрит - відмерла органічна речовина, залишки життєдіяльності рослин і тварин;

- велика кількість живих організмів - від детритофагів до редуцентів, які розкладають детрит до гумусу.

Таким чином, грунт - біокосна система, заснована на динамічній взаємодії між мінеральними компонентами, детритом, детритофагами і ґрунтовими організмами.

В своєму розвитку і формуванні ґрунту проходить декілька етапів. Молоді ґрунти часто є результатом вивітрювання материнських гірських порід, або перенесення і відкладання осадів (наприклад, алювію.) На цих субстратах оселяються мікроорганізми, піонерні рослини - лишайники, мохи, трави, дрібні тварини. Поступово проникають інші види рослин та тварин, склад біоценозу ускладнюється, між мінеральним субстратом та живими організмами виникає ціла серія взаємозв'язків. В результаті формується зрілий грунт, якість якого залежить від початкової материнської породи і клімату. Процес розвитку ґрунту закінчується, коли досягається рівновага, відповідно ґрунту з рослинним покривом та кліматом, тобто виникає стан клімаксу. Таким чином, зміни ґрунту, що виникають в процесі його формування, нагадують сукцесійні зміни екосистем.

Кожному типу ґрунтів відповідають певні типи рослинних груп. Так, соснові бори, як правило, ростуть на легких піщаних грунтах, а ялинові ліси, переважно, на більш важких і багатих поживними речовинами суглинистих ґрунтах.

Ґрунти є складною системою, всередині якої протікають різноманітні складні процеси. Для того, щоб підтримувати грунт у хорошому стані, необхідно знати природу обмінних процесів усіх його складових.

Поверхневі шари ґрунту складаються з багатьох залишків рослинних та тваринних організмів, розклад яких призводить до утворення гумусу. Кількість гумусу визначає родючістю ґрунту.

В ґрунті існує велика кількість різних живих організмів - педобіонтів, формуючих складну харчову детритну сітку: гриби, бактерії, водорості, найпростіші, молюски, членистоногі та їх личинки, дощові черви та багато інших. Усі ці організми відіграють велику роль у формуванні ґрунту та зміні його фізико-хімічних характеристик.

Рослини вбирають з ґрунту необхідні мінеральні речовини, але після відмирання рослинних організмів спожиті елементи повертаються у грунт. Ґрунтові організми поступово переробляють всі органічні рештки. Таким чином, в природних умовах відбувається постійний кругообіг речовин у ґрунті.

В штучно створених агроценозах такий кругообіг порушений, бо людина забирає значну частину сільськогосподарської продукції, використовуючи її для власних потреб. Через те, що ця продукція не приймає участі в кругообігу, грунт стає неродючим. Щоб уникнути цього і підвищити його родючість в штучних агроценозах людина вносить органічні та мінеральні добрива.

Загальний земельний фонд України становить 60,36 млн. га. Територія України розташована в трьох ґрунтово-кліматичних зонах (степова, лісова і полісся) з різними типами ґрунтів (чорноземи , сірі лісові ґрунти, дернисті та торф’яники відповідно).

Найбільше природне багатство України - чорноземи. Вони складають майже 50% світового банку чорноземів. Розорані землі в Україні становлять близько 85% від площі степів і лісостепів. Посівні площі займають 33,5 млн. га

5.4. Антропогенне виснаження грунтів

В нормальних природних умовах усі процеси, які проходять в ґрунті, знаходяться в рівновазі. Але основним фактором порушення рівноваги стану ґрунту є антропогенний. В результаті розвитку господарської діяльності людини відбувається ерозія, дефляція, заболочування, засолення і забруднення ґрунтів. Людина викликає зміну складу ґрунту і навіть його знищення. В даний час на кожного жителя нашої планети приходиться менше одного гектара орної землі. Ці незначні площі продовжують скорочуватись із-за невмілої господарської діяльності людини.

В Україні за останні 25 років вміст гумусу в ґрунті зменшився з 3,5 до 3,2 %, площі кислих ґрунтів збільшилися на 1,8 млн. га (25%), а площі засолених - на 0,6 млн. га (24%) .Через необґрунтовану меліорацію майже 50 тис. га орних земель підтоплені.

Великі площі родючих земель в світі гинуть при гірничопромислових роботах, при будівництві підприємств і міст. Знищення лісів і природного трав’яного покриву, багаторазова оранка землі без дотримування правил агротехніки призводить до виникнення ерозії ґрунту - руйнування і зміни родючого шару водою і вітром. Ерозія в даний час стала всесвітнім злом. Підраховано , що тільки за останнє століття в результаті водної і вітрової ерозії на планеті загублено 2 млрд. га родючих земель активного сільськогосподарського використання.

Особливо руйнівної дії ерозії завдають в господарсько освоєних гірських районах, районах з різко почленованим рельєфом, сильним і нерівномірним стоком талих або зливових вод.

Водна ерозія викликає площинний змив і розмив ґрунтів. Утворюються яри і промоїни, з господарського вжитку виключаються великі площі родючих земель. Яружно небезпечними районами в Україні є передгір’я Карпат і Криму.

Вітрова ерозія, або дефляція (розвіювання і видування ґрунту) завдає руйнівної дії в районах в посушливих степових, напівпустинних і пустинних районах з піщаними і супіщаними ґрунтами.

На території СНД площа різною мірою еродованих земель складає більше 5 млн. га.

Одним з наслідків промислової діяльності людини є інтенсивне забруднення ґрунтового покриву. В ролі головних забруднювачів ґрунту виступають метали і їх сполуки, радіоактивні елементи, а також добрива і пестициди, які використовують в сільському господарстві.

В Україні внаслідок аварії на Чорнобильській АЕС радіонуклідами забрудненню понад 4,6 млн. га. земель у 74 районах 11 областей, в тому числі 3,1 млн. га. орних земель.

До найбільш небезпечних хімічних забруднювачів ґрунтів відноситься ртуть та її сполуки. Ртуть потрапляє в навколишнє середовище з отрутохімікатами, відходами промислових підприємств, які мають металеву ртуть та її сполуки.

Ще більш масовий і небезпечний характер носить забруднення ґрунту свинцем. Відомо , що при виплавці однієї тонни свинцю в навколишнє середовище з відходами викидається до 25 кг цього металу. Сполуки свинцю використовуються як добавки до бензину, тому автотранспорт є серйозним джерелом свинцевого забруднення грунтів. Особливо багато свинцю в грунтах вздовж великих автомагістралей..

Біля великих центрів чорної та кольорової металургії, грунти забруднені залізом, міддю, цинком, марганцем, нікелем, алюмінієм та іншими металами. В багатьох місцях їх концентрація в десятки разів перевищує ГДК.

Радіоактивні елементи можуть потрапляти в грунт і накопичуватись в ньому в результаті випадання опадів від атомних вибухів або при скиданні в навколишнє середовище рідких та твердих відходів промислових підприємств, АЕС або науково-дослідних закладів, пов’язаних з випромінюванням і використанням атомної енергії. Радіоактивні речовини із грунтів потрапляють у рослини, потім в організми тварин та людей, накопичуючись у них.

Значний вплив на хімічний склад грунтів завдає сучасне сільське господарство, яке широко використовує добрива і різні хімічні речовини для боротьби з шкідниками, бур’янами і хворобами рослин. В теперішні час кількість речовин, які втягуються в біологічний кругообіг в процесі сільськогосподарської діяльності, приблизно така ж, що і в процесі промислового виробництва. При цьому з кожним роком виробництво і застосування добрив та пестицидів в сільському господарстві зростає. Невміле та безконтрольне використання їх призводить до порушення кругообігу речовин в біосфері.

Однією з найбільш серйозних світових проблем навколишнього середовища є опустелювання земель. Цей процес відбувається майже в 100 країнах. Це відбивається на житті 900 млн. чоловік і щорічно урізає світовий прибуток на 42 млн. доларів.

Опустелювання (аридизація) - це деградація грунту в посушливих, напівпосушливих і сухих субгумідних районах, викликане згубним впливом людської діяльності і антропогенних змін клімату. Основні причини опустелювання - виснаження і надмірне забруднення грунтів, вирубування лісів і нераціональне зрошення.

Однією із значних екологічних проблем є засолення грунтів. Воно виникає в результаті підвищення у грунті легкорозчинних солей (карбонату натрію, хлоридів і сульфатів), зумовлених засоленістю грунтоутворюючих порід, привнесенням солей грунтовими і поверхневими водами, але найчастіше виникає в результаті нераціонального зрошування. Грунти стають засоленими при вмісті більше 0,1% за вагою токсичних для рослин солей. Засолення грунтів – одна з причин, яка обмежує розвиток орошуваного землеробства. Райони стародавнього орошуваного землеробства мають дуже високий відсоток засолених грунтів. Так, в долині річки Інд засолено 10 млн. га з 15 млн га всієї площі (біля 67%), в долині річки Ніл – 1,2 млн. га з 1,7 млн. га (більше 80%). На території колишнього СРСР при орошуванні кожної тисячі га засолювалося 184 га, в тому числі 141 га ріллі (Реймерс, 1990).

Деякі антропогенні фактори, які спричиняють зменшення площ грунтів та їх забруднення, в узагальненому виді наведені в таблиці 5.2.

Таблиця 5.2. Екологічні наслідки впливу антропогенних факторів на грунти

5.5. Охорона і раціональне використання грунтів

Для збереження грунтів від подальшого забруднення і деградації необхідно проводити комплекс організаційно-господарських, агрономічних, технічних, меліоративних, економічних і правових заходів по запобіганню і усуненню вказаних процесів.

Серед першочергових заходів, направлених на охорону земельних ресурсів виділяють слідуючи:

- боротьба з вітровою ерозією - проведення безвідвальної обробки грунту з збереженням стерні на поверхні поля, борозенкові посіви культур, заліснення і закріплення пісків, створення куліс з високостеблових рослин і трав’яних смуг, лісосмуг - буферів снігозатримання;

- боротьба з водною ерозією - поглиблення ріллєвого шару, обробіток грунту впоперек на схилах, контурне розорювання, висівання зернових на парових полях та проведення інших заходів, які покращують проходження води в грунт та запобігають її стіканню при розтаванні снігу та випаданні дощів; в гірських районах – обладнання протиселєвих споруд, заліснення, залуження схилів, регулювання випасання худоби, збереження гірських лісів;

- проведення меліорації - науково-обгрунтованої і екологічно безпечної системи заходів по поліпшенню ґрунтових, гідрологічних і мікрокліматичних умов сільськогосподарського виробництва з метою підвищення родючості грунту та отримання високих і стійких урожаїв. До меліоративних заходів належать : орошення і осушення земель; вентиляція грунтів, закріплення яру; грунто - і полезахисні лісонасадження; вапнування грунтів; внесення сидератів і органічних добрив та багато інших;

- рекультивація земель - комплекс робіт, напрямлених на відновлення продуктивності і господарської цінності порушених земель. Процес рекультивації складається з двох етапів. На першому етапі (гірсько-технічному) вирівнюють поверхню, засипають кар’єри та інше, здійснюють хімічну меліорацію грунту, насипають родючий шар грунту, проводять меліораційні і протиерозійні заходи. На другому (біологічному) етапі відновлюють родючість грунту.  Зараз досить ефективною є рекультивація шляхом лісорозведення. Перед залісненням часто висівають багаторічні бобові трави. Виділяють такі напрямки рекультивації порушених земель – сільськогосподарський, лісогосподарський, водногосподарський, рекреаційний, санітарно-гігієнічний та будівельний.

Контрольні питання

1. Що таке літосфера і яку вона має будову ?
2. Назвіть основні види негативного впливу людської діяльності на літосферу.
3. Які екологічні проблеми виникають у зв’язку із видобутком корисних копалин ? В чому полягає суть їх охорони і раціонального використання ?
4. Назвіть фактори грунтоутворення. Які екологічні функції в біосфері виконує грунт ?
5. Що таке родючість грунту і від чого вона залежить ?
6. Опишіть екологічні наслідки основних видів антропогенного впливу на грунт.
7. Які типи руйнації і деградації грунтів ви знаєте ? Які причини їх виникнення ?
8. Поясніть суть основних заходів охорони грунтів.