2.4. Литосфера

 " ... Родная земля - самое великолепное,
 что нам дано для жизни. Её мы должны
 возделывать, беречь и охранять всеми
 силами своего существа."

К. Паустовский

Земля - основной источник по лучения продуктов питания, без которого невозможно нормальное развитие экономики, земля - продукт самой природы, ее поверхность ограничена, она не заменима другими средствами производства. Все, что растет и живет на земле, обязано ее животворной силе, которая заключена в сером, темно-сером пли коричневом слое, находящемся над бесплодным грунтом и называемым почвой.

Литосфера

Этот слой регулирует баланс пресных вод, аккумулирует энергию, используется для возведения искусственных сооружений. Сейчас считается достоверно установленным тот факт, что человечество за свою историю безвозвратно потеряло столько же плодородных земель, сколько их теперь распахивается (более 1,5 млрд. га в мире, из них: свыше 2 млн. га нарушенных земель в СССР), превратив когда-то продуктивные пахотные земли в пустыни, пустоши, болота, кустарниковые заросли, овраги. Главным бичом почвенного покрова является эрозия почв.

Интенсивность эрозии - средняя потеря литосферой почвы под действием эрозии. Определяется количеством смытого слоя почвы в год

где Н_э - количество (мощность) смытого слоя, мм;

К_э - число лет (период) действия эрозии.

Девять десятых всех потерь пахотных земель, включая падение их плодородия, образование оврагов, пустыни, связано с ветровой и водной эрозией. Вторым по значению деградационным процессом является сложный комплекс различных неблагоприятных вторичных последствий орошаемого земледелия, среди которых выделяется вторичное засолонение, осолонцевание, заболачивание почв. Увеличение в пахотном слое орошаемой почвы содержания солей до 1% снижает урожай на одну треть, а при 2 ... 3% солей урожай погибает полностью. Особенное беспокойство вызывает начавшее прогрессирующее техногенное загрязнение почв, их отравление. Как правило, это результат неразборчивого, неграмотного применения промышленных химикатов - гербицидов, инсектицидов, избыточного внесения удобрений. Наблюдается местами загрязнение почв радиоактивными элементами, тяжелыми металлами, серной кислотой, другими отходами промышленных и горнодобывающих предприятий. Деградация и потери почвенного покрова связаны также с опустыниванием. Когда-то, во времена Карфагена, Северная Африка была житницей древней Римской империи, следы чего видны и по сей день среди безжизненного моря песка и камня, где сейчас не вырастишь и зернышка.

В нашей стране от водной эрозии страдают почвы Центрально-Черноземной зоны, Украины, Молдавии, Ростовской и Саратовской областей, Северного Кавказа и Среднего Поволжья. Ветровая эрозия поразила Казахстан, юг Украины, Нижнее Поволжье, равнинные области Северного Кавказа, Среднюю Азию, Бурятию, Башкирию, Хакассию.

Народная мудрость гласит: "Добра мать до своих детей, а земля - до всех людей". Вспомним слова К. Маркса: "Даже целое общество, нация и даже все одновременно существующие общества, взятые вместе, не есть собственники земли. Они лишь ее владельцы, пользующиеся ею, и как boni patres familias (добрые отцы семейства) они должны оставить ее улучшенной последующим поколениям" (Маркс К., Энгельс Ф. Соч. - 2-е изд. - Т. 25. - С. 263).

О литосфере можно условно говорить как о месте размещения населения планеты и производства и как о предмете труда, главном средстве производства в сельском, лесном и горнодобывающем хозяйствах. В конечном счете к земельным ресурсам можно отнести всю сухопутную поверхность земного шара - 13 393 млн га (26,2% от общей поверхности Земли), из которых около 43% представляют собой пустыни и полупустыни.

Итак, основные проблемы литосферы заключаются в следующем:

- восстановление (рекультивация) и повышение плодородия почв и их мелиорация; в настоящее время на одного жителя Земли приходится по 0,4 га обрабатываемых земель и по 0,82 га естественных кормовых угодий. При всем этом реальный уровень сельскохозяйственного производства сегодня не обеспечивает население Земли достаточным количеством продуктов питания. И сотни миллионов людей в ряде стран мира страдают от голода и недоедания;

- почвозащитные севообороты и правильная обработка почвы;

- борьба с пустынями, эрозией почв, их засолением и др.; земная суша деградирует сегодня со скоростью 44 га в минуту;

- рациональное размещение промышленности;

- снегозадержание, защитные насаждения, террасирование склонов (рис. 2.5);

Рис. 2.5. Сооружения, предназначенные для снегозадержания и повышения плодородия почв

- рекультивация земель, нарушаемых горными работами;

- освоение донной поверхности. Подводная донная поверхность еще мало используется человеком, но уже активно начинает эксплуатироваться шельфовая зона, разрабатываются проекты глубинных донных исследований;

- освоение балок и оврагов. В Европейской части СССР на овраги приходится почти 15 млн. га.

Электромагнитные и акустические свойства

В качестве параметров объекта исследования для разработчика могут служить электропроводность и акустические свойства составляющих литосферы.

Наиболее характерными являются характеристики горных пород, включающих в себя большое разнообразие элементов.

Электромагнитные и акустические свойства

Электропроводность горных пород имеет самые различные значения. Максимальные значения для естественных минеральных образований имеют многие сульфидные руды, зоны графитизации пород, самородные металлы, а минимальные - главные породообразующие минералы (кварц, слюда, полевой шпат). Интегральная удельная электрическая Проводимость горных пород зависит от структуры, пористости жидких и газообразных заполнений пород. Максимальная величина электропроводности руд превышает 10 См/м, хотя известняки, сланцы имеют значение σ=10² ... 10^-4 См/м.

Значение диэлектрической проницаемости горных пород в отсутствии влаги составляет от 4 до 15; для сильно водонасыщенных пористых пород - около 50; для нефти - примерно 2, а для газа - около 1. Мерзлые породы имеют диэлектрическую проницаемость несколько ниже, т. к. у льда эта проницаемость составляет приближенно 2.

Для всех горных пород (диамагнетиков - медь, серебро, золото, ртуть, свинец и др.; парамагнетиков - хром, молибден, вольфрам, марганец, уран, платина и др.) кроме ферромагнитных, магнитная проницаемость равна единице. Ферромагнитные вещества (их свойства проявляются до температуры точки Кюри, выше которой они превращаются в парамагнетики; для основных минералов точка Кюри находится выше 300°С), к которым принадлежат железо, никель, кобальт и др., а также антиферромагнетики (магнетит, маггемит, пирротин, гематит, титаномагнит) обладают магнитной проницаемостью, существенно отличающейся от единицы.

Таким образом, магнитные свойства горных пород заключены в самых различных и порой перекрывающихся диапазонах. Намагниченность ряда пород зависит от возраста.

Сейсмические данные указывают, что упругие зондирующие волны (поперечные) не распространяются на глубину более 2900 км, а скорость продольных акустических колебаний на этой глубине меняется скачком от 13,6 до 8 км/с. Скорость распространения упругих волн в грунтовых породах значительно больше, чем в воде. Так, в плотных глинах она может составить 3 000 м/с, в гранитных породах 5 000 ... 6 000, в вулканических 4 300 ... 7 000 м/с.

С увеличением частоты электромагнитных колебаний от 100 Гц до 10 МГц наблюдается некоторое уменьшение диэлектрической проницаемости, причем для увлажненных пород оно больше, чем для сухих. Рост частоты в интервале 0,5 ... 150 МГц вызывает увеличение электропроводности пород (приближенно 0,5 порядка на один порядок частоты).

До глубин 1 км электропроводность и диэлектрическая проницаемость пород в пределах первых десятков градусов положительных температур и нормальном давлении изменяются несущественно.

Для почвенных покровов относительная магнитная проницаемость принимается практически равной единице. Электропроводность и диэлектрическая проницаемость зависят от типа почвы, в частности от ее химического состава, влажности и структуры. При увеличении влажности растет как σ, так и ε. На глубине более 1 м влажность остается приблизительно постоянной в течение всего года. Однако различная структура почв (дренирующие и др. свойства) может существенно изменять как этот глубинный предел, так и закономерности глубинного изменения влажности. Проводимость почв зависит от температуры в более сильной степени, чем диэлектрическая проницаемость. При температуре, соответствующей точке замерзания, изменения обеих величин становятся значительными. Так как температура почвы быстро уменьшается с глубиной, то температурное влияние сказывается сильнее для повышенных частот зондирующих электромагнитных полей, когда глубина проникновения энергии полей невелика. Частотные изменения величин σ и ε происходят в основном за счет влияния влажности почв. Изменение электропроводности с частотой максимально, если влажность принимает экстремально низкое значение. Частотные изменения диэлектрической проницаемости происходят в основном из-за эффектов поляризации и релаксации в химической структуре почв.

Коэффициенты отражения ультразвуковых зондирующих колебаний от границы раздела воздух-почва практически равны единице.

Модули коэффициентов отражения (Ф) электромагнитных волн от различных вертикально однородных почв (при вертикальном зондировании земной поверхности) представлены в табл. 2.19.

Расчеты глубин проникновения электромагнитных волн в почву для усредненных данных в и а показывают, что при λ₀=30 м L_е≈50 (песчаная почва) и 1 м (влажная почва), при λ₀=0,3 м эти глубины примерно на порядок меньше (5 и 0,1 м).

Исследование М. А. Кропоткиным ряда почв (чернозем, подзолистые, торфяные, тундровые, горнолуговые, лесные, песчаные и др.), представляющих собой массу порошкообразных частиц диаметром от 0,1 до 2,0 мм (слой почвы высотой 2,5 мм находился в кювете), привело в ИК-диапазоне зондирующих электромагнитных волн (0,7 ... 15 мкм) к следующим выводам.

Спектр всех названных почв имеет одинаковый характер, объясняемый общностью их химической структуры. Модуль коэффициента отражения растет при уменьшении размеров составляющих почву частиц, особенно в КВ-диапазоне названного спектра зондирующих волн. Коэффициенты отражения как песка, так и почв имеют плавный экстремум максимума при λ₀≈2 мкм, при дальнейшем увеличении длины волны происходит уменьшение спектрального отражения. При λ₀=2,8 ... 3,4 и 6 ... 7 мкм наблюдается селективное поглощение молекулами воды (особенно сильное поглощение отмечается при λ₀=2,8 мкм, соответствующее валентным колебаниям группы О-Н в молекулах воды), при λ₀≈4 и 5 мкм поглощение обусловлено пигментом растительности - хлорофиллом. Данные сведения необходимо учитывать при разработке средств контроля и моделирования.

Основоположником астроботаники Г. А. Тиховым обнаружено, что в ИК-диапазоне поглощение растениями зимой (листья деревьев, хвоя, пшеница) больше, чем отражение, а летом - наоборот.

Анализируя теоретические и практические исследования сотрудников лаборатории дистанционных методов изучения природных ресурсов Среднеазиатского НИИ и лаборатории спутниковых методов исследования Всесоюзного НИИ сельскохозяйственной метеорологии, можно выявить ряд закономерностей биолитосферных образований почв в оптическом диапазоне зондирующих электромагнитных полей.

Лабораторное изучение песчаных почв (Каракумских), типичного серозема (Ташкентская область), обыкновенного чернозема (Днепропетровская область) при их воздушно-сухой фракции толщиной 5 см (размеры частиц примерно 1 мкм) дало возможность выявить их заметно отличные друг от друга отражательные свойства в видимом диапазоне волн.

Наибольшее изменение коэффициента Ф происходит после вспашки (значение Ф уменьшается почти в 2 раза). Боронование вспаханной почвы повышает коэффициент отражения па 10 ... 20% (т. к. поверхность почвы сглаживается). Увлажнение почв приводит к снижению их отражательных свойств (однако после некоторой максимальной влажности отражательная способность не изменяется).

Оптические свойства листьев растений определяются их пигментами, толщиной, плотностью, строением листа, запыленностью, питанием и др. Поглощение лучистой энергии при λ₀=350 ... 750 нм определяется главным образом пигментами: при этом на длинах волн 350 ... 550 нм оказывает влияние хлорофилл (преимущественно) и каратиноиды, а при λ₀>550 им практически все поглощение зависит от хлорофилла.

При длинах 750 ... 1200 нм поглощение мало, а эффект отражения велик. Пигменты в данном оптическом диапазоне нейтральные, основную роль играет ткань листа. Поглощение водой в листьях становится заметным для λ₀>1200 нм. При λ₀>3000 нм лист поглощает 90 ... 98% падающей лучистой энергии.

В посевах при нормальном увлажнении почв водосодер-жание листьев вегетирующих растений обычно не опускается ниже 77 ... 80% и оптические свойства почти не изменяются. При засухе (водосодержание листа 65 ... 70%) коэффициент отражения может измениться на 10 ... 20%, но эти изменения восстанавливаются после увлажнения. Вымокание листа также меняет картину отражения - поглощения (10 ... 40%) в области длин волн 400 ... 680 нм.

Оптические контрасты (коэффициенты отражения) между листьями, стеблями и плодами могут изменяться от 0,1 ... 0,2 (зерновые культуры) до 0,90 ... 0,95 (хлопок) за весь период своего развития. Высокие контрасты системы почва-растительность наблюдаются в диапазонах: 400 ... 500, 600 ... 680 и 760 ... 1100 нм.

Радиоактивность черноземных и каштановых почв выше, чем лесных и подзолистых. Концентрация радиоактивных элементов возрастает по мере увеличения доли глинистой фракции. Среднее содержание естественных радиоактивных элементов в почвах различных генетических типов приведено в табл. 2.20.

В лесных деревьях наиболее распространен изотоп калия К⁴⁰. Радиоактивность травянистых растений на порядок выше, чем древесных пород, что видно на табл. 2.21.