Лекции_Общая геохимия. Геохимия как наука
 Скачать 6.86 Mb.
|
|
17.7. Технофильность и другие показатели техногепеза. По мере развития человеческого общества в техногенез вовлекается все большее число химических элементов (рис. В древности использовались лишь 18 элементов, в XVIII в. - 28, в XIX в. - 62, в 1915 г. -7 1 , в настоящее время - все известные на Земле элементы и, кроме того, неизвестные в природных условиях нептуний, плутоний и др. трансураны, а также радиоактивные изотопы известных элементов ( 90 Sr, 131 j и др. Рис. 17.9. Динамика количества элементов, используемых человечеством Масштабы ежегодной добычи колеблются от миллиардов тонн для С (уголь, нефть) до десятков тонн для Tl, Pt, Th, Ga, In, те. различаются в сотни миллионов раз. Эти различия связаны со свойствами элементов их ценностью для хозяйства, технологией получения, способностью к концентрации в земной коре, но также и с распространенностью в земной коре, тес кларком. Как бы ни ценилось А, его добыча никогда не сравняется с добычей Fe, т.к. кларк Аи- химические аналоги, но кларка. Если убыл бы такой же высокий кларк, то он имел бы такое же широкое применение, как и S i , те. шел на изготовление кирпича, бетона, цемента и т.д. Исключительная роль Fe в истории цивилизации объясняется не только его свойствами, но и большим кларком. Характеристикой интенсивности извлечения и использования химических элементов является технофильность -отношение ежегодной добычи или производства элемента в тоннах к его кларку в литосфере (АИ. Перельман). Многие химические элементы-аналоги с разными кларками и размерами добычи обладают одинаковой или близкой технофильностью, те. в единицах кларков человечество извлекает их из недр практически пропорционально их распространенности в земной коре. Это Cd и Hg, Таи и Mo, Ti и Zr. Но есть и различия Си, Кии и др. Технофильность очень динамична. По А.Е. Ферсману, добыча основных металлов за XIX век увеличилась примерно враз. Кг. среднее ежегодное потребление залет увеличилось Al, Cu, Mo, W, К, Не - враз, С, Ми, Ni - враз, Р, А - враз менее 10 раз. Особый рост добычи в последние годы обнаруживают металлы, связанные с металлургией железа (Fe, Mn, Mo, W, Cr, N i ) , элементы электротехники и воздухоплавания (А, Си, редкие металлы) и элементы сельского хозяйства (N, Р, К, писал Ферсман в 1934 г. Многие выводы ученого подтверждаются ив настоящее время. А.И.Перельманом рассчитана технофильность для середины х годов. С этого времени технофильность большинства элементов росла менее интенсивно. За счет увеличения добычи нефти и газа продолжался, ноне столь сильно, как прежде, рост технофильности углерода, производство фосфорных удобрений, доломита, магнезита привело к увеличению технофильности фосфора и магния. Научно- техническая ре 28 62 103 XVII век век век век 224 волюция, развитие космической техники, электроники и теплоэнергетики враз увеличили технофильность редки- хэлементов — Th, In, Ilf, Nb, Zr, Be, Ga. Выявилась новая тенденция рост тех- нофильности СВ, а также некоторых щелочных и щелочноземельных металлов - Li, Sr, Ba. В первом случае это связано с производством хлорорганических соединений, серосодержащих газов и сульфидных руда во втором производством ядерного топлива, алюминия, апатитов, фосфорных удобрений и др. Сопоставление ежегодного мирового производства химических элементов нес кларками, а известными запасами в земной коре показывает долю их извлечения из разведанных месторождений полезных ископаемых. По сравнению с запасами больше всего добывается Аи и углерода нефтей - около 10%, а также Pb, In, Li, Zn, F, W, P, S, Cu, Mo, Hg, Sb, Ba и Ag - 1—5%. В десятых долях процента извлекаются из запасов Сг, СВ. Невелика доля извлечения К, Ti, Cl, Mg и Zr — 0,0n— 0,000n. По сравнению с добычей практически неисчерпаемы ресурсы Н, Na, Ca, Si, Br. Чрезвычайно низко по сравнению с запасами (п. 10 -3 %) производство благородных газов. Как и технофильность, этот показатель меняется во времени из-за колебаний производства и изменения известных запасов каждого элемента. Добыча элементов складывалась стихийно в зависимости от экономических условий, прогресса техники, находок месторождений и т.д. И все же очевидна регулирующая роль кларка. В будущем зависимость добычи от кларков, вероятно, станет еще более тесной, так как богатые месторождения быстро отрабатываются и со временем, как предполагал А.А. Сауков, человечество перейдет к эксплуатации гранитов, базальтов и других горных пород, в которых содержания элементов близки к кларкам. Технофильность можно рассчитывать для отдельной страны, группы стран, всего мира. Ее анализ позволяет прогнозировать использование элементов. Так, технофильность Mg меньше, чему. Это указывает на слабое использование Mg человечеством, на то, что в ближайшем будущем оно сильно возрастет. Различия в технофильности определяют изменение элементарного состава ландшафтов, накопление в них наиболее технофильных элементов. Впервые на это обратила внимание МА. Глазовская, отметившая, что для культурных ландшафтов характерно "ожелезнение", возрастание относительной роли Си (по сравнению с Zn), Ni относительно Сои т.д. Человечество "перекачивает" наземную поверхность химические элементы, сосредоточенные в гидротермальных и других глубинных месторождениях. В результате ландшафт обогащается Pb, Hg, Cu, Zn, Sb и другими элементами. По ОП. Добродееву, из недр ежегодно извлекается больше ряда химических элементов, чем вовлекается в биологический круговорот Cd - более чем враз- в 3 раза. Помимо технофильности предложены и другие количественные характеристики техногенеза. Так, отношение технофильности элемента (с учетом содержания его в углях) к его биофильности (на суше) МА. Глазовская назвала деструкционной активностью элементов техногенеза Д, которая характеризует степень опасности элементов для живых организмов. Для Hg Д = n.10 4 - n.10 5 , для Cd и F - n.10 3 , для Sb, As, U, Pb - n.10 2 , для Se, Be, Sn - n.10, для многих других элементов Д < 1. Количество элемента, выводимое ежегодно из техногенного потока в природный, Н.Ф. Глазовский назвал техногенным геохимическим давлением, отношение его к единице площади — модулем техногенного геохимического давления, измеряемым в т/км 2 . Например, модуль Р в Дальневосточном районе составляет 7,7.10 -3 т/км 2 , в Молдавии, где широко применяются фосфорные удобрения, - 8,2.10 -1 т/km 2 Модуль К 225 колеблется отв Западной Сибири до 2,1 т/км 2 в южных районах России, те. враз. В бассейнах Черного, Азовского и Балтийского морей техногенное давление К и S превышает речной сток этих элементов, на реках других бассейнов отношение обратное, ново всех случаях масштабы техногенного давления и речного стока сопоставимы. Для всей поверхности суши наиболее велики модули техногенного давления Na, Cl, Ca, Fe (0,5-1,0), наименьшие - у Li, Ag, W, А, Hg, Tl (10 -5 -10 -7 ). Предложены также коэффициенты техногенной трансформации соотношение поступления элемента в техногенный и природный ландшафты (В.П. Учватов), показатель пылевой нагрузки соотношение количества пыли в техногенном и природном ландшафтах (Е.П. Сорокина и др, модуль аэрального поступления поступление веществ с атмосферными осадками и пылью (П.В. Елпатьевский и B.C. Аржанова) и др. 17.8. Техногенные геохимические аномалии. По отношению к фону можно выделить несколько видов техногенных геохимических аномалий. Виды техногенных аномалий.Выявление техногенных аномалий является одной из важнейших эколого-гeохимических задач при оценке состояния окружающей среды. Эти аномалии образуются в компонентах ландшафта в результате поступления различных веществ от техногенных источников и представляют собой некоторый объем, в пределах которого значения аномальных концентраций элементов (С а ) больше фоновых значений (Сф). Сильные аномалии, контрастность которых составляет десятки и сотни единиц геохимического фона, выявляются и интерпретируются сравнительно просто. Для оценки слабых аномалий используются статистические критерии (правило трех стандартов и др. Техногенные аномалии искусственных веществ (пестицидов и др) выделяются в основном по санитарно- гигиеническим, а не геохимическим критериям. Если техногенная аномалия имеет четкую пространственную и генетическую связь с конкретным источником загрязнения, то такая аномалия называется техногенным ореолом рассеянии. Они фиксируются главным образом в депонирующих средах почвах, донных отложениях, растениях, снежном покрове. В транзитных средах - воздухе, водах, частично донных отложениях, аномалии именуются техногенными потоками рассеяния По распространенности выделяются следующие техногенные аномалии глобальные - охватывающие весь земной шар (повышенное содержание СО в атмосфере, накопление искусственных радионуклидов после ядерных взрывов региональные - формирующиеся в отдельных частях континентов, природных зонах и областях в результате применения ядохимикатов, минеральных удобрений, подкисление атмосферных осадков выбросами соединений серы и др локальные образующиеся в атмосфере, почвах, водах, растениях вокруг местных техногенных источников заводов, рудников, скважин и т.д. В качестве примера рассмотрим локальную техногенную аномалию на Ванко р- ском месторождении. В результате открытых газоводопесчаных выбросов в районе скважин 1 и 2 Ванкор- ского месторождения образовались кратеры диаметром более 60 им соответственно, заполненные соленой водопесчаной пульпой. Вода в кратерах имеет хлоридный натриевый состав и минерализацию 15,8 – 39,4 гл. В более мелких кратерах, промываемых талово-дождевыми стоками, минерализация вод снижается ив августе 1991 гона составляла 1,4-1,9 гл. Скважина 1 работала с выбросом гаэо-водо-песчаной смеси около 2,5 мес. В 1988 г. устье скважины представляло собой кратер диаметром 60 м, глубиной 4 м (зеркало воды 226 диаметром около 30 м. Выделение газа в кратере, близлежащих озерах и ручьях в радиусе 2,0 км от скважины не наблюдалось. По истечении непродолжительного времени началось образование грифонов, которое после открытого выбросав скважине 2 стало более интенсивным. Через 2 года (в апреле 1990 г) площадь, в пределах которой фиксировались грифоны составила около 35 км рис. 17.10). Летом разгрузка газов через грифоны активизируется и количество грифонов растет. В августе того же года зафиксировано распространение грифонов практически во всех направлениях от скв. 2. Замеры, проведенные приборами ШИ-3, ШИ-1О при скорости ветра 3-4 мс, показали присутствие УВ в воздухе 3-4% вблизи не горящих грифонов. Рис. Схема выходов газа в атмосферу на Ванкор- сокй площади (по В.В.Турбину, Е.М.Сергию и др, 1990) сосредоточенный выход газа, 2 - тоже рассеянный, 3 - техногенные кратеры на устьях скважин №1 и 2 Рис. 17.11. Антропогенные кратеры в районе скважин 1-3 Ванкорского месторождения. В результате открытого фонтанирования скважин водо-песчаной смесью территория площадью около 1,5 км в районе скважин 1 и 2 покрылась толстой коркой песка с глиной рис. 17.11). Экологические последствия для атмосферы не изучены, их можно лишь прогнозировать приближенно последующим причинам. Во-первых, физические параметры аварийных выбросов количественно не охарактеризованы. Отсутствуют такие важнейшие данные, как состав и количество водопесчаной пульпы, выбрасываемых скважиной (мощность выброса, высота факела горящих УВ над уровнем земли, мощность выброса УВ (в условиях неуправляемого выброса этот параметр можно определить только визуально). Антропогенное озеро (воронка на устье скв. №1.) 227 Во-вторых, в районах Крайнего Севера очень важны сведения о морфологии подошвы и внутреннем строении толщи ММП для чего необходимы специализированные геофизические исследования. В-третьих, не накоплены данные по мониторингу природной среды на эталонных объектах. Рис. Схема антропогенных нарушений Ванкорской площади скважины №1 и 2, 2 - участок с выгоревшим моховым покровом, 3- тоже, покрытый песчано-глинистыми выбросами из аварийной скважины. В-четвертых, конфликтные экологические ситуации, связанные с аварийными выбросами и сбросами, могут носить синергический характер воздействия. Поэтому принят вариант прогноза, основанный большей частью на имеющемся фактологическом материале и результатах экспериментальных исследований по сжиганию углеводородов из рифейских отложений Юрубченского нефтегазового месторождения Сибирской платрормы. Для расчета модельного примера приняты официальные данные по параметрам газового выброса на скважине 11 Лодочного месторождения. Они следующие мощность выброса млн.м 3 /сут; экспериментальной выход продуктов сгорания (по аналогии СО -2500, СО - 1,0; ОСН кг/т; время работы скважины в режиме неуправляемого фонтанирования сут, в режиме управляемого фонтанирования - 25 сут плотность газа - 0,680 кг/м 3 ; масса выбрасываемого топлива - 54400 т. Исходя из этих данных покомпонентные выбросы составляют для СО - 20,04; СОСН кг/с. Прогнозная оценка массы выброса для случая газового фонтана 1,0 млн. м 3 /сут приведена в таблице 17.5 ниже. Таблица 17.5. Масса ЗВ от нерегулируемого газового выброса дебитом до 1,0 млн.м 3 /сут. Компоненты выброса Масса выброса, т CO 54,5 NO 364,5 CH 816,0 Возможный вариант прогнозной оценки выброса веществ в случае аварийного газо-водо- песчаного выброса рассмотрим на примере скважин 1 и 2 Ванкорского месторождения. В случае аварийного фонтана такого типа из недр может быть выброшено на рельеф местности дом соленой водопесчаной смеси и дом буровых растворов. При возникновении аварий рассмотренных вариантов они могут сопровождаться прорывом природного газа в подмерзлотные и межмерзлотные горизонты, а затем в атмосферу. Просчитать объективно такой вариант очень сложно. Можно только констатировать, что концентрации УВ в составе спонтанного газа невелики и они, главным образом, повышают пожарную опасность территории в летний сезон. Сравнительно локальные источники загрязнения, сливаясь, могут привести кобра- зованию техногенных аномалий регионального масштаба (крупные промышленные города, их агломерации. По влиянию на окружающую среду техногенные аномалии делятся натри типа (АИ. Перельман). Полезные аномалии улучшают состояние окружающей среды. Это известкованные кислые почвы, добавки NaJ и KJ к поваренной соли в районах развития эндемического зоба, фторированная питьевая вода, микроудобрения, подкормка домашних животных Сои т.д. Вредные аномалии ухудшают состояние природной среды в результате появления повышенных концентраций токсичных веществ, отрицательно влияющих на живые организмы. Большинство техногенных аномалий относятся к этому типу. Нейтральные аномалии не оказывают влияния на качество окружающей среды (золото в банках, железо в городах и др. Рис. 17.12. Типы техногенных геохимических аномалий по влиянию на окружающую среду По среде образования техногенные аномалии делятся на литохимические в почвах, породах, строениях, гидрогеохимические вводах, атмогеохимические в атмосфере, снеге, биогеохимические в организмах. Последние подразделяются на фито-, зоо- и антропогеохимические аномалии. Полезные Нейтральные Вредные 229 Рис. 17.13. Типизация техногенных аномалий по среде образования Как правило, техногенные аномалии образуются в нескольких компонентах ландшафта. По длительности действия источника загрязнения они делятся на кратковременные аварийные выбросы и т.д.), средневременные с прекращением воздействия — разработка месторождений полезных ископаемых, долговременные стационарные аномалии заводов, городов, агроландшафтов). Количественные показатели загрязнения. Одним из критериев аномальности служит коэффициент техногенной концентрации или аномальности Кс, представляющий собой отношение содержания элемента в рассматриваемом аномальном объекте к его фоновому содержанию в компонентах ландшафта. Техногенные аномалии обычно имеют полиэлементный состав, в связи с чем Ю.Е. Саетом предложен суммарный показатель загрязнения (Zc), характеризующий степень загрязнения ассоциации элементов относительно фона Zc = S Кс - ( n - 1), где Кс — коэффициенты техногенной концентрации больше 1 (или 1,5), n — число элементов с Кс > 1 (или 1,5). Суммарные показатели загрязнения рассчитываются для различных компонентов ландшафта - почв, снега, растений, донных отложений. Для оценки воздействия количества поллютантов, поступающих в организм, используются также гигиенические нормативы загрязнения предельно допустимые концентрации ПДК. Это максимальное содержание вредного вещества в природном объекте или продукции (воде, воздухе, почве, пище, за определенный период еще не влияющее на здоровье человека или другие организмы. ПДК устанавливают для отдельных химических элементов и соединений. Сильная дифференциация природного фона тяжелых металлов затрудняет разработку жестких критериев предельных уровней их содержания в ландшафтах. Н.Г. Зыриным и АИ. Обуховым показано, что основными факторами, влияющими на ПДК тяжелых металлов в почвах, являются их щелочно-кислотные свойства и содержание гумуса, оп- Биогеохимиче- ские Гидрогеохими- ческие Литохими- ческие 230 ределяющие устойчивость почв к загрязнению этими элементами. Для кадмия и свинца зависимость между рН почв и ПДК почти линейная, те. в кислых и щелочных почвах их ПДК могут отличаться почти на порядок. Поэтому ПДК необходимо устанавливать для крупных почвенно-геохимических регионов, для геохимических ассоциаций почв МА. Загрязняющие вещества по опасности делятся на классы I класс (высоко опасные) - - As, Cd, Hg, Se, Pb, F, бензпирен, Zn; II класс (умеренно опасные) -В, Со, Ni, Mo, Си, Sb, Cr; I I I класс (мало опасные) - Ва, V, W, Mn, Sr и др. Комплексный и куммулятивный характер действия загрязняющих веществ на живые организмы, полиэлементность техногенных геохимических аномалии требуют разработки более синтетических показателей оценки качества среды. В практике эколого-геохимических исследований для оценки состояния среды используются ориентировочные оценки опасности загрязнения в аномальных Таблица 17.6 Шкала оценки аэрогенных очагов загрянения (по Ю.Е. Саету и Б.Л. Ревичу) I. Средний, умеренно -опасный Превышение ПДК отдельных загрязняющих веществ (пыль, оксиды углерода и азота, сернистый ангидрид содержание тяжелых металлов выше фона Средний уровень загрязнения по Zc: почв 16-32, снега- 64- 128. Повышенная запыленность снежного покрова (среднесуточная нагрузка 250- 450 кг/км 3 ). Содержание Р в почве более 100 мг/кг II. Высокий, опасный Превышение ПДК комплекса загрязняющих веществ (пыль, оксиды углерода к азота, сернистый ангидрид, содержание отдельных металлов класса опасности выше ПДК Высокий уровень загрязнения почв (Zc 32- 128) и снежного покрова (Zc 128-256). В составе аномалий присутствуют химические элементы I класса опасности) с Кс > 10. Содержание Р в почве более 250 мг/кг. Среднесуточное выпадение пыли 450— 800 кг/км 3 III. Очень высокий, чрезвычайно Превышение ПДК иногда многократное) комплекса загрязняющих веществ, в том числе ряда тяжел их металлов Очень высокий уровень загрязнения почв (Zc > 128) и снега (Zc > 256). Содержание Р в почве > 400мг/кг и Hg > 2,1 мг/кг. Среднесуточная нагрузка пыли > 800 кг/км 3 зонах . Для каждого уровня характерны специфические виды заболеваемости населения, особенно детей I уровень увеличение общей заболеваемости II увеличение частоты хронических заболеваний органов дыхания, функциональных отклонений (количества лейкоцитов и др III увеличение нарушений репродуктивных функций, имунной системы и других отдаленных последствий. |