Объем в часах
 Скачать 1.96 Mb.
|
|
Часть планеты, охваченная техногенезом, представляет собой особую систему – ноосферу. В. И. Вернадский писал в 1944 г.: “Ноосфера есть новое геохимическое явление на нашей планете. В ней впервые человек становится крупнейшей геологической силой. Он может и должен перестраивать своим трудом и мыслью область своей жизни, перестраивать коренным образом по сравнению с тем, что было раньше. Перед нами открываются все более и более широкие творческие возможности”. Изучение геохимии ноосферы и техногенеза составляет теоретическую основу рационального использования природных ресурсов, охраны природы и борьбы с ухудшением качества окружающей среды. Эти исследования быстро развиваются. Многие теоретические проблемы техногенеза на базе геохимии ландшафта разработаны М. А. Глазовской. В разработке проблем ноосферы особенно важен контакт с другими науками, в частности с экономической географией, к чему призывал Ю. Г. Саушкин. Его идеи о преобладании территориальной концентрации над территориальным рассеянием, о поляризации различных участков ноосферы и другие важны и для геохимии окружающей среды. Интересна мысль ученого о своего рода “нервных узлах” ноосферы – огромных концентрациях ученых, студентов, библиотек, сокровищ культуры в столичных и университетских городах, крупных промышленных центрах. Все же в целом концепция ноосферы разработана слабо, хотя не вызывает сомнений основной тезис В. И. Вернадского и А. Е. Ферсмана – человечество стало мощной геохимической силой. В ноосфере происходит грандиозная миграция атомов. Ежегодно перемещаются миллиарды тонн угля, нефти, руд и стройматериалов. В течение немногих лет рассеиваются месторождения полезных ископаемых, накопленные природой за миллионы лет. С продукцией сельского хозяйства и промышленности атомы мигрируют на огромные расстояния. С экспортом и импортом зерна в мире ежегодно мигрируют миллионы тонн К, сотни тысяч тонн Р и N, что лишь в 10 – 100 раз меньше ионного стока рек в океан. Н. Ф. Глазовский показал, что вывоз N, Р и К с зерновой продукции только с территории степной зоны России и Казахстана соответствует ионному стоку этих элементов в Каспийское море. По О. П. Добродееву масштабы многих процессов техногенеза превышают природные: ежегодно из недр извлекается больше металлов, чем выносится с речным стоком: Рв – почти в 70 раз, Сr – в 35, Сu – в 30, Р – в 20, Fе, Мn – в 10, Zn – в 5, Аl – в 3 раза и т.д. Только при сжигании угля освобождается больше металлов, чем выносится с речным стоком (V – в 400 раз, Мо – в 35, С – в 20 раз и т.д.). Существенное отличие ноосферы от биосферы – огромное ускорение геохимических процессов. 3 Энергетика техногенеза Как и в биосфере, в ноосфере используется текущая солнечная энергия, огромное значение приобретает также солнечная энергия былых биосфер, заключенная в ископаемом топливе – углях, горючих газах, сланцах, нефти. Используется и энергетический источник, чуждый биосфере, – атомная энергия. Поэтому для техногенных ландшафтов характерна еще большая неравновесность, чем для природных, создаются предпосылки для более высокой самоорганизации, хотя незнание ее законов часто приводит к уменьшению устойчивости ландшафтов, деградации природы. Часть используемой в ноосфере энергии производит работу, другая в соответствии со вторым законом термодинамики неизбежно обесценивается и выделяется в виде тепла. Пока эффект техногенного разОГАРЕВА невелик – в 25 тыс. раз меньше солнечной радиации. Однако в крупных городах техногенное тепло уже достигает 5 % от солнечного излучения. Главная причина – отопление жилых домов и промышленных предприятий. По М. И. Будыко, увеличение производства энергии от 5 до 10 % в год приведет к тому, что через 100 – 200 лет техногенное тепло будет соизмеримо с величиной радиационного баланса земной поверхности. При этом могут произойти громадные изменения климата. Месторождения угля, нефти и газа отрабатываются за десятки лет. В результате углерод снова соединяется с кислородом и входит в состав СO2. Ежегодное потребление угля и нефти добавляет в атмосферу до 9 . 109 т СO2. При современных темпах через 50 лет содержание СO2 удвоится и температура земной поверхности за счет парникового эффекта может повыситься на 4 °С. К техногенным парниковым газам относятся также метан, закись азота, фреоны, озон и др. В результате парникового эффекта возможно частичное растопление льдов Антарктики и Арктики, затопление приморских низменностей и другие положительные и отрицательные последствия. Громадная скорость процессов ставит сложные проблемы глобального воздействия на атмосферу с целью стабилизации климата. С распашкой почв, дроблением пород, руд и т.д. связано запыление атмосферы, которое может способствовать похолоданию климата. В этом же направлении действует вулканизм, но наиболее опасна возможность ядерной войны, которая помимо роста радиации чревата т. н. “ядерной зимой”. 4 Два геохимических типа техногенной миграции Выделяют два геохимических типа техногенной миграции: 1. Техногенная миграция, унаследованная от биосферы, но измененная в ноосфере. Так же, как и в биосфере, в техногенных ландшафтах протекает бик, элементы мигрируют в водах и атмосфере. Это позволяет устанавливать ряды миграции, типоморфные элементы, коэффициенты биологического поглощения. Такие понятия, как “биомасса”, “ежегодная продукция”, “дефицитные и избыточные элементы”, приложимы и к техногенезу. Для характеристики бика техногенных ландшафтов можно использовать коэффициент К. В результате орошения пустынь, осушки болот, строительства гидростанций, использования подземных вод в ноосфере изменяется и круговорот воды. Дефицит пресной воды становится одной из наиболее актуальных проблем. Затрачивая энергию на опреснение морской воды, очистку водопроводной воды, уменьшение ее жесткости и т.д., человечество выступает в роли антиэнтропийного фактора. По сравнению с биосферой для ноосферы характерно еще более грандиозное рассеяние элементов, которые концентрировались природой на протяжении геологической истории. Это увеличивает энтропию. В течение немногих десятилетий отрабатываются крупнейшие месторождения Fe, Сu, Рв, Zn и т.д. Заключенные в них атомы мигрируют на тысячи километров, пересекают океаны и континенты. 2. Техногенная миграция, чуждая биосфере. В ноосфере протекают и химические реакции, находящиеся в резком противоречии с природными условиями. Характерное для ноосферы металлическое состояние Fе, Аl, Сu, Zn и других металлов не соответствует физико-химическим условиям земной коры. Человек здесь уменьшает энтропию и тратит много энергии, чтобы получить и содержать металлы в свободном состоянии. Во все большем количестве производятся химические соединения, в биосфере не существовавшие, обладающие свойствами, неизвестными у природных материалов (искусственные полимеры, пластмассы и т.д.). Новым является производство атомной энергии, получение радиоактивных изотопов. Биосфере чужды экспорт – импорт и др. виды миграции, подчиняющиеся социальным законам. Для характеристики подобных процессов недостаточно старых понятий и методов, необходимы новый понятийный аппарат и новые подходы к исследованиям. Лекция № 13 Тема: ТЕХНОГЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ 1. Загрязнение окружающей среды. 2. Промышленные отходы. 3. Химизация почв. 4. Коммунально-бытовые отходы. 1 Загрязнение окружающей среды Важным и нежелательным следствием техногенеза является загрязнение окружающей среды. Катастрофические экологические ситуации, связанные с загрязнением окружающей среды, характерны для многих стран, в том числе и для нашей страны. Роль геохимии окружающей среды в решении данных вопросов очень велика. С геохимических позиций изменение химических свойств среды, не связанное с естественными природными процессами, является загрязнением. С медико-биологической точки зрения под загрязнением подразумевают появление или количественное изменение в окружающей среде тех или иных ее свойств: физических (шум, радиация, электромагнитные поля, вибрация) или химических (загрязняющие вещества), уровень проявления которых может оказать неблагоприятное воздействие на условия жизни. При таком понимании загрязнение может возникнуть не только антропогенным способом, но и в связи с естественными природными причинами (пыльные бури, извержение вулканов, месторождения полезных ископаемых и т. д.). Под источником загрязнения может подразумеваться как вид человеческой деятельности (электротехническое производство, поливное овощеводство), так и конкретные объекты деятельности (завод, свалка, транспорт) или материальные носители загрязняющих веществ (отходы производства, минеральные удобрения). Ярким примером загрязнения окружающей среды служат т.н. “кислотные дожди”. Они связаны с работой серно-кислотных суперфосфатных, медепавильных заводов, котельных ГРЭС, ТЭЦ, бытовых топок, которые выбрасывают в воздух много SO2, а также с выбросами вулканов. Диоксид серы, окисляясь и растворяясь в атмосферных осадках, дает серную кислоту. “Кислые дожди” увеличивают число легочных заболеваний, осложняют земледелие, разрушают памятники архитектуры. Принос ветрами в Скандинавию SO2 из Англии и ФРГ привел к вымиранию лососей (рыба исчезала в тех водоемах, рН которых понизился до 4). В канадской провинции Онтарио из-за кислых дождей, поступающих из США, стали безжизненными более 148 озер. Полагают, что в среднем около 30 % SO42- атмосферных осадков имеет техногенное происхождение (в умеренной зоне Северного полушария до 50 %). Кислые дожди характерны и для отдельных регионов России. Техногенные процессы можно систематизировать по различным показателям: режимам (постоянные, периодические, катастрофические), модулям нагрузки на среду, объемам выбросов, источникам загрязнения, химическому составу выбросов, стоков и т.д. Главными источниками загрязнения являются не утилизированные промышленные и коммунально-бытовые отходы, содержащие токсичные химические элементы. Особенностью городов является наложение полей загрязнения различных производств и видов хозяйственной деятельности и формирование полиэлементных техногенных геохимических аномалий в воздухе, снежном, почвенном и растительном покровах, поверхностных и грунтовых водах. Техногенные отходы подразделяются на преднамеренно собираемые и депонируемые отходы (жидкие и твердые), стоки (поступающие в окружающую среду в виде жидких потоков, содержащих твердые взвешенные частицы) и выбросы (рассеяние в атмосфере загрязняющих веществ в твердой, жидкой и газообразной формах). Преднамеренно собираемые и депонируемые отходы (жидкие и твердые) представляют собой ту часть отходов человеческой деятельности, которая собирается с целью захоронения на свалках и депонирования на полигонах – накопителях для последующей утилизации. Довольно часто общее понятие «отходы» относят именно к складируемым отходам. Стоки – часть жидких отходов, которые рассеиваются в окружающей среде. Они обычно состоят из дисперсной среды (жидкой фазы раствора) и дисперсной фазы (взвешенные вещества). Очень часто наиболее значительное загрязнение связано именно с дисперсной фазой. Выбросы – часть отходов, рассеиваемая в атмосфере. Выбросы обычно двухфазны и состоят из воздушно-газовой смеси и твердых частиц (воздушной взвеси, пыли, аэрозолей). При мониторинге техногенные отходы делятся на организованные — поступающие в окружающую среду через специальные устройства (трубы, факелы, очистные сооружения, шлаконакопители, отвалы), поддающиеся контролю и неорганизованные (утечки и выбросы загрязняющих веществ в системах трубопроводов, канализации, при авариях, перевозке отходов и т.д.), постоянный контроль которых затруднен. Важной частью геохимического загрязнения окружающей среды является выявление и количественная оценка источников загрязнения. Большие работы по геохимическому анализу источников загрязнения, особенно концентрации в отходах микроэлементов, выполнены Ю.Е. Саетом с сотрудниками. 2 Промышленные отходы С выбросами и стоками в крупных промышленных городах в окружающую среду поступают ежегодно сотни тысяч и даже миллионы тонн загрязняющих веществ. Особую опасность представляют отходы с высокими концентрациями токсичных химических элементов и их соединений, иногда в сотни и тысячи раз превышающими их средние содержания в биосфере. В зависимости от структуры промышленного производства в окружающую среду поступают различные ассоциации загрязняющих веществ. Автотранспорт и теплоэнергетика по объему поллютантов занимают одно из первых мест и поставляют в атмосферу продукты сгорания угля, нефти, газа и их производных — мазута, бензина и др. Основными поллютантами являются оксиды углерода и азота, сернистый ангидрид, пыль, нефтепродукты, токсичные микроэлементы. У автотранспорта это Pb, Cd, Hg, Zn и др., в теплоэнергетике – B, Be, Mo, As, а также полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) – 3,4 бензпирен, 1,12 бензперилен и др., которые включают канцерогены и мутагены. Техногенные аномалии ПАУ образуются вокруг промышленных предприятий, нефтяных промыслов, угольных шахт, автодорог и т.д. (Т.М. Белякова, Ю.И. Пиковский, Ф.Я. Ровинский, В.Н. Флоровская и др.). С электротехнической промышленностью связано загрязнение среды полихлорированными бифенилами (ПХБ). Металлургия и металлообработка. Особенно высокие концентрации тяжелых металлов содержатся в выбросах и осадках очистных сооружений гальванических производств, где концентрации Cd, Bi, Sn и Ag в тысячи, а Pb, Cu, Cr, Zn и Ni в сотни раз выше кларков литосферы. Высокими кларками концентрации характеризуются также предприятия по переработке цветных металлов, машиностроительные и металлообрабатывающие заводы, инструментальные цехи, пыли которых отличаются самой широкой ассоциацией загрязнителей (W, Sb, Cd, Hg – тысячи КК; Pb, Bi, Zn, Cu, Ag, Zn и As – сотни и десятки КК). Отдельные производства имеют специфические загрязнители (сварка и выплавка спецсплавов – Mn; переработка лома цветных металлов – As; металлообработка – V; производство никелевого концентрата – Ni, Cr, Co; алюминия – Al, Be, F, ПАУ и др.). По Ю.Е. Саету, в осадках очистных сооружений гальванических производств большого города содержалось 1,5 % Cr, 1,0 % Cu, 0,9 % Zn, 0,6 % Sn, 0,3 % Ni и т.д. Ежегодно образуется до 1000 т таких осадков. Нефтеперерабатывающая, химическая промышленность поставляют в окружающую среду главным образом газообразные соединения – оксиды азота, углерода, диоксид серы, углеводороды, сероводород, хлористые и фтористые соединения, фенолы и др., содержания которых иногда в десятки и сотни раз превышают предельно допустимые концентрации (ПДК) в атмосфере. Некоторые химические производства кроме газов поставляют в среду многие микроэлементы: коксохимия – Hg – n.1000 КК; производство лакокрасочных изделий – Hg, Cd – n.1000 – n.10000 КК; синтетического каучука – Cr – n.100. С заводами по производству фосфорных удобрений связаны высокие уровни загрязнения P, редкими землями, Sr, F; азотных удобрений — соединениями N и т.д. Целлюлозно-бумажные комбинаты требуют много воды. Стоки представляют серьезную экологическую опасность для водоемов (поступают сероводород, фенолы и другие органические загрязнители). Стройиндустрия. В целом она отличается меньшими концентрациями в отходах химических элементов. Среди предприятий значительной техногенной нагрузкой на среду выделяются цементная промышленность, производство огнеупорного кирпича и теплоизоляционных изделий, в пыли которых содержание Sb, Pb, Ag, иногда Hf и Hg достигает сотен КК. 3 Химизация почв Химизация почв заключается в использовании ядохимикатов, минеральных удобрений и орошении загрязненными водами. Внесение в почвы минеральных удобрений является главным видом агротехногенного воздействия. Основными отрицательными последствиями применениюя минеральных удобрений является концентрирование потенциально токсичных и канцерогенных соединений азота в растительной продукции и эвтрофикация водных систем. Фосфорные удобрения обогащены широкой ассоциацией элементов-примесей: As, F (КК = 10 – 25); Y, Sn, Cd, Ce (КК = 5 – 10). Большую опасность представляет использование в качестве удобрений и мелиорантов промышленных и бытовых отходов. Ядохимикаты широко применяются в сельском хозяйстве, лесной промышленности и других отраслях хозяйства. Некоторые представляют большую опасность, как, например, ныне запрещенный ДДТ, который был обнаружен даже в кишечнике пингвинов Антарктиды. Существенно, что многие насекомые привыкают к ядам, а менее выносливые животные от них гибнут. Чрезвычайно опасен диоксин (полихлорированное полициклическое соединение), широко применявшийся в качестве гербицидов в ряде стран, а также во время войны во Вьетнаме в 1961 – 1972 гг. (диоксин входит в состав печально знаменитого “орандж эйджент”). Некоторые пестициды и и сейчас являются органно-минеральными соединениями, содержащими Zn, Cu, Mn, B. В сельском хозяйстве Японии ежегодно используется до 1000 т ртути, в США – 400 т. Значительное загрязнение поверхностных вод при их использовании для орошения сельскохозяйственных земель, приводит к загрязнению почв и выращиваемой на них сельскохозяйственной продукции. Особенную опасность представляет использование для орошения промышленных и коммунально-бытовых стоков. 4 Коммунально-бытовые отходы Коммунально-бытовые отходы включают бытовой мусор, канализационные осадки, илы городских очистных сооружений. По степени концентрации и комплексу химических элементов-загрязнителей они не уступают промышленным отходам. Особенно высоки концентрации химических элементов в выбросах мусоросжигательных заводов, являющихся вторичными источниками загрязнения в городах. По Саету и др., концентрация Ag, Pb, Cd, Sn в пыли с электрофильтров одного из таких заводов составляет более 100 КК, Pb, Zn, Sb, Cr – от 100 до 500 КК. Эти и аналогичные образования можно рассматривать в качестве техногенных руд. Свалкитакже являются вторичными источниками загрязнения. На некоторых из них за многие годы накопилось много разнообразных бытовых, а иногда и промышленных отходов. Грунты свалок и высачивающийся из толщи отходов фильтрат обогащены в десятки и сотни раз по сравнению с фоновыми почвами Zn, Cu, Sn, Ag, Pb, Cr и другими элементами. Развевание материала свалок и просачивание стоков ведет к загрязнению окружающих почв, поверхностных и подземных вод. Нередко свалки расположены в черте города и создают для него опасность, особенно в результате их спонтанного возгорания. По данным исследований выполненных сотрудниками МГУ им. Н. П. Огарева на территории Кадошкинской свалки, по сравнению с фоновыми значениями в почвах наблюдается накопление олова (Кс = 5517), меди (Кс = 300), свинца (Кс = 172), серебра (Кс > 15), цинка (Кс = 10), хрома (Кс = 4,6), никеля (Кс = 4,3), бария (Кс = 2,7) и молибдена (Кс = 1,5). Осадки сточных вод городской канализации накапливаются на полях аэрации на окраине города и обычно используются как удобрения. Однако обогащенность этих осадков многими токсичными металлами (в среднем Ag – 1000 КК, Cd – 300 КК, Bi, Zn, Cu, Cr и др. – десятки КК) требует большой осторожности при их применении в сельском хозяйстве. Осадки сточных вод промышленных городов загрязнены значительно слабее. В целом по степени аномальности относительно кларков литосферы первое место занимают выбросы предприятий (в пыли особенно сильно концентрируются W, Sb, Pb, Cd, Ni), немного меньше или сопоставима с ними нагрузка от отходов, третье место в ряду аномальности занимают стоки. Но по абсолютной массе твердые отходы опережают выбросы. Большое число и неравномерность размещения техногенных источников в сочетании с природными условиями создают сложную картину геохимических полей и аномальных зон на территории промышленных городов. Идентификация техногенных источников в крупном городе – более сложная задача по сравнению с отдельно стоящими узкоспециализированными предприятиями в малых городах и поселках. Поэтому инвентаризация техногенных источников – одна из важнейших задач эколого-геохимической оценки городов. Лекция № 14 Тема: ПОКАЗАТЕЛИ ТЕХНОГЕНЕЗА. ГЕОХИМИЧЕСКИЕ АНОМАЛИИ 1. Показатели техногенеза. 2. Законы распределения химических элементов в подсистемах ландшафта. 3. Техногенные геохимические аномалии. 4. Количественные показатели загрязнения. 1 Показатели техногенеза По мере развития человеческого общества в техногенез вовлекается все большее число химических элементов. В древности использовались лишь 18 элементов, в ХVIII в. – 28, в ХIХ в. – 62, в 1915 г. – 71, 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 (90Sr, 131J и др.). Масштабы ежегодной добычи колеблются от миллиардов тонн для С (уголь, нефть) до десятков тонн для Tl, Pt, Th, Ga, In, т.е. 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 c распространенностью в земной коре, т.е. с кларком. Как бы ни ценилось Au, его добыча никогда не сравняется с добычей Fe, т.к. кларк Au 4.3 ∙ 10-7 %, а Fe – 4,65 %. Si и Ge – химические аналоги, но кларк Si – 29,5 %, а Ge – 1,4 ∙ 10-4 %. Если у Ge был бы такой же высокий кларк, то он имел бы такое же широкое применение, как и Si, т.е. 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 (А.И. Перельман). Многие химические элементы-аналоги с разными кларками и размерами добычи обладают одинаковой или близкой технофильностью, т.е. в единицах кларков человечество извлекает их из недр практически пропорционально их распространенности в земной коре. Это Cd и Hg, Ta и Nb, U и Mo, Ti и Zr. Но есть и различия: Cl и F, K и Na, Ca и Mg и др. Технофильность очень динамична. По А.Е. Ферсману, добыча основных металлов за ХIХ век увеличилась примерно в 100 раз. К 1934 г. среднее ежегодное потребление за 15 – 30 лет увеличилось: Al, Cu, Mo, W, K, He – в 200 – 1000 раз; Fe, C, Mu, Ni – в 50 – 60 раз; Zn, Pb, Na+Cl, S, N, P, Au – в 15 – 40 раз; Ag, Sn, U, Co, Hg – менее 10 раз. «Особый рост добычи в последние годы обнаруживают металлы, связанные с металлургией железа (Fe, Mn, Mo, W, Cr, Ni), элементы электротехники и воздухоплавания (Al, Cu, редкие металлы) и элементы сельского хозяйства (N, P, K)», – писал Ферсман в 1934 г. Многие выводы ученого подтверждаются и в настоящее время. За счет увеличения добычи нефти и газа продолжался, но не столь сильно, как прежде, рост технофильности углерода, производство фосфорных удобрений, доломита, магнезита привело к увеличению технофильности фосфора и магния. Научно-техническая революция, развитие космической техники, электроники и теплоэнергетики в 5 – 10 раз увеличили технофильность редких элементов – Th, In, Hf, Nb, Zr, Be, Ga. Выявилась новая тенденция – рост технофильности Cl, B, J, S, а также некоторых щелочных и щелочноземельных металлов – Li, Sr, Ba. В первом случае это связано с производством хлорорганических соединений, серосодержащих газов и сульфидных руд, а во втором – производством ядерного топлива, алюминия, апатитов, фосфорных удобрений и др. Сопоставление ежегодного мирового производства химических элементов не с кларками, а известными запасами в земной коре показывает долю их извлечения из разведанных месторождений полезных ископаемых. По сравнению с запасами больше всего добывается Au 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 Cr, C, Ni, Fe, J, U, Al, Mn, B. Невелика доля извлечения K, Ti, Cl, Mg и Zr – 0,0n – 0,000n. По сравнению с добычей практически неисчерпаемы ресурсы H, Na, Ca, Si, Br. Чрезвычайно низко по сравнению с запасами (n ∙ 10-5 %) 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. Помимо технофильности предложены и другие количественные характеристики техногенеза. Так, отношение технофильности элемента (с учетом содержания его в углях) к его биофильности (на суше) М.А. Глазовская назвала деструкционной активностью элементов техногенеза (Д), которая характеризует степень опасности элементов для живых организмов. Для Hg Д = n ∙104 – n ∙ 105, для Cd и F – n ∙ 103, для Sb, As, U, Pb – n ∙ 102, 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/км2. Например, модуль Р в Дальневосточном районе составляет 7,7 ∙ 10-3 т/км2, в Молдавии, где широко применяются фосфорные удобрения, – 8,2 ∙ 10-1 т/км2. Модуль К колеблется от 8,2 ∙ 10-3 в Западной Сибири до 2,1 т/км2 в южных районах России, т.е. в 250 раз. В бассейнах Черного, Азовского и Балтийского морей техногенное давление К и S превышает речной сток этих элементов, на реках других бассейнов отношение обратное, но во 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, Au, 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 В.С. Аржанова) и др. 2 Законы распределения химических элементов в подсистемах ландшафта Если на содержание химического элемента в почве, коре выветривания, водах, организмах и других подсистемах ландшафта влияет большое число равновероятных случайных независимых друг от друга причин, то распределение элемента подчиняется нормальному закону, графическим выражением которого служит кривая Гаусса. При нормальном распределении наиболее вероятным значением служит среднее арифметическое х, которое совпадает с модой (наиболее распространенным значением) и медианой (среднее значение в ранжированном ряде величин). Правда, построение кривых на основе опытных данных, как правило, позволяет говорить лишь о приближении к нормальному закону, т.е. об аппроксимации (рис. 14.1).  Рисунок 14.1 - Кривая нормального (гауссовского) распределения [3] К параметрам нормального распределения, кроме среднего арифметического х, относится также величина S или среднее квадратичное отклонение, которое характеризует разброс изучаемой величины. Важным показателем является и коэффициент вариации: V = (S / x) 100. Расчет по формуле Гаусса показывает, что при нормальном распределении в пределах х±S находится 68,3 % значений. Если же пользоваться величиной ±3S, то в ее пределах будет уже 99,7 % значений, т.е. можно быть уверенным, что из 1000 значений за этим пределом будет не более трех. Следовательно, если распределение элементов в системе подчиняется нормальному закону, то с вероятностью 99,7 можно считать, что все значения в пределах х±3S будут относиться к данной совокупности, данной системе и различия между ними определяются случайными причинами. Значения, отличные от х±3S будут относиться к геохимическим аномалиям (Са), т.е. принадлежать уже к другой совокупности, другой системе. Поэтому за нижний предел аномальности Са нередко принимают величину Сф + 3S (“правило трех сигм”): Са ≥ Сф + 3S, где Сф – фоновая концентрация (среднее арифметическое). При Са ≥ х + 3S аномалия положительна, а при Са < х – 3S отрицательна. Опытным путем установлено, что существуют геохимические аномалии, соответствующие и менее “жестким критериям”: Са ≥ Сф + 2S или даже Са ≥ Сф + S. Распределение химических элементов, аппроксимирующееся нормальным законом, наблюдается в некоторых минералах, породах, почвах, водах. Однако чаще распределение подчиняется логарифмически нормальному (логнормальному) закону – нормальное распределение характерно не для самой величины, а для ее логарифма. Параметрами в этом случае будет уже не среднее арифметическое, а среднее геометрическое (x) и сигма логарифмированных значений признака (e). Соответственно “жесткий” критерий аномальности будет Са ≥ Сф.e3, а более мягкие: Са ≥ Сф.e2 и Са ≥ Сф.e. Распределение разных элементов в одних и тех же объектах нередко подчиняется разным законам. Так, если распределение К в некоторых микроклинах и мускрвитах аппроксимируется нормальным законом, то распределение Li, R и Cs – логнормальным. Это объясняют разной ролью элементов в решетке – К элемент “хозяин”, а Li, R и Cs – изоморфные примеси. Н. К. Разумовский, установил, что распределение многих редких и рассеянных элементов в изверженных породах подчиняется логнормальному закону, – по его мнению, “основному закону геохимии”. Обсуждение этого вопроса многими учеными показало, что логнормальный закон по своей значимости не может претендовать на роль основного закона геохимии. Из сказанного следует, что данные о содержании химических элементов в ландшафте необходимо распределить на однородные совокупности. 3 Техногенные геохимические аномалии Выявление техногенных аномалий является одной из важнейших эколого-геохимических 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 (Са) 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 рассеяния. 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 СO2 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 и т.д. Сравнительно локальные источники загрязнения, сливаясь, могут привести к образованию техногенных аномалий регионального масштаба (крупные промышленные города, их агломерации). По влиянию на окружающую среду техногенные аномалии делятся на три типа (А.И. 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 Со и 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.). По среде образования техногенные аномалии делятся на литохимические (в почвах, породах, строениях), гидрогеохимические (в водах), атмогеохимические (в атмосфере, снеге), биогеохимические (в организмах). Последние подразделяются на фито-, зоо- и антропогеохимические аномалии. 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). 4 Количественные показатели загрязнения Понятие аномальности тесно связано с представлениями о геохимическом фоне. При оценке техногенных аномалий фоновые территории выбираются вдали от локальных техногенных источников загрязняющих веществ, как правило, более чем в 30 — 50 км. 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: Zс = Σ 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. Оценка загрязнения атмосферы химическими элементами в зимний период времени проводится на основе анализа пыли накопленной снегом. При анализе твердых атмосферных выпадений помимо коэффициентов концентрации металлов и суммарного показателя загрязнения, рассчитывается суммарное выпадение твердого вещества – пылевая нагрузка (Рn). Расчет пылевой нагрузки производился по формуле: Pn = P / (S · t ), где P – вес твердого вещества, содержащегося в снеговой пробе, кг; S – площадь отбора снежной пробы, км2; t – время, прошедшее с момента установления устойчивого снежного покрова, сут. При эколого-геохимическом анализе изучаемой территории важно знать не только суммарную пылевую нагрузку, но и массу того или иного химического элемента выпавшего с пылью. Для этого определяется общая техногенная нагрузка элемента (Рi) по формуле: Рi = Pn · Сi, где Pn – суммарная пылевая нагрузка, кг/км2 в сут.; Сi – концентрация i-того элемента в снеговой пыли, мг/кг. Аналогично суммарному показателю загрязнения, для снеговой пыли рассчитывается коэффициент относительного увеличения общей нагрузки элемента (Кр) по формуле: Кр = Рi / Рф, где Рф – фоновая нагрузка исследуемого элемента, мг/км2 в сут. Фоновая пылевая нагрузка определялась по формуле: Рф = Сф * Рnф, где Сф – фоновая концентрация исследуемого элемента в пыли, мг/кг; Рnф – фоновая пылевая нагрузка, кг/км2 в сут. Обобщающим показателем учитывающим, как концентрацию химических элементов в выпавшей пыли, так и массу этих выпадений, является суммарный показатель нагрузки Zp (Методические рекомендации …, 1990), который рассчитывается по формуле: Zp = Σ Кр - (n - 1) По величине суммарного показателя загрязнения почв и снега, пылевой нагрузке и суммарному показателю нагрузки выделяются территории с разными уровнями загрязнения (табл.14.1). |