Окружающая природная среда представляет собой все, что не включается в понятие "общество". Природа - это материя, которая окружает общество. Природа создает для человека и общества необходимый биологический режим жизни. Человек воздействует на природу, используя среду обитания в качестве средства и места жизни. В процессе производства часть природной среды (вещество) изымается, меняет свою форму и превращается в материальные ценности. Одновременно в самой природе происходят негативные изменения, человек вносит диссонанс в динамику природных явлений, природная среда заполняется отходами производства.
Понятие "охрана окружающей природной среды" связано с современным периодом, когда стали осуществляться меры по предотвращению ее загрязнения. Это реакция общества на возрастающие масштабы ухудшения состояния природы. Источниками загрязнения являются отходы промышленности, энергетики, транспорта, газы, сточные воды, нефть и нефтепродукты, бытовые отходы. Загрязнение Мирового океана нефтью, вырубка лесов и обмеление рек, уничтожение почвенного и растительного покрова - это следствие добычи полезных ископаемых. Химическое загрязнение не имеет границ: следы человеческой деятельности в виде остатков ДДТ обнаруживаются во льдах необитаемой Антарктиды. Ближний космос засорен остатками космических аппаратов.
В федеральном законе "Об охране окружающей природной среды" окружающая природная среда (ОПС) рассматривается как совокупность природных объектов и условий, в которых осуществляется жизнь и деятельность человека, включающая литосферу, гидросферу, атмосферу, биосферу и околоземное космическое пространство. В этом законе перечислены компоненты ОПС. Закон гласит, что охране от загрязнения, порчи, повреждения, истощения, разрушения подлежат естественные экологические системы, земля, ее недра, поверхностные и подземные воды, атмосфера и озоновый слой атмосферы, леса и иная растительность, животный мир, природные ландшафты, микроорганизмы, генетический фонд. Особой охране подлежат государственные природные заповедники, редкие виды растений и животных.
Окружающая среда состоит из природных объектов: воздух, недра, почва, река, участок леса, животное и др. Эту правовую категорию следует отличать от понятия "природный ресурс".
Природный ресурс - это совокупность запасов природных веществ и энергии, которые используются обществом для удовлетворения своих потребностей. Например, река - это природный объект, а запас гидравлической энергии реки - это природный ресурс. Лес - это природный объект, а древесина на корню - это природный ресурс. Продуктивный пласт - это объект, а извлекаемая из пласта нефть - это ресурс.
Юридическое понятие "недра" определяется как часть земной коры, расположенная ниже почвенного слоя и дна водоемов, простирающаяся до глубин, доступных для геологического изучения и освоения.
Водный объект - это сосредоточение вод на поверхности суши в формах ее рельефа или в недрах, имеющее границы, объем и черты водного режима.
Животный мир - это совокупность всех видов живых организмов, находящихся в состоянии естественной свободы.
Природная среда есть совокупность всей живой и неживой природы. Природа в современном естествознании представляется динамичной, развивающейся через кризисные состояния, катастрофы и разветвления (точки бифуркации). Современная картина жизни определяет кризисные состояния как необходимую составляющую развития материи. Система "общество-природа" по достижении точки бифуркации перестраивается. Бифуркация - это толчок к развитию биосферы по какому-то новому пути.
Компоненты природной среды, влияющие на организмы, называют экологическими факторами. К ним относят:
Недостаток или избыток того или иного экологического фактора (экологического воздействия) ведет к невозможности существования живых организмов. В таких случаях говорят о лимитирующих экологических факторах.
Экосистемы - это динамические системы в определенном пространстве, которые образуют живые организмы и среда их обитания. Все части экосистемы взаимодействуют друг с другом, используя потоки энергии и создавая круговорот вещества. Размер экосистем может быть различным - они рассматриваются на различных иерархических уровнях: от глобального до отдельных географических объектов.
Биосфера - это единая глобальная экосистема, включающая в себя совокупность всех живых организмов на Земле - биоценоз, а также гидросферу, часть атмосферы и литосферы. Перечисленные земные оболочки наряду с другими (астеносферой, верхней и нижней мантией, ядром нашей планеты) образуют геосферы.
Жизнь сосредоточена главным образом на поверхности Земли, в почве и приповерхностном слое океана. В количественном отношении преобладают формы живых организмов, стоящие на относительно низком уровне эволюционного развития: вклад растений в общую биомассу составляет 99%. Среди животных 96% видов - беспозвоночные и только 4% видов - позвоночные, из которых лишь десятая часть - млекопитающие.
Главная функция биосферы - обеспечение круговорота химических элементов и вещества между гидросферой, атмосферой, литосферой и живыми организмами. Основным источником энергии для обеспечения подобного движения вещества является Солнце. В результате биологического круговорота происходит созидание органического вещества и его последующее разрушение. Определяющим звеном этого процесса являются растения; с ними связано образование свободного кислорода при фотосинтезе. В круговороте участвует множество химических элементов и соединений, из которых наиболее важные вода, углерод, сера, азот и фосфор.
Биота биосферы обуславливает преобладающую часть химических превращений на планете. Отсюда суждение В.Вернадского об огромной преобразующей геологической роли живого вещества. На протяжении органической эволюции живые организмы тысячекратно пропустили через себя всю атмосферу, весь объем мирового океана, массу почвы и минеральных веществ.
Благодаря способности трансформировать солнечную энергию в энергию химических связей растения и живые организмы выполняют мощную средообразующую функцию. Эта функция регулирует и обеспечивает необходимые для жизни состав атмосферы, радиационный и тепловой режим на планете, водный баланс и климатические особенности больших пространств, самоочищение воздуха и рек, поддержание плодородия почв.
Именно поэтому следует различать:
Атмосфера - внешняя газовая оболочка Земли, на 99% состоящая из азота и кислорода. Современные процессы образования газов на Земле подразделяются на три группы: биогенные ($$O_2, CO_2, N_2, H_2S, CH_4$$ и др.): физико-химические ($$Ar, ^{14}\!C,\; ^3\!H, CO_2$$ и др.); техногенные ($$CO_2, H_2S, CH_4, SO_2$$ и др.). Районы месторождений нефти и газа являются поставщиками многих газов в атмосферу: $$CO_2, H_2S, CH_4, SO_2$$ и др. Споры бактерий и грибов встречаются на высоте до 20 км от поверхности Земли. Важнейшую роль в развитии живых организмов играет озоновый слой атмосферы, который поглощает губительное для организмов ультрафиолетовое излучение Солнца.
Гидросфера - это водная оболочка Земли, куда входят воды океанов, морей, континентальных водоемов и ледяных покровов. Развитие органического мира тесно связано с гидросферой: мировой океан - это место скопления огромного количества биологических, минеральных и энергетических ресурсов. В зависимости от температуры, солености, давления и глубины изменяются виды подводных растений и организмов. Океанский фитопланктон поставляет почти половину кислорода атмосферы.
Литосфера включает земную кору и верхний слой мантии - астеносферу. Основная масса организмов сосредоточена в почвенном слое литосферы, однако жизнь в ней опускается на глубину проникновения воды - до 7 км.
Геологическая среда рассматривается как природная среда недропользования, связанная с геологическими объектами и процессами. К геологическим объектам относят осадочный и гранитно-метаморфический слои литосферы, а также гидросферу. К геологическим процессам относят геодинамические, эндогенные и экзогенные процессы, которые сформировали внутренние и внешние геосферы, природные ландшафты и месторождения полезных ископаемых.
Действие геодинамических и эндогенных процессов (землетрясения, извержения вулканов и подводные излияния лав) разрушительно проявляются на тектонически активных континентальных окраинах, зонах спрединга и субдукции, трансформных разломах, в коллизионных складчатых поясах.
Экзогенные процессы (оползни, лавины, эрозия, карсты и др.) проявляются на поверхности Земли повсеместно в результате длительных процессов выветривания.
Недра - это часть земной коры от нижней границы почвенно-растительного слоя на суше или от поверхности морского дна до предельно возможной глубины ее использования. В то же время следует иметь в виду, что на объектах недропользования разрушительному воздействию подвержен почвенно-растительный слой на больших территориях.
Техносфера - это часть биосферы, преобразованная деятельностью человека. Развитие производительных сил общества, нерегулируемый рост населения планеты и его потребностей идет за счет возрастания материального производства, разрушительно воздействующего на природную среду. Наиболее опасными техногенными объектами являются тепловые и электрические станции, угледобывающие и горно-металлургические предприятия, нефтегазовые промыслы, химические и нефтеперерабатывающие заводы, магистральные нефте- и газопроводы, танкеры для транспортировки нефти и сжиженного газа, подземные хранилища нефти и газа, радиохимические заводы, пункты захоронения отработанного ядерного топлива.
Общественные отношения - это отношения между людьми по поводу использования предметов материального мира, а не отношение человека к вещи или объекту природы.
Окружающая природная среда становится объектом общественных отношений вследствие использования и эксплуатации ее полезных свойств. Именно в результате эксплуатации природных ресурсов и возникает необходимость охраны объекта природы от неправильного, нерационального использования.
Воздействие на ОПС считается вредным, если оно ухудшает условия жизни человека, условия обитания и воспроизводства живых организмов, условия устойчивого функционирования экологических систем.
Общественные отношения по поводу охраны ОПС классифицируются в зависимости от характера вредного воздействия.
Во-первых, это общественные отношения (ОО) по поводу химического воздействия на природу. Имеется в виду загрязнение атмосферного воздуха в результате выбросов загрязняющих веществ, загрязнение вод стоками, загрязнение почвы химическими удобрениями и ядохимикатами.
Во-вторых, это ОО по поводу ухудшения состояния ОПС в результате вредных физических воздействий: шум. вибрации, электромагнитные поля, радиационное загрязнение, отвалы, скважины.
В-третьих, это общественные отношения по поводу предотвращения вредных биологических воздействий в связи с применением биотехнологий, загрязнения ОС вредными микроорганизмами.
В некоторых регионах России степень отрицательного антропогенного воздействия на ОПС достигла такого уровня. что возникает необходимость объявления этих территорий зонами экологического бедствия.
Рассмотрим пример сброса сточных вод в водные объекты. Соответствующее предприятие (субъект) получило право хозяйственного ведения, оперативного управления или право собственности на воду. Предприятие (субъект) осуществляет забор воды из водного объекта для использования ее в технологическом процессе (например, в бурении или обессоливании нефти). В процессе бурения вода насыщается десятками химических веществ. После того как вода становится ненужной для бурения скважины, владелец или собственник отказывается от своего права собственности на воду, сбрасывая ее в реку. Отказ от права собственности, связанный со сбросом загрязненной воды в окружающую среду, представляет собой опасность для природы и общества.
Аналогичная ситуация с выбросом ЗВ в атмосферу, когда в воздушную среду поступают отработанные газы и сажа или в ОПС поступают отходы производства. Во всех этих случаях собственник или владелец отказывается от права собственности на загрязняющие вещества, выбрасывая или сбрасывая их в ОПС. Из этого следует, что правовая природа экологических общественных отношений имеет имущественный характер.
Экология - это синтетическая наука, которая делится на множество разделов, из которых можно выделить три основные:
Термин "экология" был предложен Э.Геккелем в 1886 г. и первоначально обозначал одну из ветвей биологии, изучающую взаимосвязь видов живых существ и среды их обитания. В настоящее время понятие "экология" существенно расширилось. Часто высоким словом экология пользуются не по делу. Например, экология не нужна для уборки улиц, для установки фильтров на дымовой трубе. Экология нужна раньше - при обосновании новых технологий, материалов и новой техники.
Задачей экологии как науки является исследование действия окружающей среды на жизнедеятельность организмов, деятельности человека на окружающую среду, а также восстановление нарушенных человеком естественных природных условий. Экология также служит научной основой рационального использования природных ресурсов, включая полезные ископаемые.
Антропогенный ландшафт - преобразованный человеческой деятельностью природный ландшафт. Обычно действующие и заброшенные объекты недропользования выглядят удручающе.
За 100 лет техносфера увеличилась до 40 млн км$$^2$$, а биосфера суши сократилась на 15%: площадь деградированных земель достигла 2 млрд га: площадь лесов снизилась до 38 млн км$$^2$$. Ежегодно на дорогах мира появляются 16 млн новых автомобилей. Появились новые виды оружия массового поражения. Более того, человек раздвинул границы техносферы далеко за пределы биосферы: космос, недра, океаны, микромир. Можно сказать, что в результате деятельности человека искусственное вытесняет естественное.
Решения, найденные природой за миллионы лет, оптимальны и имеют большую ценность. Попытки перекроить природу в угоду потребностям человека приводят к созданию искусственных экосистем с энергетической эффективностью, гораздо меньшей, чем у природных.
Сегодняшний человек живет в обществе потребления. Объем использования человеком вещества и энергии для удовлетворения своих надбиологических потребностей возрос в сотни раз. Суммарная масса выбросов загрязняющих веществ в земную атмосферу составляет около 20 млрд т. в том числе 15 млрд т диоксида углерода. В результате уровень антропогенного воздействия на природу приблизился к пределу устойчивости биосферы, а по некоторым параметрам превзошел этот предел. Человечество на этом пути не достигло счастья, однако потеряло возможность жить в ладу с природой и самим собой. Единственно приемлемой этической основой взаимоотношений человека и природы должно быть "благоговение перед жизнью".
Все вышеперечисленное требует разумного, рационального подхода к природопользованию вообще и недропользованию, в частности. Принцип экологического рационализма не должен подменяться экономической целесообразностью или интересами отдельных социальных групп.
Главными задачами экологической охраны природы являются сохранение природных ландшафтов и их биоценоза, научно обоснованное землепользование, восстановление чистоты водного и воздушного бассейнов, экологизация технологических процессов, связанных с природопользованием.
Вся сумма воздействий человека на природную среду состоит из трех групп факторов: населения, потребления и технического прогресса.
Численность населения является важнейшим геоэкологическим фактором, поскольку она предопределяет потребности общества в питании, одежде и других услугах и ресурсах. Численность населения продолжает расти и по прогнозам должна стабилизироваться на уровне 10 млрд человек. Существует опасность, что потребности населения Земли превзойдут имеющиеся ресурсы, что может привести к геоэкологическому кризису и кровопролитным конфликтам. В некоторых странах Африки численность населения уже непроизвольно регулируется вследствие межплеменных столкновений и гражданских войн.
Потребление является вторым важнейшим геоэкологическим фактором. Потребности людей растут быстрее, чем численность населения. Разница в уровнях потребления различных стран очень велика. Развитые страны также в большей степени используют системы жизнеобеспечения Земли, сбрасывая в воду и воздух значительно больше загрязнителей, чем развивающиеся страны. С 1900 г. объем мирового промышленного производства увеличился почти в 25 раз. Регулирование антропогенного давления на экосферу Земли может проводиться посредством управления численностью населения или величиной всемирного потребления, или обоими путями сразу.
Технический прогресс - это третий важнейший геоэкологический фактор. Под этим термином понимается весь комплекс процессов переработки природных ресурсов и использования систем жизнеобеспечения Земли. Человечество ежегодно перерабатывает около 100 млрд т сырья, используя при этом энергетические мощности до $$10$$ кВт. Все эти процессы антропогенны и не характерны для природы: сырье извлекается из невозобновляемых ресурсов; энергия производится благодаря сжиганию горючих ископаемых, не вовлеченных в естественные круговороты вещества: произведенные продукты выбрасываются на свалки через относительно короткое время, вызывая загрязнение окружающей среды.
Именно технический прогресс вызывает процессы деградации экосферы. Вместе с тем технический прогресс рассматривается как надежда, благодаря которой можно решить им же порожденные основные геоэкологические проблемы. Очевидно, что человечеству необходимо в ближайшее время обеспечить переход к новым, менее вредным и более управляемым технологиям.
Технологии недропользования преимущественно являются разрушающими, поэтому эта отрасль далека от гармоничного взаимодействия с природной средой. Поэтому же и возникло научное направление, которое получило название геоэкология недропользования.
Геоэкология - это научное направление, изучающее Землю как систему геосфер в процессе их взаимодействия со всей совокупностью живого вещества. Если давать более короткое определение, то можно сказать, что геоэкология - это наука об интеграции геосфер и общества.
К базисным законам экологии, имеющим прямое отношение к геоэкологии недропользования, следует отнести:
Закон ограниченности природных ресурсов и падения природно-ресурсного потенциала справедлив только на современном этапе жизнедеятельности человека. В настоящее время исчерпаемость отдельных видов минерально-сырьевых ресурсов - это объективная реальность. Здесь имеется в виду ограниченность тех природных ресурсов, которые вовлечены в сферу деятельности человека и в дальнейшем не восстановимы. Это положение касается прежде всего энергоносителей, в особенности нефти и природного газа. На самом деле энергетический потенциал Земли и количество солнечной энергии, получаемое Землей, неисчерпаемы.
Закон внутреннего динамического равновесия - ключевой в природопользовании. Абсолютно безотходное производство невозможно. Каждый объект недропользования взаимодействует с окружающей средой, нарушает сложившееся в ней природное экологическое равновесие. Этот закон требует сохранения или минимизации нарушения экологического и природно-антропогенного равновесия экологических систем. Это возможно только при использовании экологически безопасных технологий добычи и переработки полезных ископаемых.
Закон снижения энергетической эффективности недропользования является следствием ограниченности природных ресурсов. На давно разрабатываемых месторождениях полезных ископаемых более низкие показатели добычи. Усложняющиеся географические и горно-геологические условия залегания на новых месторождениях полезных ископаемых требуют повышенных энергетических и экономических затрат.
Закон оптимальности и рациональности в геоэкологии оказывает влияние на производственную мощность объекта недропользования. Несбалансированность уровня развития производительных сил с минерально-ресурсным потенциалом объектов недропользования приводит к социальной напряженности. Несоблюдение этого закона приводит к негативным социально-экологическим последствиям.
Сегодняшняя стратегия развития цивилизации преимущественно основывается на технократическом подходе, ставящем человека и его технологии превыше всего. Сторонники этого подхода считают, что законы природы не могут и не должны мешать экономическому росту и прогрессу человечества. К сожалению, этот подход характерен для большинства людей, включая людей наделенных властью, хозяйственников и политиков. Эти люди не понимают, что прогресс цивилизации ограничен экологическим императивом - безусловной зависимостью человека от состояния живой природы.
Профессиональные экологи в отличие от технократов руководствуется единственно правильным экоцентрическим подходом. Истинные экологи исходят из представления о существовании единой глобальной экосистемы, в которой все живые организмы от микроба до человека взаимодействуют между собой и с природной средой.
Наиболее лаконично законы экологии изложил Б. Коммонер в следующих лаконичных формулах:
Эволюция биосферы обусловлена тремя группами факторов: развитием планеты как космического тела; биологической эволюцией живых организмов и развитием человека. В.И.Вернадский сделал вывод о переходе биосферы в новое состояние - ноосферу. Ноосфера - это новая геологическая оболочка Земли, создаваемая человеческим обществом на научной основе.
Человечество в своем стремлении к улучшению условий существования постоянно наращивает темпы материального производства. Из недр Земли извлекаются и перерабатываются миллиарды тонн полезных ископаемых, которые, в конце концов, превращаются в отходы, все сильнее загрязняющие окружающую среду. Природа не успевает их перерабатывать. Антропогенная нагрузка на биосферу быстро приближает ее к критическому состоянию. Ухудшение состояния биосферы опасно для всех живых существ, в том числе для человека.
Вопрос о том, как образовалась наша планета, издавна привлекал внимание людей. Первой была теория Канта о происхождении Солнечной системы из первичного вращающегося газопылевого облака. При сжатии этого облака под действием гравитации облако раскручивалось, в результате возникали силы, действующие против гравитации. В результате от сжимающейся туманности поочередно отделялись кольца, давшие начало образованию планет.
В середине XX в. была выдвинута другая теория: планеты образовались в результате гравитационного захвата Солнцем плотного межзвездного газопылевого облака при его прохождении мимо ранее образовавшегося Солнца. Входившие в состав облака частицы объединялись и укрупнялись и со временем становились потенциальными зародышами планет. Каждая будущая планета имела свою устойчивую орбиту и свою "зону питания". На формирование ранней Земли ушло примерно 500 млн лет. На 92% Земля состоит из пяти элементов: кислорода, железа, кремния, магния и серы.
Земля - третья по порядку от Солнца планета Солнечной системы вращается вокруг Солнца по близкой к круговой орбите на расстоянии около 150 млн км. Строение нашей планеты сегодня известно по сейсмическим данным, а состав ее верхних оболочек - атмосферы, гидросферы и земной коры (литосферы) по геологическим данным и прямым измерениям.
Планета Земля состоит из ядра и охватывающих его двух концентрических оболочек: мантии и земной коры (рис 1.1). Залегающая под земной корой мантия имеет температуру до $$3000^{\circ}C$$ и состоит из расплавленных горных пород (магмы), способных течь как густая вязкая жидкость. Мантия постоянно подогревается со стороны горячего ядра, вследствие чего в ней непрерывно образуются мощные конвективные потоки магмы.
(рис 1.1) Схема оболочечного строения планеты Земля
Масса Земли равна $$5,98\cdot 10^{21}$$ т, средний радиус 6371 км, площадь поверхности 510 млн км$$^2$$, средняя плотность земного вещества 5,52 г/см$$^3$$. Фигура Земли описывается геоидом, который аппроксимируется эллипсоидом вращения. Сплюснутость геоида определяется скоростью вращения Земли вокруг полярной оси.
Фигура Земли соответствует равновесной форме вращающейся жидкости. Отсюда можно предположить, что вещество Земли в ее недрах находится в эффективно жидком состоянии, хотя вязкость такой жидкости является очень высокой.
Вся история геологического развития Земли связана с выделением или поглощением тепла. Земля - это огромная тепловая машина. Через поверхность Земли теряется часть ее внутреннего тепла. Среднепланетарное значение удельного потока тепла, поступающего из недр, равно 59 мВт/м$$^2$$. Характеристика энергетических процессов, происходящих в геосферах Земли, приводится в табл. 1.1
| Мощность падающего на Землю солнечного излучения | $$2\cdot 10^{17}$$ Вт |
| Энергия вращения Земли | $$2.1\cdot 10^{21}$$ Дж |
| Мощность теплового потока через земную поверхность | $$4\cdot 10^{13}$$ Вт |
| Мощность приливного воздействия Луны | $$10^{13}$$ Вт |
| Энергия землетрясений с магнитудой 8,5 | $$3,6\cdot 10^{17}$$ Дж |
| Энергия вулканических извержений | до $$10^{18}$$ Дж |
| Энергия обрушений склонов и лавин | до $$10^{10}$$ Дж |
| Энергия подводных оползней | до $$10^{19}$$ Дж |
| Энергия смерчей, ураганов, торнадо, циклонов | до $$10^{17}$$ Дж |
| Энергия, потребляемая человечеством за сутки | $$10^{18}$$ Дж |
| Энергия взрыва магистрального газопровода | до $$10^{11}$$ Дж |
| Энергия при пожарах на аварийных скважинах | до $$10^{14}$$ Дж |
| Энергия ядерного взрыва | до $$2,4\cdot 10^{17}$$ Дж |
Существует гипотеза, что Земля на протяжении своей истории наращивала и продолжает наращивать свою массу за счет поступающих из космического пространства материальных частиц и энергии. Падающие на Землю первичные космические лучи состоят из ядер тех же химических элементов, которые входят в состав Земли, главным образом из ядер водорода. В их составе 92% протонов (ядра водорода). 6,6% альфа-частиц (ядра гелия), 0,8% ядер углерода, азота, кислорода.
Основная масса космических частиц имеет энергию более 1 ГэВ на нуклон, что в тысячи раз превышает энергию частиц в самых горячих частях Вселенной. Это означает, что большая часть достигающих Земли космических частиц возникает при взрывах сверхновых. Вспышка сверхновой - это взрыв звезды, при котором выбрасывается вещество с массой, превышающей несколько масс Солнца. Полный поток первичных космических частицу границы земной атмосферы равен $$\text{с}^{-1}\cdot \text{см}^{-2}$$, то есть каждую секунду через единичную площадку проходит одна частица. Удельная мощность потока космических лучей составляет $$7\cdot 10^{-10} \text{Дж/с}\cdot \text{см}^2$$.
Основная часть первичных лучей со средней энергией 10 ГэВ при столкновении с ядрами расходует энергию на рождение в атмосфере элементарных частиц. Каждое столкновение образует множество заряженных частиц, что приводит к образованию в атмосфере электронно-фотонного каскадного ливня. Развитие такого ливня начинается на высоте около 25 км. общее число частиц в ливне достигает нескольких миллионов. Земля, как и все космические тела, поглощает приходящее извне вещество и за счет этого растет.
Ряд специалистов отстаивает существование в земных недрах ядерных превращений вещества. Например, протоны космических лучей с энергией более 100 ГэВ легко проходят сквозь атмосферу и поглощаются земными недрами. Подобные ядерно-активные частицы способны осуществлять ядерные превращения химических элементов. По этой причине вещество Земли постоянно эволюционизирует. Например, с участием нейтронов естественных энергий происходят реакции с испусканием а-частиц. что объясняет высокие концентрации гелия в земной коре:
$$ ^{27}_{13}\text{Al}+n\rightarrow ^{24}_{11}\text{Na}+ ^{4}_{2}\text{He} $$Земля получает материи из космического пространства больше, чем теряет, поэтому ее масса и размеры постоянно увеличиваются. По расчетам рост радиуса Земли характеризуется скоростью 2 см/год. Накопление и преобразование вещества происходит преимущественно в недрах, в результате земная кора испытывает растягивающие напряжения и разрывается. Извержения вулканов, землетрясения и расхождение дна океанов могут быть следствием роста Земли за счет "космической подпитки".
Из земных недр ежегодно выносится на поверхность около $$9-10^9$$ т магмы, пепла, паров и газов. Если всю массу, вынесенную за всю историю вулканических извержений, равномерно распределить по поверхности Земли, то получится слой толщиной в 34 км. Это означает, что земная кора является продуктом длительной переработки вещества верхней мантии посредством физического и химического выветривания, переосаждения, а также преобразования растениями и живыми организмами.
По расчетам Земля завершит свое существование через 6 млрд лет, когда Солнце в ходе эволюции превратится в красного гиганта. Увеличиваясь в размерах, наше светило дойдет до орбиты Меркурия и Венеры и последовательно их поглотит. При этом на Земле экосистемы будут исчезать в порядке, обратном их возникновению. Далее звезда остановит свой рост, но Земля будет полностью выжжена.
Масса земной атмосферы равна примерно $$5,15\cdot 10^{15}$$ т. плотность воздуха на уровне моря $$1,27\cdot 1О^{-3} \text{г/см}^3$$.
Азотно-кислородный состав земной атмосферы уникален для планет Солнечной системы. Сухой воздух содержит 75,51% азота, 23,15% ($$1,2\cdot 10^{21}$$ г) - кислорода, 1,28 - аргона. 0,046 - углекислого газа. 0,00125 - неона и около 0,0007% остальных газов. Углерод в атмосфере присутствует также в форме метана - 0,00012%.
Важной компонентой атмосферы является водяной пар. Среднее содержание пара и воды в атмосфере достигает $$1,3\cdot 10^{15}$$ т, что в переводе на слой конденсированной воды составляет 25 мм. Водяной пар в атмосфере обновляется примерно 30 раз в году. В верхних слоях атмосферы под влиянием ультрафиолетового излучения возникает озон ($$3,1\cdot 10^9$$ т). состоящий из трехатомных молекул кислорода. Образование этого газа спасает жизнь на поверхности Земли от пагубного воздействия жесткого солнечного излучения.
Средняя приземная температура на планете примерно равна $$+15^{\circ} \text{С}$$. В нижнем наиболее плотном слое атмосферы - тропосфере толщиной 12 км перенос тепла происходит, в основном, благодаря конвективным движениям воздушных масс. Конденсация влаги в тропосфере порождает облачность, которая является главным фактором, определяющим отражательную способность Земли. Любое повышение приземной температуры усиливает испарение влаги и увеличивает облачность Земли, а это, в свою очередь, повышает альбедо планеты и отражательную способность земной атмосферы. В результате средняя температура земной поверхности вновь снижается до прежнего уровня.
Земля - единственная планета Солнечной системы, на поверхности которой вода может находиться в жидком состоянии. Масса воды в современной гидросфере достигает $$1,51\cdot 10^{18}$$ т. Большая часть воды сосредоточена в Мировом океане - $$1,42\cdot 10^{18}$$ т и в материковых льдах - $$0,023\cdot 10^{18}$$ т. На пресные воды суши приходится около $$0,001\cdot 10^{18}$$ т. Помимо свободной воды часть ее в виде грунтовых и поровых вод пропитывает континентальную и океаническую кору. Суммарная масса таких вод достигает $$0,066\cdot 10^{18}$$ т. Средняя соленость океанических вод достигает 35%(промилле или тысячных долей процента).
Кроме жидкой фазы часть воды ($$0,713\cdot 10^{18}$$ т) связана в гидросиликатах земной коры. Всего же на Земле в ее верхних геосферах сосредоточено примерно $$2,233\cdot 10^{18}$$ т воды. Воды океанов и морей покрывают около 2/3 поверхности Земли, средняя глубина Мирового океана близка к 3,8 км. В океанской воде растворены практически все химические элементы, главными из которых являются катионы натрия, магния, кальция, калия и анионы хлора, $$\text{HCO}_3$$, $$\text{CO}_3$$, брома.
В верхних слоях океана в каждом литре воды растворено в среднем 50 мл углекислого газа, 13 - азота, до 8 мл - кислорода. Холодные океанические воды высоких широт насыщены газами в большей степени, чем теплые воды тропических широт. Всего в океане растворено $$\text{CO}_2$$ около $$1,4\cdot 10^{14}$$ т, то есть почти в 60 раз больше, чем в атмосфере ($$2,4\cdot 10^{12}$$ т). Кислорода в океане растворено около $$8\cdot 10^{12}$$ т или в 150 раз меньше, чем его содержится в атмосфере.
Ежегодно реки сносят в океаны около $$2,53\cdot 10^{10}$$ т терригенного материала с суши, из них примерно $$2,23\cdot 10^{10}$$ т/год приходится на взвеси, а остальное - на растворенные и органические вещества.
Земная кора представляет собой верхний слой жесткой оболочки Земли - ее литосферы. Земная кора состоит из легкого, менее плотного по сравнению с мантией вещества, которое недра "вытолкнули" из себя. Доля коры в общем объеме Земли составляет 1,5%, доля мантии - 82,3%, ядра - 16,2%. Геологические процессы непрерывно изменяют земную кору и ее поверхность, приводя к разрушению одних горных пород и образованию других. Поверхность земной коры формируется за счет разнонаправленных тектонических движений, создающих неровности рельефа путем разрушения, выветривания горных пород и осадконакопления. В обобщенном виде рельеф земной коры описывается гипсометрической кривой (рис 1.2). По вертикали на ней отложена высота рельефа твердой поверхности Земли, а по горизонтали суммарная площадь районов, превышающих данный уровень.
Граница между корой и мантией подвижна: повышение температуры мантии приводит к расплавлению нижней части коры и смещает границу вверх, а понижение температуры - вниз. Границей раздела земной коры и верхней мантии принято считать "поверхность М". залегающую на глубинах 30...60 км на континентах и 5...10 км под дном океана. Эта поверхность определяется глубиной, на которой происходит резкое увеличение скорости сейсмических волн - в среднем до 8 км/с. Обычно с этой поверхностью отождествляется нижняя граница гидратации земных недр. Особое значение "поверхности М" заключается в том, что на ее уровне примерно соблюдается архимедово равновесие земной коры, "плавающей" в вязком веществе мантии.
(рис 1.2) Гипсометрическая кривая поверхности земной коры
Ниже этой поверхности залегает астеносфера - слой с повышенной электропроводностью и пониженной вязкостью. Эти особенности объясняются плавлением вещества астеносферы в пределах 1-2%. которое проявляется в виде тонкой пленки, обволакивающей кристаллы при температуре $$1200^{\circ}\text{С}$$. Астеносферный слой расположен ближе всего под океанами (от 10 до 200 км) и глубже под континентами.
Нижним ярусом континентальной земной коры является толстый базальтовый слой, на котором покоится гранитный слой, покрытый чехлом осадочных пород. Океанское ложе состоит из базальтовой подстилки и тонкого слоя осадочных пород (рис 1.3).
Океаническая кора формируется в рифтовых зонах срединно-океанических хребтов за счет излияния базальтовых расплавов из горячей магмы (из астеносферного слоя) на поверхность океанического дна. Ежегодно из астеносферы изливается и кристаллизуется не менее 6 км$$3$$ базальтовых расплавов. Эти тектономагматические процессы не имеют себе равных на суше и сопровождаются повышенной сейсмичностью.
(рис 1.3) Схематический разрез земной коры
Магма - это флюидо-силикатный расплав, содержащий в своем составе соединения с кремнеземом и растворенные летучие вещества, а также присутствующие в виде пузырьков газа. Летучие компоненты в магме представлены $$\text{CO}_2, \text{H}_2, \text{H}_2\text{O}, \text{HF}$$ и др. При затвердевании магматический расплав теряет летучие компоненты. Кристаллизация магмы происходит постепенно по мере падения ее температуры. Вначале выделяются высокотемпературные минералы с образованием таких горных пород, как базальты и габбро, затем - низкотемпературные минералы с образованием диоритов и андезитов, затем - гранитов и риолитов и т.д. Процессы превращения магмы в горные породы достаточно сложны, и на них кроме охлаждения влияют множество разных факторов. Наличие в магме легкоотделяемых компонентов приводит к вулканическим процессам, а наличие трудноотделяемых компонентов - к интрузивным процессам.
Средний химический состав земной коры: $$\text{SiO}_2 - 53,5; \text{Al}_2\text{O}_3 - 15,9%; \tetx{CaO} - 9,4; \text{FeO} - 7,6; \text{MgO} - 5,4; \text{Na}_2\text{O} - 2,7; \text{СO}_2 - 1,0; \text{}_2\text{O} - 0,78$$. Химический состав земной коры впервые установил американский ученый Ф. Кларк. В его честь среднее содержание химических элементов в земной коре называют кларком. Земная кора почти наполовину состоит из кислорода: кларк кислорода - 47%. Далее по мере убывания идут кларки кремния - 29,5; алюминия - 8,05; железа - 4,65; кальция - 2,96; натрия и калия - по 2,50; магния - 1,87 и титана - 0,45%. В сумме это составляет более 99% массы земной коры. Суммарное содержание в земной коре остальных 80 элементов не превышает 1%.
По происхождению горные породы делятся на три группы: магматические; осадочные и метаморфические.
Магматические породы имеют кристаллическое строение и образуются из расплавленной магмы при застывании ее на некоторой глубине (интрузивные) или при выходе ее на поверхность (эффузивные).
На долю магматических пород приходится примерно 95% объема земной коры. Наиболее важным минералом в составе этих пород является окись кремния (кремнезем) - $$\text{SiO}_2$$ и окись алюминия $$\text{Al}_2\text{O}_3$$. Содержание кремнезема определяет состав горных пород. При содержании кремнезема 45-52% породы входят в группу основных пород, при содержании более 65% - в группу кислых пород.
Осадочные породы залегают слоями и образуются в результате переотложения продуктов разрушения ранее существовавших коренных горных пород, а также из продуктов жизнедеятельности организмов. Так, песчаник образуется из песков, сланец - из ила, известняк - из морских раковин. Осадочные породы подстилаются древними магматическими или метаморфическими породами. Залежи нефти и газа, как правило, приурочены к осадочным породам. Непродуктивные породы, которые подстилают осадочные, называют коренными породами или породами фундамента.
Метаморфические породы образуются из магматических или осадочных пород на больших глубинах в результате действия высоких температур и давлений, а также в результате привноса в исходную породу магматических газов и водных растворов. Например, мрамор ($$\text{СаСO}_3$$) представляет собой метаморфизованный известняк ($$\text{СаС0}_3$$). Эти породы отличаются от исходных пород текстурно-структурными и прочностными свойствами, минералогическим составом, обладают слоистостью и кристаллическим строением.
По степени связности горные породы подразделяются на скальные, связные, рыхлые и текучие. Они могут находиться в сезонно-мерзлом и многолетнемерзлом состояниях. В районах Крайнего Севера мощность мерзлых пород может достигать сотен метров, температура $$-12^{\circ}\text{С}$$. Обломочные водонасыщенные рыхлые породы при замерзании цементируются льдом и отличаются высокой прочностью. При оттаивании они переходят в текучее состояние.
Земная кора как бы плавает в подкоровом субстрате горячей магмы, при этом она всегда стремится к достижению состояния гидростатического равновесия. Это явление называется ). Чем горы выше, тем прогиб "поверхности М" глубже вдается в верхнюю мантию, средняя плотность которой 3,3 г/см$$^3$$.
(рис 1.4) Схема изостатического равновесия между земной корой и мантией
После таяния и исчезновения 10 тыс. лет назад ледникового покрова в Карелии, имевшего толщину до 4 км, нагрузка на земную кору уменьшилась и в соответствии с законом изостазии эта территория стала быстро подниматься. Воздымание земной поверхности шло примерно со скоростью 10-13 см/год сразу же после таяния и сейчас составляет около 1 см/год.
Любые достаточно значимые изменения нагрузки на земную кору: заполнение осадочными толщами; мощные лавовые покровы; искусственные водохранилища; глубокие карьеры; откачка подземных вод и нефти - все это приводит к изменению изостатического равновесия в региональном масштабе.
$$Биосфера$$ - это оболочка Земли, которая населена и преобразуется живыми существами. Биосфера включает в себя гидросферу и части атмосферы и литосферы. Гидросфера - это место скопления огромного количества биологических, минеральных и энергетических ресурсов. Океанский фитопланктон поставляет почти половину кислорода атмосферы. В морской воде обнаружено более 70 химических элементов.
В приповерхностном слое воды обитают пассивно плавающие одноклеточные растительные организмы и свободно плавающие рыбы и беспозвоночные. Живые организмы проникают на всю глубину Мирового океана.
С биогенными процессами связано поступление в атмосферу почти всего кислорода. $$\text{CO}_2, \text{СН}_4, \text{N}_2, \text{H}_2\text{S}$$ и других газов; с техногенными - $$\text{CO}_2, \text{СО}, \text{NO}, \text{SO}_2$$, углеводородов и других газов. Земная кора также является поставщиком многих газов. Споры бактерий и грибов встречаются на высоте до 20 км от поверхности Земли - в тропосфере и нижней части стратосферы.
В литосфере жизнь опускается на глубину до 7 км, что обусловлено температурой воды и уровнем проникновения воды. Основная масса организмов сосредоточена в верхнем слое почвы.
Среди живых организмов в количественном отношении преобладают формы, стоящие на относительно низком уровне эволюционного развития. Из общего числа видов 21% приходится на растения, но их вклад в общую биомассу является подавляющим и составляет 99%.
Живое вещество играет ведущую роль в геохимических процессах. Вещества и энергию, необходимые для поддержания жизни, организмы черпают из окружающей среды. Живая материя воссоздается, преобразуется и разлагается. Ежегодно благодаря жизнедеятельности растений и животных воспроизводится около 10% биомассы. Главная функция биосферы - обеспечение циркуляции химических элементов между атмосферой, почвой, гидросферой и живыми организмами.
В глобальном круговороте участвует множество химических элементов и соединений, наиболее важными из которых являются вода углерод, сера, азот и фосфор. В результате биотического круговорота происходит созидание органического вещества и его разрушение. Определяющим звеном этого процесса являются растения, с которыми связано образование свободного кислорода при фотосинтезе. Растения извлекают из почвы многие элементы, которые затем попадают в организмы растительноядных животных. Пища хищников включает белки, жиры и др. При разрушении микроорганизмами отмерших растений и умерших животных в окружающую среду поступают минеральные соединения и биотический круговорот начинается вновь.
Весь XX в. человечество переживало эйфорию от крупных научных открытий: первый "самодвижущийся экипаж", первый самолет, первая атомная электростанция. В 1900 г. на Всемирной выставке в Париже была построена Эйфелева башня, которая символизировала научно-технический прогресс. В прошлом веке человечество в 10 раз увеличило энергопотребление, в 100 раз - скорость передвижения, в 1000 раз - мощность оружия.
В природе эффективно действуют факторы, ограничивающие рост любой популяции. Среда оказывает тем большее сопротивление росту популяции, чем больше ее численность. Но человек является исключением из этого правила. Численность рода человеческого растет по экспоненте - никакой другой вид животных не следует этому закону. За сто лет население Земли увеличилось с 2-х до 6-ти млрд. По прогнозам к 2050 г. население планеты может достичь 10 млрд человек.
Демографический взрыв и экономический рост в странах с новой экономикой, в частности в Индии и Китае, резко увеличивает спрос на энергоресурсы. Значительная часть мировых энергоресурсов находится в проблемных регионах, что создает сложности в привлечении туда прямых инвестиций. В текущем столетии жители Европы обеспечены собственными ресурсами примерно на 20%. Китаю и Индии не хватает основного ресурса - земли. Арабскому Востоку и Средней Азии не хватает питьевой воды. Миру не хватает нефтепродуктов. Все исчерпаемые ресурсы дорожают, а это чревато международными конфликтами.
Окружающая природная среда не справляется с техногенными нагрузками. Радость от созерцания дымящих труб, гигантских плотин и распаханной целины сменилась горьким осознанием фактов гибели и исчезновения многих видов животных и растений, загрязнением рек и деградацией почв. Специалисты забили тревогу. Производственной деятельностью человека в той или иной мере охвачено все пространство планеты. Если не считать Антарктиды и других ледяных поверхностей, то площадь земель, не затронутая хозяйственной деятельностью, осталась в количестве 38 млн км$$^2$$ (28% суши). В Европе осталось только 5% таких земель.
Из сказанного следует, что новая - третья энергетическая революция неизбежна. Две подобные революции в истории человечества уже были. Десять тысяч лет назад, когда первобытных людей стало много, а мамонты исчезли, наступил первый экологический кризис. Тогда человек напряг свой первобытный разум и совершил сельскохозяйственную революцию и тем самым преодолел кризис пределов роста. Человек изобрел скотоводство и земледелие, он стал использовать энергию животных, воды и ветра. Таким образом, он преодолел кризис цивилизации охотников и собирателей.
Примерно 300 лет назад наступил второй экологический кризис. Человек совершил промышленную революцию и тем самым преодолел очередной кризис пределов роста. Он стал использовать тепловую и электрическую энергию, освоил но-вые земные и космические пространства.
Нарушение естественных экосистем на большей части суши - это наиболее драматичный результат техногенеза. В настоящее время площадь занятых, возделанных и находящихся под прямым контролем человека земель составляет 40 млн км$$^2$$. Эта площадь уже превышает допустимый предел земельных ресурсов, подлежащих хозяйственному использованию. Мировая пашня (1520 млн га) может быть увеличена лишь за счет пастбищ и лесов, что чревато глобальными экологическими и экономическими потерями. В Нидерландах. Германии, Японии, Индии антропогенное давление на биосферу очень велико - там совсем не осталось территорий, не затронутых хозяйственной деятельностью.
Наступление массового голода в середине XX в. было задержано с помощью комплекса мер, получивших название "зеленая революция". Ее слагаемыми были: внедрение новых сортов сельскохозяйственных культур и новых агротехнических приемов. Благодаря принятым мерам мировое производство зерновых увеличилось до 1850 млн т/год. Однако достижения "зеленой революции" оказались временными. Сегодня из-за экономического неравенства стран около 2-х млрд человек на Земле хронически недоедают и голодают.
Сегодня многие страны в не меньшей степени, чем за энергоресурсы, конкурируют за доступ к водным ресурсам, Водоемкость мирового хозяйства составляет 5000 км$$^3$$/год. С учетом необходимости разбавления технических стоков антропогенное вмешательство в природный круговорот воды достигает 18 тыс. км$$^3$$/год, что составляет половину речного стока мира.
Сегодня общая площадь лесов планеты составляет 38 млн км$$^2$$. За историческое время существования человека уничтожены 40% лесов. Темп глобального сокращения лесов в 18 раз опережает темп их восстановления. Эта тенденция представляет серьезную экологическую угрозу. Во-первых, сокращается глобальный ресурс фотосинтеза, сокращается газовая функция биосферы. Во-вторых, изменяется режим осадков и ускоряется опустынивание больших пространств. В-третьих, вместе с лесом уменьшается биологическое разнообразие, утрачивается существенная часть генофонда планеты.
Человек каменного века жил, как ему казалось, в полном достатке, потребляя энергии в сотни раз меньше, чем мы сегодня. Общество не вернется в каменный век к лучине, но современной цивилизации нельзя жить расточительно. Нельзя основную часть сырья и энергии расходовать на "зряшное потребление". Только 2% извлекаемого из недр ископаемого вещества идет на удовлетворение жизненно необходимых нужд. Остальные 98% идут в отвалы. А России, в частности, нельзя жить только за счет продажи сырья. Россия сжигает 1 кг условного топлива, чтобы выработать 1 долл. в составе ВВП, а Япония, например, вырабатывает 9 долл. на 1 кг топлива.
По сценарию ООН в 2100 г. в структуре используемых энергоносителей на уголь, нефть и газ будет приходиться всего по 5%. Основными источниками энергии станут Солнце и биомасса. Уже сегодня в мире около 2 млн домов освещаются и отапливаются с помощью солнечного излучения.
Нефтедобывающие страны не должны пассивно ожидать наступления постнефтяной эпохи. Всем развивающимся странам нужна программа практических мер по переходу на новую траекторию развития. Такую траекторию, которая исключит высокую энергозатратность экономики. Сегодня в мире на 1 долл. валового внутреннего продукта (ВВП) расходуется $$0,45 \text{кВт}\cdot\text{ч}$$ электроэнергии, а в странах СНГ - на порядок больше. В эту огромную технологическую пробоину вытекает с таким трудом добываемая нефть. Отсюда вывод: нужно облагораживать структуру ВВП.
Сегодня человек включает свой разум, чтобы преодолеть третий экологический кризис - наверное, самый серьезный за всю историю. Фактически человек должен перейти к новой цивилизации - цивилизации возобновляемых источников энергии.
Сегодня примерно 1 млрд населения планеты живет в условиях экономики изобилия. Наука впервые сумела предсказать грядущие опасности, которые подстерегают землян через несколько десятилетий. Население благополучных стран должно постепенно готовить себя к экономике дефицита. Однако человеку общества потребления трудно остановиться, он фактически оказался бессильным перед им же созданными производительно-разрушительными силами.
Социальное благополучие в потребительском обществе может существовать лишь до тех пор, пока имеются достаточные ресурсы. Собственное благополучие, собственная прибыль, страновой эгоизм - эти ценности сегодня зачастую оказываются дороже судьбы цивилизации. Здесь самое главное - совместить интересы национальные и интересы мирового сообщества. Каждая страна, делая шаг в направлении устойчивого развития, вправе требовать, чтобы такие же шаги делали и другие страны, особенно те, которые оказывают мощное антропогенное воздействие на биосферу.
Человек должен себя менять! Когда человек научится экономно расходовать природные ресурсы, когда он своей деятельностью впишется в естественные биохимические циклы, тогда исчезнет большая разница в уровне жизни. Это и будет Общество устойчивого развития, которое может быть построено за счет высокой нравственности людей.
Углеводороды, как и все горючие полезные ископаемые, являются продуктом взаимодействия геосфер. Вся история их формирования и разрушения является частью общего глобального цикла углерода. Углерод наиболее ярко отражает связь биосферы с глубинными частями Земли. Его непрерывное поступление балансируется непрерывным удалением из атмосферы в гидросферу и осадочную оболочку планеты. Углерод - один из элементов, образующих живое вещество Земли. Хранители углерода - живая биомасса, гумус, карбонатные осадочные породы, горючие полезные ископаемые и др.
На рис 1.5 схематично представлена последовательная эволюция органического вещества (ОВ) как в рассеянной, так и в концентрированной форме от момента его возникновения в живом веществе, захоронения и преобразования в диагенезе, затем трансформации в катагенезе до конечных продуктов преобразования ОВ - графита и метана.
(рис 1.5) Малый и большой глобальные циклы органического углерода на Земле
Малый глобальный цикл продолжительностью от нескольких суток до нескольких тысяч лет происходит в биосфере. Этот цикл еще называют биотическим круговоротом вещества, потому что он происходит при участии живых организмов: растений, животных, микроорганизмов.
Этот цикл является поставщиком углерода для большого глобального цикла продолжительностью многие миллионы лет. Неотъемлемым элементом этого цикла является нефте- и газообразование. При условии длительного и устойчивого погружения осадочных пород углеводороды являются продуктом промежуточной стадии глобального углеродного цикла.
Нефтегазообразование - это сложная совокупность протекающих в недрах процессов, ход которых в природе не может быть наблюдаемым. Видны лишь фиксированные результаты этих процессов, запечатленные в некотором пространстве осадочных пород.
Из всех земных процессов лишь единственный не расходует, а накапливает солнечную энергию. Это фотосинтез, создающий органическое вещество. В запасании и связывании солнечной энергии и заключается основная планетарная функция живого вещества. Важнейшей особенностью биосферы является существование потоков энергии и вещества.
В экосистемах перенос вещества и энергии осуществляется посредством трофических (пищевых) цепей, за счет чего все химические элементы, из которых построены организмы, многократно используются в биосфере. Сущность биотического круговорота заключается в образовании живого вещества из неорганических соединений в процессе фотосинтеза и превращении ОВ при разложении вновь в неорганические соединения. Этот круговорот для жизни биосферы является главным, и сам он является порождением жизни.
Процессы, отражающие движение углерода и трансформацию его состояний происходят по следующей замкнутой цепочке: $$\TEXT{CO}_2 \rightarrow$$ фотосинтез $$\rightarrow$$ углеводы и органическое вещество (ОВ) в биосфере $$\rightarrow$$ ОВ в осадочных породах $$\rightarrow$$ микронефть $$\rightarrow$$ залежь углеводородов (УВ) $$\rightarrow$$ добыча и переработка (УВ) $$\rightarrow$$ сжигание УВ $$\rightarrow\text{CO}_2$$. Для человека-потребителя главными в этом цикле являются последние четыре звена.
Поглощение углерода биотой суши и океана в процессе фотосинтеза примерно уравновешивается процессами дыхания биоты и разложения растений, а также поступлением углерода за счет вулканической деятельности. Поэтому в отсутствии антропогенных поступлений $$\text{CO}_2$$ в атмосферу углеродный цикл на планете находился бы в равновесии.
Хозяйственная деятельность человека интенсифицирует биотический круговорот углерода, существенно нарушает углеродный цикл. Ископаемое топливо представляет собой результат трансформации доисторических остатков растений и живых организмов. Ископаемое топливо - это законсервированный углерод, "ушедший в геологию". Человек, включая нефть, газ и уголь в производственный цикл, нарушает эту консервацию. В разведанных запасах нефти и угля содержится $$4\text 10^{15}$$ т углерода. Сжигание этих запасов может в три раза по сравнению с настоящим увеличить содержание углерода в атмосфере. Насколько при этом возрастет температура на Земле, сказать трудно.
В 1992 г. в Рио-де-Жанейро состоялась Конференция ООН по проблемам Планеты, в которой участвовало 179 государств. Конференция приняла "Повестку дня на XXI век" - программу того, как сделать развитие устойчивым с социальной, экономической и экологической точек зрения. Конференция также приняла "Рамочную Конвенцию ООН об изменении климата".
Согласно инструментальным наблюдениям в течение XX в. глобальная температура у поверхности Земли увеличилась на $$0,6^{\circ}\text{C}$$. Спутниковые данные показали, что площадь снежного покрова уменьшилась на 10%. Ледовый покров на реках и озерах Северного полушария тает на две недели раньше. Площадь морского льда в летний период сократилась на 10-15%. В течение последнего столетия средний уровень моря повысился на 10—20 см, количество атмосферных осадков в Северном полушарии каждые 10 лет увеличивались на 1%.
Эти явления связывают с увеличением содержания в атмосфере парниковых газов: углекислого газа, метана и закиси азота. За последние 150 лет концентрация углекислого газа в атмосфере увеличилась на 31, метана - на 151, закиси азота - на 17%. Столь высокого уровня концентрация парниковых газов в земной атмосфере не достигала ни разу за последние 420 тыс. лет. По этой причине с начала индустриальной эпохи приток солнечной энергии к земной поверхности увеличился на $$0,3 \text{Вт/м}^2$$.
В XXI в. следует ожидать повышения средней глобальной температуры в пределах $$1,5-6.0^{\circ}$$. Даже нижняя граница этого диапазона чревата для мировой экономики серьезными опасностями и может заметно повлиять на образ жизни целых народов. В холодных высоких широтах рост температуры будет выше среднего значения. В итоге получим таяние льдов и повышение уровня Мирового океана. Потоки талой воды с ледников Гренландии повлияют на Гольфстрим, а значит на Европу. Будут смещаться границы лесов, повышаться вероятность наводнений, ухудшаться состояние зданий, дорог и трубопроводов в зоне вечной мерзлоты, будут усиливаться засухи и опустынивание земель. Потепление климата уже проявляется в росте числа и масштабов природных катастроф.
Для расчета эмиссии углекислого газа разными видами топлива используются следующие нормативы: (т $$\text{CO}_2$$/т топлива): уголь - 2,76: мазут - 2,28: газ - 1,62. Таким образом, с экологической точки зрения газ и мазут по сравнению с углем являются более предпочтительным топливом.
Примерно 3/4 эмиссии $$\text{CO}_2$$ обусловлено сжиганием органического топлива, при этом Мировой океан и континенты поглощают лишь половину антропогенного углекислого газа. Планете уже не хватает лесов, а океану фитопланктона, чтобы восстанавливать сжигаемый кислород. К концу текущего века концентрация $$\text{CO}_2$$ в атмосфере может достичь 0,097%. то есть увеличиться в 3,5 раза по сравнению с доиндустриальным периодом. Для сохранения газового состава атмосферы мощность выброса $$\text{CO}_2$$ топливной энергетикой не должна превышать мощности растительного мира по поглощению углекислого газа.
В официальной статистике недавно стали учитываться выбросы озоноразрушающего шахтного метана. При этом более половины прироста концентрации метана в атмосфере имеет антропогенное происхождение. Угольщики и энергетики взамен проведения мероприятий по снижению выбросов метана предпринимают усилия по согласованию завышенных нормативов выбросов. Слабо используются передовые технологии тотальной очистки дымовых газов от окислов серы и азота. Ущерб природе и землепользователям наносят отвалы шахт и вскрышных пород, выработанные разрезы и деформированные участки земной поверхности, а также золоотвалы.
На фотографиях, сделанных со спутника ночью видны освещенные города-мегаполисы, а также хорошо видны нефтяные промыслы, освещенные горящими факелами. Сжигание попутного газа в факелах - это прямое загрязнение атмосферы. Разливы нефти на суше и на море снижают способность биосферы поглощать углекислый газ.
В основу Киотского протокола положена простая идея: каждая страна должна сжигать столько кислорода, сколько производит ее территория. Протокол предлагает рыночный механизм решения проблемы: если страна сжигает "чужой" кислород, она должна платить тем странам, которые недоиспользуют "свой" кислород. Это ни что иное, как межгосударственная торговля квотами. Фактически Киотский протокол является первым признанием того, что экосистемные услуги имеют свою цену. Подобная концепция смущает правительства перенаселенных и промышленно развитых стран. Не случайно Китай. Индия и США не торопятся признать этот документ.
Но есть еще один важный газ - кислород. США потребляют 6 млрд. т кислорода, а их территория производит только 4,5 млрд т кислорода. Страны Европы сжигают 3,8 млрд т кислорода, а производят только 1,6 млрд т. Россия потребляет 2,8 млрд т, а производит намного больше - 8,1 млрд т кислорода.
Если предприятие не укладывается в отведенную ему квоту на выбросы парниковых газов, то оно может поступить следующим образом:
Для развитых стран стоимость исполнения Киотского протокола очень высока. Модернизация производства для снижения выбросов парниковых газов обходится на Западе в 200 долларов за тонну, поэтому США пока отказываются от присоединения к протоколу.
Удельные выбросы углекислого газа на единицу ВВП в России и странах СНГ существенно больше, чем в любой из развитых стран. Конкретные цифры таковы (кг $$\text{CO}_2$$ на 1 доллар ВВП): Россия - 1,3; США—0,8; Англия - 0,5; Япония и Франция - по 0,3.
В России резерв энергосбережения составляет около 40% от общего объема производимой энергии, в то время как в развитых странах потенциал энергосбережения почти исчерпан. Экстенсивный способ развития ТЭК разорителен. Поэтому Россия начинает проводить политику энергосбережения, тем более что тот или иной проект по снижению выбросов в России существенно дешевле, чем в США.
Россия перешла к новым отношениям собственности. Государство выходит из сферы практического хозяйствования, за ним остались функции регулирования природно-ресурсных отношений. В топливно-энергетическом комплексе, нефтяном бизнесе прибыль индивидуализируется, а убытки от сбросов и выбросов несет все общество. В лицензиях на недропользование нефтяники берут на себя обязательство утилизировать до 90% попутного газа. В реальности утилизируются первые десятки процентов.
Не все специалисты согласны с теорией влияния парниковых газов на современный климат Земли. Противники теории парникового эффекта утверждают обратное: изменения концентраций $$\text{CO}_2$$ в атмосфере является следствием глобальных изменений температуры, а не их причиной. Кроме того, необходимо учитывать, что повышение парциального давления углекислого газа в атмосфере приводит к повышению эффективности сельского хозяйства и скорости восстановления вырубаемых лесных массивов.
Однако, Киотский протокол имеет несомненное стимулирующее действие. После вступления в силу Киотского протокола становится выгодной энергоэффективная производственная деятельность. Каждая сэкономленная тонна условного топлива предотвращает выброс 2 т углекислого газа. Если при переуступке квот на выбросы получить 20 долл. за тонну углекислого газа, то каждая тонна сэкономленного топлива даст 40 долл. дохода. Экономить топливо становится выгоднее, чем его добывать. Каждая страна должна выдерживать существующие экологические стандарты, развивать экологически чистые производства, энерго- и природосберегающие технологии и не давать поводов для упреков со стороны международного сообщества. Киотский протокол можно рассматривать как инструмент регулирования экономики через экологию, как площадку для дискуссий о судьбе планеты.
Для нефтедобывающих компаний является крайне актуальным решение проблемы аварийности и снижения эколого-экономических рисков. Неожиданное возникновение аварийных ситуаций на промыслах зачастую связано с недооценкой пространственно-временных изменений состояния земных недр. Серьезные компании не хотят ставить на карту собственный престиж, поэтому начинают обращать внимание на геодинамические процессы.
Согласно теории дрейфа континентов или теории тектоники литосферных плит на планете существовал единый суперконтинент, который примерно 150—180 млн лет назад раскололся на части, и эти части-материки начали дрейфовать по поверхности Земли. Одной из причин дрейфа континентов мог стать, например, рост размеров Земли.
В середине XX в. появилась концепция спрединга океанического дна. Океанологи обнаружили, что на данном историческом этапе дно океанов расходится в разные стороны. При этом в одних местах (рифтовые зоны) участки земной коры (плиты) раздвигаются, а в других местах - сжимаются. Причиной происходящего являются мощные конвекционные потоки горячей магмы. Горячая магма в своем непрерывном движении увлекает за собой огромные участки земной коры вместе с континентами.
Движущаяся вдоль подошвы плит расплавленная магма за счет вязкостных эффектов оказывает на них сдвигающее усилие. Температура магмы падает, а вязкость возрастает по мере приближения к подошве плиты. О вязкости горячей магмы можно судить по вязкости изливающейся лавы. Жидкие базальтовые лавы имеют температуру $$1000—1200^{\circ}\text{C}$$ и плотность до $$2,8 \text{г/см}^3$$. Высоковязкие лавы имеют температуру $$700—900^{\circ}\text{C}$$ и плотность $$2,2 \text{г/см}^3$$. Коэффициент вязкости расплавленной магмы примерно равен $$1000 \text{Па}\cdot\text{с}$$. что в миллион раз больше вязкости воды.
Насыщенный газами слой подвижной мантии поднимается от ядра до земной коры. По мере подъема магмы давление в ее объеме уменьшается, и расплав вспенивается за счет выделения пузырьков растворенных газов. Далее расплавленное вещество мантии разделяется на два расходящихся потока, которые создают в земной коре растягивающие напряжения и разрывают земную кору. В таком случае говорят, что океаническое дно подвергается спредингу (рис 1.6).
(рис 1.6) Типы границ литосферных плит
Поднимающийся из глубин горячий поток магмы, раздвигая земную кору, образует срединно-океанический хребет - гигантское горное сооружение. Срединно-океанические хребты (рифтовые зоны) обнаружены посередине Атлантического, Тихого и Индийского океанов. Из рифтовой зоны за счет спрединга поступают все новые и новые порции мантийного вещества, которые по обе стороны хребта формируют молодую океаническую кору. Общая протяженность рифтовых зон в океанах достигает 80 тыс. км.
Рифтовые зоны являются трещинами в земной коре и постоянно заполняются поступающей снизу горячей магмой, образующей базальтовый слой океанической коры. В результате этого процесса образуется новая земная кора. Скорость спрединга зависит от местоположения рифтовой зоны и варьирует от 1 до 17 см/год. Атлантический океан ежегодно становится шире примерно на 5 см. Тихий океан - на 12 см. Таким образом, площадь новой земной коры ежегодно увеличивается на 3,0 км$$^2$$. Самые древние осадочные породы, сохранившиеся в океанических прогибах, имеют юрский возраст (около 150 млн лет), что значительно меньше возраста многих пород, залегающих на суше.
Вдоль осевой части хребтов проходит глубокая впадина - рифт. Впадина-рифт делит хребет на два гребня. Глубина рифта до 2 км. ширина - до 30 км. На дне рифта наблюдаются открытые молодые трещины. Во впадине-рифте океанских хребтов отмечается повышенный тепловой поток, достигаю-щий "ураганных" значений - $$1500 \text{мВт/м}^2$$. Среднепланетарное значение теплового потока, поступающего из недр, равно $$59 \text{мВт/м}^2$$. Мощность выноса глубинного тепла по всей поверхности Земного шара составляет $$3,1\cdot 10^{13} \text{Вт}$$. Ткким образом. Землю можно рассматривать как огромную тепловую машину.
Территории, где сталкиваются расходящиеся от рифтовых зон плиты земной коры (рис 1.6, б), называются зонами субдукции (или надвига). Плотность океанической литосферы больше, чем плотность континентальной. При столкновении двух плит одна из них - более тяжелая, уходит под другую, в результате возникают понижения - океанические желоба.
Здесь потоки магмы начинают свое погружение и затягивают вглубь Земли океанические плиты. Желоба находятся не в середине океана, а вблизи суши. Вдоль материковой стороны океанических желобов располагаются островные и континентальные дуги, где происходят сильные землетрясения и вулканические извержения. Чем глубже одна плита подныривает под другую, тем она более разогревается. Глубина погружения плит в мантию может достигать 500 км и более. На глубине более 100 км горные породы начинают плавиться, что приводит к образованию вулканических комплексов.
Существует еще один тип границ литосферных плит, где они смещаются горизонтально друг относительно друга (рис 1.6, в). Они получили названия трансформных разломов, так как передают движение от одной зоны к другой.
Когда сталкиваются континентальные плиты (рис 1.6, г), происходит их коллизия, они сжимаются и образуют складки и горные системы вроде Кавказа и Гималаев. В местах земной коры, где поля сжимающих напряжений превышают крити-ческие значения, происходят землетрясения.
Тектоника литосферных плит имеет глобальный характер. Вся литосфера разделена на семь крупных и несколько малых тектонически обособленных плит. Основанием для их выделения и проведения границ между ними послужило размещение очагов землетрясений. Основное выделение сейсмической энергии происходит на границах между плитами.
Почти все землетрясения происходят в пределах Тихоокеанского (75%) и Альпийского (23%) поясов. Тихоокеанский пояс проходит по границе океан - суша. Его сейсмическая энергия приурочена к эпицентрам, идущим по контуру Тихого океана. Альпийский пояс проходит по Средиземноморью и далее по горным сооружениям Италии. Турции, Средней Азии, Памира, Западного Китая. Наиболее активны кора и верхняя мантия до глубин 100 км. Высокие широты северного и южного полушарий Земли малосейсмичны.
Подвижность магмы является основной причиной возникновения спрединга, субдукции и, в конечном счете, причиной возникновения больших горизонтальных напряжений и тектонических движений в земной коре. Литосферные плиты движутся от осей спрединга к зонам субдукции. Извержения вулканов, землетрясения, образование разрывов и складок - это проявления внутренней активности Земли. Часто эти явления становятся причиной аварий при бурении и эксплуатации нефтяных и газовых скважин.
Существует гипотеза, что Земля на протяжении своей истории наращивает свою массу за счет поступающих из космического пространства материальных частиц и энергии. Падающие на Землю первичные космические лучи состоят главным образом из 92% протонов (ядер водорода), 6,6% альфа-частиц (ядер гелия). 0,8% ядер углерода, азота, кислорода. Земля получает из космического пространства материи больше, чем теряет, поэтому ее масса и размеры постоянно увеличиваются. По расчетам рост радиуса Земли происходит со скоростью 2 см/год.
О внутреннем строении Земли мы знаем меньше, чем о внутреннем строении звезд. На основании анализа распространения в Земле упругих волн сделаны следующие заключения. Земная кора, находящаяся в кристаллическом состоянии, имеет мощность до 60 км на континентах и до 15 км в океанах.
Серьезным возмущающим фактором является притяжение Луны и Солнца. Расстояние между Землей и Луной изменяется от 360 тыс. км (перигей) до 406 тыс. км (апогей). Сила тяготения воздействует на океаны и на сушу, но горные породы более вязкие, поэтому эффект прилива в породах менее значительный.
Приливы вращаются вместе с Землей и не сохраняют свое положение "под Луной". Приливы медленно смещаются по поверхности Земли, следуя за Луной. В целом на каждый участок земной поверхности приходится по два прилива и два отлива в течение суток.
Солнце тоже создает приливы, но они гораздо слабее лунных приливов, потому что оно в 400 раз дальше от Земли. Когда Солнце, Земля и Луна находятся на одной прямой и "тянут" в одном направлении (во время новолуния и полнолуния), приливы достигают наивысшей силы. Это так называемые сизигийные приливы.
При вращении Земли более быстром, чем обращение Луны, угловое перемещение приливной деформации опережает угловое перемещение Луны по орбите. Вращение Земли смещает выпуклость прилива вперед, ускоряя орбитальное движение Луны. Поэтому гравитационное взаимодействие между Луной и приливной деформацией гидросферы и литосферы ускоряет орбитальное движение Луны и тормозит вращение Земли. Земля 2 млрд лет назад вращалась в два раза быстрее, а 500 млн лет назад продолжительность земных суток составляла 20 часов.
Когда светило окажется с противоположной стороны Земли относительно первоначальной точки, в ней снова начинается прилив. Такое явление обусловлено тем, что при движении по орбите Луна вызывает смещение центра масс системы Луна-Земля. Больше всего сместятся массы, для которых Луна в зените Z, меньше - центральные массы, и еще меньше - массы, для которых Луна в надире N (рис 1.7).
(рис 1.7)
Наибольший подъем земной поверхности под возмущающим действием Луны достигает 36,6 см, наибольшее опускание - 17,8 см. Максимальная амплитуда вызванных Луной колебаний земной поверхности составляет 53,4 см. Реальная деформация Земли приливной волной в области экватора имеет максимальную амплитуду 52 см, а на широте $$50^{\circ}$$ - 40 см. Таким образом. Земля непрерывно пульсирует. Эти перемещения очень медленные: 4 см/ч. Океанические приливы в некоторых областях Земли достигают нескольких метров.
Из-за эллиптической формы лунной орбиты приливообразующая сила Луны в перигее на 40% выше, чем в апогее. В начале января Земля достигает точки наибольшего приближения к Солнцу (перигелий). В периоды совпадения этих двух событий суммарная приливообразующая сила Солнца и Луны достигает максимума. Видимо, не случайно максимальная сейсмичность приходится на зимний период. Например, с 1946 по 1963 гг. на Кавказе произошло 867 землетрясений, из которых на весну пришлось 185, на лето 172, на осень 147, а на зиму 363 землетрясения.
Приливы непрерывно подкачивают упругую энергию в систему блоков, слагающих земную кору. Приливная энергия накапливается в земной коре в виде напряжений изгиба, кручения, сдвига и сжатия. Постепенно равновесие в ансамбле блоков становится неустойчивым. В какой-то момент происходит сейсмический срыв и переупаковка блоков - их переход в новое равновесное состояние. Солнечные и лунные приливы постоянно "массируют" земную кору и содержащиеся в недрах флюиды. Приливы "тренируют" нефть, не дают ей застаиваться, разрушают ее коагуляционную структуру слабыми импульсами.
Нефть имеет сложный химический состав и представляет собой смесь углеводородных и других соединений. Основные составляющие нефти - метановые, нафтеновые и ароматические углеводороды, содержащие от 5 до 17 атомов углерода. Главными элементами в составе нефти являются углерод (до 87%) и водород (до 14%). Среди других компонентов в составе нефти присутствуют сера (до 6%), азот (до 0,3%), кислород (до 3%). В малых количествах в нефти содержатся тяжелые металлы и другие элементы. В нефти могут быть растворены различные газы органического и неорганического происхождения.
Сами углеводороды бесцветны, а цвет нефти придают содержащиеся в ней смолы и асфальтены. Смолы обладают интенсивной окраской и сильной красящей способностью. Асфальтены - вещества с молекулярной массой 1600—6000, которые не плавятся при высокой температуре.
Физические свойства нефти зависят от преобладания в ней тех или иных классов углеводородов. В зависимости от преимущественного содержания углеводородов нефть может называться парафиновой, нафгтеновой или ароматической. Наблюдается зависимость - чем больше геологический возраст нефти, тем больше в ее составе парафина, и чем больше в нефти парафина, тем меньше в ее составе смол и асфальтенов.
Высокопарафинистая нефть характеризуется наименьшим содержанием серы, ванадия и никеля. Высокое содержание парафина в нефти осложняет и удорожает процессы ее добычи, транспортировки и переработки. При добыче и перекачке высокопарафинистой нефти парафин отлагается на стенках труб. В магистральных трубопроводах толщина отложений парафина достигает 30 мм.
Свойства нефти в пластовых условиях из-за высоких давлений, температур и содержания растворенного газа значительно отличаются от свойств дегазированной нефти. Физические свойства нефти в пластовых условиях необходимо знать при составлении схем разработки месторождения, выборе технологии извлечения нефти из пласта, а также оборудования для сбора нефти на промыслах.
При разработке месторождений из скважины поступает многофазная смесь, содержащая нефть, газ, воду и механические примеси. Соотношение названных фаз в составе нефти меняется в процессе разработки месторождений: на начальном этапе разработки содержание воды может быть низким, а в конце разработки обводненность нефти может быть очень большой и достигать 80%. Пластовая вода и механические примеси в нефти являются балластом при ее транспортировке по магистральным трубопроводам, поэтому содержание воды в нефти ограничивается значениями О,5-1,0%. При подъеме нефти по скважине образуются прямые и обратные эмульсии. При этом эмульсию типа "вода в нефти" нельзя разделить на составляющие простым отстаиванием.
В пластовых водах растворены различные соли, которые вместе с водой попадают в нефть. Для снижения коррозии внутренней поверхности трубопроводов и оборудования на промыслах производят обессоливание нефти. Кроме того, промысловая подготовка нефти включает в себя операции по отделению газа, обезвоживанию и деэмульсации, очистке от примесей и стабилизации. В зависимости от степени подготовки (содержание воды и хлористых солей) установлено три группы нефти, поставляемых на НПЗ по МТ.
По содержанию серы нефти бывают малосернистые (менее 0,2%), сернистые (0,2-3,0%) и высокосернистые (более 3,0%). Сера в нефти содержится в виде сероводорода, меркаптанов и сульфидов. Содержание серы в нефти ухудшает ее качество, вызывая серьезные осложнения в технологии переработки, подготовки и транспорта нефти.
В зависимости от плотности при $$20^{\circ}\text{С}$$ различают нефтилегкие (менее $$850 \text{кг/м}^3$$), средние ($$850-885 \text{кг/м}^3$$) и тяжелые. Наиболее ценными являются легкие нефти. в которых преобладают бензиновые и масляные фракции.
Фракционный состав нефти определяют в лабораторных условиях путем разгонки. Разгонка основана на том. что каждый углеводород имеет собственную температуру кипения. Легкие углеводороды кипят при относительно низких температурах, а тяжелые - при высоких температурах - выше $$300^{\circ}°\text{C}$$.
Легкие фракции с одинаковыми интервалами кипения имеют примерно одинаковую молекулярную массу. По мере возрастания температуры кипения молекулярная масса нефтяных фракций увеличивается (табл. 1.2).
| Температура кипения, $$^{\circ}\text{C}$$ | 50-100 | 101-150 | 151-200 | 201-250 | 251-300 | 301-350 |
| Молекулярная масса | 90 | 110 | 130 | 155 | 187 | 220 |
При поставке нефти на экспорт ее цена зависит от свойств, которые определяют возможность получения широкого ассортимента продуктов, а также от содержания серы и парафинов. По физико-механическим свойствам нефть, поставляемая на экспорт, подразделяется на четыре типа. Нефть типов 1 и 2 должна сдаваться с массовой долей воды не более 1,0% и концентрацией хлористых солей не более 100 мг/л. Массовая доля парафина должна быть не более 6%, объемный выход фракций при температуре $$300^{\circ}\text{C}$$ - не менее 43%. Нефть может являться сырьем для получения тяжелых металлов, например, ванадия. Если нефть по ряду показателей соответствует более высокому типу, а хотя бы по одному—более низкому, то нефть следует отнести к более низкому типу.
Свойства нефти определяет количественное соотношение между парафиновыми, нафтеновыми, ароматическими углеводородами и другими компонентами. Эти свойства необходимо учитывать на всех этапах обращения с нефтью: при товарно-учетных операциях: при перекачке; при переработке и использовании в качестве топлива.
Параметры режимов транспортировки нефти по трубопроводам определяются, главным образом, плотностью, вязкостью и их зависимостью от температуры и давления. Зависимость плотности нефти $$\rho(\text{кг/м}^3)$$ от температуры $$Т(^{\circ}\text{C})$$ определяется следующим выражением:
$$ \rho=\rho_{20}[1+\xi(20-T)], $$где $$\rho_{20}$$ - плотность нефти при $$20^{\circ}\text{С}$$; $$\xi$$ - коэффициент объемного температурного расширения ($$0,000937\text{ град}^{-1}$$ - для легких сортов нефти, $$0,000490\text{ град}^{-1}$$ - для тяжелых сортов нефти).
Зависимость плотности нефти от давления $$\rho$$ определяется зависимостью
$$ \rho=\rho_0[1+\beta(\rho-\rho_0)], $$где $$\rho_0$$ - плотность нефти в стандартных условиях: $$\beta(\text{Па}^{-1})$$ - коэффициент сжимаемости нефти, среднее значение которого $$0,00078\text{МПа}^{-1}$$. Величина, обратная коэффициенту сжимаемости, называется модулем упругости. Среднее значение модуля упругости для нефти $$1,3\cdot 10^3\text{ МПа}$$.
Вязкость нефти зависит от содержания в ней асфальто-смолистых веществ, парафина и может в сотни раз превышать вязкость воды. Величина вязкости предопределяет способ транспортировки нефти по трубам.
Свойство теплоемкости особенно важно для нефти, которая транспортируется по трубам с предварительным подогревом. Теплоемкость увеличивается с повышением температуры и уменьшением плотности. Подогрев нефти снижает ее вязкость и делает пригодной для перекачки. Для большинства разновидностей нефти теплоемкость находится в пределах $$1500-2500 \text{Дж/кг}\cdot\text{град}(350-600\text{кал/кг}\cdot \text{град})$$.
Свойство теплопроводности определяет перенос тепловой энергии в объеме неподвижной нефти в соответствии с законом теплопроводности Фурье. Коэффициент теплопроводности для различных разновидностей нефти находится в интервале $$0,1-0,2 \text{Вт/м}\cdot K$$.
На температуру застывания нефти $$Т_З$$ сильное влияние оказывают парафины и асфальто-смолистые вещества. Это такая температура, при которой охлаждаемая нефть не изменяет уровня при наклоне пробирки на $$45^{\circ}$$ в течение 1 мин. При этой температуре нефть теряет подвижность. Переход нефти из жидкого состояния в твердое происходит постепенно в некотором интервале температур. С позиций физико-химической механики нефтяных дисперсных систем температура застывания нефти определяется как переход из свободно дисперсного золя в связанно-дисперсное состояние (гель).
Чем ближе температура нефти к $$Т_З$$. тем больше энергии требуется на ее перекачку. Для снижения температуры застывания применяют депрессорные присадки. При охлаждении нефти в процессе перекачки по МН возможно образование пространственной структуры или выпадение в осадок парафинов. Эти явления создают трудности при эксплуатации МТи их оборудования. Скрытая теплота плавления парафинов, примерно, равна $$230 \text{Дж/кг}\cdot\text{град}$$. Температура застывания легких разновидностей нефти составляет около $$25^{\circ}\text{С}$$, парафинистые мангышлакские нефти могут застывать при $$+30^{\circ}°\text{C}$$. Такие нефти можно перекачивать только специальными методами.
Давление насыщенных паров (ДНП) является важным показателем испаряемости нефти и безопасности ее транспортировки и хранения. ДНП - это давление паров нефти над ее поверхностью в замкнутом объеме в условиях термодинамического равновесия. Испарение углеводородных жидкостей происходит при любых температурах до наступления динамического равновесия, пока газовое пространство не будет полностью насыщено их парами. В этом состоянии число испаряющихся и конденсирующихся молекул выравнивается. Величина ДНП зависит от температуры нефти и оказывает влияние на образование паровых пробок в трубопроводах, на величину потерь от испарения при закачке и хранении несрти в резервуарах.
Абсолютное давление паров в газовой полости трубопровода или резервуара складывается из суммы парциальных давлений углеводородов, входящих в состав нефти. Давление $$P_s$$ паров индивидуальных углеводородов (табл. 1.3) и нефтяных фракций можно определять, пользуясь различными таблицами.
| $$^{\circ}\text{C}$$ | $$\text{C}_2\text{H}_5$$ | $$\text{C}_3\text{H}_8$$ | $$\text{C}_4\text{H}_10$$ | $$\text{C}_6\text{H}_14$$ |
| -10 | 1,786 | 0,332 | 0,087 | - |
| 0 | 2,308 | 0,448 | 0,100 | 0,003 |
| +10 | 2,922 | 0,617 | 0,143 | 0,010 |
| +20 | 3,672 | 0,817 | 0,197 | 0,016 |
Ввиду сложного состава нефти ДНП определяют экспериментально в стандартных условиях: в стальном цилиндре при соотношении жидкой и паровой фаз 1:4 и строго определенной температуре $$37,8^{\circ}\text{C}$$ ($$100^{\circ}\text{F}$$), что позволяет сравнивать различные нефти по этому показателю. Например, нефть Ромашкинского месторождения (Россия) имеет ДНП 436 кПа (при содержании парафина 5,1%; $$Т_з=-42^{\circ}\text{С}$$), а ДНП нефти Усинского месторождения - 362 кПа (при содержании парафина 10,8%; $$Т_з=+3^{\circ}\text{С}$$).
В трубопроводном транспорте стабильность нефти ограничивается условиями поставки, согласно которым ДНП не должно превышать 66650 Па.
Средние давления насыщенных паров различных нефтепродуктов имеют следующие значения (Па): бензин $$9,3\cdot 10^4$$, керосин $$0,6\cdot 10^4$$, дизельное топливо $$0,1\cdot 10^4$$.
Кипение нефти - это процесс образования и роста пузырьков пара внутри объема нефти с последующим прорывом пузырьков газообразных фракций углеводородов сквозь свободную поверхность в окружающую среду. При кипении испарение происходит не только со свободной поверхности, но и внутрь пузырьков содержащихся в нефти газов.
Кипение обеспечивается не только за счет подвода тепла к нефти, но и за счет снижения внешнего давления ниже значений ДНП. В этом случае пузырьки увеличиваются в объеме, всплывают и прорываются в окружающую среду.
Количество тепла, расходуемое на превращение в пар одного килограмма жидкости при температуре ее кипения, называют теплотой испарения. Средние значения теплоты испарения (кДж/кг): бензина - 300; керосина - 240; дизельного топлива - 210; масел - 190.
При хранении нефти в открытых земляных амбарах происходит испарение ее легких фракций. Например, динамика испарения мангышлакской нефти, хранящейся в земляном амбаре, следующая (кг/т): в течение первого месяца - 95; в течение второго месяца - 15; в течение третьего месяца - 10 кг/т естественной убыли.
При трубопроводном транспорте нефти и нефтепродуктов особый интерес представляет частный случай кипения движущейся жидкости, возникающий вследствие местных понижений давления. Это явление называется кавитацией. Кавитация может проявляться как в виде появления отдельных пузырьков, так и в виде заполненных нарами жидкости полостей (каверн), присоединенных к поверхности обтекаемых тел. Подобные каверны неустойчивы. Попадание такой каверны в область высокого давления заканчивается ее схлопыванием. похожим на гидравлический удар. В этот момент происходит мгновенное местное повышение давления, в результате чего поверхности твердых тел подвергаются многократным микроударам. Со временем происходит кавитационное разрушение (эрозия) материалов. Такого рода разрушения встречаются на поверхностях роторов насосов, арматуры, лопастей судовых винтов.
Окружающая природная среда представляет собой все, что не включается в понятие "общество". Природа - это материя, которая окружает общество. Природа создает для человека и общества необходимый биологический режим жизни. Человек воздействует на природу, используя среду обитания в качестве средства и места жизни. В процессе производства часть природной среды (вещество) изымается, меняет свою форму и превращается в материальные ценности. Одновременно в самой природе происходят негативные изменения, человек вносит диссонанс в динамику природных явлений, природная среда заполняется отходами производства.
Понятие "охрана окружающей природной среды" связано с современным периодом, когда стали осуществляться меры по предотвращению ее загрязнения. Это реакция общества на возрастающие масштабы ухудшения состояния природы. Источниками загрязнения являются отходы промышленности, энергетики, транспорта, газы, сточные воды, нефть и нефтепродукты, бытовые отходы. Загрязнение Мирового океана нефтью, вырубка лесов и обмеление рек, уничтожение почвенного и растительного покрова - это следствие добычи полезных ископаемых. Химическое загрязнение не имеет границ: следы человеческой деятельности в виде остатков ДДТ обнаруживаются во льдах необитаемой Антарктиды. Ближний космос засорен остатками космических аппаратов.
В федеральном законе "Об охране окружающей природной среды" окружающая природная среда (ОПС) рассматривается как совокупность природных объектов и условий, в которых осуществляется жизнь и деятельность человека, включающая литосферу, гидросферу, атмосферу, биосферу и околоземное космическое пространство. В этом законе перечислены компоненты ОПС. Закон гласит, что охране от загрязнения, порчи, повреждения, истощения, разрушения подлежат естественные экологические системы, земля, ее недра, поверхностные и подземные воды, атмосфера и озоновый слой атмосферы, леса и иная растительность, животный мир, природные ландшафты, микроорганизмы, генетический фонд. Особой охране подлежат государственные природные заповедники, редкие виды растений и животных.
Окружающая среда состоит из природных объектов: воздух, недра, почва, река, участок леса, животное и др. Эту правовую категорию следует отличать от понятия "природный ресурс".
Природный ресурс - это совокупность запасов природных веществ и энергии, которые используются обществом для удовлетворения своих потребностей. Например, река - это природный объект, а запас гидравлической энергии реки - это природный ресурс. Лес - это природный объект, а древесина на корню - это природный ресурс. Продуктивный пласт - это объект, а извлекаемая из пласта нефть - это ресурс.
Юридическое понятие "недра" определяется как часть земной коры, расположенная ниже почвенного слоя и дна водоемов, простирающаяся до глубин, доступных для геологического изучения и освоения.
Водный объект - это сосредоточение вод на поверхности суши в формах ее рельефа или в недрах, имеющее границы, объем и черты водного режима.
Животный мир - это совокупность всех видов живых организмов, находящихся в состоянии естественной свободы.
Природная среда есть совокупность всей живой и неживой природы. Природа в современном естествознании представляется динамичной, развивающейся через кризисные состояния, катастрофы и разветвления (точки бифуркации). Современная картина жизни определяет кризисные состояния как необходимую составляющую развития материи. Система "общество-природа" по достижении точки бифуркации перестраивается. Бифуркация - это толчок к развитию биосферы по какому-то новому пути.
Компоненты природной среды, влияющие на организмы, называют экологическими факторами. К ним относят:
Недостаток или избыток того или иного экологического фактора (экологического воздействия) ведет к невозможности существования живых организмов. В таких случаях говорят о лимитирующих экологических факторах.
Экосистемы - это динамические системы в определенном пространстве, которые образуют живые организмы и среда их обитания. Все части экосистемы взаимодействуют друг с другом, используя потоки энергии и создавая круговорот вещества. Размер экосистем может быть различным - они рассматриваются на различных иерархических уровнях: от глобального до отдельных географических объектов.
Биосфера - это единая глобальная экосистема, включающая в себя совокупность всех живых организмов на Земле - биоценоз, а также гидросферу, часть атмосферы и литосферы. Перечисленные земные оболочки наряду с другими (астеносферой, верхней и нижней мантией, ядром нашей планеты) образуют геосферы.
Жизнь сосредоточена главным образом на поверхности Земли, в почве и приповерхностном слое океана. В количественном отношении преобладают формы живых организмов, стоящие на относительно низком уровне эволюционного развития: вклад растений в общую биомассу составляет 99%. Среди животных 96% видов - беспозвоночные и только 4% видов - позвоночные, из которых лишь десятая часть - млекопитающие.
Главная функция биосферы - обеспечение круговорота химических элементов и вещества между гидросферой, атмосферой, литосферой и живыми организмами. Основным источником энергии для обеспечения подобного движения вещества является Солнце. В результате биологического круговорота происходит созидание органического вещества и его последующее разрушение. Определяющим звеном этого процесса являются растения; с ними связано образование свободного кислорода при фотосинтезе. В круговороте участвует множество химических элементов и соединений, из которых наиболее важные вода, углерод, сера, азот и фосфор.
Биота биосферы обуславливает преобладающую часть химических превращений на планете. Отсюда суждение В.Вернадского об огромной преобразующей геологической роли живого вещества. На протяжении органической эволюции живые организмы тысячекратно пропустили через себя всю атмосферу, весь объем мирового океана, массу почвы и минеральных веществ.
Благодаря способности трансформировать солнечную энергию в энергию химических связей растения и живые организмы выполняют мощную средообразующую функцию. Эта функция регулирует и обеспечивает необходимые для жизни состав атмосферы, радиационный и тепловой режим на планете, водный баланс и климатические особенности больших пространств, самоочищение воздуха и рек, поддержание плодородия почв.
Именно поэтому следует различать:
Атмосфера - внешняя газовая оболочка Земли, на 99% состоящая из азота и кислорода. Современные процессы образования газов на Земле подразделяются на три группы: биогенные ($$O_2, CO_2, N_2, H_2S, CH_4$$ и др.): физико-химические ($$Ar, ^{14}\!C,\; ^3\!H, CO_2$$ и др.); техногенные ($$CO_2, H_2S, CH_4, SO_2$$ и др.). Районы месторождений нефти и газа являются поставщиками многих газов в атмосферу: $$CO_2, H_2S, CH_4, SO_2$$ и др. Споры бактерий и грибов встречаются на высоте до 20 км от поверхности Земли. Важнейшую роль в развитии живых организмов играет озоновый слой атмосферы, который поглощает губительное для организмов ультрафиолетовое излучение Солнца.
Гидросфера - это водная оболочка Земли, куда входят воды океанов, морей, континентальных водоемов и ледяных покровов. Развитие органического мира тесно связано с гидросферой: мировой океан - это место скопления огромного количества биологических, минеральных и энергетических ресурсов. В зависимости от температуры, солености, давления и глубины изменяются виды подводных растений и организмов. Океанский фитопланктон поставляет почти половину кислорода атмосферы.
Литосфера включает земную кору и верхний слой мантии - астеносферу. Основная масса организмов сосредоточена в почвенном слое литосферы, однако жизнь в ней опускается на глубину проникновения воды - до 7 км.
Геологическая среда рассматривается как природная среда недропользования, связанная с геологическими объектами и процессами. К геологическим объектам относят осадочный и гранитно-метаморфический слои литосферы, а также гидросферу. К геологическим процессам относят геодинамические, эндогенные и экзогенные процессы, которые сформировали внутренние и внешние геосферы, природные ландшафты и месторождения полезных ископаемых.
Действие геодинамических и эндогенных процессов (землетрясения, извержения вулканов и подводные излияния лав) разрушительно проявляются на тектонически активных континентальных окраинах, зонах спрединга и субдукции, трансформных разломах, в коллизионных складчатых поясах.
Экзогенные процессы (оползни, лавины, эрозия, карсты и др.) проявляются на поверхности Земли повсеместно в результате длительных процессов выветривания.
Недра - это часть земной коры от нижней границы почвенно-растительного слоя на суше или от поверхности морского дна до предельно возможной глубины ее использования. В то же время следует иметь в виду, что на объектах недропользования разрушительному воздействию подвержен почвенно-растительный слой на больших территориях.
Техносфера - это часть биосферы, преобразованная деятельностью человека. Развитие производительных сил общества, нерегулируемый рост населения планеты и его потребностей идет за счет возрастания материального производства, разрушительно воздействующего на природную среду. Наиболее опасными техногенными объектами являются тепловые и электрические станции, угледобывающие и горно-металлургические предприятия, нефтегазовые промыслы, химические и нефтеперерабатывающие заводы, магистральные нефте- и газопроводы, танкеры для транспортировки нефти и сжиженного газа, подземные хранилища нефти и газа, радиохимические заводы, пункты захоронения отработанного ядерного топлива.
Общественные отношения - это отношения между людьми по поводу использования предметов материального мира, а не отношение человека к вещи или объекту природы.
Окружающая природная среда становится объектом общественных отношений вследствие использования и эксплуатации ее полезных свойств. Именно в результате эксплуатации природных ресурсов и возникает необходимость охраны объекта природы от неправильного, нерационального использования.
Воздействие на ОПС считается вредным, если оно ухудшает условия жизни человека, условия обитания и воспроизводства живых организмов, условия устойчивого функционирования экологических систем.
Общественные отношения по поводу охраны ОПС классифицируются в зависимости от характера вредного воздействия.
Во-первых, это общественные отношения (ОО) по поводу химического воздействия на природу. Имеется в виду загрязнение атмосферного воздуха в результате выбросов загрязняющих веществ, загрязнение вод стоками, загрязнение почвы химическими удобрениями и ядохимикатами.
Во-вторых, это ОО по поводу ухудшения состояния ОПС в результате вредных физических воздействий: шум. вибрации, электромагнитные поля, радиационное загрязнение, отвалы, скважины.
В-третьих, это общественные отношения по поводу предотвращения вредных биологических воздействий в связи с применением биотехнологий, загрязнения ОС вредными микроорганизмами.
В некоторых регионах России степень отрицательного антропогенного воздействия на ОПС достигла такого уровня. что возникает необходимость объявления этих территорий зонами экологического бедствия.
Рассмотрим пример сброса сточных вод в водные объекты. Соответствующее предприятие (субъект) получило право хозяйственного ведения, оперативного управления или право собственности на воду. Предприятие (субъект) осуществляет забор воды из водного объекта для использования ее в технологическом процессе (например, в бурении или обессоливании нефти). В процессе бурения вода насыщается десятками химических веществ. После того как вода становится ненужной для бурения скважины, владелец или собственник отказывается от своего права собственности на воду, сбрасывая ее в реку. Отказ от права собственности, связанный со сбросом загрязненной воды в окружающую среду, представляет собой опасность для природы и общества.
Аналогичная ситуация с выбросом ЗВ в атмосферу, когда в воздушную среду поступают отработанные газы и сажа или в ОПС поступают отходы производства. Во всех этих случаях собственник или владелец отказывается от права собственности на загрязняющие вещества, выбрасывая или сбрасывая их в ОПС. Из этого следует, что правовая природа экологических общественных отношений имеет имущественный характер.
Экология - это синтетическая наука, которая делится на множество разделов, из которых можно выделить три основные:
Термин "экология" был предложен Э.Геккелем в 1886 г. и первоначально обозначал одну из ветвей биологии, изучающую взаимосвязь видов живых существ и среды их обитания. В настоящее время понятие "экология" существенно расширилось. Часто высоким словом экология пользуются не по делу. Например, экология не нужна для уборки улиц, для установки фильтров на дымовой трубе. Экология нужна раньше - при обосновании новых технологий, материалов и новой техники.
Задачей экологии как науки является исследование действия окружающей среды на жизнедеятельность организмов, деятельности человека на окружающую среду, а также восстановление нарушенных человеком естественных природных условий. Экология также служит научной основой рационального использования природных ресурсов, включая полезные ископаемые.
Антропогенный ландшафт - преобразованный человеческой деятельностью природный ландшафт. Обычно действующие и заброшенные объекты недропользования выглядят удручающе.
За 100 лет техносфера увеличилась до 40 млн км$$^2$$, а биосфера суши сократилась на 15%: площадь деградированных земель достигла 2 млрд га: площадь лесов снизилась до 38 млн км$$^2$$. Ежегодно на дорогах мира появляются 16 млн новых автомобилей. Появились новые виды оружия массового поражения. Более того, человек раздвинул границы техносферы далеко за пределы биосферы: космос, недра, океаны, микромир. Можно сказать, что в результате деятельности человека искусственное вытесняет естественное.
Решения, найденные природой за миллионы лет, оптимальны и имеют большую ценность. Попытки перекроить природу в угоду потребностям человека приводят к созданию искусственных экосистем с энергетической эффективностью, гораздо меньшей, чем у природных.
Сегодняшний человек живет в обществе потребления. Объем использования человеком вещества и энергии для удовлетворения своих надбиологических потребностей возрос в сотни раз. Суммарная масса выбросов загрязняющих веществ в земную атмосферу составляет около 20 млрд т. в том числе 15 млрд т диоксида углерода. В результате уровень антропогенного воздействия на природу приблизился к пределу устойчивости биосферы, а по некоторым параметрам превзошел этот предел. Человечество на этом пути не достигло счастья, однако потеряло возможность жить в ладу с природой и самим собой. Единственно приемлемой этической основой взаимоотношений человека и природы должно быть "благоговение перед жизнью".
Все вышеперечисленное требует разумного, рационального подхода к природопользованию вообще и недропользованию, в частности. Принцип экологического рационализма не должен подменяться экономической целесообразностью или интересами отдельных социальных групп.
Главными задачами экологической охраны природы являются сохранение природных ландшафтов и их биоценоза, научно обоснованное землепользование, восстановление чистоты водного и воздушного бассейнов, экологизация технологических процессов, связанных с природопользованием.
Вся сумма воздействий человека на природную среду состоит из трех групп факторов: населения, потребления и технического прогресса.
Численность населения является важнейшим геоэкологическим фактором, поскольку она предопределяет потребности общества в питании, одежде и других услугах и ресурсах. Численность населения продолжает расти и по прогнозам должна стабилизироваться на уровне 10 млрд человек. Существует опасность, что потребности населения Земли превзойдут имеющиеся ресурсы, что может привести к геоэкологическому кризису и кровопролитным конфликтам. В некоторых странах Африки численность населения уже непроизвольно регулируется вследствие межплеменных столкновений и гражданских войн.
Потребление является вторым важнейшим геоэкологическим фактором. Потребности людей растут быстрее, чем численность населения. Разница в уровнях потребления различных стран очень велика. Развитые страны также в большей степени используют системы жизнеобеспечения Земли, сбрасывая в воду и воздух значительно больше загрязнителей, чем развивающиеся страны. С 1900 г. объем мирового промышленного производства увеличился почти в 25 раз. Регулирование антропогенного давления на экосферу Земли может проводиться посредством управления численностью населения или величиной всемирного потребления, или обоими путями сразу.
Технический прогресс - это третий важнейший геоэкологический фактор. Под этим термином понимается весь комплекс процессов переработки природных ресурсов и использования систем жизнеобеспечения Земли. Человечество ежегодно перерабатывает около 100 млрд т сырья, используя при этом энергетические мощности до $$10$$ кВт. Все эти процессы антропогенны и не характерны для природы: сырье извлекается из невозобновляемых ресурсов; энергия производится благодаря сжиганию горючих ископаемых, не вовлеченных в естественные круговороты вещества: произведенные продукты выбрасываются на свалки через относительно короткое время, вызывая загрязнение окружающей среды.
Именно технический прогресс вызывает процессы деградации экосферы. Вместе с тем технический прогресс рассматривается как надежда, благодаря которой можно решить им же порожденные основные геоэкологические проблемы. Очевидно, что человечеству необходимо в ближайшее время обеспечить переход к новым, менее вредным и более управляемым технологиям.
Технологии недропользования преимущественно являются разрушающими, поэтому эта отрасль далека от гармоничного взаимодействия с природной средой. Поэтому же и возникло научное направление, которое получило название геоэкология недропользования.
Геоэкология - это научное направление, изучающее Землю как систему геосфер в процессе их взаимодействия со всей совокупностью живого вещества. Если давать более короткое определение, то можно сказать, что геоэкология - это наука об интеграции геосфер и общества.
К базисным законам экологии, имеющим прямое отношение к геоэкологии недропользования, следует отнести:
Закон ограниченности природных ресурсов и падения природно-ресурсного потенциала справедлив только на современном этапе жизнедеятельности человека. В настоящее время исчерпаемость отдельных видов минерально-сырьевых ресурсов - это объективная реальность. Здесь имеется в виду ограниченность тех природных ресурсов, которые вовлечены в сферу деятельности человека и в дальнейшем не восстановимы. Это положение касается прежде всего энергоносителей, в особенности нефти и природного газа. На самом деле энергетический потенциал Земли и количество солнечной энергии, получаемое Землей, неисчерпаемы.
Закон внутреннего динамического равновесия - ключевой в природопользовании. Абсолютно безотходное производство невозможно. Каждый объект недропользования взаимодействует с окружающей средой, нарушает сложившееся в ней природное экологическое равновесие. Этот закон требует сохранения или минимизации нарушения экологического и природно-антропогенного равновесия экологических систем. Это возможно только при использовании экологически безопасных технологий добычи и переработки полезных ископаемых.
Закон снижения энергетической эффективности недропользования является следствием ограниченности природных ресурсов. На давно разрабатываемых месторождениях полезных ископаемых более низкие показатели добычи. Усложняющиеся географические и горно-геологические условия залегания на новых месторождениях полезных ископаемых требуют повышенных энергетических и экономических затрат.
Закон оптимальности и рациональности в геоэкологии оказывает влияние на производственную мощность объекта недропользования. Несбалансированность уровня развития производительных сил с минерально-ресурсным потенциалом объектов недропользования приводит к социальной напряженности. Несоблюдение этого закона приводит к негативным социально-экологическим последствиям.
Сегодняшняя стратегия развития цивилизации преимущественно основывается на технократическом подходе, ставящем человека и его технологии превыше всего. Сторонники этого подхода считают, что законы природы не могут и не должны мешать экономическому росту и прогрессу человечества. К сожалению, этот подход характерен для большинства людей, включая людей наделенных властью, хозяйственников и политиков. Эти люди не понимают, что прогресс цивилизации ограничен экологическим императивом - безусловной зависимостью человека от состояния живой природы.
Профессиональные экологи в отличие от технократов руководствуется единственно правильным экоцентрическим подходом. Истинные экологи исходят из представления о существовании единой глобальной экосистемы, в которой все живые организмы от микроба до человека взаимодействуют между собой и с природной средой.
Наиболее лаконично законы экологии изложил Б. Коммонер в следующих лаконичных формулах:
Эволюция биосферы обусловлена тремя группами факторов: развитием планеты как космического тела; биологической эволюцией живых организмов и развитием человека. В.И.Вернадский сделал вывод о переходе биосферы в новое состояние - ноосферу. Ноосфера - это новая геологическая оболочка Земли, создаваемая человеческим обществом на научной основе.
Человечество в своем стремлении к улучшению условий существования постоянно наращивает темпы материального производства. Из недр Земли извлекаются и перерабатываются миллиарды тонн полезных ископаемых, которые, в конце концов, превращаются в отходы, все сильнее загрязняющие окружающую среду. Природа не успевает их перерабатывать. Антропогенная нагрузка на биосферу быстро приближает ее к критическому состоянию. Ухудшение состояния биосферы опасно для всех живых существ, в том числе для человека.
Вопрос о том, как образовалась наша планета, издавна привлекал внимание людей. Первой была теория Канта о происхождении Солнечной системы из первичного вращающегося газопылевого облака. При сжатии этого облака под действием гравитации облако раскручивалось, в результате возникали силы, действующие против гравитации. В результате от сжимающейся туманности поочередно отделялись кольца, давшие начало образованию планет.
В середине XX в. была выдвинута другая теория: планеты образовались в результате гравитационного захвата Солнцем плотного межзвездного газопылевого облака при его прохождении мимо ранее образовавшегося Солнца. Входившие в состав облака частицы объединялись и укрупнялись и со временем становились потенциальными зародышами планет. Каждая будущая планета имела свою устойчивую орбиту и свою "зону питания". На формирование ранней Земли ушло примерно 500 млн лет. На 92% Земля состоит из пяти элементов: кислорода, железа, кремния, магния и серы.
Земля - третья по порядку от Солнца планета Солнечной системы вращается вокруг Солнца по близкой к круговой орбите на расстоянии около 150 млн км. Строение нашей планеты сегодня известно по сейсмическим данным, а состав ее верхних оболочек - атмосферы, гидросферы и земной коры (литосферы) по геологическим данным и прямым измерениям.
Планета Земля состоит из ядра и охватывающих его двух концентрических оболочек: мантии и земной коры (рис 1.1). Залегающая под земной корой мантия имеет температуру до $$3000^{\circ}C$$ и состоит из расплавленных горных пород (магмы), способных течь как густая вязкая жидкость. Мантия постоянно подогревается со стороны горячего ядра, вследствие чего в ней непрерывно образуются мощные конвективные потоки магмы.
(рис 1.1) Схема оболочечного строения планеты Земля
Масса Земли равна $$5,98\cdot 10^{21}$$ т, средний радиус 6371 км, площадь поверхности 510 млн км$$^2$$, средняя плотность земного вещества 5,52 г/см$$^3$$. Фигура Земли описывается геоидом, который аппроксимируется эллипсоидом вращения. Сплюснутость геоида определяется скоростью вращения Земли вокруг полярной оси.
Фигура Земли соответствует равновесной форме вращающейся жидкости. Отсюда можно предположить, что вещество Земли в ее недрах находится в эффективно жидком состоянии, хотя вязкость такой жидкости является очень высокой.
Вся история геологического развития Земли связана с выделением или поглощением тепла. Земля - это огромная тепловая машина. Через поверхность Земли теряется часть ее внутреннего тепла. Среднепланетарное значение удельного потока тепла, поступающего из недр, равно 59 мВт/м$$^2$$. Характеристика энергетических процессов, происходящих в геосферах Земли, приводится в табл. 1.1
| Мощность падающего на Землю солнечного излучения | $$2\cdot 10^{17}$$ Вт |
| Энергия вращения Земли | $$2.1\cdot 10^{21}$$ Дж |
| Мощность теплового потока через земную поверхность | $$4\cdot 10^{13}$$ Вт |
| Мощность приливного воздействия Луны | $$10^{13}$$ Вт |
| Энергия землетрясений с магнитудой 8,5 | $$3,6\cdot 10^{17}$$ Дж |
| Энергия вулканических извержений | до $$10^{18}$$ Дж |
| Энергия обрушений склонов и лавин | до $$10^{10}$$ Дж |
| Энергия подводных оползней | до $$10^{19}$$ Дж |
| Энергия смерчей, ураганов, торнадо, циклонов | до $$10^{17}$$ Дж |
| Энергия, потребляемая человечеством за сутки | $$10^{18}$$ Дж |
| Энергия взрыва магистрального газопровода | до $$10^{11}$$ Дж |
| Энергия при пожарах на аварийных скважинах | до $$10^{14}$$ Дж |
| Энергия ядерного взрыва | до $$2,4\cdot 10^{17}$$ Дж |
Существует гипотеза, что Земля на протяжении своей истории наращивала и продолжает наращивать свою массу за счет поступающих из космического пространства материальных частиц и энергии. Падающие на Землю первичные космические лучи состоят из ядер тех же химических элементов, которые входят в состав Земли, главным образом из ядер водорода. В их составе 92% протонов (ядра водорода). 6,6% альфа-частиц (ядра гелия), 0,8% ядер углерода, азота, кислорода.
Основная масса космических частиц имеет энергию более 1 ГэВ на нуклон, что в тысячи раз превышает энергию частиц в самых горячих частях Вселенной. Это означает, что большая часть достигающих Земли космических частиц возникает при взрывах сверхновых. Вспышка сверхновой - это взрыв звезды, при котором выбрасывается вещество с массой, превышающей несколько масс Солнца. Полный поток первичных космических частицу границы земной атмосферы равен $$\text{с}^{-1}\cdot \text{см}^{-2}$$, то есть каждую секунду через единичную площадку проходит одна частица. Удельная мощность потока космических лучей составляет $$7\cdot 10^{-10} \text{Дж/с}\cdot \text{см}^2$$.
Основная часть первичных лучей со средней энергией 10 ГэВ при столкновении с ядрами расходует энергию на рождение в атмосфере элементарных частиц. Каждое столкновение образует множество заряженных частиц, что приводит к образованию в атмосфере электронно-фотонного каскадного ливня. Развитие такого ливня начинается на высоте около 25 км. общее число частиц в ливне достигает нескольких миллионов. Земля, как и все космические тела, поглощает приходящее извне вещество и за счет этого растет.
Ряд специалистов отстаивает существование в земных недрах ядерных превращений вещества. Например, протоны космических лучей с энергией более 100 ГэВ легко проходят сквозь атмосферу и поглощаются земными недрами. Подобные ядерно-активные частицы способны осуществлять ядерные превращения химических элементов. По этой причине вещество Земли постоянно эволюционизирует. Например, с участием нейтронов естественных энергий происходят реакции с испусканием а-частиц. что объясняет высокие концентрации гелия в земной коре:
$$ ^{27}_{13}\text{Al}+n\rightarrow ^{24}_{11}\text{Na}+ ^{4}_{2}\text{He} $$Земля получает материи из космического пространства больше, чем теряет, поэтому ее масса и размеры постоянно увеличиваются. По расчетам рост радиуса Земли характеризуется скоростью 2 см/год. Накопление и преобразование вещества происходит преимущественно в недрах, в результате земная кора испытывает растягивающие напряжения и разрывается. Извержения вулканов, землетрясения и расхождение дна океанов могут быть следствием роста Земли за счет "космической подпитки".
Из земных недр ежегодно выносится на поверхность около $$9-10^9$$ т магмы, пепла, паров и газов. Если всю массу, вынесенную за всю историю вулканических извержений, равномерно распределить по поверхности Земли, то получится слой толщиной в 34 км. Это означает, что земная кора является продуктом длительной переработки вещества верхней мантии посредством физического и химического выветривания, переосаждения, а также преобразования растениями и живыми организмами.
По расчетам Земля завершит свое существование через 6 млрд лет, когда Солнце в ходе эволюции превратится в красного гиганта. Увеличиваясь в размерах, наше светило дойдет до орбиты Меркурия и Венеры и последовательно их поглотит. При этом на Земле экосистемы будут исчезать в порядке, обратном их возникновению. Далее звезда остановит свой рост, но Земля будет полностью выжжена.
Масса земной атмосферы равна примерно $$5,15\cdot 10^{15}$$ т. плотность воздуха на уровне моря $$1,27\cdot 1О^{-3} \text{г/см}^3$$.
Азотно-кислородный состав земной атмосферы уникален для планет Солнечной системы. Сухой воздух содержит 75,51% азота, 23,15% ($$1,2\cdot 10^{21}$$ г) - кислорода, 1,28 - аргона. 0,046 - углекислого газа. 0,00125 - неона и около 0,0007% остальных газов. Углерод в атмосфере присутствует также в форме метана - 0,00012%.
Важной компонентой атмосферы является водяной пар. Среднее содержание пара и воды в атмосфере достигает $$1,3\cdot 10^{15}$$ т, что в переводе на слой конденсированной воды составляет 25 мм. Водяной пар в атмосфере обновляется примерно 30 раз в году. В верхних слоях атмосферы под влиянием ультрафиолетового излучения возникает озон ($$3,1\cdot 10^9$$ т). состоящий из трехатомных молекул кислорода. Образование этого газа спасает жизнь на поверхности Земли от пагубного воздействия жесткого солнечного излучения.
Средняя приземная температура на планете примерно равна $$+15^{\circ} \text{С}$$. В нижнем наиболее плотном слое атмосферы - тропосфере толщиной 12 км перенос тепла происходит, в основном, благодаря конвективным движениям воздушных масс. Конденсация влаги в тропосфере порождает облачность, которая является главным фактором, определяющим отражательную способность Земли. Любое повышение приземной температуры усиливает испарение влаги и увеличивает облачность Земли, а это, в свою очередь, повышает альбедо планеты и отражательную способность земной атмосферы. В результате средняя температура земной поверхности вновь снижается до прежнего уровня.
Земля - единственная планета Солнечной системы, на поверхности которой вода может находиться в жидком состоянии. Масса воды в современной гидросфере достигает $$1,51\cdot 10^{18}$$ т. Большая часть воды сосредоточена в Мировом океане - $$1,42\cdot 10^{18}$$ т и в материковых льдах - $$0,023\cdot 10^{18}$$ т. На пресные воды суши приходится около $$0,001\cdot 10^{18}$$ т. Помимо свободной воды часть ее в виде грунтовых и поровых вод пропитывает континентальную и океаническую кору. Суммарная масса таких вод достигает $$0,066\cdot 10^{18}$$ т. Средняя соленость океанических вод достигает 35%(промилле или тысячных долей процента).
Кроме жидкой фазы часть воды ($$0,713\cdot 10^{18}$$ т) связана в гидросиликатах земной коры. Всего же на Земле в ее верхних геосферах сосредоточено примерно $$2,233\cdot 10^{18}$$ т воды. Воды океанов и морей покрывают около 2/3 поверхности Земли, средняя глубина Мирового океана близка к 3,8 км. В океанской воде растворены практически все химические элементы, главными из которых являются катионы натрия, магния, кальция, калия и анионы хлора, $$\text{HCO}_3$$, $$\text{CO}_3$$, брома.
В верхних слоях океана в каждом литре воды растворено в среднем 50 мл углекислого газа, 13 - азота, до 8 мл - кислорода. Холодные океанические воды высоких широт насыщены газами в большей степени, чем теплые воды тропических широт. Всего в океане растворено $$\text{CO}_2$$ около $$1,4\cdot 10^{14}$$ т, то есть почти в 60 раз больше, чем в атмосфере ($$2,4\cdot 10^{12}$$ т). Кислорода в океане растворено около $$8\cdot 10^{12}$$ т или в 150 раз меньше, чем его содержится в атмосфере.
Ежегодно реки сносят в океаны около $$2,53\cdot 10^{10}$$ т терригенного материала с суши, из них примерно $$2,23\cdot 10^{10}$$ т/год приходится на взвеси, а остальное - на растворенные и органические вещества.
Земная кора представляет собой верхний слой жесткой оболочки Земли - ее литосферы. Земная кора состоит из легкого, менее плотного по сравнению с мантией вещества, которое недра "вытолкнули" из себя. Доля коры в общем объеме Земли составляет 1,5%, доля мантии - 82,3%, ядра - 16,2%. Геологические процессы непрерывно изменяют земную кору и ее поверхность, приводя к разрушению одних горных пород и образованию других. Поверхность земной коры формируется за счет разнонаправленных тектонических движений, создающих неровности рельефа путем разрушения, выветривания горных пород и осадконакопления. В обобщенном виде рельеф земной коры описывается гипсометрической кривой (рис 1.2). По вертикали на ней отложена высота рельефа твердой поверхности Земли, а по горизонтали суммарная площадь районов, превышающих данный уровень.
Граница между корой и мантией подвижна: повышение температуры мантии приводит к расплавлению нижней части коры и смещает границу вверх, а понижение температуры - вниз. Границей раздела земной коры и верхней мантии принято считать "поверхность М". залегающую на глубинах 30...60 км на континентах и 5...10 км под дном океана. Эта поверхность определяется глубиной, на которой происходит резкое увеличение скорости сейсмических волн - в среднем до 8 км/с. Обычно с этой поверхностью отождествляется нижняя граница гидратации земных недр. Особое значение "поверхности М" заключается в том, что на ее уровне примерно соблюдается архимедово равновесие земной коры, "плавающей" в вязком веществе мантии.
(рис 1.2) Гипсометрическая кривая поверхности земной коры
Ниже этой поверхности залегает астеносфера - слой с повышенной электропроводностью и пониженной вязкостью. Эти особенности объясняются плавлением вещества астеносферы в пределах 1-2%. которое проявляется в виде тонкой пленки, обволакивающей кристаллы при температуре $$1200^{\circ}\text{С}$$. Астеносферный слой расположен ближе всего под океанами (от 10 до 200 км) и глубже под континентами.
Нижним ярусом континентальной земной коры является толстый базальтовый слой, на котором покоится гранитный слой, покрытый чехлом осадочных пород. Океанское ложе состоит из базальтовой подстилки и тонкого слоя осадочных пород (рис 1.3).
Океаническая кора формируется в рифтовых зонах срединно-океанических хребтов за счет излияния базальтовых расплавов из горячей магмы (из астеносферного слоя) на поверхность океанического дна. Ежегодно из астеносферы изливается и кристаллизуется не менее 6 км$$3$$ базальтовых расплавов. Эти тектономагматические процессы не имеют себе равных на суше и сопровождаются повышенной сейсмичностью.
(рис 1.3) Схематический разрез земной коры
Магма - это флюидо-силикатный расплав, содержащий в своем составе соединения с кремнеземом и растворенные летучие вещества, а также присутствующие в виде пузырьков газа. Летучие компоненты в магме представлены $$\text{CO}_2, \text{H}_2, \text{H}_2\text{O}, \text{HF}$$ и др. При затвердевании магматический расплав теряет летучие компоненты. Кристаллизация магмы происходит постепенно по мере падения ее температуры. Вначале выделяются высокотемпературные минералы с образованием таких горных пород, как базальты и габбро, затем - низкотемпературные минералы с образованием диоритов и андезитов, затем - гранитов и риолитов и т.д. Процессы превращения магмы в горные породы достаточно сложны, и на них кроме охлаждения влияют множество разных факторов. Наличие в магме легкоотделяемых компонентов приводит к вулканическим процессам, а наличие трудноотделяемых компонентов - к интрузивным процессам.
Средний химический состав земной коры: $$\text{SiO}_2 - 53,5; \text{Al}_2\text{O}_3 - 15,9%; \tetx{CaO} - 9,4; \text{FeO} - 7,6; \text{MgO} - 5,4; \text{Na}_2\text{O} - 2,7; \text{СO}_2 - 1,0; \text{}_2\text{O} - 0,78$$. Химический состав земной коры впервые установил американский ученый Ф. Кларк. В его честь среднее содержание химических элементов в земной коре называют кларком. Земная кора почти наполовину состоит из кислорода: кларк кислорода - 47%. Далее по мере убывания идут кларки кремния - 29,5; алюминия - 8,05; железа - 4,65; кальция - 2,96; натрия и калия - по 2,50; магния - 1,87 и титана - 0,45%. В сумме это составляет более 99% массы земной коры. Суммарное содержание в земной коре остальных 80 элементов не превышает 1%.
По происхождению горные породы делятся на три группы: магматические; осадочные и метаморфические.
Магматические породы имеют кристаллическое строение и образуются из расплавленной магмы при застывании ее на некоторой глубине (интрузивные) или при выходе ее на поверхность (эффузивные).
На долю магматических пород приходится примерно 95% объема земной коры. Наиболее важным минералом в составе этих пород является окись кремния (кремнезем) - $$\text{SiO}_2$$ и окись алюминия $$\text{Al}_2\text{O}_3$$. Содержание кремнезема определяет состав горных пород. При содержании кремнезема 45-52% породы входят в группу основных пород, при содержании более 65% - в группу кислых пород.
Осадочные породы залегают слоями и образуются в результате переотложения продуктов разрушения ранее существовавших коренных горных пород, а также из продуктов жизнедеятельности организмов. Так, песчаник образуется из песков, сланец - из ила, известняк - из морских раковин. Осадочные породы подстилаются древними магматическими или метаморфическими породами. Залежи нефти и газа, как правило, приурочены к осадочным породам. Непродуктивные породы, которые подстилают осадочные, называют коренными породами или породами фундамента.
Метаморфические породы образуются из магматических или осадочных пород на больших глубинах в результате действия высоких температур и давлений, а также в результате привноса в исходную породу магматических газов и водных растворов. Например, мрамор ($$\text{СаСO}_3$$) представляет собой метаморфизованный известняк ($$\text{СаС0}_3$$). Эти породы отличаются от исходных пород текстурно-структурными и прочностными свойствами, минералогическим составом, обладают слоистостью и кристаллическим строением.
По степени связности горные породы подразделяются на скальные, связные, рыхлые и текучие. Они могут находиться в сезонно-мерзлом и многолетнемерзлом состояниях. В районах Крайнего Севера мощность мерзлых пород может достигать сотен метров, температура $$-12^{\circ}\text{С}$$. Обломочные водонасыщенные рыхлые породы при замерзании цементируются льдом и отличаются высокой прочностью. При оттаивании они переходят в текучее состояние.
Земная кора как бы плавает в подкоровом субстрате горячей магмы, при этом она всегда стремится к достижению состояния гидростатического равновесия. Это явление называется ). Чем горы выше, тем прогиб "поверхности М" глубже вдается в верхнюю мантию, средняя плотность которой 3,3 г/см$$^3$$.
(рис 1.4) Схема изостатического равновесия между земной корой и мантией
После таяния и исчезновения 10 тыс. лет назад ледникового покрова в Карелии, имевшего толщину до 4 км, нагрузка на земную кору уменьшилась и в соответствии с законом изостазии эта территория стала быстро подниматься. Воздымание земной поверхности шло примерно со скоростью 10-13 см/год сразу же после таяния и сейчас составляет около 1 см/год.
Любые достаточно значимые изменения нагрузки на земную кору: заполнение осадочными толщами; мощные лавовые покровы; искусственные водохранилища; глубокие карьеры; откачка подземных вод и нефти - все это приводит к изменению изостатического равновесия в региональном масштабе.
$$Биосфера$$ - это оболочка Земли, которая населена и преобразуется живыми существами. Биосфера включает в себя гидросферу и части атмосферы и литосферы. Гидросфера - это место скопления огромного количества биологических, минеральных и энергетических ресурсов. Океанский фитопланктон поставляет почти половину кислорода атмосферы. В морской воде обнаружено более 70 химических элементов.
В приповерхностном слое воды обитают пассивно плавающие одноклеточные растительные организмы и свободно плавающие рыбы и беспозвоночные. Живые организмы проникают на всю глубину Мирового океана.
С биогенными процессами связано поступление в атмосферу почти всего кислорода. $$\text{CO}_2, \text{СН}_4, \text{N}_2, \text{H}_2\text{S}$$ и других газов; с техногенными - $$\text{CO}_2, \text{СО}, \text{NO}, \text{SO}_2$$, углеводородов и других газов. Земная кора также является поставщиком многих газов. Споры бактерий и грибов встречаются на высоте до 20 км от поверхности Земли - в тропосфере и нижней части стратосферы.
В литосфере жизнь опускается на глубину до 7 км, что обусловлено температурой воды и уровнем проникновения воды. Основная масса организмов сосредоточена в верхнем слое почвы.
Среди живых организмов в количественном отношении преобладают формы, стоящие на относительно низком уровне эволюционного развития. Из общего числа видов 21% приходится на растения, но их вклад в общую биомассу является подавляющим и составляет 99%.
Живое вещество играет ведущую роль в геохимических процессах. Вещества и энергию, необходимые для поддержания жизни, организмы черпают из окружающей среды. Живая материя воссоздается, преобразуется и разлагается. Ежегодно благодаря жизнедеятельности растений и животных воспроизводится около 10% биомассы. Главная функция биосферы - обеспечение циркуляции химических элементов между атмосферой, почвой, гидросферой и живыми организмами.
В глобальном круговороте участвует множество химических элементов и соединений, наиболее важными из которых являются вода углерод, сера, азот и фосфор. В результате биотического круговорота происходит созидание органического вещества и его разрушение. Определяющим звеном этого процесса являются растения, с которыми связано образование свободного кислорода при фотосинтезе. Растения извлекают из почвы многие элементы, которые затем попадают в организмы растительноядных животных. Пища хищников включает белки, жиры и др. При разрушении микроорганизмами отмерших растений и умерших животных в окружающую среду поступают минеральные соединения и биотический круговорот начинается вновь.
Весь XX в. человечество переживало эйфорию от крупных научных открытий: первый "самодвижущийся экипаж", первый самолет, первая атомная электростанция. В 1900 г. на Всемирной выставке в Париже была построена Эйфелева башня, которая символизировала научно-технический прогресс. В прошлом веке человечество в 10 раз увеличило энергопотребление, в 100 раз - скорость передвижения, в 1000 раз - мощность оружия.
В природе эффективно действуют факторы, ограничивающие рост любой популяции. Среда оказывает тем большее сопротивление росту популяции, чем больше ее численность. Но человек является исключением из этого правила. Численность рода человеческого растет по экспоненте - никакой другой вид животных не следует этому закону. За сто лет население Земли увеличилось с 2-х до 6-ти млрд. По прогнозам к 2050 г. население планеты может достичь 10 млрд человек.
Демографический взрыв и экономический рост в странах с новой экономикой, в частности в Индии и Китае, резко увеличивает спрос на энергоресурсы. Значительная часть мировых энергоресурсов находится в проблемных регионах, что создает сложности в привлечении туда прямых инвестиций. В текущем столетии жители Европы обеспечены собственными ресурсами примерно на 20%. Китаю и Индии не хватает основного ресурса - земли. Арабскому Востоку и Средней Азии не хватает питьевой воды. Миру не хватает нефтепродуктов. Все исчерпаемые ресурсы дорожают, а это чревато международными конфликтами.
Окружающая природная среда не справляется с техногенными нагрузками. Радость от созерцания дымящих труб, гигантских плотин и распаханной целины сменилась горьким осознанием фактов гибели и исчезновения многих видов животных и растений, загрязнением рек и деградацией почв. Специалисты забили тревогу. Производственной деятельностью человека в той или иной мере охвачено все пространство планеты. Если не считать Антарктиды и других ледяных поверхностей, то площадь земель, не затронутая хозяйственной деятельностью, осталась в количестве 38 млн км$$^2$$ (28% суши). В Европе осталось только 5% таких земель.
Из сказанного следует, что новая - третья энергетическая революция неизбежна. Две подобные революции в истории человечества уже были. Десять тысяч лет назад, когда первобытных людей стало много, а мамонты исчезли, наступил первый экологический кризис. Тогда человек напряг свой первобытный разум и совершил сельскохозяйственную революцию и тем самым преодолел кризис пределов роста. Человек изобрел скотоводство и земледелие, он стал использовать энергию животных, воды и ветра. Таким образом, он преодолел кризис цивилизации охотников и собирателей.
Примерно 300 лет назад наступил второй экологический кризис. Человек совершил промышленную революцию и тем самым преодолел очередной кризис пределов роста. Он стал использовать тепловую и электрическую энергию, освоил но-вые земные и космические пространства.
Нарушение естественных экосистем на большей части суши - это наиболее драматичный результат техногенеза. В настоящее время площадь занятых, возделанных и находящихся под прямым контролем человека земель составляет 40 млн км$$^2$$. Эта площадь уже превышает допустимый предел земельных ресурсов, подлежащих хозяйственному использованию. Мировая пашня (1520 млн га) может быть увеличена лишь за счет пастбищ и лесов, что чревато глобальными экологическими и экономическими потерями. В Нидерландах. Германии, Японии, Индии антропогенное давление на биосферу очень велико - там совсем не осталось территорий, не затронутых хозяйственной деятельностью.
Наступление массового голода в середине XX в. было задержано с помощью комплекса мер, получивших название "зеленая революция". Ее слагаемыми были: внедрение новых сортов сельскохозяйственных культур и новых агротехнических приемов. Благодаря принятым мерам мировое производство зерновых увеличилось до 1850 млн т/год. Однако достижения "зеленой революции" оказались временными. Сегодня из-за экономического неравенства стран около 2-х млрд человек на Земле хронически недоедают и голодают.
Сегодня многие страны в не меньшей степени, чем за энергоресурсы, конкурируют за доступ к водным ресурсам, Водоемкость мирового хозяйства составляет 5000 км$$^3$$/год. С учетом необходимости разбавления технических стоков антропогенное вмешательство в природный круговорот воды достигает 18 тыс. км$$^3$$/год, что составляет половину речного стока мира.
Сегодня общая площадь лесов планеты составляет 38 млн км$$^2$$. За историческое время существования человека уничтожены 40% лесов. Темп глобального сокращения лесов в 18 раз опережает темп их восстановления. Эта тенденция представляет серьезную экологическую угрозу. Во-первых, сокращается глобальный ресурс фотосинтеза, сокращается газовая функция биосферы. Во-вторых, изменяется режим осадков и ускоряется опустынивание больших пространств. В-третьих, вместе с лесом уменьшается биологическое разнообразие, утрачивается существенная часть генофонда планеты.
Человек каменного века жил, как ему казалось, в полном достатке, потребляя энергии в сотни раз меньше, чем мы сегодня. Общество не вернется в каменный век к лучине, но современной цивилизации нельзя жить расточительно. Нельзя основную часть сырья и энергии расходовать на "зряшное потребление". Только 2% извлекаемого из недр ископаемого вещества идет на удовлетворение жизненно необходимых нужд. Остальные 98% идут в отвалы. А России, в частности, нельзя жить только за счет продажи сырья. Россия сжигает 1 кг условного топлива, чтобы выработать 1 долл. в составе ВВП, а Япония, например, вырабатывает 9 долл. на 1 кг топлива.
По сценарию ООН в 2100 г. в структуре используемых энергоносителей на уголь, нефть и газ будет приходиться всего по 5%. Основными источниками энергии станут Солнце и биомасса. Уже сегодня в мире около 2 млн домов освещаются и отапливаются с помощью солнечного излучения.
Нефтедобывающие страны не должны пассивно ожидать наступления постнефтяной эпохи. Всем развивающимся странам нужна программа практических мер по переходу на новую траекторию развития. Такую траекторию, которая исключит высокую энергозатратность экономики. Сегодня в мире на 1 долл. валового внутреннего продукта (ВВП) расходуется $$0,45 \text{кВт}\cdot\text{ч}$$ электроэнергии, а в странах СНГ - на порядок больше. В эту огромную технологическую пробоину вытекает с таким трудом добываемая нефть. Отсюда вывод: нужно облагораживать структуру ВВП.
Сегодня человек включает свой разум, чтобы преодолеть третий экологический кризис - наверное, самый серьезный за всю историю. Фактически человек должен перейти к новой цивилизации - цивилизации возобновляемых источников энергии.
Сегодня примерно 1 млрд населения планеты живет в условиях экономики изобилия. Наука впервые сумела предсказать грядущие опасности, которые подстерегают землян через несколько десятилетий. Население благополучных стран должно постепенно готовить себя к экономике дефицита. Однако человеку общества потребления трудно остановиться, он фактически оказался бессильным перед им же созданными производительно-разрушительными силами.
Социальное благополучие в потребительском обществе может существовать лишь до тех пор, пока имеются достаточные ресурсы. Собственное благополучие, собственная прибыль, страновой эгоизм - эти ценности сегодня зачастую оказываются дороже судьбы цивилизации. Здесь самое главное - совместить интересы национальные и интересы мирового сообщества. Каждая страна, делая шаг в направлении устойчивого развития, вправе требовать, чтобы такие же шаги делали и другие страны, особенно те, которые оказывают мощное антропогенное воздействие на биосферу.
Человек должен себя менять! Когда человек научится экономно расходовать природные ресурсы, когда он своей деятельностью впишется в естественные биохимические циклы, тогда исчезнет большая разница в уровне жизни. Это и будет Общество устойчивого развития, которое может быть построено за счет высокой нравственности людей.
Углеводороды, как и все горючие полезные ископаемые, являются продуктом взаимодействия геосфер. Вся история их формирования и разрушения является частью общего глобального цикла углерода. Углерод наиболее ярко отражает связь биосферы с глубинными частями Земли. Его непрерывное поступление балансируется непрерывным удалением из атмосферы в гидросферу и осадочную оболочку планеты. Углерод - один из элементов, образующих живое вещество Земли. Хранители углерода - живая биомасса, гумус, карбонатные осадочные породы, горючие полезные ископаемые и др.
На рис 1.5 схематично представлена последовательная эволюция органического вещества (ОВ) как в рассеянной, так и в концентрированной форме от момента его возникновения в живом веществе, захоронения и преобразования в диагенезе, затем трансформации в катагенезе до конечных продуктов преобразования ОВ - графита и метана.
(рис 1.5) Малый и большой глобальные циклы органического углерода на Земле
Малый глобальный цикл продолжительностью от нескольких суток до нескольких тысяч лет происходит в биосфере. Этот цикл еще называют биотическим круговоротом вещества, потому что он происходит при участии живых организмов: растений, животных, микроорганизмов.
Этот цикл является поставщиком углерода для большого глобального цикла продолжительностью многие миллионы лет. Неотъемлемым элементом этого цикла является нефте- и газообразование. При условии длительного и устойчивого погружения осадочных пород углеводороды являются продуктом промежуточной стадии глобального углеродного цикла.
Нефтегазообразование - это сложная совокупность протекающих в недрах процессов, ход которых в природе не может быть наблюдаемым. Видны лишь фиксированные результаты этих процессов, запечатленные в некотором пространстве осадочных пород.
Из всех земных процессов лишь единственный не расходует, а накапливает солнечную энергию. Это фотосинтез, создающий органическое вещество. В запасании и связывании солнечной энергии и заключается основная планетарная функция живого вещества. Важнейшей особенностью биосферы является существование потоков энергии и вещества.
В экосистемах перенос вещества и энергии осуществляется посредством трофических (пищевых) цепей, за счет чего все химические элементы, из которых построены организмы, многократно используются в биосфере. Сущность биотического круговорота заключается в образовании живого вещества из неорганических соединений в процессе фотосинтеза и превращении ОВ при разложении вновь в неорганические соединения. Этот круговорот для жизни биосферы является главным, и сам он является порождением жизни.
Процессы, отражающие движение углерода и трансформацию его состояний происходят по следующей замкнутой цепочке: $$\TEXT{CO}_2 \rightarrow$$ фотосинтез $$\rightarrow$$ углеводы и органическое вещество (ОВ) в биосфере $$\rightarrow$$ ОВ в осадочных породах $$\rightarrow$$ микронефть $$\rightarrow$$ залежь углеводородов (УВ) $$\rightarrow$$ добыча и переработка (УВ) $$\rightarrow$$ сжигание УВ $$\rightarrow\text{CO}_2$$. Для человека-потребителя главными в этом цикле являются последние четыре звена.
Поглощение углерода биотой суши и океана в процессе фотосинтеза примерно уравновешивается процессами дыхания биоты и разложения растений, а также поступлением углерода за счет вулканической деятельности. Поэтому в отсутствии антропогенных поступлений $$\text{CO}_2$$ в атмосферу углеродный цикл на планете находился бы в равновесии.
Хозяйственная деятельность человека интенсифицирует биотический круговорот углерода, существенно нарушает углеродный цикл. Ископаемое топливо представляет собой результат трансформации доисторических остатков растений и живых организмов. Ископаемое топливо - это законсервированный углерод, "ушедший в геологию". Человек, включая нефть, газ и уголь в производственный цикл, нарушает эту консервацию. В разведанных запасах нефти и угля содержится $$4\text 10^{15}$$ т углерода. Сжигание этих запасов может в три раза по сравнению с настоящим увеличить содержание углерода в атмосфере. Насколько при этом возрастет температура на Земле, сказать трудно.
В 1992 г. в Рио-де-Жанейро состоялась Конференция ООН по проблемам Планеты, в которой участвовало 179 государств. Конференция приняла "Повестку дня на XXI век" - программу того, как сделать развитие устойчивым с социальной, экономической и экологической точек зрения. Конференция также приняла "Рамочную Конвенцию ООН об изменении климата".
Согласно инструментальным наблюдениям в течение XX в. глобальная температура у поверхности Земли увеличилась на $$0,6^{\circ}\text{C}$$. Спутниковые данные показали, что площадь снежного покрова уменьшилась на 10%. Ледовый покров на реках и озерах Северного полушария тает на две недели раньше. Площадь морского льда в летний период сократилась на 10-15%. В течение последнего столетия средний уровень моря повысился на 10—20 см, количество атмосферных осадков в Северном полушарии каждые 10 лет увеличивались на 1%.
Эти явления связывают с увеличением содержания в атмосфере парниковых газов: углекислого газа, метана и закиси азота. За последние 150 лет концентрация углекислого газа в атмосфере увеличилась на 31, метана - на 151, закиси азота - на 17%. Столь высокого уровня концентрация парниковых газов в земной атмосфере не достигала ни разу за последние 420 тыс. лет. По этой причине с начала индустриальной эпохи приток солнечной энергии к земной поверхности увеличился на $$0,3 \text{Вт/м}^2$$.
В XXI в. следует ожидать повышения средней глобальной температуры в пределах $$1,5-6.0^{\circ}$$. Даже нижняя граница этого диапазона чревата для мировой экономики серьезными опасностями и может заметно повлиять на образ жизни целых народов. В холодных высоких широтах рост температуры будет выше среднего значения. В итоге получим таяние льдов и повышение уровня Мирового океана. Потоки талой воды с ледников Гренландии повлияют на Гольфстрим, а значит на Европу. Будут смещаться границы лесов, повышаться вероятность наводнений, ухудшаться состояние зданий, дорог и трубопроводов в зоне вечной мерзлоты, будут усиливаться засухи и опустынивание земель. Потепление климата уже проявляется в росте числа и масштабов природных катастроф.
Для расчета эмиссии углекислого газа разными видами топлива используются следующие нормативы: (т $$\text{CO}_2$$/т топлива): уголь - 2,76: мазут - 2,28: газ - 1,62. Таким образом, с экологической точки зрения газ и мазут по сравнению с углем являются более предпочтительным топливом.
Примерно 3/4 эмиссии $$\text{CO}_2$$ обусловлено сжиганием органического топлива, при этом Мировой океан и континенты поглощают лишь половину антропогенного углекислого газа. Планете уже не хватает лесов, а океану фитопланктона, чтобы восстанавливать сжигаемый кислород. К концу текущего века концентрация $$\text{CO}_2$$ в атмосфере может достичь 0,097%. то есть увеличиться в 3,5 раза по сравнению с доиндустриальным периодом. Для сохранения газового состава атмосферы мощность выброса $$\text{CO}_2$$ топливной энергетикой не должна превышать мощности растительного мира по поглощению углекислого газа.
В официальной статистике недавно стали учитываться выбросы озоноразрушающего шахтного метана. При этом более половины прироста концентрации метана в атмосфере имеет антропогенное происхождение. Угольщики и энергетики взамен проведения мероприятий по снижению выбросов метана предпринимают усилия по согласованию завышенных нормативов выбросов. Слабо используются передовые технологии тотальной очистки дымовых газов от окислов серы и азота. Ущерб природе и землепользователям наносят отвалы шахт и вскрышных пород, выработанные разрезы и деформированные участки земной поверхности, а также золоотвалы.
На фотографиях, сделанных со спутника ночью видны освещенные города-мегаполисы, а также хорошо видны нефтяные промыслы, освещенные горящими факелами. Сжигание попутного газа в факелах - это прямое загрязнение атмосферы. Разливы нефти на суше и на море снижают способность биосферы поглощать углекислый газ.
В основу Киотского протокола положена простая идея: каждая страна должна сжигать столько кислорода, сколько производит ее территория. Протокол предлагает рыночный механизм решения проблемы: если страна сжигает "чужой" кислород, она должна платить тем странам, которые недоиспользуют "свой" кислород. Это ни что иное, как межгосударственная торговля квотами. Фактически Киотский протокол является первым признанием того, что экосистемные услуги имеют свою цену. Подобная концепция смущает правительства перенаселенных и промышленно развитых стран. Не случайно Китай. Индия и США не торопятся признать этот документ.
Но есть еще один важный газ - кислород. США потребляют 6 млрд. т кислорода, а их территория производит только 4,5 млрд т кислорода. Страны Европы сжигают 3,8 млрд т кислорода, а производят только 1,6 млрд т. Россия потребляет 2,8 млрд т, а производит намного больше - 8,1 млрд т кислорода.
Если предприятие не укладывается в отведенную ему квоту на выбросы парниковых газов, то оно может поступить следующим образом:
Для развитых стран стоимость исполнения Киотского протокола очень высока. Модернизация производства для снижения выбросов парниковых газов обходится на Западе в 200 долларов за тонну, поэтому США пока отказываются от присоединения к протоколу.
Удельные выбросы углекислого газа на единицу ВВП в России и странах СНГ существенно больше, чем в любой из развитых стран. Конкретные цифры таковы (кг $$\text{CO}_2$$ на 1 доллар ВВП): Россия - 1,3; США—0,8; Англия - 0,5; Япония и Франция - по 0,3.
В России резерв энергосбережения составляет около 40% от общего объема производимой энергии, в то время как в развитых странах потенциал энергосбережения почти исчерпан. Экстенсивный способ развития ТЭК разорителен. Поэтому Россия начинает проводить политику энергосбережения, тем более что тот или иной проект по снижению выбросов в России существенно дешевле, чем в США.
Россия перешла к новым отношениям собственности. Государство выходит из сферы практического хозяйствования, за ним остались функции регулирования природно-ресурсных отношений. В топливно-энергетическом комплексе, нефтяном бизнесе прибыль индивидуализируется, а убытки от сбросов и выбросов несет все общество. В лицензиях на недропользование нефтяники берут на себя обязательство утилизировать до 90% попутного газа. В реальности утилизируются первые десятки процентов.
Не все специалисты согласны с теорией влияния парниковых газов на современный климат Земли. Противники теории парникового эффекта утверждают обратное: изменения концентраций $$\text{CO}_2$$ в атмосфере является следствием глобальных изменений температуры, а не их причиной. Кроме того, необходимо учитывать, что повышение парциального давления углекислого газа в атмосфере приводит к повышению эффективности сельского хозяйства и скорости восстановления вырубаемых лесных массивов.
Однако, Киотский протокол имеет несомненное стимулирующее действие. После вступления в силу Киотского протокола становится выгодной энергоэффективная производственная деятельность. Каждая сэкономленная тонна условного топлива предотвращает выброс 2 т углекислого газа. Если при переуступке квот на выбросы получить 20 долл. за тонну углекислого газа, то каждая тонна сэкономленного топлива даст 40 долл. дохода. Экономить топливо становится выгоднее, чем его добывать. Каждая страна должна выдерживать существующие экологические стандарты, развивать экологически чистые производства, энерго- и природосберегающие технологии и не давать поводов для упреков со стороны международного сообщества. Киотский протокол можно рассматривать как инструмент регулирования экономики через экологию, как площадку для дискуссий о судьбе планеты.
Для нефтедобывающих компаний является крайне актуальным решение проблемы аварийности и снижения эколого-экономических рисков. Неожиданное возникновение аварийных ситуаций на промыслах зачастую связано с недооценкой пространственно-временных изменений состояния земных недр. Серьезные компании не хотят ставить на карту собственный престиж, поэтому начинают обращать внимание на геодинамические процессы.
Согласно теории дрейфа континентов или теории тектоники литосферных плит на планете существовал единый суперконтинент, который примерно 150—180 млн лет назад раскололся на части, и эти части-материки начали дрейфовать по поверхности Земли. Одной из причин дрейфа континентов мог стать, например, рост размеров Земли.
В середине XX в. появилась концепция спрединга океанического дна. Океанологи обнаружили, что на данном историческом этапе дно океанов расходится в разные стороны. При этом в одних местах (рифтовые зоны) участки земной коры (плиты) раздвигаются, а в других местах - сжимаются. Причиной происходящего являются мощные конвекционные потоки горячей магмы. Горячая магма в своем непрерывном движении увлекает за собой огромные участки земной коры вместе с континентами.
Движущаяся вдоль подошвы плит расплавленная магма за счет вязкостных эффектов оказывает на них сдвигающее усилие. Температура магмы падает, а вязкость возрастает по мере приближения к подошве плиты. О вязкости горячей магмы можно судить по вязкости изливающейся лавы. Жидкие базальтовые лавы имеют температуру $$1000—1200^{\circ}\text{C}$$ и плотность до $$2,8 \text{г/см}^3$$. Высоковязкие лавы имеют температуру $$700—900^{\circ}\text{C}$$ и плотность $$2,2 \text{г/см}^3$$. Коэффициент вязкости расплавленной магмы примерно равен $$1000 \text{Па}\cdot\text{с}$$. что в миллион раз больше вязкости воды.
Насыщенный газами слой подвижной мантии поднимается от ядра до земной коры. По мере подъема магмы давление в ее объеме уменьшается, и расплав вспенивается за счет выделения пузырьков растворенных газов. Далее расплавленное вещество мантии разделяется на два расходящихся потока, которые создают в земной коре растягивающие напряжения и разрывают земную кору. В таком случае говорят, что океаническое дно подвергается спредингу (рис 1.6).
(рис 1.6) Типы границ литосферных плит
Поднимающийся из глубин горячий поток магмы, раздвигая земную кору, образует срединно-океанический хребет - гигантское горное сооружение. Срединно-океанические хребты (рифтовые зоны) обнаружены посередине Атлантического, Тихого и Индийского океанов. Из рифтовой зоны за счет спрединга поступают все новые и новые порции мантийного вещества, которые по обе стороны хребта формируют молодую океаническую кору. Общая протяженность рифтовых зон в океанах достигает 80 тыс. км.
Рифтовые зоны являются трещинами в земной коре и постоянно заполняются поступающей снизу горячей магмой, образующей базальтовый слой океанической коры. В результате этого процесса образуется новая земная кора. Скорость спрединга зависит от местоположения рифтовой зоны и варьирует от 1 до 17 см/год. Атлантический океан ежегодно становится шире примерно на 5 см. Тихий океан - на 12 см. Таким образом, площадь новой земной коры ежегодно увеличивается на 3,0 км$$^2$$. Самые древние осадочные породы, сохранившиеся в океанических прогибах, имеют юрский возраст (около 150 млн лет), что значительно меньше возраста многих пород, залегающих на суше.
Вдоль осевой части хребтов проходит глубокая впадина - рифт. Впадина-рифт делит хребет на два гребня. Глубина рифта до 2 км. ширина - до 30 км. На дне рифта наблюдаются открытые молодые трещины. Во впадине-рифте океанских хребтов отмечается повышенный тепловой поток, достигаю-щий "ураганных" значений - $$1500 \text{мВт/м}^2$$. Среднепланетарное значение теплового потока, поступающего из недр, равно $$59 \text{мВт/м}^2$$. Мощность выноса глубинного тепла по всей поверхности Земного шара составляет $$3,1\cdot 10^{13} \text{Вт}$$. Ткким образом. Землю можно рассматривать как огромную тепловую машину.
Территории, где сталкиваются расходящиеся от рифтовых зон плиты земной коры (рис 1.6, б), называются зонами субдукции (или надвига). Плотность океанической литосферы больше, чем плотность континентальной. При столкновении двух плит одна из них - более тяжелая, уходит под другую, в результате возникают понижения - океанические желоба.
Здесь потоки магмы начинают свое погружение и затягивают вглубь Земли океанические плиты. Желоба находятся не в середине океана, а вблизи суши. Вдоль материковой стороны океанических желобов располагаются островные и континентальные дуги, где происходят сильные землетрясения и вулканические извержения. Чем глубже одна плита подныривает под другую, тем она более разогревается. Глубина погружения плит в мантию может достигать 500 км и более. На глубине более 100 км горные породы начинают плавиться, что приводит к образованию вулканических комплексов.
Существует еще один тип границ литосферных плит, где они смещаются горизонтально друг относительно друга (рис 1.6, в). Они получили названия трансформных разломов, так как передают движение от одной зоны к другой.
Когда сталкиваются континентальные плиты (рис 1.6, г), происходит их коллизия, они сжимаются и образуют складки и горные системы вроде Кавказа и Гималаев. В местах земной коры, где поля сжимающих напряжений превышают крити-ческие значения, происходят землетрясения.
Тектоника литосферных плит имеет глобальный характер. Вся литосфера разделена на семь крупных и несколько малых тектонически обособленных плит. Основанием для их выделения и проведения границ между ними послужило размещение очагов землетрясений. Основное выделение сейсмической энергии происходит на границах между плитами.
Почти все землетрясения происходят в пределах Тихоокеанского (75%) и Альпийского (23%) поясов. Тихоокеанский пояс проходит по границе океан - суша. Его сейсмическая энергия приурочена к эпицентрам, идущим по контуру Тихого океана. Альпийский пояс проходит по Средиземноморью и далее по горным сооружениям Италии. Турции, Средней Азии, Памира, Западного Китая. Наиболее активны кора и верхняя мантия до глубин 100 км. Высокие широты северного и южного полушарий Земли малосейсмичны.
Подвижность магмы является основной причиной возникновения спрединга, субдукции и, в конечном счете, причиной возникновения больших горизонтальных напряжений и тектонических движений в земной коре. Литосферные плиты движутся от осей спрединга к зонам субдукции. Извержения вулканов, землетрясения, образование разрывов и складок - это проявления внутренней активности Земли. Часто эти явления становятся причиной аварий при бурении и эксплуатации нефтяных и газовых скважин.
Существует гипотеза, что Земля на протяжении своей истории наращивает свою массу за счет поступающих из космического пространства материальных частиц и энергии. Падающие на Землю первичные космические лучи состоят главным образом из 92% протонов (ядер водорода), 6,6% альфа-частиц (ядер гелия). 0,8% ядер углерода, азота, кислорода. Земля получает из космического пространства материи больше, чем теряет, поэтому ее масса и размеры постоянно увеличиваются. По расчетам рост радиуса Земли происходит со скоростью 2 см/год.
О внутреннем строении Земли мы знаем меньше, чем о внутреннем строении звезд. На основании анализа распространения в Земле упругих волн сделаны следующие заключения. Земная кора, находящаяся в кристаллическом состоянии, имеет мощность до 60 км на континентах и до 15 км в океанах.
Серьезным возмущающим фактором является притяжение Луны и Солнца. Расстояние между Землей и Луной изменяется от 360 тыс. км (перигей) до 406 тыс. км (апогей). Сила тяготения воздействует на океаны и на сушу, но горные породы более вязкие, поэтому эффект прилива в породах менее значительный.
Приливы вращаются вместе с Землей и не сохраняют свое положение "под Луной". Приливы медленно смещаются по поверхности Земли, следуя за Луной. В целом на каждый участок земной поверхности приходится по два прилива и два отлива в течение суток.
Солнце тоже создает приливы, но они гораздо слабее лунных приливов, потому что оно в 400 раз дальше от Земли. Когда Солнце, Земля и Луна находятся на одной прямой и "тянут" в одном направлении (во время новолуния и полнолуния), приливы достигают наивысшей силы. Это так называемые сизигийные приливы.
При вращении Земли более быстром, чем обращение Луны, угловое перемещение приливной деформации опережает угловое перемещение Луны по орбите. Вращение Земли смещает выпуклость прилива вперед, ускоряя орбитальное движение Луны. Поэтому гравитационное взаимодействие между Луной и приливной деформацией гидросферы и литосферы ускоряет орбитальное движение Луны и тормозит вращение Земли. Земля 2 млрд лет назад вращалась в два раза быстрее, а 500 млн лет назад продолжительность земных суток составляла 20 часов.
Когда светило окажется с противоположной стороны Земли относительно первоначальной точки, в ней снова начинается прилив. Такое явление обусловлено тем, что при движении по орбите Луна вызывает смещение центра масс системы Луна-Земля. Больше всего сместятся массы, для которых Луна в зените Z, меньше - центральные массы, и еще меньше - массы, для которых Луна в надире N (рис 1.7).
(рис 1.7)
Наибольший подъем земной поверхности под возмущающим действием Луны достигает 36,6 см, наибольшее опускание - 17,8 см. Максимальная амплитуда вызванных Луной колебаний земной поверхности составляет 53,4 см. Реальная деформация Земли приливной волной в области экватора имеет максимальную амплитуду 52 см, а на широте $$50^{\circ}$$ - 40 см. Таким образом. Земля непрерывно пульсирует. Эти перемещения очень медленные: 4 см/ч. Океанические приливы в некоторых областях Земли достигают нескольких метров.
Из-за эллиптической формы лунной орбиты приливообразующая сила Луны в перигее на 40% выше, чем в апогее. В начале января Земля достигает точки наибольшего приближения к Солнцу (перигелий). В периоды совпадения этих двух событий суммарная приливообразующая сила Солнца и Луны достигает максимума. Видимо, не случайно максимальная сейсмичность приходится на зимний период. Например, с 1946 по 1963 гг. на Кавказе произошло 867 землетрясений, из которых на весну пришлось 185, на лето 172, на осень 147, а на зиму 363 землетрясения.
Приливы непрерывно подкачивают упругую энергию в систему блоков, слагающих земную кору. Приливная энергия накапливается в земной коре в виде напряжений изгиба, кручения, сдвига и сжатия. Постепенно равновесие в ансамбле блоков становится неустойчивым. В какой-то момент происходит сейсмический срыв и переупаковка блоков - их переход в новое равновесное состояние. Солнечные и лунные приливы постоянно "массируют" земную кору и содержащиеся в недрах флюиды. Приливы "тренируют" нефть, не дают ей застаиваться, разрушают ее коагуляционную структуру слабыми импульсами.
Нефть имеет сложный химический состав и представляет собой смесь углеводородных и других соединений. Основные составляющие нефти - метановые, нафтеновые и ароматические углеводороды, содержащие от 5 до 17 атомов углерода. Главными элементами в составе нефти являются углерод (до 87%) и водород (до 14%). Среди других компонентов в составе нефти присутствуют сера (до 6%), азот (до 0,3%), кислород (до 3%). В малых количествах в нефти содержатся тяжелые металлы и другие элементы. В нефти могут быть растворены различные газы органического и неорганического происхождения.
Сами углеводороды бесцветны, а цвет нефти придают содержащиеся в ней смолы и асфальтены. Смолы обладают интенсивной окраской и сильной красящей способностью. Асфальтены - вещества с молекулярной массой 1600—6000, которые не плавятся при высокой температуре.
Физические свойства нефти зависят от преобладания в ней тех или иных классов углеводородов. В зависимости от преимущественного содержания углеводородов нефть может называться парафиновой, нафгтеновой или ароматической. Наблюдается зависимость - чем больше геологический возраст нефти, тем больше в ее составе парафина, и чем больше в нефти парафина, тем меньше в ее составе смол и асфальтенов.
Высокопарафинистая нефть характеризуется наименьшим содержанием серы, ванадия и никеля. Высокое содержание парафина в нефти осложняет и удорожает процессы ее добычи, транспортировки и переработки. При добыче и перекачке высокопарафинистой нефти парафин отлагается на стенках труб. В магистральных трубопроводах толщина отложений парафина достигает 30 мм.
Свойства нефти в пластовых условиях из-за высоких давлений, температур и содержания растворенного газа значительно отличаются от свойств дегазированной нефти. Физические свойства нефти в пластовых условиях необходимо знать при составлении схем разработки месторождения, выборе технологии извлечения нефти из пласта, а также оборудования для сбора нефти на промыслах.
При разработке месторождений из скважины поступает многофазная смесь, содержащая нефть, газ, воду и механические примеси. Соотношение названных фаз в составе нефти меняется в процессе разработки месторождений: на начальном этапе разработки содержание воды может быть низким, а в конце разработки обводненность нефти может быть очень большой и достигать 80%. Пластовая вода и механические примеси в нефти являются балластом при ее транспортировке по магистральным трубопроводам, поэтому содержание воды в нефти ограничивается значениями О,5-1,0%. При подъеме нефти по скважине образуются прямые и обратные эмульсии. При этом эмульсию типа "вода в нефти" нельзя разделить на составляющие простым отстаиванием.
В пластовых водах растворены различные соли, которые вместе с водой попадают в нефть. Для снижения коррозии внутренней поверхности трубопроводов и оборудования на промыслах производят обессоливание нефти. Кроме того, промысловая подготовка нефти включает в себя операции по отделению газа, обезвоживанию и деэмульсации, очистке от примесей и стабилизации. В зависимости от степени подготовки (содержание воды и хлористых солей) установлено три группы нефти, поставляемых на НПЗ по МТ.
По содержанию серы нефти бывают малосернистые (менее 0,2%), сернистые (0,2-3,0%) и высокосернистые (более 3,0%). Сера в нефти содержится в виде сероводорода, меркаптанов и сульфидов. Содержание серы в нефти ухудшает ее качество, вызывая серьезные осложнения в технологии переработки, подготовки и транспорта нефти.
В зависимости от плотности при $$20^{\circ}\text{С}$$ различают нефтилегкие (менее $$850 \text{кг/м}^3$$), средние ($$850-885 \text{кг/м}^3$$) и тяжелые. Наиболее ценными являются легкие нефти. в которых преобладают бензиновые и масляные фракции.
Фракционный состав нефти определяют в лабораторных условиях путем разгонки. Разгонка основана на том. что каждый углеводород имеет собственную температуру кипения. Легкие углеводороды кипят при относительно низких температурах, а тяжелые - при высоких температурах - выше $$300^{\circ}°\text{C}$$.
Легкие фракции с одинаковыми интервалами кипения имеют примерно одинаковую молекулярную массу. По мере возрастания температуры кипения молекулярная масса нефтяных фракций увеличивается (табл. 1.2).
| Температура кипения, $$^{\circ}\text{C}$$ | 50-100 | 101-150 | 151-200 | 201-250 | 251-300 | 301-350 |
| Молекулярная масса | 90 | 110 | 130 | 155 | 187 | 220 |
При поставке нефти на экспорт ее цена зависит от свойств, которые определяют возможность получения широкого ассортимента продуктов, а также от содержания серы и парафинов. По физико-механическим свойствам нефть, поставляемая на экспорт, подразделяется на четыре типа. Нефть типов 1 и 2 должна сдаваться с массовой долей воды не более 1,0% и концентрацией хлористых солей не более 100 мг/л. Массовая доля парафина должна быть не более 6%, объемный выход фракций при температуре $$300^{\circ}\text{C}$$ - не менее 43%. Нефть может являться сырьем для получения тяжелых металлов, например, ванадия. Если нефть по ряду показателей соответствует более высокому типу, а хотя бы по одному—более низкому, то нефть следует отнести к более низкому типу.
Свойства нефти определяет количественное соотношение между парафиновыми, нафтеновыми, ароматическими углеводородами и другими компонентами. Эти свойства необходимо учитывать на всех этапах обращения с нефтью: при товарно-учетных операциях: при перекачке; при переработке и использовании в качестве топлива.
Параметры режимов транспортировки нефти по трубопроводам определяются, главным образом, плотностью, вязкостью и их зависимостью от температуры и давления. Зависимость плотности нефти $$\rho(\text{кг/м}^3)$$ от температуры $$Т(^{\circ}\text{C})$$ определяется следующим выражением:
$$ \rho=\rho_{20}[1+\xi(20-T)], $$где $$\rho_{20}$$ - плотность нефти при $$20^{\circ}\text{С}$$; $$\xi$$ - коэффициент объемного температурного расширения ($$0,000937\text{ град}^{-1}$$ - для легких сортов нефти, $$0,000490\text{ град}^{-1}$$ - для тяжелых сортов нефти).
Зависимость плотности нефти от давления $$\rho$$ определяется зависимостью
$$ \rho=\rho_0[1+\beta(\rho-\rho_0)], $$где $$\rho_0$$ - плотность нефти в стандартных условиях: $$\beta(\text{Па}^{-1})$$ - коэффициент сжимаемости нефти, среднее значение которого $$0,00078\text{МПа}^{-1}$$. Величина, обратная коэффициенту сжимаемости, называется модулем упругости. Среднее значение модуля упругости для нефти $$1,3\cdot 10^3\text{ МПа}$$.
Вязкость нефти зависит от содержания в ней асфальто-смолистых веществ, парафина и может в сотни раз превышать вязкость воды. Величина вязкости предопределяет способ транспортировки нефти по трубам.
Свойство теплоемкости особенно важно для нефти, которая транспортируется по трубам с предварительным подогревом. Теплоемкость увеличивается с повышением температуры и уменьшением плотности. Подогрев нефти снижает ее вязкость и делает пригодной для перекачки. Для большинства разновидностей нефти теплоемкость находится в пределах $$1500-2500 \text{Дж/кг}\cdot\text{град}(350-600\text{кал/кг}\cdot \text{град})$$.
Свойство теплопроводности определяет перенос тепловой энергии в объеме неподвижной нефти в соответствии с законом теплопроводности Фурье. Коэффициент теплопроводности для различных разновидностей нефти находится в интервале $$0,1-0,2 \text{Вт/м}\cdot K$$.
На температуру застывания нефти $$Т_З$$ сильное влияние оказывают парафины и асфальто-смолистые вещества. Это такая температура, при которой охлаждаемая нефть не изменяет уровня при наклоне пробирки на $$45^{\circ}$$ в течение 1 мин. При этой температуре нефть теряет подвижность. Переход нефти из жидкого состояния в твердое происходит постепенно в некотором интервале температур. С позиций физико-химической механики нефтяных дисперсных систем температура застывания нефти определяется как переход из свободно дисперсного золя в связанно-дисперсное состояние (гель).
Чем ближе температура нефти к $$Т_З$$. тем больше энергии требуется на ее перекачку. Для снижения температуры застывания применяют депрессорные присадки. При охлаждении нефти в процессе перекачки по МН возможно образование пространственной структуры или выпадение в осадок парафинов. Эти явления создают трудности при эксплуатации МТи их оборудования. Скрытая теплота плавления парафинов, примерно, равна $$230 \text{Дж/кг}\cdot\text{град}$$. Температура застывания легких разновидностей нефти составляет около $$25^{\circ}\text{С}$$, парафинистые мангышлакские нефти могут застывать при $$+30^{\circ}°\text{C}$$. Такие нефти можно перекачивать только специальными методами.
Давление насыщенных паров (ДНП) является важным показателем испаряемости нефти и безопасности ее транспортировки и хранения. ДНП - это давление паров нефти над ее поверхностью в замкнутом объеме в условиях термодинамического равновесия. Испарение углеводородных жидкостей происходит при любых температурах до наступления динамического равновесия, пока газовое пространство не будет полностью насыщено их парами. В этом состоянии число испаряющихся и конденсирующихся молекул выравнивается. Величина ДНП зависит от температуры нефти и оказывает влияние на образование паровых пробок в трубопроводах, на величину потерь от испарения при закачке и хранении несрти в резервуарах.
Абсолютное давление паров в газовой полости трубопровода или резервуара складывается из суммы парциальных давлений углеводородов, входящих в состав нефти. Давление $$P_s$$ паров индивидуальных углеводородов (табл. 1.3) и нефтяных фракций можно определять, пользуясь различными таблицами.
| $$^{\circ}\text{C}$$ | $$\text{C}_2\text{H}_5$$ | $$\text{C}_3\text{H}_8$$ | $$\text{C}_4\text{H}_10$$ | $$\text{C}_6\text{H}_14$$ |
| -10 | 1,786 | 0,332 | 0,087 | - |
| 0 | 2,308 | 0,448 | 0,100 | 0,003 |
| +10 | 2,922 | 0,617 | 0,143 | 0,010 |
| +20 | 3,672 | 0,817 | 0,197 | 0,016 |
Ввиду сложного состава нефти ДНП определяют экспериментально в стандартных условиях: в стальном цилиндре при соотношении жидкой и паровой фаз 1:4 и строго определенной температуре $$37,8^{\circ}\text{C}$$ ($$100^{\circ}\text{F}$$), что позволяет сравнивать различные нефти по этому показателю. Например, нефть Ромашкинского месторождения (Россия) имеет ДНП 436 кПа (при содержании парафина 5,1%; $$Т_з=-42^{\circ}\text{С}$$), а ДНП нефти Усинского месторождения - 362 кПа (при содержании парафина 10,8%; $$Т_з=+3^{\circ}\text{С}$$).
В трубопроводном транспорте стабильность нефти ограничивается условиями поставки, согласно которым ДНП не должно превышать 66650 Па.
Средние давления насыщенных паров различных нефтепродуктов имеют следующие значения (Па): бензин $$9,3\cdot 10^4$$, керосин $$0,6\cdot 10^4$$, дизельное топливо $$0,1\cdot 10^4$$.
Кипение нефти - это процесс образования и роста пузырьков пара внутри объема нефти с последующим прорывом пузырьков газообразных фракций углеводородов сквозь свободную поверхность в окружающую среду. При кипении испарение происходит не только со свободной поверхности, но и внутрь пузырьков содержащихся в нефти газов.
Кипение обеспечивается не только за счет подвода тепла к нефти, но и за счет снижения внешнего давления ниже значений ДНП. В этом случае пузырьки увеличиваются в объеме, всплывают и прорываются в окружающую среду.
Количество тепла, расходуемое на превращение в пар одного килограмма жидкости при температуре ее кипения, называют теплотой испарения. Средние значения теплоты испарения (кДж/кг): бензина - 300; керосина - 240; дизельного топлива - 210; масел - 190.
При хранении нефти в открытых земляных амбарах происходит испарение ее легких фракций. Например, динамика испарения мангышлакской нефти, хранящейся в земляном амбаре, следующая (кг/т): в течение первого месяца - 95; в течение второго месяца - 15; в течение третьего месяца - 10 кг/т естественной убыли.
При трубопроводном транспорте нефти и нефтепродуктов особый интерес представляет частный случай кипения движущейся жидкости, возникающий вследствие местных понижений давления. Это явление называется кавитацией. Кавитация может проявляться как в виде появления отдельных пузырьков, так и в виде заполненных нарами жидкости полостей (каверн), присоединенных к поверхности обтекаемых тел. Подобные каверны неустойчивы. Попадание такой каверны в область высокого давления заканчивается ее схлопыванием. похожим на гидравлический удар. В этот момент происходит мгновенное местное повышение давления, в результате чего поверхности твердых тел подвергаются многократным микроударам. Со временем происходит кавитационное разрушение (эрозия) материалов. Такого рода разрушения встречаются на поверхностях роторов насосов, арматуры, лопастей судовых винтов.
Для получения официальных документов о завершении программы дополнительного профессионального образования (удостоверения о повышении квалификации, дипломов о профессиональной переподготовке и MBA) необходимо предоставить:
Внимание! Вы можете не заказывать доставку бумажной версии официального документы, а скачать его в электронном виде и распечатать самостоятельно. Информация о выданном документе в течение 1 месяца загружается в Федеральную информационную систему «Федеральный реестр сведений о документах об образовании и (или) о квалификации, документах об обучении» - ФИС ФРДО.
Доступ на новый сайт осуществляется с использованием адреса электронной почты, который был указан вами при регистрации на "старом". Мы постарались перенести все ваши данные с прежнего ресурса, однако не исключена вероятность потери части информации.
При возникновении проблемы со входом, воспользуйтесь функцией сброса пароля
Если вы обнаружите несоответствия, пожалуйста, сообщите нам.