Лекции_Общая геохимия. Геохимия как наука
 Скачать 6.86 Mb.
|
|
17.9. Техногенные зоны выщелачивания и геохимические барьеры. Техногенные зоны выщелачивания образуются при выщелачивании металлов из руд, отвалов, хвостохранилищ. Эти вопросы изучает особая прикладная наука - геотехнология, которая во многом основана на данных геохимии. Примерно шестая часть меди в мире добывается методом выщелачивания. Применяется подземное выщелачивание 231 руд урана, молибдена, свинца, цинка, марганца и других элементов. С помощью закачивания в скважины воды извлекают каменную и калийную соли, другие легкорастворимые компоненты. Доказана эффективность микробиологического выщелачивания меди, золота, молибдена. Техногенные зоны выщелачивания образуются также при промывках засоленных почв, орошении лессовых грунтов (НИ. Кригер), других техногенных процессах. Известны зоны сернокислого, кислого и прочего техногенного выщелачивания. Зоны выщелачивания возникают как в результате целеустремленного технологического воздействия на почвы игорные породы (выщелачивание из руд и др, таки за счет косвенного, иногда отдаленного повремени и месту техногенеза. Такие зоны выщелачивания достигают и региональных масштабов. Типичным примером является усиленная мобилизация тяжелых металлов из почв, увеличение интенсивности их миграции и поставки в подчиненные ландшафты (долины, водоемы) в результате действия кислых дождей, связанных с выбросами соединений серы и азота в промышленных районах Европы и Северной Америки. Дожди с рН < 3,5 выпадают во многих индустриальных районах. Поданным ЮНЕП, за последние 20 лет на северо-востоке США ив Скандинавии произошло снижение рН лесных почв на единицу - в среднем от 4,5 -5,5 до 3,5 - 4,5. Нейтральные и щелочные почвы обладают значительной буферностью к кислым выпадениями столь заметного понижения рН в них не наблюдается. Загрязнение озер тяжелыми металлами (Hg, Cd, Pb, С) за счет кислого выщелачивания из автономных ландшафтов установлено в Адирондакских горах северо-востока США (Д. Порцелла, Д. Чарльз, Дж. Уайт и др) и юго-западной Швеции (Г. Халтберг и др. Техногенный геохимический барьер это участок, где происходит резкое уменьшение интенсивности техногенной миграции и, как следствие, концентрирование элементов. Как ив природных ландшафтах, здесь образуются аномалии. Искусственные барьеры создаются на пути движения техногенных потоков для локализации загрязнения. Например, известковые валы служат для осаждения металлов из кислых рудничных водили содержащихся вводах ядохимикатов. Другой формой щелочного барьера является известкование кислых почв, препятствующее выносу многих катио- ногенных металлов и элементов питания, подвижных в кислой среде. Искусственные сорбционные барьеры в районе Чернобыля сооружались для предотвращения радиоактивного загрязнения гидросети. Вещества техногенного происхождения могут осаждаться практически на всех видах геохимических барьеров, известных в природе. Важная проблема выявление геохимических барьеров, на которых происходит концентрация искусственных веществ (пестицидов, синтетических органических соединений и др. Техногенные барьеры могут быть полезными, нейтральными и вредными. Полезные формируются, например, при закачивании промышленных стоков в водоносные горизонты, при инъекционном закреплении (цементации) грунтов, в результате которого рыхлая масса превращается в твердый монолит, и во многих других процессах. Примером вредного барьера служит вторичное засоление почв в орошаемых районах, когда на испарительных барьерах накапливаются соли и элементы, поступающие с дренажными водами. На техногенных барьерах возможно техногенное минералообразование и рудообразование. Полезное и вредное действие барьеров относительно. То, что полезно для одного компонента ландшафта, например, создание барьеров на пути миграции загрязняющих веществ в водоемы (сохранение качества води условий жизни водных организмов, может быть вредно для загрязняющихся почв и почвенной фауны на участках барьеров. 232 17.10. Геохимическая устойчивость и геохимическая совместимость техногенных систем. Онаопределяет жизненный цикл элемента в природных средах. Устойчивость ландшафта — это его способность сохранять структуру, функциональные особенности и возвращаться в прежнее состояние после прекращения или ослабления антропогенного воздействия. Геохимическая устойчивость - способность ландшафта и его компонентов к самоочищению от продуктов техногенеза (их выносу или переводу в инертное состояние. H.П.Солнцева выделила два рода геохимической устойчивости, отражающие разные стороны этого сложного явления. Устойчивость I рода это буферность природных систем (почв, вод, организмов) к техногенному воздействию, те. их способность противостоять изменению отдельных параметров. Чаще всего это понятие используется при оценке ответной реакции почв и вод на их загрязнение кислотами и щелочами. Устойчивость II рода - это та часть общей устойчивости системы, которая обеспечивает восстановление ее нормального функционирования. Кислотные дожди и связанное сними подкисление води почв в индустриальных районах вызвали большое число работ, посвященных проблеме буферности и устойчивости. Разработаны принципы классификации почв по их устойчивости к кислотным воздействиям (Варалляи, Глазовская). Кислые малогумусные песчаные почвы имеют более низкую буферность, чем кислые суглинистые высокогумусные почвы. Особенно высока буферность карбонатных почв. Для аквальных систем в качестве количественного выражения устойчивости используется отношение амплитуды воздействия к амплитуде колебаний их собственных параметров (Батоян и др. По Н.П. Солнцевой, одним из критериев устойчивости ландшафтов является геохимическая совместимость техногенных воздействий с направлениями природных процессов. Техногенез может быть совместим с основными природными процессами и усиливать их, уменьшать устойчивость (например, воздействие кислых атмосферных осадков на кислые лесные почвы) и вызывать дополнительную мобилизацию тяжелых металлов. Техногенез может быть несовместим с направлением природных процессов кислые осадки, выпадая на карбонатные почвы, нейтрализуются и почвы устойчивы к техногенному воздействию. Таким образом, природная обстановка в значительной мере определяет судьбу продуктов техногенеза, поступающих в ландшафт. Ответную реакцию природных систем на техногенное воздействие можно прогнозировать, зная их свойства. Ландшафтно-геохимические системы со сходным уровнем геохимической устойчивости исходным характером техногенной геохимической трансформации былина- званы МА. Глазовской технобиогеомами. Она выделила три основные группы факторов геохимической устойчивости. Факторы, определяющие интенсивность выноса и рассеяния продуктов техногене- за: - Показатели, характеризующие рассеяние и вынос продуктов техногенеза из атмосферы — осадки и скорость ветра по сезонам. Показатели, характеризующие скорость миграции и вынос продуктов техноге- неза из почв и проточных водоемов - сток (по сезонам, соотношение осадков и испарения, положение территории в каскадной системе, механический состав почв и грунтов. Факторы, определяющие интенсивность метаболизма продуктов техногенеза: Показатели энергии разложения веществ сумма солнечной радиации кДж/год, сумма температур выше 0°, количество ультрафиолетовой радиации, количество гроз в год, скорость разложения органического вещества (опадо-подстилочный коэффициент, интенсивность фотохимических реакций. Факторы, определяющие возможность и интенсивность закрепления в ландшафтах продуктов техногенеза или их метаболитов 233 Показатели интенсивности закрепления продуктов техногенеза в почвах, грунтах и их исходная емкость щелочно-кислотные и окислительно- восстановительные условия, сорбционная емкость, количество гумуса, тип геохимических арен (открытые замкнутые, контрастные неконтрастные), геохимические барьеры, минералогический состав почв и грунтов, исходный запас элементов, участвующих в техногенных потоках, процессы надмерзлотной ретинизации. - Показатели локальных выпадений продуктов техногенеза из атмосферы - количество и продолжительность туманов в год, число и продолжительность штилей в год. Изменение отдельных факторов геохимической устойчивости (подкисление, подщелачивание, затопление и др) может нарушить относительно устойчивое состояние техногенных ландшафтов и привести к сравнительно быстрой вторичной мобилизации токсичных веществ из загрязненных компонентов ландшафта (взрыву. Учитывая потенциальную опасность таких процессов, возникла концепция "химических бомб замедленного действия" (Chemical time bombs), направленная на изучение механизмов подобных изменений и путей предотвращения вторичного загрязнения среды уже накопленными поллютантами (В. Стиглиани, Г. Хекстра и др. 17.11. Ландшафтно - геохимический мониторинг. Во многих странах проводится экологический мониторинг — слежение за состоянием природных систем и их изменением под воздействием антропогенных нагрузок. Важной составной частью этого мониторинга является геохимический мониторинг, те. наблюдение за геохимическими параметрами природных и техногенных ландшафтов. Фоновый геохимический мониторинг заключается в наблюдении за распределением и поведением химических элементов и соединений в ландшафтах вне сферы влияния локальных источников загрязнения. Он занимает важное место в международных программах по окружающей среде ЮНЕСКО и проводится главным образом на фоновых станциях и биосферных заповедниках. Фоновый мониторинг дает информацию не только о локальных параметрах конкретных ландшафтов станций и заповедников. Проводимый на единой методической основе во многих странах, он позволяет оценивать глобальные изменения природной среды. Поэтому фоновый мониторинг иногда называют глобальным Без определения содержания элементов в окружающей среде, которое было до гло- бально-регионального (фонового) загрязнения, невозможно оценить уровень техногенного загрязнения. Кроме традиционных геохимических методов изучения ландшафтов и их компонентов при этом используются специфические приемы и объекты. С этой же целью проводят анализ льдов, погребенных почв, волос и костей человека, старых вини т.д. Импактный геохимический мониторинг - это слежение за региональными локальным антропогенным воздействием в местах кризисных экологических ситуаций — городах, промышленных центрах, зонах радиоактивного загрязнения и т.д. По иерархии экосистем мониторинг делится на комплексный (экосистемный, геосистемный) и компонентный атмосферный, водный, биологический, почвенный. Существует несколько методов геохимического мониторинга. Метод кларков. Так называются исследования распространенности химических элементов в различных природных средах от глобальных геосфер до локального уровня (ландшафтов, экосистем. Концепция распространенности химических элементов и кларки элементов в литосфере, гидросфере и биосфере рассмотрены в I части. Для целей мониторинга необходимо учитывать глобальные и региональные кларки элементов, а также локальные уровни их содержания в воздухе, породах, почвах, водах и растениях в районе станций фонового мониторинга. Кларки являются 234 геохимической константой, отражающей фоновое распределение элементов и соединений, без знания которого невозможна оценка импактного воздействия. Кларки литосферы, гидросферы, живого вещества и особенно региональные уровни содержания элементов постоянно уточняются, детализируются для отдельных районов, типов горных породи почв, классов вод, систематических групп растений. Публикуются сводки геохимических данных по этим средам. Получены новые материалы о распределении в природных компонентах не только отдельных химических элементов, но и их соединений, в том числе искусственного и техногенного происхождения пестицидов, полихлорбифенилов, полициклических ароматических углеводородов и др. Наряду с достоинствами (массовость, сопоставляемость) метод кларков имеет и недостатки. Прежде всего это излишняя обобщенность данных, полученных в результате статистической обработки, малая степень сепарации геохимических материалов. Самос главное, он не даст целостного представления о геохимических и биогеохимических процессах в таких сложных системах, как природные и тем более техногенные ландшафты. Анализ геохимической структуры ландшафта анализ) . Фоновый и импактный мониторинг должен базироваться на изучении миграции химических элементов в ландшафтах, учитывать роль и место геохимических барьеров и зон выщелачивания в распределении элементов, на представлениях об элементарных и каскадных ландшафт- но-геохимических системах (см.часть I). Сложная радиальная и латеральная геохимическая структура ландшафта требует использовать при мониторинге не только метод кларков, результатом которого является определение геохимического фона отдельных компонентов ландшафта, но и характера взаимоотношений элементов между компонентами и подсистемами ландшафта. В связи с этим для оценки геохимического состояния и ответных реакций природных ландшафтов на внешнее воздействие используются представления о фоновой геохимической структуре ландшафта, отражающие характер связей между различными компонентами (МА. Глазовская, НС. Касимов). Как показано в части I, выделяются радиальная (R) и латеральная (L) структуры, описываемые с помощью разнообразных ландшафтно-геохимических коэффициентов. В природно-техногенных и техногенных ландшафтах фоновая геохимическая структура трансформирована в техногенную структуру, для которой характерно нарушение не только фонового содержания элементов, но и типов их перераспределения, а также компонентных, внутрикомпонентных и межландшафтных связей между ними. Фоновые и техногенные геохимические структуры должны устанавливаться для отдельных регионов с учетом зонально-провинциальной и локальной ландшафтно- геохимической типичности (центральные, типичные части регионов) и уникальности (пограничные районы, экотоны, дельты реки др. территории, лито-, палео- и биогеохимической дифференциации ландшафтов, степени их геохимической автономности, подчиненности и латеральной контрастности, близости к техногенным источниками т.д. Описанные методы мониторинга, как правило, применяются в статике и направлены на геохимическую оценку более стабильных компонентов -пород, почв, донных отложений, частично растений. Характеристика гидро- и биогеохимических циклов элементов. Различные ландшафты имеют не только определенную радиальную и латеральную геохимическую структуру, но и свойственные только им типы атмо-, гидро- и биогеохимического круговорота и баланса веществ. Нарушение того или иного типа круговорота и баланса веществ, появление дисбаланса часто являются индикатором антропогенного воздействия. Модели круговорота веществ лучше разработаны для локального уровня (элементарные ландшафты, биогеоценозы) на основе информации, получаемой при стационарных исследованиях. Модели глобальных циклов элементов носят ориентировочный характер. Ив томи в другом случае значительно более полная информация имеется о 235 циклах кислорода, азота, углерода, фосфора, серы и других макроэлементов. Циклы микроэлементов, пестицидов, ПАУ, полихлорбифенилов и других органических веществ изучены еще слабо. Часто данных недостаточно для описания полного миграционного цикла элементов и соединений в природной системе. Тогда важное значение приобретают многолетние или сезонные наблюдения за параметрами, особенно имеющими высокую динамичность и вариабельность (воздух, вода. Изучение динамики фоновых ландшафтов является первым необходимым шагом решения одной из самых актуальных проблем наук об окружающей среде разработки теории и прикладных аспектов устойчивости и ответных реакций природных систем на антропогенное воздействие. Существуют два направления исследования состояний ландшафтов для целей мониторинга. Первое из них пользуется как бы методом кларков, нос учетом временных изменений параметров. Это направление в целом преобладает сейчас в программе фонового геохимического мониторинга в биосферных заповедниках и на фоновых станциях. Выполнен большой объем измерений различных показателей, в ряде случаев показаны их колебания в зависимости от природных и техногенных факторов. Одним из наиболее детальных таких исследований является фоновый мониторинг полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) - группы приоритетных загрязнителей, осуществленный Лабораторией природной среды и климата (в настоящее время Институт глобальной экологии и климата) совместно с кафедрой геохимии ландшафтов и географии почв географического факультета МГУ в некоторых биосферных заповедниках и фоновых станциях Центральной и Восточной Европы, Средней Азии и Сибири (Ф.Я. Ровинский, ТА. Теплицкая, ТА. Алексеева). Этот мониторинг выявил пространст- венно-временную изменчивость содержания ПАУ, связанную с удаленностью фоновых станций от источников загрязнения, сезонными циклами поставки ПАУ в окружающую среду и интенсивностью их разложения. Установлен ясно выраженный тренд концентраций ПАУ в воздухе и почвах от Центральной Европы (Восточная Германия, Венгрия) к наименее загрязненным в Евразии районам Северо-Востока Сибири. Временная изменчивость содержания ПАУ связана с увеличением их поступления в атмосферу в зимний период, когда возрастает поставка ПАУ тепловыми станциями, а также с более интенсивным разложением ПАУ летом. В этих исследованиях пока слабо учитывается локальная пространственная дифференциация параметров, механизмы миграционных и транслокаци- онных процессов и потоки веществ между блоками и компонентами ландшафта. Второе направление исследований анализ фонового функционирования ландшафта на основе изучения потоков и балансов вещества и энергии, биогеохимических круговоротов элементов. Данное направление не является специфическим для геохимии ландшафта и наибольшее развитие получило в экологии, биогеоценологии и почвоведении, где установлены фундаментальные закономерности энергетических и биогеохимических циклов на локальном и глобальном уровнях. Оптимизация техногенеза. Для реализации экономики, исключающей загрязнение окружающей среды, расхищение и разрушение производительных сил, необходима разработка теории оптимизации ноосферы, те. создания оптимальных техногенных ландшафтов для различных природных районов. Для техногенных ландшафтов исключительно характерны положительные обратные связи, действие которых определяет быструю эволюцию ландшафтов. Однако в отдельных случаях, к сожалению нередких, именно положительные связи приводят к загрязнению среды, эрозии почв, образованию оврагов и другим нежелательным последствиям. Преобладание положительных обратных связей над отрицательными часто делает техногенные ландшафты неустойчивыми, ослабляет самоорганизацию и саморегуляцию. Отрицательные обратные связи, напротив, стабилизируют ландшафт, делают его саморегулирусмым. И отрицательные обратные связи могут быть нежелательными, например, когда они препятствуют развитию, достижению поставленных целей. Таким образом, оптимизация требует такого сочетания положительных и отрицательных обратных связей, которое обеспечивает и развитие, и устойчивость (стационарность) ландшафта. По своей сущности техногенные ландшафты еще более чем биогенные относятся к управляемым системам. Для их функционирования необходим единый центр, из которого осуществляется управление. Однако нередко они не имеют такого центра и заводы, поля, транспортные артерии и другие части управляются из самостоятельных центров. Это и приводит к ослаблению отрицательных обратных связей, самоорганизации, саморегулирования, загрязнению среды. Поэтому с системных позиций централизации техногенных ландшафтов - одна из самых важных практических задач организации территории в каждом ландшафте должен быть центр управления, регулирующий взаимоотношения между его частями, решающий задачу оптимизации. Такие задачи давно уже разрабатываются в экономической географии, начиная с классических работ Н.Н. Баранского и Н.Н. Колосовского. Их методологию и опыт важно учитывать ив геохимии ландшафта. |