Процессы и аппараты защиты литосферы

Рассмотрены структура литосферы, виды антропогенного воздействия на нее и мероприятия 
по восстановлению нарушенных ландшафтных 
комплексов. Приведены расчеты площадей и 
объемов нарушаемых литосферных элементов, 
формируемых техногенных массивов, обоснование выбора направлений рекультивации антропогенной модификации ландшафтов, включая проектирование полигонов складирования 
отходов производства и потребления и ландшафтный мониторинг. Изложены передовые 
технологии и современные технические средства защиты элементов литосферы от разрушения и загрязнения, методики формирования 
структуры почв при рекультивации и оценки их 
агротехнических характеристик.

ПРОЦЕССЫ  И  АППАРАТЫ
ЗАЩИТЫ  ЛИТОСФЕРЫ

Учебное пособие

ИНСТИТУТ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ  
И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

  
ПРОЦЕССЫ  И  АППАРАТЫ  ЗАЩИТЫ  ЛИТОСФЕРЫ

Оглавление 

1 

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ПРОЦЕССЫ  И  АППАРАТЫ 
ЗАЩИТЫ  ЛИТОСФЕРЫ 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2019 

Оглавление 
 

2 

УДК 628.5:502.52(07)+502.52(07) 
ББК 33.126я73 
         П845 
 
 
 
 
 
Р е ц е н з е н т ы:  
А. В. Гилев, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Горные машины и комплексы» Института горного дела, геологии 
и геотехнологий СФУ; 
А. Н. Анушенков, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых» Института горного дела, геологии и геотехнологий СФУ 
 
 
 
 
 
 
П845        Процессы и аппараты защиты литосферы : учеб. пособие /             
В. В. Коростовенко, Н. М. Капличенко, Т. А. Стрекалова, Д. Ю. Слизевская. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2019. – 208 с. 
ISBN 978-5-7638-3971-5 
 
Рассмотрены структура литосферы, виды антропогенного воздействия на 
нее и мероприятия по восстановлению нарушенных ландшафтных комплексов. 
Приведены расчеты площадей и объемов нарушаемых литосферных элементов, 
формируемых техногенных массивов, обоснование выбора направлений рекультивации антропогенной модификации ландшафтов, включая проектирование полигонов складирования отходов производства и потребления и ландшафтный 
мониторинг. Изложены передовые технологии и современные технические средства защиты элементов литосферы от разрушения и загрязнения, методики формирования структуры почв при рекультивации и оценки их агротехнических         
характеристик. 
Предназначено для бакалавров и магистров, обучающихся по направлению «Техносферная безопасность». 
 
 
 
Электронный вариант издания см.: 
http://catalog.sfu-kras.ru 
УДК 628.5:502.52(07)+502.52(07)  
ББК 33.126я73 
 
ISBN 978-5-7638-3971-5                                                           © Сибирский федеральный  
                                                                                                         университет, 2019 

Оглавление 

3 

 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ .......................................................................................................... 5 
 
1. ФОРМИРОВАНИЕ  ПРИРОДНО-АНТРОПОГЕННОГО 
    ЛИТОСФЕРНОГО КОМПЛЕКСА ................................................................ 7 
1.1. Литосфера и ее составляющие ............................................................... 7 
1.2. Ландшафтный мониторинг ................................................................... 13 
1.3. Структура площадей земельного и горного отводов ......................... 17 
1.4. Расчет площадей и объемов элементов  
       земельного и горного отводов .............................................................. 24 
1.5. Восстановление нарушенных земель .................................................. 33 
1.6. Характеристика и основное содержание  
       направлений рекультивации ................................................................. 40 
1.7. Показатели экологической оценки почвы  
       как компонента природно-антропогенного комплекса ..................... 45 
1.8. Оценка пригодности горных пород  
       к биологической рекультивации .......................................................... 53 
1.9. Биологическая рекультивация нарушенных земель .......................... 56 
1.10. Гигиенические требования  
         к объектам складирования отходов ................................................... 67 
1.11. Рекультивация полигона твердых бытовых отходов ....................... 70 
1.12. Рекультивация полигонов промышленных отходов ........................ 74 
1.13. Механизация отвальных и рекультивационных работ .................... 79 
1.14. Выбор и обоснование средств механизации..................................... 84 
1.15. Мониторинг полигона твердых бытовых отходов  
         и производственный контроль ........................................................... 93 
1.16. Охрана недр .......................................................................................... 96 
Контрольные вопросы и задания к главе 1 .............................................. 101 
Библиографический список к главе 1 ....................................................... 105  
 
2. СВОЙСТВА  И  СТРУКТУРА  
    ПОЧВЕННО-ЗЕМЕЛЬНЫХ  РЕСУРСОВ  ЛИТОСФЕРЫ ..................... 107 
2.1. Морфологические признаки почв ...................................................... 107  
2.2. Гранулометрический состав почв ...................................................... 114 
2.3. Минеральные свойства почв .............................................................. 121 
2.4. Химический состав почвы .................................................................. 125 
2.5. Физико-механические свойства почв ................................................ 133 

Оглавление 
 

4 

2.6. Органические вещества почвы........................................................... 139 
2.7. Поглотительная способность почв .................................................... 147 
2.8. Щелочность и кислотность почв ....................................................... 159 
2.9. Засоленность почв ............................................................................... 163 
2.10. Соединения азота, фосфора и калия в почвах ................................ 168 
Контрольные вопросы и задания к главе 2 .............................................. 180 
Библиографический список к главе 2 ....................................................... 182 
 
ПРИЛОЖЕНИЯ ............................................................................................... 184 
Приложение 1 .................................................................................................. 184 
Приложение 2 .................................................................................................. 188 
Приложение 3 .................................................................................................. 196 

Введение 

5 

 
ВВЕДЕНИЕ 
 
Проектные и технологические решения по защите литосферы должны 
быть обоснованными, оптимальными и технически реализуемыми. Исходные 
данные зависят от характера литосферных нарушений при строительстве 
промышленного предприятия, вида выпускаемой продукции, экологической характеристики отходов, направления планируемой рекультивации 
нарушенных производством территорий. Так, при строительстве металлургического или машиностроительного предприятия ландшафтные нарушения отражаются только на самых верхних элементах литосферы (почвах) 
в пределах промплощадки и при сооружении инженерных коммуникаций 
(трубопроводов, ЛЭП, дорог и т. п.). Предприятия горного комплекса полностью трансформируют ландшафт, провоцируют деградацию почвенного 
слоя, необратимо нарушают природную структуру недр. Последний антропогенный фактор при открытой разработке месторождений проявляется 
количественными нарушениями (на больших площадях), а при подземных 
горных работах – качественными (на большую глубину). 
Однако независимо от отраслевой структуры промышленные предприятия создают индустриальный тип антропогенного ландшафта, нарушают почвенные слои, формируют техногенные массивы твердых и жидких 
отходов. Техногенные массивы, в свою очередь, являются комплексным 
антропогенным загрязнителем, что служит причиной законодательно нормируемой необходимости восстановления нарушенных территорий (рекультивации), выбор направления которого не только определяется видом 
дальнейшего народнохозяйственного использования рекультивированного 
ландшафта, но и зависит от свойств отходов, из которых сложен техногенный 
массив. 
Наконец, ландшафтные комплексы, преобразуемые в антропогенную 
модификацию, нуждаются в постоянном мониторинге, исключающем деградацию не только нарушенных элементов, но и географической оболочки 
в целом. 
Как и в любой динамической системе, антропогенному ландшафту 
присуща своя история развития, отличающаяся глубокой и многократной 
трансформацией, вызванной прямым результатом вмешательства человека. 
Антропогенные ландшафты не изолированы от окружающей среды. Как 
отмечает Ф. Н. Мальков, сразу же после формирования они вступают 
в тесный взаимный обмен веществом и энергией со смежными комплексами, образуя с ними парагенетические системы. Эти взаимосвязи обязы

Введение 
 

6 

вают при проектировании изучать естественную и антропогенную среду, 
на которую накладываются антропогенные комплексы. Это лежит в основе 
важнейшего принципа защиты литосферы – природно-антропогенной          
совместимости. 
Законодательное требование восстановления ландшафтов, нарушенных 
промышленным производством, ориентировано прежде всего на сельскохозяйственное направление рекультивации, в основе которого лежит обеспечение почвенного плодородия, отличающего почву от горной породы. По 
этой причине не следует смешивать понятие «почва» с понятием «грунт», 
так как понятие грунта используется только применительно к объекту            
инженерно-строительной деятельности человека. 
В результате индустриальных нарушений происходит полное или 
частичное уничтожение биологической продуктивности ландшафта, а возникающие биоценозы часто не способны к самовоспроизводству. Полное 
восстановление земель антропогенных ландшафтов такого типа представляет собой сложный процесс их регенерации, что предопределяет необходимость изучения физико-химических и агропроизводственных свойств 
почвы – главного, жизненно необходимого звена ландшафтного комплекса. 
Знание специфических качеств и свойств почвы и умение их определять 
имеют весьма важное значение, так как она является динамической 
и изменяющейся со временем системой, сохранение структуры которой 
играет определяющую роль при восстановлении нарушенных ландшафтных 
комплексов.

1.1. Литосфера и ее составляющие 

7 

 
1. ФОРМИРОВАНИЕ  
ПРИРОДНО-АНТРОПОГЕННОГО 
ЛИТОСФЕРНОГО  КОМПЛЕКСА 
 
 
1.1. Литосфера и ее составляющие 
 
Основой изучения природной среды и взаимосвязи ее с человеческим обществом является концепция о географической оболочке Земли. 
Географическая оболочка – целостная саморазвивающаяся природная система, находящаяся в подвижном равновесии и включающая в себя 
литосферу, гидросферу и нижнюю атмосферу (тропосферу). В пределах 
составных частей географической оболочки происходит непрерывный обмен веществом и энергией. Географическую оболочку принято называть 
геосистемой. Она состоит из ряда компонентов, уровни организации 
(взаимосвязи) которых представлены на рис. 1.1. Базисным компонентом 
геосистемы является литогенная основа – литосфера [16]. 
Литосферой называют верхнюю «твердую» оболочку Земли, постепенно переходящую в глубокие в сферы с меньшей прочностью вещества; 
в свою очередь, литосфера состоит из земной коры, имеющей вертикальную мощность до 75 км на континентах и 10 км под дном океана, и мантии 
Земли (до 200 км). 
Земная кора – это часть литосферы, наиболее подверженная влиянию 
естественных природных процессов, а также воздействию человека, для 
которого она является основным операционным базисом. Последнее предопределяет разделение земной коры на две составляющие:  
1) почвенный слой земли (по В. И. Вернадскому – кора выветривания) – часть биосферы, расположенная между аэробиосферой (тропосферным слоем атмосферы), фитобиосферой и литобиосферой;  
2) недра – часть земной коры, расположенная ниже почвенного слоя, 
а при его отсутствии – ниже земной поверхности и дна водоемов и водотоков, простирающаяся до глубин, доступных для геологического изучения 
и освоения. 
Активное воздействие человека на литосферную часть биосферы 
сформировало техносферу – часть биосферы, коренным образом преобразованную в технические и техногенные объекты в результате прямого или 
косвенного воздействия оборудования. 

1. Формирование природно-антропогенного литосферного комплекса 
 

8 

Непосредственно под тропосферной частью атмосферы выделяют 
природный географический комплекс, называемый ландшафтом. 
 
 

 
 
Рис. 1.1. Схема уровней организации компонентов геосистемы: 
1 – абиотические факторы; 2 – биотические факторы; 3 – социогенные факторы 
 
Ландшафт – это природный географический комплекс, в котором 
все основные компоненты – почвенный слой, воды, растительный и животный мир, рельеф и климат – находятся в сложном взаимодействии 
и взаимообусловленности, образуя однородную по условиям развития единую неразрывную систему. 
Все природные ресурсы, заключенные в литосферу Земли, условно 
можно разделить на две группы: почвенно-земельные и недр. Почвенноземельные – это ресурсы всех сельскохозяйственных угодий (пашни, пастбища, сенокосы) или всего почвенного слоя вне зависимости от форм           
использования. Зависимыми от почвенно-земельных ресурсов литосферы 
являются отдельные виды частных ресурсов – территориальные, лесные, 
промысловые и др. Ресурсы недр Земли (полезные ископаемые, минеральные, термальные и др.) относят к особому виду – антропоэкологическим, т. е. 
совокупности предметов, явлений, условий и факторов, необходимых для существования людей и человечества как развивающегося целого. 

Социогенный (культурный) 
покров
3

Растительность 
Животный мир 

Почва 
2 

Приземная  
атмосфера 

Внутренние воды 

Литогенная  
основа 
1 

1.1. Литосфера и ее составляющие 

9 

В геосфере выделяют особую часть литосферы (ландшафтную), которую называют биологическим фокусом географической оболочки Земли, 
поскольку в ней создаются условия, необходимые для зарождения и развития 
органической жизни.  
В ландшафтной сфере различают естественные и антропогенные 
ландшафты. 
Антропогенные (урбанистский, индустриальный, нарушенный, культурный) возникают в результате хозяйственной деятельности человека, 
приводящей к сложению нового природного комплекса верхней части литосферы. 
Естественные сохраняют способность самоуправления, т. е. обладают естественным саморазвитием. В необходимых случаях такие ландшафты в установленном законом порядке полностью исключаются из хозяйственной деятельности человека либо она ограничивается введением охранного режима. 
Структура географической оболочки. Самой крупной структурной 
единицей географической оболочки (рис. 1.2) является природный пояс.  
 

 
 
Рис. 1.2. Структура географической оболочки 
 
Природные пояса расположены вдоль параллелей планеты. Начиная 
от экватора, вдоль которого планету охватывает экваториальный пояс, 
в направлении к обоим полюсам (по одному с каждой стороны) последовательно сменяют друг друга субэкваториальные, тропические, субтропические, умеренные, субполярные и полярные пояса.  

Географическая оболочка 

Природный пояс 

Природная зона 

Ландшафт 

Урочище 

Природный пояс 

Природная зона 

Ландшафт 

Урочище 

Фация 
Фация 
Фация 
Фация 

1. Формирование природно-антропогенного литосферного комплекса 
 

10 

Каждый природный пояс состоит из природных зон, площадь которых характеризуется примерно одинаковым климатом, поэтому их называют также климатическими зонами. Если природные пояса отличаются 
друг от друга количеством поступающей солнечной энергии, то в природных зонах определяющую роль играют также влажность, циркуляция        
атмосферного воздуха и др. 
Каждая из природных зон состоит из присущего только ей набора 
ландшафтов, первичными элементами которых являются фации, а их совокупность формирует урочища. Наиболее мелким элементом геосферы         
является часть пространственного строения фации – парцелла. Границы 
парцелл определяются в основном различиями в растительности соседствующих парцелл. 
Внутренняя организация географической оболочки находит выражение 
в зональности, зависящей от внешнего (от Солнца) и внутреннего (из недр 
планеты) поступления энергии. Именно энергетика лежит в основе закона 
географической зональности: естественное развитие географической оболочки проявляется в территориальной дифференциации формирования 
природных комплексов и их компонентов. 
Защитные и охранные зоны. Законодательно предусмотрен особый 
порядок защиты среды обитания при установлении защитных и охранных 
зон [3]. 
В целях обеспечения устойчивого функционирования естественных 
экологических систем, защиты природных комплексов, природных ландшафтов и особо охраняемых природных территорий от загрязнения и другого 
негативного воздействия хозяйственной и иной деятельности устанавливаются защитные и охранные зоны. 
В целях обеспечения нормальных условий жизнедеятельности человека, 
среды обитания растений, животных и других организмов вокруг промышленных зон и объектов хозяйственной и иной деятельности, оказывающих негативное воздействие на окружающую среду, создаются защитные и охранные 
зоны, в том числе санитарно-защитные: в кварталах, микрорайонах городских 
и сельских поселений – территории, зеленые зоны, включающие в себя лесопарковые и иные зоны с ограниченным режимом природопользования. 
Согласно общепринятой экологической терминологии различают зоны: 
санитарно-защитные, охранные и санитарной охраны. 
Санитарно-защитная зона представляет собой полосу, отделяющую 
промышленное предприятие от жилых застроек. 
Охранная зона - участок земли вдоль воздушных ЛЭП на заданном 
расстоянии от крайних проводов либо вдоль подземных коммуникаций. 
Зона санитарной охраны является районом водозабора или другого 
источника водоснабжения, где устанавливается особый режим охраны вод 

1.1. Литосфера и ее составляющие 

11 

от загрязнения минеральными и органическими веществами, от заражения 
вредными микроорганизмами и проникновения сточных вод в природные 
водоемы. 
Выделяют два вида зон санитарной охраны: 
зона строгого режима, в пределах которой запрещено любое строительство. Обычно такая зона ограждается, имеет специальную охрану,         
обсаживается водоохранными лесными насаждениями, по периметру           
ограждения обеспечивается предупредительной информацией; 
зона ограничений, в которой допускаются отдельные формы природопользования, включая ограниченное строительство. В такой зоне сохраняется существующая растительность, дополнительно высаживаются лесные 
культуры, соблюдается особый санитарный режим. 
Охранные территории выделяются в целях: 
● сохранения всего разнообразия живых организмов, их генофонда, 
природных экосистем. Обычно эти цели сочетаются с задачами научных 
исследований закономерностей функционирования и динамики природных 
ландшафтов или их компонентов (наиболее распространенные формы – 
заповедники, резерваты, заказники, памятники природы и т. п.); 
● воспроизводства возобновимых ресурсов (включая и рекреационные ресурсы эстетического характера) и сохранения их качества (наиболее типичные формы – заказники, водоохранные зоны, национальные 
парки и др.); 
● охраны окружающей природной среды (зеленые зоны городов,            
санаторно-курортные земли); 
● профилактики развития разрушительных природных процессов 
(противоэрозионные, берегоукрепительные насаждения и т. п.). 
Количественные и качественные изменения в экологических 
системах. Производственная деятельность человека вносит определенные 
изменения в процессы, происходящие в естественной экологической системе, и вызывает тем самым нарушение равновесия между отдельными ее 
элементами. В результате на месте естественных возникают новые, как 
правило, менее продуктивные экологические системы. При этом могут появляться как количественные, так и качественные изменения экологических систем [1]. 
Количественные изменения могут происходить, если внешние возмущения в принципе не противоречат естественным биохимическим процессам 
и по интенсивности (т. е. в количественном отношении) не превышают       
естественного уровня жизнеспособности (устойчивости) живых организмов. В этом случае ответной реакцией экологической системы будет повышение активности (увеличение производительности) определенных 
групп (популяций) живых организмов; в результате восстанавливается или