Особенности геоэкологического мониторинга морских акваторий
Во второй половине XX в., наряду с бурным экономическим развитием, перед человечеством во всей остроте встал вопрос об ограниченности запасов сырья и энергии на суше. К этому времени поверхность материков оказалась существенным образом измененной в процессе производственной деятельности человека. Особенно это касается мест, благоприятных для проживания людей. В связи с естественным переходом от собирательства диких плодов и охоты к производящему хозяйствованию были уничтожены естественные леса и луга, появились огромные города – мегаполисы с их развитой промышленностью и транспортом. Неограниченное потребление природных ресурсов и свободное удаление отходов в окружающую среду привело к угрозе остановки дальнейшего развития общества и даже к прекращению существования человечества. Из основных проблем следует назвать: демографический взрыв, истощение запасов полезных ископаемых, энергетический кризис, загрязнение окружающей среды, нарушение природных биологических циклов. Компьютерный анализ, проведенный рядом британских ученых (Meadows, 1972), привел к неутешительным выводам: при сохранении существующих тенденций развития человечество ожидает жестокий кризис в начале XXI в. По инерции население и загрязнение окружающей среды будут еще некоторое время увеличиваться, однако, в конце концов наступит быстрое сокращение численности населения. При нулевом приросте населения, согласно этой модели, возможно устойчивое развитие человечества. Однако, поскольку основной прирост населения Земли происходит за счет развивающихся стран, часто с неустойчивыми политическими режимами и суровыми религиозными понятиями, искусственное ограничение населения проблематично.
Во второй половине XX в. появились идеи обеспечить дальнейшее развитие человечества путем интенсивного освоения Мирового океана. В настоящее время водные просторы океанов и морей используются в основном для транспортных целей (75 % мирового грузооборота), добычи нефти и газа на шельфе (около 30 % мировой добычи) и вылова морепродуктов (25 % белков животного происхождения). Кроме того, океан обеспечивает около 90 % добычи брома, 60 % магния, 30 % поваренной соли.
Однако, несмотря на то, что почти половина населения Земли живет вблизи берегов океанов и морей, глубины акваторий освоены сравнительно мало. Это связано, прежде всего, с тем, что водная среда гораздо меньше приспособлена для обитания людей, чем поверхность суши, даже в условиях наиболее сурового климата. Поэтому для ее освоения требуются значительно большие экономические затраты, сравнимые с затратами на освоение космоса. По этой причине акватории в среднем значительно меньше изменились вследствие производственной деятельности людей по сравнению с сушей. Тем не менее, Мировой океан испытывает в настоящее время сильное антропогенное воздействие. Исчезают некоторые виды представителей морской флоры и фауны, загрязняются устья рек, водная поверхность местами покрывается масляными пленками и т.д. В океан сбрасывается ежегодно через атмосферные осадки и речные стоки более 30 тыс. различных химических соединений общей массой до 1,2 млрд. т. Самыми опасными загрязнителями, поражающими экосистему океана из-за отравляющего, мутагенного или канцерогенного действия на морские организмы, являются углеводороды, токсичные металлы и радиоактивные вещества (Петров, 1998).
Несмотря на существенные экономические затраты, освоение океанов и морей продолжается ускоренными темпами. Разработан целый ряд проектов по использованию энергетических ресурсов океана, заключенных в приливах, волнах, морских течениях и температурном градиенте. На дне разведано большое количество залежей железомарганцевых конкреций, содержащих свыше 30 элементов таблицы Менделеева. Разрабатываются проекты интенсивного производства морепродуктов. Однако наиболее интенсивно в настоящее время развивается добыча нефти и газа на океаническом шельфе и континентальном склоне. Прогнозируется, что в ближайшие 10 лет добыча углеводородов в море превысит их добычу на суше. В связи с изложенным велика опасность разрушения установившейся в течение многих тысяч и миллионов лет экологической среды в Мировом океане. Перед человечеством стоит нелегкая задача интенсивного освоения мировых ресурсов океана при сохранении его основных функций.
Как было установлено в последнее время рядом исследований, океан играет решающую роль в жизни человечества, хотя эта роль не всегда очевидна. Была известна климатообразующая и погодообразующая роль океана: теплые и холодные течения, циклоны и антициклоны, порождаемые океанами, определяют условия жизни на континентах. Благодаря огромной поверхности океаны тесно взаимодействуют с атмосферой, насыщая ее влагой и обеспечивая необходимый перепад температур и давлений для транспортировки этой влаги на материки.
Кроме того, океаны регулируют газовый состав атмосферы: огромное количество углекислого газа растворяется в воде и усваивается микроорганизмами. Тем самым уменьшается "парниковый эффект" в атмосфере и ограничивается таяние арктических и антарктических льдов. В противном случае это привело бы к глобальному повышению уровня океана, и было бы гибельно для большинства прибрежных зон обитания биологических сообществ и человека.
Океаны обеспечивают сравнительно быстрый круговорот воды в природе. В среднем за 12 дней вода от истоков ручьев и рек достигает океана. При этом с поверхности материков смывается огромное количество всевозможных отходов жизнедеятельности человека, что способствует восстановлению среды его обитания.
Несмотря на огромные размеры Мирового океана, антропогенное воздействие на его биоту весьма ощутимо. Это обусловлено рядом причин.
• Распределение жизни в океане весьма неравномерно. Живые организмы концентрируются возле поверхности океана, где много солнечного света, тепла и обилие кислорода. Жизнь развивается также вблизи дна, куда собираются органические вещества, опускающиеся из верхних слоев. Эти пограничные районы океан–атмосфера и океан–литосфера были названы В.И. Вернадским "пленками жизни". Загрязнение этих сравнительно небольших объемов воды может иметь катастрофические последствия.
• Сравнительно недавно установлено, что в океане существуют глобальные циркуляционные процессы, благодаря которым океан представляет собой единое целое. Такой процесс обмена вод происходит довольно медленно, однако он охватывает все глубины и районы океана. Поэтому в океанах и морях нет мест, где можно было бы безболезненно хранить вредные отходы производства, в том числе радиоактивные и отравляющие вещества.
• Дно океана подвержено активным геодинамическим процессам. Более 80 % всех землетрясений происходит под дном морей и океанов. По разным оценкам общее число морских землетрясений с магнитудой больше 3 превышает 100 тыс. в год. Землетрясения концентрируются в основном вдоль срединно-океанических| хребтов и в прибрежных районах вблизи островных дуг и сейсмически активных материковых окраин. Многочисленные тектонические разломы в океанической коре служат источником горячих минерализованных вод. Вокруг гидротерм развиваются специфические формы жизни и образуются минеральные осадки. Вместе с тем постоянные "встряхивания" дна приводят к ускоренному продвижению осадков от прибрежных районов вдоль континентального склона в область абиссальных равнин. Эти осадки в значительной степени насыщены производственными отходами, образующимися в прибрежных районах и выносимыми реками (Лисицин, 1988, Гаврилов, 2000).
• В водах океана имеются многочисленные биохимические связи между различными организмами. Бактерии и беспозвоночные животные выделяют органические вещества, которые являются пищей и биостимуляторами для других организмов. Физиологические системы многих морских организмов являются открытыми, а все сообщество объединяется биохимическими связями. Нарушение любого звена сообщества может привести к общей катастрофе (Петров, 1998).
• Многие морские организмы биофильны к загрязняющим веществам, т.е. они их накапливают в своих тканях в больших концентрациях. Следует отметить, что эта тенденция сохраняется по мере продвижения по пищевой цепочке, и максимальная концентрация наблюдается у высших позвоночных (хищных рыб и морских млекопитающих).
Непрерывный рост мировых потребностей в углеводородном сырье определяет необходимость поиска новых областей, перспективных для нефтегазодобычи. В настоящее время наблюдается перенос разведочных работ, проводимых ведущими нефтяными компаниями, с морского шельфа на большие глубины – в пределы континентального склона. Крупные глубоководные нефтегазовые добывающие комплексы расположены на континентальных окраинах в разных частях Мирового океана. Ведется широкомасштабное разведочное бурение в новых акваториях. Можно предположить, что в ближайшие годы мировая нефтегазовая индустрия, активно развивающаяся в пределах шельфов и континентальных склонов, станет одним из главных факторов антропогенного воздействия на экосистему Мирового океана. Для объективной оценки воздействия морского нефтегазового комплекса на окружающую среду и обеспечения его устойчивого развития необходима разработка комплексной системы мониторинга природной среды в процессе освоения углеводородного сырья.
Необходимо отметить, что разработка нефтегазовых месторождений на континентальных склонах по сравнению с шельфом сопряжена с существенно большими технологическими трудностями и природными рисками. Это связано со значительно большими глубинами, удаленностью от берегов, широким развитием оползневых процессов на крутых склонах, интенсивными течениями, штормами и ветрами, повышенной сейсмичностью.
Прибрежные зоны океанов и морей являются районами высокой биологической продуктивности, в которых сосредоточена значительная часть биоресурсов океана. Воды континентальных склонов являются наиболее динамичными зонами. Интенсивные течения, действующие вдоль большинства континентальных склонов, как показали спутниковые исследования последних лет, имеют сложную вихревую структуру, обеспечивающую значительный поперечный обмен водными массами между прибрежными зонами и открытым океаном.
Разработка углеводородных ресурсов в зонах континентальных склонов морей и океанов неизбежно приводит к существенному воздействию на пелагические и донные экосистемы. Оценка масштабов и обратимости этих изменений представляет собой глобальную задачу экологии и экономики океана. Возведение и эксплуатация нефтяных платформ на шельфе и континентальном склоне морей и океанов представляет собой серьезную экологическую опасность. Локальные выбросы или утечки нефти, произошедшие в таких динамически активных зонах, как воды континентального склона, могут в равной степени влиять на мелководную часть шельфов и на удаленные районы открытого моря Напротив, районы экологически безопасной добычи углеводородного сырья могут быть загрязнены нефтепродуктами, привнесенными из соседних регионов, удаленных на десятки, а иногда сотни миль. Поэтому оценка воздействия промышленной разработки углеводородного сырья и других ресурсов на шельфах и континентальных склонах морей и океанов должна основываться на комбинированном, комплексном подходе, включающем систему дистанционного, в том числе спутникового мониторинга и сеть локальных контактных измерений. При этом данные дистанционного зондирования, обработанные с применением современных информационных технологий, обеспечивают анализ изменения экологической ситуации и контроль за утечками нефтепродуктов в зоне непосредственной добычи и на обширных прилежащих акваториях.
Комплекс контактных измерений ряда ключевых геофизических, химических и биологических параметров, выбранных в качестве индикаторов состояния морской среды, обеспечивает подробный анализ экологической ситуации непосредственно в местах наиболее активной промышленной деятельности. Выбор минимального набора ключевых параметров должен проводиться на основе анализа всего комплекса знаний о функционировании морских и океанических экосистем.
Во второй половине XX в. появились идеи обеспечить дальнейшее развитие человечества путем интенсивного освоения Мирового океана. В настоящее время водные просторы океанов и морей используются в основном для транспортных целей (75 % мирового грузооборота), добычи нефти и газа на шельфе (около 30 % мировой добычи) и вылова морепродуктов (25 % белков животного происхождения). Кроме того, океан обеспечивает около 90 % добычи брома, 60 % магния, 30 % поваренной соли.
Однако, несмотря на то, что почти половина населения Земли живет вблизи берегов океанов и морей, глубины акваторий освоены сравнительно мало. Это связано, прежде всего, с тем, что водная среда гораздо меньше приспособлена для обитания людей, чем поверхность суши, даже в условиях наиболее сурового климата. Поэтому для ее освоения требуются значительно большие экономические затраты, сравнимые с затратами на освоение космоса. По этой причине акватории в среднем значительно меньше изменились вследствие производственной деятельности людей по сравнению с сушей. Тем не менее, Мировой океан испытывает в настоящее время сильное антропогенное воздействие. Исчезают некоторые виды представителей морской флоры и фауны, загрязняются устья рек, водная поверхность местами покрывается масляными пленками и т.д. В океан сбрасывается ежегодно через атмосферные осадки и речные стоки более 30 тыс. различных химических соединений общей массой до 1,2 млрд. т. Самыми опасными загрязнителями, поражающими экосистему океана из-за отравляющего, мутагенного или канцерогенного действия на морские организмы, являются углеводороды, токсичные металлы и радиоактивные вещества (Петров, 1998).
Несмотря на существенные экономические затраты, освоение океанов и морей продолжается ускоренными темпами. Разработан целый ряд проектов по использованию энергетических ресурсов океана, заключенных в приливах, волнах, морских течениях и температурном градиенте. На дне разведано большое количество залежей железомарганцевых конкреций, содержащих свыше 30 элементов таблицы Менделеева. Разрабатываются проекты интенсивного производства морепродуктов. Однако наиболее интенсивно в настоящее время развивается добыча нефти и газа на океаническом шельфе и континентальном склоне. Прогнозируется, что в ближайшие 10 лет добыча углеводородов в море превысит их добычу на суше. В связи с изложенным велика опасность разрушения установившейся в течение многих тысяч и миллионов лет экологической среды в Мировом океане. Перед человечеством стоит нелегкая задача интенсивного освоения мировых ресурсов океана при сохранении его основных функций.
Как было установлено в последнее время рядом исследований, океан играет решающую роль в жизни человечества, хотя эта роль не всегда очевидна. Была известна климатообразующая и погодообразующая роль океана: теплые и холодные течения, циклоны и антициклоны, порождаемые океанами, определяют условия жизни на континентах. Благодаря огромной поверхности океаны тесно взаимодействуют с атмосферой, насыщая ее влагой и обеспечивая необходимый перепад температур и давлений для транспортировки этой влаги на материки.
Кроме того, океаны регулируют газовый состав атмосферы: огромное количество углекислого газа растворяется в воде и усваивается микроорганизмами. Тем самым уменьшается "парниковый эффект" в атмосфере и ограничивается таяние арктических и антарктических льдов. В противном случае это привело бы к глобальному повышению уровня океана, и было бы гибельно для большинства прибрежных зон обитания биологических сообществ и человека.
Океаны обеспечивают сравнительно быстрый круговорот воды в природе. В среднем за 12 дней вода от истоков ручьев и рек достигает океана. При этом с поверхности материков смывается огромное количество всевозможных отходов жизнедеятельности человека, что способствует восстановлению среды его обитания.
Несмотря на огромные размеры Мирового океана, антропогенное воздействие на его биоту весьма ощутимо. Это обусловлено рядом причин.
• Распределение жизни в океане весьма неравномерно. Живые организмы концентрируются возле поверхности океана, где много солнечного света, тепла и обилие кислорода. Жизнь развивается также вблизи дна, куда собираются органические вещества, опускающиеся из верхних слоев. Эти пограничные районы океан–атмосфера и океан–литосфера были названы В.И. Вернадским "пленками жизни". Загрязнение этих сравнительно небольших объемов воды может иметь катастрофические последствия.
• Сравнительно недавно установлено, что в океане существуют глобальные циркуляционные процессы, благодаря которым океан представляет собой единое целое. Такой процесс обмена вод происходит довольно медленно, однако он охватывает все глубины и районы океана. Поэтому в океанах и морях нет мест, где можно было бы безболезненно хранить вредные отходы производства, в том числе радиоактивные и отравляющие вещества.
• Дно океана подвержено активным геодинамическим процессам. Более 80 % всех землетрясений происходит под дном морей и океанов. По разным оценкам общее число морских землетрясений с магнитудой больше 3 превышает 100 тыс. в год. Землетрясения концентрируются в основном вдоль срединно-океанических| хребтов и в прибрежных районах вблизи островных дуг и сейсмически активных материковых окраин. Многочисленные тектонические разломы в океанической коре служат источником горячих минерализованных вод. Вокруг гидротерм развиваются специфические формы жизни и образуются минеральные осадки. Вместе с тем постоянные "встряхивания" дна приводят к ускоренному продвижению осадков от прибрежных районов вдоль континентального склона в область абиссальных равнин. Эти осадки в значительной степени насыщены производственными отходами, образующимися в прибрежных районах и выносимыми реками (Лисицин, 1988, Гаврилов, 2000).
• В водах океана имеются многочисленные биохимические связи между различными организмами. Бактерии и беспозвоночные животные выделяют органические вещества, которые являются пищей и биостимуляторами для других организмов. Физиологические системы многих морских организмов являются открытыми, а все сообщество объединяется биохимическими связями. Нарушение любого звена сообщества может привести к общей катастрофе (Петров, 1998).
• Многие морские организмы биофильны к загрязняющим веществам, т.е. они их накапливают в своих тканях в больших концентрациях. Следует отметить, что эта тенденция сохраняется по мере продвижения по пищевой цепочке, и максимальная концентрация наблюдается у высших позвоночных (хищных рыб и морских млекопитающих).
Непрерывный рост мировых потребностей в углеводородном сырье определяет необходимость поиска новых областей, перспективных для нефтегазодобычи. В настоящее время наблюдается перенос разведочных работ, проводимых ведущими нефтяными компаниями, с морского шельфа на большие глубины – в пределы континентального склона. Крупные глубоководные нефтегазовые добывающие комплексы расположены на континентальных окраинах в разных частях Мирового океана. Ведется широкомасштабное разведочное бурение в новых акваториях. Можно предположить, что в ближайшие годы мировая нефтегазовая индустрия, активно развивающаяся в пределах шельфов и континентальных склонов, станет одним из главных факторов антропогенного воздействия на экосистему Мирового океана. Для объективной оценки воздействия морского нефтегазового комплекса на окружающую среду и обеспечения его устойчивого развития необходима разработка комплексной системы мониторинга природной среды в процессе освоения углеводородного сырья.
Необходимо отметить, что разработка нефтегазовых месторождений на континентальных склонах по сравнению с шельфом сопряжена с существенно большими технологическими трудностями и природными рисками. Это связано со значительно большими глубинами, удаленностью от берегов, широким развитием оползневых процессов на крутых склонах, интенсивными течениями, штормами и ветрами, повышенной сейсмичностью.
Прибрежные зоны океанов и морей являются районами высокой биологической продуктивности, в которых сосредоточена значительная часть биоресурсов океана. Воды континентальных склонов являются наиболее динамичными зонами. Интенсивные течения, действующие вдоль большинства континентальных склонов, как показали спутниковые исследования последних лет, имеют сложную вихревую структуру, обеспечивающую значительный поперечный обмен водными массами между прибрежными зонами и открытым океаном.
Разработка углеводородных ресурсов в зонах континентальных склонов морей и океанов неизбежно приводит к существенному воздействию на пелагические и донные экосистемы. Оценка масштабов и обратимости этих изменений представляет собой глобальную задачу экологии и экономики океана. Возведение и эксплуатация нефтяных платформ на шельфе и континентальном склоне морей и океанов представляет собой серьезную экологическую опасность. Локальные выбросы или утечки нефти, произошедшие в таких динамически активных зонах, как воды континентального склона, могут в равной степени влиять на мелководную часть шельфов и на удаленные районы открытого моря Напротив, районы экологически безопасной добычи углеводородного сырья могут быть загрязнены нефтепродуктами, привнесенными из соседних регионов, удаленных на десятки, а иногда сотни миль. Поэтому оценка воздействия промышленной разработки углеводородного сырья и других ресурсов на шельфах и континентальных склонах морей и океанов должна основываться на комбинированном, комплексном подходе, включающем систему дистанционного, в том числе спутникового мониторинга и сеть локальных контактных измерений. При этом данные дистанционного зондирования, обработанные с применением современных информационных технологий, обеспечивают анализ изменения экологической ситуации и контроль за утечками нефтепродуктов в зоне непосредственной добычи и на обширных прилежащих акваториях.
Комплекс контактных измерений ряда ключевых геофизических, химических и биологических параметров, выбранных в качестве индикаторов состояния морской среды, обеспечивает подробный анализ экологической ситуации непосредственно в местах наиболее активной промышленной деятельности. Выбор минимального набора ключевых параметров должен проводиться на основе анализа всего комплекса знаний о функционировании морских и океанических экосистем.
