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 выделяется в виде тепла.

Рис.17.2. Превышение техногенного перемещения элементов над выносом их речным стоком (по данным О.П. Добродеева)

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 СО₂. Ежегодное потребление угля и нефти добавляет в атмосферу до 9х10⁹ т СО₂. При современных темпах через 50 лет содержание СО₂ 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.

С распашкой почв, дроблением пород, руд и т.д. связано запыление атмосферы, которое может способствовать похолоданию климата. В этом же направлении действует вулканизм.

17.3. Информационные особенности техногенеза. При техногенезе вландша наряду с водными, воздушными биотическими и биокосными связями возникли новые социальные (между общественными группами людей) и природно-социальные, которые приобрели важнейшее значение. В техногенных ландшафтахпреобладает специфическая "социальная информация", намного расширились скорость и способы ее передачи (печать, радио, телевидение и т.д.). Произошел информационный взрыв, хотя биологическая информация часто уменьшается.

Потеря природной информации с избытком компенсируется ростом техногенной. В целом в геохимическом отношении техногенные ландшафты разнообразнее природных. Рост разнообразия в ноосфере, уменьшение в ней энтропии сопряжены с огромным увеличением энтропии в земной коре - рассеянием месторождений полезных ископаемых, сжиганием угля, нефти, горючих сланцев и газов, распадом ядер урана и плутония.

17.4. Эволюция техногенеза. В первобытном обществе эффект техногенеза был незначительным, но уже в государствах античного мира, коренным образом изменивших ландшафт долин крупных рек, техногенез стал важным геохимическим фактором. Поэтому этап геологической истории, начавшийся около 8000 лет назад, В.А. Зубаков предложил называть технозойским, или техногеем.

В XX в. техногенез стал главным геохимическим фактором на поверхности Земли. По Е.М. Сергееву, ежегодно добывается около 100 млрд. т минерального сырья и каустобиолитов, горные и строительные работы перемещают не менее 1

км³ горных пород, что соизмеримо с денудационной работой рек. В.А. Ковда подчеркивал, что "диспергирование и эолизация вещества суши" ведут к возрастанию геохимической роли поверхностной энергии, сорбции. Мощность производства удваивается каждые 15 лет. Поэтому существенное отличие ноосферы от биосферы — огромное ускорение геохимических процессов.

17.5. Загрязнение окружающей среды. Это важное и нежелательное следствие техногенеза. Ярким примером служат т.н. "кислотные дожди". Они связаны с работой серно-кислотных суперфосфатных, медепавильных и ферросплавных заводов, котельных ГРЭС, ТЭЦ, бытовых топок, которые выбрасывают в воздух много SO₂.

Последний, 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 техводоемах, рН которых понизился до 4,0. В канадской провинции Онтарио из-за кислых дождей, поступающих из США, стали безжизненными более 148 озер.

Полагают, что в среднем около 30% окислов серы атмосферных осадков имеет техногенное происхождение (в умеренной зоне Северного полушария до 50%). Кислые дожди характерны и для отдельных регионов России.

Следуя закону Вернадского о ведущей геохимической роли живого вещества, М.А. Глазовская предложила незагрязненными считать такие биокосные системы, в которых колебания концентрации и баланс форм нахождения техногенных веществ не нарушают газовые, концентрационные и окислительно-восстановительные функции живого вещества, не вызывают нарушения биогеохимических пищевых цепей, количества и качества биологической продукции, не снижают ее генетическое разнообразие. Нарушение названных условий означает техногенную трансформацию или разрушение природной системы.

Загрязнение среды серьезная проблема XX в.

17.6. Техногенные процессы. Известно два геохимических типа техногенной миграции (рис.17.3).

Рис. 17.3. Геохимические типы техногенной миграции

Техногенная миграция, унаследованная от биосферы, но измененная в

ноосфере. Так же, как и в биосфере, в техногенных ландшафтах протекает биологический круговорот, 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", применимы и к техногенезу. Для характеристики техногенных ландшафтов часто используют 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[23]. В течение немногих десятилетий отрабатываются крупнейшие месторождения Fe, Си, Рв, Zn и т.д. Заключенные в них атомы мигрируют на тысячи километров, пересекают океаны и континенты.

Геохимическая классификация техногенных процессов. Техногенные процессы могут систематизироваться по режимам (постоянные, периодические, катастрофические), модулям нагрузки на среду, объемам выбросов, источникам загрязнения, химическому составу выбросов, стоков и т.д.

Н.П.Солнцева разработала классификацию техногенеза, связанного с добычей и переработкой полезных ископаемых. Эта классификация учитывает типы ответных реакций природных систем на техногенез. С некоторыми дополнениями и изменениями она показана на рис. 17.4. Кроме того, можно различать техногенные и природно-техногенные процессы. Их соотношение показано на рис. 17.5.

Техногенные источники загрязнения. По A.M. Рябчикову, ежегодно в мире создается около 20 млрд. т промышленных отходов, столько же сельскохозяйственных и до 4 млрд. т бытовых. В среднем количество мусора ежегодно возрастает на 2 - 3%. Среди источников загрязнения особенно важно учитывать источники промышленных узлов и городов.

Рис.17.4. Схема техногенных и природно-техногенных геохимических процессов при добыче ипереработке полезных ископаемых.

условиями. Характерное для ноосферы металлическое состояние Fe, Al, Cu, 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. Наконец, чужды биосфере 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.

Рис.17.5. Соотношение природных, природно-техногенных и техногенных процессов, миграции, ландшафтов.

Геохимия городской среды наряду с природными условиями определяется количеством техногенных расположением, мощностью и качественным составом загрязняющих веществ. Наиболее опасная экологическая ситуация складывается в крупных промышленных центрах, где происходит кумулятивное воздействие на природную среду и человека различных производств, транспорта, муниципальных и других отходов. 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.

Рис. 17.6. Систематика техногенных отходов.

Техногенные отходы подразделяются на жидкие и твердые (преднамеренно собираемые и депонируемые), 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). При мониторинге техногенные отходы делятся на организованные -поступающие в окружающюю среду через специальные устройства (трубы, факелы, очистные сооружения, накопители шлаков, 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.

Промышленные отходы. С выбросами и стоками в крупных промышленных городах 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. 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 - В, Be, Mo, As, a также полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) 3,4 бензпирен 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 электротехнический 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 РЬ, Си, Сг, 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
Мп; переработка лома цветных металлов As; металлообработка V;

производство никелевого концентрата - - Ni, Сr, Со; алюминия - Al, Be, F, ПАУ и др.).

Нефтеперерабатывающая, нефтяная, 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.

Таблица 17.1

Состав продуктов сгорания нефти, попутного газа и конденсата Юрубчено-Тохомского месторождения (Битнер, 2010)

Вид топлива	Выход по компонентам, мг/г
СО2	СО	NO	SO2	CH	Сажа

Нефть 2500 69 0,8 0,5 60 77

Конденсат 3000 6,3 0,4 0,5 10

Газ 2500 1.0 6,7 - 15

Таблица 17.2

Летучие органические продукты горения конденсата

Вещество	Выход, мкг/г	Вещество	Выход, мкг/г
2-метидпентан 2,34 3-метидпентан 1,17 гексан 14,3 этилциклобутан 1,5 бензол 14,9 2,3-диметилгексан 5,2 гептан 50,4 метидцикдогексан 4,18 2-метидгептан 10.7 метидбензол 11,02 3-метидгептан 8,85 1,3-диметилциклогексан 3,0 2.3-диметидгептан 50,l 2,6-диметилгептан 1,5	1-этил-1-метилциклопентан 2,13 2,5-диметилгептан 1,0 4-метилоктан 13,2 3-метилоктан 10,0 не идентифицировано 1,34 нонан 24,2 пропилциклогексан 2,34 3-метилнонан 2,18 2-диметилнонан 2,0 не идентифицировано 1,17 2,3,4-триметилгептан 2,67 2-метилнонан 2.67 3-метилнонан 2,0 2,4-диметилгептан 5,0

Летучие органические соединения, идентифицированные в нефти и конденсатах имеют очень широкий спектр. Всего 69 соединений (рис. 17.7), среди которых метилбензол, 1,2 - диметилбензол, нонан, декан, ундекан имеют выход более 20 мкг/г. Спектр летучих органических соединений в продуктах сгорания конденсатов уже (табл. 17.3). Доминирующими веществами в продуктах сгорания являются гептан, 2.3-диметилгептан и нонан.

Рис. 17.7. Летучие горючие продукты горения нефти Юрубчено-Тохомского месторождений (Битнер, 2010г.)

Таблица 17.3

Летучие органические продукты горения конденсата

Вещество	Выход, мкг/г	Вещество	Выход, мкг/г
2-метидпентан 2,34 3-метидпентан 1,17 гексан 14,3 этилциклобутан 1,5 бензол 14,9 2,3-диметилгексан 5,2 гептан 50,4 метидцикдогексан 4,18 2-метидгептан 10.7 метидбензол 11,02 3-метидгептан 8,85 1,3-диметилциклогексан 3,0 2.3-диметидгептан 50,l 2,6-диметилгептан 1,5	1-этил-1-метилциклопентан 2,13 2,5-диметилгептан 1,0 4-метилоктан 13,2 3-метилоктан 10,0 не идентифицировано 1,34 нонан 24,2 пропилциклогексан 2,34 3-метилнонан 2,18 2-диметилнонан 2,0 не идентифицировано 1,17 2,3,4-триметилгептан 2,67 2-метилнонан 2.67 3-метилнонан 2,0 2,4-диметилгептан 5,0

Летучие неорганические компоненты сгорания тяжелых фракций нефти Красноярского края судя по данным исследования её микрокомпонентного состава могут содержать хром, мышьяк, цинк, никель, медь и их соединения. Большинство из них (мышьяк, никель, хром и их соединения) концерогенные.

Перечисленные пять элементов и их соединения плохо перерабатываются природой и пагубно влияют на все живые организмы. Например, при высоких содержаниях свинца гибнет почвенная микрофлора и поражаются дыхательные пути человека. Сжигание нефтей и веществ загрязненных нефтью способствуют загрязнению биосферы изотопами Sr⁸⁹, S⁹⁰ (Безпалый, 1992.)

При температурах термической переработки нефти сера, дегидрируя УВ, образует H₂S. Сульфиды и дисульфиды при этом распадаются, также образуя H₂S. Остаточная сера объединяет те соединения, которые при температурах переработки нефти не вступают в реакции. Отсюда следует, что H₂S при термической переработке образуется тем больше, чем меньше в ней остаточной серы.

Рис. 17.8. Удельный вес различных сернистых соединений нефти (в % по отношению к общей сере, принятой за 100% (Никитин, 1980)

Некоторые химические производства кроме газов поставляют в среду многие микроэлементы: коксохимия - Hg - n.1000 КК; производство лакокрасочных изделий - Hg, Cd - n.1000-n.10000КК; синтетического каучука - Сr - n.100. С заводами по производству фосфорных удобрений связаны высокие уровни загрязнения Р, редкими землями, Sr, F; азотных удобрений - соединениями N и т.д.

Целлюлозно-бумажные комбинаты. Они требуют много воды, и со стоками поступают сероводород, фенолы и другие органические загрязнители, представляющие серьезную экологическую опасность для водоемов.

Гидрометаллургические заводы (ГМЗ). Независимо от применяемой технологии основными источниками загрязнения природной среды остаются сбросовые воды гидрометаллургических процессов, емкости подготовки сырого рассола, устройства для промывки сорбента (в случае применения сорбционных технологий), склады химических реагентов и готовой продукции, погрузо-разгрузочные площадки, нагнетательные скважины, электро- и теплоагрегаты, жилищно-бытовой комплекс.

По предварительным оценкам рассолов региона состав стоков при применении известных сорбционных и изотермических технологий ожидается в расчете на средне статистический рассол следующим: на магниево-литиевом цикле (переделе), г\дм³: лития хлорид - 0.026, натрия хлорид - 120.5, кальция хлорид - 210,5, стронция хлорид - 2.7, калия хлорид - 28.3, бром - 3.6, растворитель технический; на кальций бромном производстве, мг/дм³: бром - 380-680, трибутилофосфат меньше 0.01, растворитель экстракционный деароматизированный - меньше - 0.05. ПДК по органическим растворителям и ТБФ - 0.02 мг/дм³ .

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.

Ядохимикаты. Они 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").

Коммунально-бытовые отходы (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.

Свалки также 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, Си, 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.

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, Си, 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. По абсолютной массе твердые отходы опережают выбросы.

Электроэнергетика. Одна из отраслей развивающихся параллельно с развитием человечества стремительными темпами и несущая существенную лепту в трансформацию природных сред. В табл. 4 представлены некоторые удельные показатели загрязнения окружающей среды. Например, при сжигании канско-ачинского угля на Березовской ГРЭС-1 в атмосферу выбрасывается зола, окислы азота, окислы серы, окислы углерода, что оказывает существенное влияние на воздушный бассейн не только района расположения ГРЭС, но, учитывая значительную мощность выбросов, и на прилегающие к этому району территории. Высокие дымовые трубы ГРЭС обеспечивают рассеивание загрязняющих веществ в ближайшей зоне до концентраций на уровне ПДК и ниже, но формируют при этом медленно убывающие с расстоянием приземные концентрации. Только на удалении 100-110 км от источника приземные концентрации снижаются до 5% их максимальной величины.

По отчетным данным ОАО «Березовская ГРЭС-1» количество выбросов вредных веществ и углекислого газа в атмосферу в 2000 году составило 6788515,6 т. Выход золошлаковых отходов за 2000 год составил 171193 т. Всего за прошедший период эксплуатации на золоотвалах накоплено 13112749 т золы.

Таблица 17. 4

Загрязнение природных сред при производстве энергии различными способами

Индикатор	Единицы измерений	Гидроэнергетика	Уголь	Газ
Мировой опыт	БоГЭС, НПУ-208 м	Мировой опыт	Канско-Ачинский бассейн	Мировой опыт	Западная и Центральная Сибирь
Использование воды	м^3/кВт*ч		6,2		2,55*10^-3		-
Теплота сгорания	МДж (кг/м^3)		-		27,7		36,8
Образование вскрышных пород	м^3/кВт*ч		-		0,25*10^-3		-
Золошлакообразование	т/кВт*ч		-		0,024*10^-3		-
Выбросы парниковых газов	г CO2/кВт*ч		4,02		980,0	460,5	575,0
Возможность снижения выбросов за счет изменений в технологии: Наименьший исходный показатель/ наименьший будущий показатель	г CO2/кВт*ч	10/5		900/130		405/255
Утрата ассимиляционного потенциала	г СО2/кВт*ч		13,8		0,12		0,21
Выбросы SO2	г/кВт*ч		-		1,88	0,85	0,85
Выбросы NOx	г/кВт*ч		-	2,5	1,59	3,5	0,47
Взвешенные вещества	г/кВт*ч		-	1,1	0,71		-
Сброс загрязняющих веществ	м^3/кВт*ч		-		0,01		-
Растворенный кислород	мг/дм^3		0-1,2		-		-
«Экологический след»	м^2/кВт*ч		4,9*10^-3		0,2*10^-3		0,1*10^-3

17.7. Технофильность и другие показатели техногепеза. По мере развития человеческого общества в техногенез вовлекается все большее число химических элементов (рис.17.9). В древности использовались лишь 18 элементов, в XVIII в. - 28, в XIX 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.).

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, 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 с распространенностью в земной коре, т.е. с кларком. Как бы ни ценилось Аu, его добыча никогда не сравняется с добычей Fe, т.к. кларк Аu 4.3.10^-7%, a Fc - 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, Та и Nb, U и Mo, Ti и Zr. Но есть и различия: С1 и F, К и Na, Ca и Mg и др.

Технофильность очень динамична. По А.Е. Ферсману, добыча основных металлов за XIX век увеличилась примерно в 100 раз. К 1934 г. среднее ежегодное потребление за 15 - 30 лет увеличилось: Al, Cu, Mo, W, К, Не - в 200 - 1000 раз; Fe, С, Ми, Ni - в 50 - 60 раз; Zn, Pb, Na+Cl, S, N, Р, Аu - в 1 5 - 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 (А1, Си, редкие металлы) и элементы сельского хозяйства (N, Р, К)", писал Ферсман в 1934 г. Многие выводы

ученого подтверждаются и в настоящее время.

А.И.Перельманом рассчитана технофильность для середины 60-х годов. С
этого времени технофильность большинства элементов росла менее интенсивно. 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 редкихэлементов — Th, In, Ilf, Nb, Zr, Be, Ga. Выявилась новая тенденция рост технофильности С1, В, 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 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, С, Ni, Fc, J, U, Al, Mn, В. 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, чем у Ca, Ba, Na, Cl, Cu, Pb, Zn, Sn, Ni, Mo, Hg. 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 М.А.
Глазовская, отметившая, что для культурных ландшафтов характерно
"ожелезнение", возрастание относительной роли Си (по сравнению с Zn), Ni
(относительно Со) и т.д. Человечество "перекачивает" на земную поверхность
химические элементы, сосредоточенные в гидротермальных и других глубинных
месторождениях. В результате ландшафт обогащается Pb, Hg, Cu, Zn, Sb и
другими элементами. По О.П. Добродееву, из недр ежегодно извлекается больше
ряда химических элементов, чем вовлекается в биологический круговорот: Cd -
более чем в 160 раз, Sb- 150, Hg -110, Pb- 35, F -15, U- 6, Sn - 6, Cu -4, Mo - 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) 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^-3т/км², в Молдавии, где
широко применяются фосфорные удобрения, - 8,2.10^-1т/km². 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, Аu,
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 СО₂ 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 Ванкорском месторождении.

В результате открытых газоводопесчаных выбросов в районе скважин 1 и 2 Ванкорского месторождения образовались кратеры диаметром более 60 и 10 м соответственно, заполненные соленой водопесчаной пульпой. Вода в кратерах имеет хлоридный натриевый состав и минерализацию 15,8 – 39,4 г/л.

В более мелких кратерах, промываемых талово-дождевыми сто­ками, минерализация вод снижается и в августе 1991 г. она состав­ляла 1,4-1,9 г/л.

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 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 выброса в скважине 2 ста­ло более интенсивным. Через 2 года (в апреле 1990 г.) площадь, в пределах кото­рой фиксировались грифоны составила около 35 км² (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 м/с., по­казали присутствие УВ в воздухе 3-4% вблизи не горящих грифонов.

Рис.17.10. Схема выходов газа в атмосферу на Ванкорсокй площади (по В.В.Турбину, Е.М.Сергию и др., 1990)

1-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 км² 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 по следующим 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).

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.17.12. Схема антропогенных нарушений Ванкорской площади

1- 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 1,0 млн.м³/сут; экс­периментальной выход продуктов сгорания (по аналогии): СО₂ -2500, СО - 1,0; NО - 6,7; СН - 15 кг/т; время работы скважины в режиме неуправляемого фонтанирования 55 сут., в режиме управ­ляемого фонтанирования - 25 сут.; плотность газа - 0,680 кг/м³; масса выбрасываемого топлива - 54400 т. Исходя из этих данных покомпонентные выбросы составляют: для СО₂ - 20,04; СО - 0,008; NO - 0,05; СН - 0.12 кг/с.

Прогнозная оценка массы выброса для случая газового фонтана 1,0 млн. м³/сут приведена в таблице 17.5 ниже.

Таблица 17.5.

Масса ЗВ от нерегулируемого газового выброса дебитом до 1,0 млн.м³/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 до 4000 м³ соленой водопесчаной смеси и до 70 м³ 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 не велики и они, главным образом, повышают пожарную опасность территории в летний сезон.

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.).

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 (в водах), атмогеохимические (в атмосфере, снеге), биогеохимические (в организмах). Последние подразделяются на фито-, зоо- и антропогеохимические аномалии.

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 А.И. Обуховым показано, что основными факторами, влияющими на ПДК тяжелых металлов в почвах, являются их щелочно-кислотные свойства и содержание гумуса, определяющие устойчивость почв к загрязнению этими элементами. Для кадмия и свинца зависимость между рН почв и ПДК почти линейная, т.е. 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 М.А.

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; III 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 запыленнос ть снежного покрова (среднесу­точная нагрузка 250- 450 кг/км^3). Содержание Рb в почве более 100 мг/кг
II. Высокий, опасный	Превышение ПДК комплекса загрязняющих веществ (пыль, оксиды углерода к азота, сернистый ангидрид)-, содержание отдельных металлов I 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 (Pb, Hg, Cd) с Кс > 10. Содержание Рb 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 металл ов	Очень высокий уровень загрязнения почв (Zc > 128) и снега (Zc > 256). Содержание Рb 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.

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 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 (Н.И. Кригер), других техногенных процессах.

Известны зоны сернокислого, кислого и прочего техногенного выщелачивания.

Зоны выщелачивания возникают как в результате целеустремленного технологического воздействия на почвы и горные породы (выщелачивание из руд и др.), так и за счет косвенного, иногда отдаленного по времени 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. По данным ЮНЕП, за последние 20 лет на северо-востоке США и в 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 выпадениям, и столь заметного понижения рН в них не наблюдается.

Загрязнение озер тяжелыми металлами (Hg, Cd, Pb, Сu) 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 и в 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 вод или содержащихся в водах ядохимикатов. Другой формой щелочного барьера является известкование кислых почв, препятствующее выносу многих катионогенных 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 вод и условий жизни водных организмов), может быть вредно для загрязняющихся почв и почвенной

фауны на участках барьеров.

17.10. Геохимическая устойчивость и геохимическая совместимость техногенных систем определяет 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, т.е. 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 с ними подкисление вод и 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 и сходным характером техногенной геохимической трансформации были названы М.А. Глазовской технобиогеомами. Она выделила три основные группы факторов геохимической устойчивости.

Факторы, определяющие интенсивность выноса и рассеяния продуктов техногенеза:

- Показатели, характеризующие рассеяние и вынос продуктов техногенеза из

атмосферы — осадки и скорость ветра по сезонам.

Показатели, характеризующие скорость миграции и вынос продуктов техногенеза 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:

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, т.е. 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 глобально-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 вин и т.д.

Импактный геохимический мониторинг - это слежение за региональным и 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 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 пород и 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 (RL-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 ландшафтно-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 (М.А. Глазовская, Н.С. 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 рек и др. территории), лито-, палео- и биогеохимической дифференциации ландшафтов, степени их геохимической автономности, подчиненности и латеральной контрастности, близости к техногенным источникам и 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 стац

Дата добавления: 2014-01-07