ГЕОХИМИЯ (БИОГЕОХИМИЯ) ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕД

Министерство образования и науки Украины
Харьковский национальный университет
им. В.Н. Каразина
Программа авторского курса
"ГЕОХИМИЯ (БИОГЕОХИМИЯ)
ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ"
для высшей школы.
Часть 1
Зарицкий П.В.
Харьков 2003
1. Оглавление
1.
Оглавление ...............................................................................................................2
2.
Аннотация.................................................................................................................2
3.
Список рекомендуемой литературы ......................................................................6
4.
Введение ...................................................................................................................7
5.
Земная кора.............................................................................................................13
6.
Литосфера ...............................................................................................................20
7.
Атмосфера ..............................................................................................................26
8.
Гидросфера .............................................................................................................37
9.
Баланс энергии в атмосфере и гидросфере и антропогенное воздействие на
климат .................................................................................................................................48
10. Биосфера и ее геохимическая роль ......................................................................54
11. Техническая деятельность человечества как геохимический фактор ..............60
12. Почвы и их геохимическая роль...........................................................................67
13. Геохимическое изучение почв с целью решения вопросов сельского хозяйства
и здравоохранения .................................................................................................................71
14. Миграция химических элементов и ее факторы в зоне гипергенеза ................77
15. Геохимия ландшафта. Геохимические барьеры .................................................85
16. Научно-методологические основы изучения окружающей среды ...................91
17. Технология геохимических работ по изучению окружающей среды ............103
18. Геохимическое изучение окружающей среды городов ...................................107
19. Геохимическое изучение сельскохозяйственных территорий ........................117
20. Геохимическое изучение горнопромышленных территорий ..........................121
21. Научно-техническая революция и будущее природы......................................125
2. Аннотация
Курс рассчитан на 81 час (36 – лекции, 18 – практические занятия, 27 –
самостоятельная работа студентов) и читается студентам 3-го курса по специальности
«Экология».
1. Введение. Актуальность проблемы охраны природы. Дефицит профессиональных
кадров. Негативные последствия научно-технической революции. Необходимость
создания единой системы науки о природе и человеке. Содержание и задачи курса.
2. Земная кора. Современные представления о «земной коре». Строение и состав.
Понятие об «окружающей среде», «геохимических системах», «геохимическом фоне»,
«геохимических природных и антропогенных аномалиях». Происхождение геосфер
земной коры.
3. Литосфера. Границы и строение (поверхности Мохоровичича и Конрада).
Сверхглубокое
бурение
литосферы
(СГ-3).
Верхняя
мантия
и
астеносфера.
Континентальный и океанический типы земной коры (литосферы). Краткая история
2
изучения химического состава литосферы и земной коры в целом. Основной
геохимический закон Гольдшмидта. Формы нахождения химических элементов в
земной коре. Способность химических элементов к концентрации и рассеянию.
Постоянен ли химический состав геосфер и земной коры в целом?
4. Атмосфера. Строение, состав и происхождение. Главные, второстепенные и
микрокомпоненты атмосферы. История и геохимическая роль кислорода, азота,
углекислоты и других компонентов. Ксенокомпоненты, в том числе и антропогенные
загрязнители
атмосферы.
Геохимическая
роль
атмосферы
в
современной
геологической эпохе.
5. Гидросфера. Строение и состав. Классификация природных вод. Воды Мирового
океана и источники солей в них. Поверхностные воды суши и ледники. Подземные
воды. Происхождение воды на Земле. Уравнение водного баланса в гидросфере.
Круговороты воды на Земле. Геохимическая роль воды в земной коре. Химический
состав природных вод и факторы его формирования. Антропогенные изменения
химического состава природных вод и его последствия.
6. Баланс энергии в атмосфере и гидросфере. Роль разных источников энергии
(космической и эндогенной). Антропогенное воздействие на климат. Роль Мирового
океана в регулировании термического режима на Земле.
7. Биосфера. Учение о «биосфере» В.И. Вернадского. Границы биосферы –
оболочки (а не геосферы). Понятие о «мегабиосфере» Н.Б. Вассоевича. Особенности
химического состава живых организмов, биологического круговорота химических
элементов. Функции биосферы. «Геохимический принцип сохранения жизни на
планетах» А.Б. Ронова. «Закон Вернадского» А.И. Перельмана. Зарождение жизни в
океане, ее распространение, в связи с изменением содержания кислорода в атмосфере,
на другие геосферы земной коры (точки Юри, Пастера, Беркнера-Маршалла). Развитие
понятия о «биосфере».
8. Техническая деятельность человека и ее геохимические последствия. Темпы
научно-технического прогресса и появление центральной проблемы современной
экологической ситуации – проблемы загрязнения окружающей среды. Техногенные
потоки вещества в биосфере и ноосфере. Необходимость создания новой отрасли
науки – технической геологии.
9. Почвы и их геохимическая роль. Факторы почвообразования. Составные части
почвы и их роль в функционировании почвы, изменение ее химического состава.
Формы нахождения химических элементов в почвах, осадках и породах, их влияние на
3
миграционную способность элементов, доступность их растениям. Геохимические
аномалии в почвах.
10. Геохимическое изучение почв с целью решения вопросов сельского хозяйства и
здравоохранения. «Биогеохимические провинции» А.П. Виноградова. «Закон возврата»
Ю. Либиха. Роль микро- и макроэлементов в поддержании и улучшении плодородия
почв.
Работы
Я.В. Пейве.
Эндемические
заболевания
живых
организмов.
Относительность «химической свободы» человека от окружающей среды. Химическое
здоровье почвы – условие поддержания не только ее плодородия, но и здоровья
человека.
11. Миграция химических элементов и ее факторы в зоне гипергенеза, в зоне
взаимодействия геосфер земной коры и биосферы. Источники энергии гипергенной
миграции элементов. Внутренние и внешние факторы миграции. Техногенная
миграция элементов. Формы миграции, влияние антропогенного загрязнения на
круговороты элементов в природе. Трофическая цепочка и «правило трофической
пирамиды». Приспособление минеральных веществ к изменениям параметров внешней
среды. «Постулат Оствальда». «Принцип действия и противодействия Ле-Шателье».
12. Геохимия ландшафта. Геохимические барьеры. Краткая история возникновения
и развития «геохимии ландшафта». Работы В.В. Докучаева, В.И. Вернадского,
А.Е. Ферсмана, Б.Б. Полынова. Сферы приложения «геохимии ландшафта». Понятие
об «элементарном» и «местном геохимическом» ландшафтах, границах и структуре
(структурные элементы и ярусы) «элементарного ландшафта», «доландшафтных» и
«надландшафтных» уровнях, особенностях биологического и физико-химического
круговоротов
химических
элементов.
Понятие
о
направленности
изменения
химического состава и свойств ландшафта во времени. «Закон биологического
круговорота элементов» А.И. Перельмана. Роль рН и Eh в миграционной способности
элементов ландшафта. Классификация природных вод по рН и обстановок по Eh. Ряды
подвижности
элементов
способности
химических
по
Б.Б. Полынову.
элементов
в
Оценка
реальной
миграционной
водах:
коэффициенты
природных
талассофильности и водной миграции. Понятие о геохимических барьерах, их
основные типы. Техногенные геохимические барьеры. Побочные и искусственные,
механические,
комплексные
физико-химические
(двусторонние
и
(диффузионные
совмещенные),
и
инфильтрационные),
биогеохимические
техногенные
барьеры.
13. Научно-методические основы геохимического изучения окружающей среды.
Проблема антропогенного воздействия на природу – проблема геохимическая и
4
биогеохимическая. Теоретические и практические аспекты. Критическая оценка
концепции экологов «Римского клуба» о «пределах роста». Основные этапы
геохимического
изучения
окружающей
среды.
Природные
ландшафты,
агроландшафты, урболандшафты и их структурные элементы. Образование и
характеристика
антропогенных
геохимических
аномалий
(ореолов
и
потоков
рассеяния). Оценка результатов антропогенного геохимического воздействия на живые
организмы. Понятие о «биологических реакциях» и «пороговости», представление о
ПДК, «биологическом поглощении».
14. Технология геохимических работ по изучению окружающей среды. Общая
схема прикладных геохимических исследований, основные этапы и цели. Изучение
источников загрязнения, техногенных ореолов и потока рассеяния, отбор проб,
обработка результатов. Опробование снега. Отбор проб атмосферного воздуха.
Изучение неблагоприятных реакций населения на загрязнение окружающей среды.
15. Геохимическое изучение окружающей среды городов. Основные источники
загрязнения и общая оценка их воздействия. Аэрогенные ореолы рассеяния.
Атмохимические аномалии, техногенные ореолы и потоки рассеяния. Распределение и
форма миграций химических элементов в водных потоках рассеяния. Общая оценка
последствий загрязнения водных систем. Биогеохимическая и геогигиеническая оценка
техногенных
аномалий.
геохимической
практические
Состояние
структуры
здоровья
территории
возможности
городов.
использования
населения,
влияние
Методические
геохимических
на
него
особенности
методов.
и
Основные
практические рекомендации.
16. Геохимическое изучение сельскохозяйственных территорий. Агрогенные и
агротехногенные
геохимические
аномалии.
Техногенные
геохимические
преобразования агроландшафтов. Влияние сельского хозяйства на водные системы.
Возможности и практическое значение геохимических исследований этих территорий.
17.
Геохимическое
изучение
горнопромышленных
территорий.
Общая
характеристика проблемы изменения окружающей среды под воздействием горного
производства. Формирование естественных вторичных ореолов и потоков рассеяния
вокруг месторождений полезных ископаемых. Эксплуатируемые месторождения
полезных ископаемых как источник загрязнения окружающей среды и формирования
техногенных геохимических аномалий. Влияние горных работ на водный режим
территорий, состав атмосферы, на биосферу в целом, на население района. Экологогеохимическое
картирование
(составление
комплекта
геолого-экологических
и
эколого-геохимических карт), оценка внутреннего строения техногенных аномалий,
5
определение форм нахождения элементов-загрязнителей, оценка реакции растений и
биореакции населения на загрязнение окружающей среды.
18. Научно-техническая революция и будущее природы. Учение В.И. Вернадского о
«ноосфере» и современные представления о «ноосферных структурах». Насущные
проблемы геохимии техногенеза. Проблема полезных ископаемых («сырьевого
голода»).
Масштабы
и
тенденции
антропогенного
загрязнения
атмосферы,
гидросферы, поверхностной части литосферы, биосферы и ноосферы, его последствия
для будущего природы и человеческого общества.
3. Список рекомендуемой литературы
1. Беус А.А., Грабовская Л.И., Тихонова Н.В. Геохимия окружающей среды. – М.:
Недра, 1976. – 248 с.
2. Геохимия техногенных процессов. – М.: Наука, 1990. – 175 с.
3. Зарицкий П.В. Методические указания к новым разделам курса. − Геохимия. −
Харьков: ХГУ, I960. − С. 17–24. (Вопросы прикладной геохимии).
4. Зарицкий П.В. Геохимия. Текст лекций. − Харьков: ХГУ, 1985. – С. 3–20. ( По
вопросу: биосфера и ее геохимическая роль). Техническая деятельность человека как
геохимический фактор.
5. Зарицкий П.В. Геохимические методы анализа. Тексты лекций. − К.: УМКВО,
1986. – С. 31–44. (Происхождение геосфер земной коры).
6. Зарицкий П.В. Тексты лекций. Геохимия (биогеохимия) окружающей среды.
Машинопись. − Харьков, 1994–1996 г.г. − 139 с.
7. Зарицкий П.В. Геохимия окружающей среды. Учебное пособие. Гриф.
МОНУ. −Харьков: ХНУ, 2002. − 152 с.
8. Сает Й.Е., Ревич В.А., Янин Е.П. и др. Геохимия окружающей среды. – М.:
Недра, 1990. – 335 с.
Список дополнительной литературы
1. Барабанов В.Ф. Научно-техническая революция и судьбы природы. − Л.: Знание,
1979. – 36 с.
2. Бгатов В.И. История кислорода земной атмосферы.− М.: Недра, 1985. – 86 с.
3. Вернадский В.И. Несколько слов о ноосфере // Успехи современной биологии. −
Вып. 2 .− Т. 18. − 1944.
6
4. Временные методические рекомендации по геолого-экологическим работам в
пределах горнопромышленных районов Украины. −Донецк, 1992. – 103 с.
5. Глазовский Н.Ф. Техногенные потоки вещества в биосфере // Добыча полезных
ископаемых и геохимия природных экосистем. − М.: Наука. 1982. – С. 7–28.
6. Никонов А.А. Человек воздействует на земную кору. − М.: Знание. − Сер. Наука
о Земле, 1980.− № 5. – 48 с.
7. Новиков Э.А. Человек и литосфера. – Л.: Недра, 1976.– 142 с.
8. Перельман А.И. Геохимия ландшафта.– Изд. 2. − М.: Высшая школа, 1975. –
342 с.
9.
Прикладная
геохимия
в
геологии
и
экологии.
Тр.
Ленингр.
общ.
естествоиспытателей. −Л.: Изд-во ЛГУ, 1989. − Вып. 2. −Т. 80. − 173 с.
10. Сидоренко А.В. Человек, техника, Земля. − М.: Недра, 1976. – 66 с.
11. Химия окружающей среды. Пер. с англ. // Под ред. А.П. Цыганкова. – М.:
Химия, 1982. − 672 с.
12. Чернобаев И.П. Химия окружающей среды. Учебное пособие для студентов
технических и технологических специальностей вузов. – К.: Высшая школа, 1990. −
191 с.
13. Яншин А.Л. Без ссор с природой // Знание – сила. −1987. − № 4.
4. Введение
Проблема охраны окружающей среды в наши дни − одна из самых актуальных.
Понимание единства человека и природы, растущая угроза этому единству со стороны
неразумно развиваемой технологии постепенно привлекают к себе все большее
внимание общества, требуя уже сейчас принятия ряда неотложных мер.
Известно, что проблема эта не может быть решена без знания закономерностей и
характера распределения, циркуляции химических элементов в окружающей среде
(атмосфере, гидросфере, литосфере и биосфере). Другими словами, значение знания
геологии окружающей среды все возрастает.
Эти закономерности определяют тот геохимический фон, равновесие которого
может быть нарушено недостаточно продуманной хозяйственной деятельностью
человека.
Именно поэтому в нашем быстро меняющемся мире, переживающем НТР,
7
особенно интенсивно развиваются научные направления, изучающие химические
элементы и геохимическую методологию. К числу таких отраслей науки принадлежит
и геохимия окружающей среды, которая выросла на базе геохимии ландшафта.
Геохимия окружающей среды – это фактически ровесница научно-технической
революции, и за последние десятилетия она превратилась в развитое научное
направление с глубокими теоретическими основами, своими методами исследования,
различными практическими приложениями.
Хочется отметить, что геохимия ландшафта, в свое время новое научное
направление, возникла в нашей стране, и все эти годы наша страна удерживает
лидерство в мировой науке, хотя в последние годы, в связи с известными событиями,
это лидерство подвергается тяжелым испытаниям.
Тот факт, что геохимия ландшафта зародилась именно в нашей стране, далеко не
случаен. Два источника этой науки – геохимия и учение о ландшафте − развивались из
одного корня, из замечательной научной школы В.В. Докучаева. Создатели геохимии,
В.И. Вернадский и А.Е. Ферсман, вплотную подошли к изучению природы земной
поверхности. Основы же геохимии ландшафта как самостоятельного научного
направления заложил Б.Б. Полынов (1877–1952), который разработал понятийный
аппарат, методологию и конкретные методы новой науки, сформулировал ее задачи и
наметил перспективы развития.
В основе геохимии ландшафта лежит великая, плодотворная и диалектическая
докучаевская идея единства природы земной поверхности, говоря современным
языком, существование прямых и обратных связей между горными породами,
природными водами, газами и организмами. Эти связи формируют особую сложную
систему – ландшафт. Б.Б. Полынов понял и обосновал мысль, что для познания
сущности ландшафта, «души ландшафта» (как он любил говорить) наиболее
приемлема методология геохимии. Это изучение миграции химических элементов в
ландшафте или, если обобщить, в окружающей среде. «Миграция химических
элементов затрагивает и почвы, и воды, и растительность и связывает все эти «черты
ландшафта» между собой крепкой обратимой причинной связью»,– говорил ученый
(Б.Б. Полынов, Избр. − М., 1955, с. 430).
Эти идеи определяют перспективу развития учения о геохимии окружающей среды.
Уже сегодня это учение приобрело логическую стройность, четкую структуру,
разнообразный понятийный аппарат. Важнейшим теоретическим разделом геохимии
окружающей среды служат: учение о механической, физико-химической, биогенной и
техногенной миграции элементов, о биологическом круговороте атомов и круговороте
8
воды как специфических «механизмах ландшафта», биосферы в целом.
Важной причиной, способствующей быстрому развитию учения о геохимии
окружающей среды, является практическая потребность в нем общества.
С первых своих шагов геохимия ландшафта стала участвовать в разработке
геохимических методов поисков месторождений полезных ископаемых. В этой области
достигнуты весьма значительные успехи. На геологическом отделении нашего и
других университетов читается специальный курс «Геохимические методы поисков
месторождений полезных ископаемых».
В 50-х годах началось практическое применение теории геохимии ландшафта для
решения проблем сельского хозяйства, животноводства и здравоохранения. Были
созданы первые медико-геохимические карты практически для всей территории СССР,
хотя работы в этом направлении носят пока значительно более скромный характер, чем
в поисковой геохимии.
В 70-е годы четко определилась новая область практического приложения
геохимии ландшафта – ее использование при решении проблем окружающей среды.
Было показано, что моделью технологического загрязнения от локального источника
(город, предприятие и т.п.) может служить разрушающееся в природных условиях
рудное месторождение с характерными для него вторичными литохимическими,
гидро-, атмо- и биохимическими ореолами рассеяния. Так возникло представление о
соответствующих техногенных аномалиях (ореолах рассеяния). Стало очевидно, что
геохимия ландшафта является также теоретической основой и для решения многих
других проблем окружающей среды. Исследования в этой области приобрели большой
размах, началось составление геохимических карт городов, других техногенных
ландшафтов.
Я недавно вернулся из Донецка с Международной научной конференции
«Драгоценные и редкие металлы», где демонстрировалась геохимическая карта
Донецка. Было обнаружено, что в районах с преобладанием индивидуальной застройки
наблюдается особенно высокий фон загрязнения Fe и Mo (в 70 раз). Это связано с тем,
что отопление здесь ведется углем, а зола угля является источником загрязнения
территории рядом элементов.
Такие работы велись широким фронтом практически во всех республиках бывшего
Союза.
За рубежом геохимия ландшафта ориентировалась, в основном, на советский опыт,
во многих странах такие исследования велись специалистами, которые обучались в
СССР. Конечно, теперь там накоплен уже свой значительный опыт.
9
Без преувеличения можно сказать, что перспективы практического приложения
геохимии ландшафта в наши дни связаны, в первую очередь, с проблемами
окружающей среды. Поэтому крайне желательно, чтобы в каждом районе, на крупных
комбинатах, в больших городах были специалисты, в функции которых входил бы
геохимический мониторинг. Кроме того, необходима разработка системы мероприятий
для оптимизации окружающей среды на геохимической основе, например, создание
техногенных барьеров для локализации загрязнений. Необходимо расширить
геохимическое исследование городов, агроландшафтов, дорожных и техногенных
ландшафтов, ноосферы в целом.
К
сожалению,
сельскохозяйственные
территории
до
сих
пор
изучаются
геохимически слабо, что тормозит решение вопросов, возникающих, например, при
стихийном, несбалансированном орошении, применении удобрений и гербицидов и
т.п. Особенно необходимо внедрение геохимических методов при изучении
закономерностей
миграции
техногенных
веществ,
вносимых
с удобрениями,
ядохимикатами в агроландшафты.
В связи с расширением площадей орошаемых земель не только в аридных, но и в
субаридных областях, необходимо продолжить изучение геохимии легкорастворимых
солей.
Важно расширить применение геохимии в здравоохранении: при выяснении причин
региональных заболеваний (эндемические болезни), при изучении курортов, новых
рекреационных зон и т.п.
К сожалению, наиболее уязвимым местом в развитии и практическом применении
учения о геохимии окружающей среды является организационная проблема, в
частности, дефицит профессиональных кадров. Подготовка специалистов в данной
области ведется в недостаточном объеме, лишь на основе специализации географов
широкого профиля. А это не позволяет преподавать студентам в необходимой мере
многие дисциплины (например, общую геохимию). Не могу не выразить в этой связи и
сожаления по поводу того, что вы не слушали курса «Общее землеведение», хотя я
принимаю во внимание, что вам читался курс «Общая и инженерная геология и
гидрогеология».
Можно теперь представить, какая ответственность ложится на наш факультет и на
тех, кто избрал «экологию» своей специальностью – им предстоит компенсировать
имеющийся дефицит кадров.
Научно-техническая революция, небывалая по своим масштабам в истории
человечества, как-то незаметно, но быстро и цепко охватила все стороны нашей жизни,
10
а ныне стала неотъемлемой частью нашего бытия. Она, конечно, принесла
человечеству многие блага, но в то же время в результатах ее есть и негативные
моменты, которые угрожают самому существованию человечества. Судите сами:
1. Освоена практически вся поверхность планеты, и все 510 млн. км2 ее площади
стали ареной деятельности человека.
2. Человек вышел в космос, ступил на Луну, его космические корабли достигли
Венеры и Марса. Они прошли вблизи Меркурия, Юпитера и Сатурна, провели
«рандеву» с кометой Галлея и т.п.
3. Человек раздвинул границы своего обитания в такой степени, что ныне может
жить и успешно работать в любой точке поверхности Земли, месяцами в состоянии
невесомости в космосе, какое-то время в глубинах океана.
4. Человек вовлек в сферу своей деятельности все известные ресурсы, а некоторые
из них уже израсходовал в большей их части. Уже сейчас используются почти все
известные химические элементы, более 70 % почвы, пригодной для земледелия, более
40 % прироста лесов, порядка 15 % воды в стоках рек, более 70 % прироста популяции
основных промысловых рыб и т.п.
5. Отрицательные последствия (в виде загрязнения окружающей среды) вам хорошо
известны, и с этой проблемой мы будем неоднократно встречаться в нашем курсе.
Особенностью научно-технического прогресса является все убыстряющийся темп
движения вперед. Вот красноречивый пример: жизнь как устойчивая форма
существования белковых тел возникла на нашей планете не менее 3,5 млрд. лет назад.
За первые 3 млрд. лет она прошла в своем развитии путь от одноклеточных организмов
до членистоногих. А за оставшиеся полмиллиарда лет – от членистоногих до человека!
Более впечатляют темпы развития самого человека за последние 25 млн. лет.
Итак, 25 млн. лет тому назад, в неогене, впервые обособились самостоятельной
группой разумных существ – дриопитеков – человекообразные обезьяны, древние
предки человека. 22 млн. лет потребовалось дриопитекам для того, чтобы научиться
ходить на двух ногах и, тем самым, подняться в своем развитии на следующую
ступень – ступень австралопитеков. Ф. Энгельс по этому поводу писал: «Этим был
сделан решающий шаг для перехода от обезьяны к человеку».
Еще 2 млн. лет потратили люди палеолита, чтобы научиться делать изделия из
камня, остроконечники и скребки, первые каменные ножи, молотки. Это уже были
неандертальцы.
Полмиллиона лет потребовалось неандертальцам для открытия огня, изобретения
копий и дротиков, рыболовных крючков и стрел, для превращения зерен в муку,
11
использования красок, амулетов и украшений.
Из взятых нами 25 млн. лет до наших дней остаются 500–600 тыс. лет. Развитие
человеческого общества продолжается, но с явно ускоряющимся темпом. Теперь, вслед
за Г. Эйзельбергом (1960), представим это развитие в виде бега по дистанции в 60 км,
где каждый километр равен 10 тыс. лет: «Этот необычный бег выглядит так. Большая
часть пути пролегает через рощи и девственные леса и происходит без каких-либо
заметных перемен. Только в самом конце бега, когда остались позади 58–59 км,
появляются первые признаки культуры: примитивные орудия первобытного человека,
пещерные рисунки. Лишь на последнем километре появляются первые земледельцы.
За 300 м до финиша бегуны вступают на дорогу, покрытую каменными плитами,
которая ведет их мимо египетских пирамид и древнеримских укреплений. За 100 м до
конца на пути бегунов попадаются средневековые городские строения, они слышат
крики сжигаемых на кострах инквизиции. До финиша всего 50 м. Здесь человек с
умными и понимающими глазами. Это Леонардо да Винчи.
Осталось только 10 м. Они начинаются при свете факелов и тусклом мерцании
масляных ламп, но при броске на последних 5 м происходит ошеломляющее чудо:
электрический свет заливает дорогу, повозки сменяются автомобилями, слышен гул
самолетов, видно грибовидное облако атомного взрыва над Хиросимой. Пораженные
бегуны ослеплены «юпитерами», их окружают репортеры радио, телевидения».
Другой автор, Дж. Лауэлл, еще более образно сравнивает последние 50 тыс. лет
истории человечества с 50 годами жизни одного человека. В этом случае оказывается,
что только 10 лет назад человек переселился из пещеры в сделанное своими руками
жилище; 5 лет назад он овладел грамотой; полгода назад изобрел книгопечатание и
узнал, что Земля – это шар, вращающийся вокруг Солнца. 2 месяца назад он построил
первую машину, а вслед за тем открыл электричество; три недели назад построил
первый самолет, изобрел радио и задумался над теорией относительности; на прошлой
неделе изобрел телевизор, атомный реактор и ЭВМ; три дня назад облетел вокруг
Земли на космической ракете, а вчера побывал на Луне…
Таковы темпы все убыстряющегося прогресса человеческого общества на нашей
Земле. Как видите, в масштабе времени существования планеты (порядка 4,5 млрд. лет)
или ее геологической истории (порядка 4 млрд. лет) 25 млн. лет истории
возникновения и развития человечества, а тем более, последнее столетие, когда
влияние человека на окружающую среду резко возросло, – это мгновение!
Вмешательство человека в природу подобно взрыву, с которым «медленная» природа
уже не может справиться '»своими силами»'.
12
Прогресс науки и техники, как и всякое другое явление в обществе, противоречив в
своей основе. Благодаря специфике и направленности нашего курса, нам предстоит
подробно ознакомиться с негативными геохимическими последствиями деятельности
человеческого общества, которая стала геохимическим фактором планетарного
масштаба и значения.
Понятны призывы некоторых ученых спешить изучать природные системы (реки,
океан, Антарктиду), пока еще человек не повлиял на них радикальным и необратимым
образом, чтобы были эталоны для сравнения.
Поэтому необходимо преодолеть противопоставление природы и человека,
укрепить связи между дисциплинами, исследовать связи человека (общества) и
природы. Единая наука не только должна фиксировать с естественнонаучной
точностью разрыв между тем, как должен протекать естественный процесс без
возмущающей деятельности человека, и тем, как он протекает под влиянием
производственной его деятельностью. Она также должна строить проект – норму
естественного процесса, − учитывая совокупную человеческую деятельность, давать
научный прогноз функционирования естественно-искусственных систем.
5. Земная кора
Строение и состав. Развитие понятий о «земной коре», «окружающей среде»,
«геохимических системах» и «геохимических аномалиях».
Легче будет разобраться в составе звезд,
чем в процессах, окружающих нас на
Земле.
(Эддингтон, английский астрофизик)
Сегодня «земная кора» определяется далеко не так, как это виделось Э. Канту
(1755) или Э. Зюссу (1875) (как «кора остывания» расплавленной планеты). Оба этих
исследователя придерживались «горячего варианта» происхождения Земли, т.е.
гипотезы Канта-Лапласа. И даже не так, как она представлялась Ф. Кларку в начале
нашего столетия. Условно он принял за «земную кору» слой пород (осадочных,
гранитов, базальтов) в 16 км (10 миль), т.е. доступную тогда человеку часть твердой
Земли. Позже, в 1909 г., Мохоровичичем была установлена нижняя графина коры –
поверхность (раздел) Мохоровичича, которая и сегодня принимается за таковую. С
появлением науки геохимии в состав земной коры включается не только твердая
13
периферическая часть Земли (выше поверхности Мохоровичича), т.е. литосфера, но и
нижняя часть атмосферы (тропосфера), гидросфера и биосфера.
В таком порядке мы и рассмотрим составные части земной коры – геосферу
(Мэррей, 1910) и биосферу – сложную оболочку, включающую в себя все геосферы
или существенные их части. Особое внимание, учитывая содержание и направленность
нашего курса, мы уделим той части земной коры, где осуществляется взаимодействие
геосфер и биосферы, т.е. приповерхностной зоне земной коры.
На поверхности земного шара, а точнее, на поверхности литосферы земной коры,
протекает жизнь и деятельность человека, человеческого общества в целом.
Все три геосферы земной коры являются продуктом длительной эволюции нашей
планеты, начавшейся более 4 млрд. лет назад. Эволюция эта продолжается и в наше
время, проявляясь в непрерывном взаимодействии трех геосфер и биосферы. Особо
интенсивно это взаимодействие протекает на стыке геосфер, где литосфера
непосредственно соприкасается с гидросферой и атмосферой.
Именно в этой относительно очень узкой (тонкой) зоне взаимодействия геосфер
земной коры возникла и расцвела жизнь на Земле, и, в конечном счете, здесь возникло,
существует и развивается человеческое общество.
Многообразие форм и проявлений жизни – наиболее замечательная особенность
этой области земной коры, определяющая специфические черты ее эволюции (лик
Земли) во времени и пространстве.
Основоположник учения о геохимической роли живых организмов на поверхности
нашей планеты В.И. Вернадский (1863–1945) подчеркивал, что на земной поверхности
нет
химической
силы,
действующей
более
постоянно,
а
потому
и
более
могущественной по своим конечным результатам, чем живые организмы, взятые в
целом. Часть коры, населенную живыми организмами, где производится геологическая
деятельность живой материи во всех ее формах, В.И. Вернадский (1926) называет
биосферой.
Биосфера находится в непрерывном и тесном взаимодействии со всеми тремя
неорганическими геосферами земной коры, и это взаимодействие определяет
эволюцию жизни на земной поверхности.
Отсюда понятие об окружающей человека среде, которая включает комплекс
факторов и конкретных особенностей взаимодействия четырех «стихий» земной коры:
литосферы, т.е. поверхностной части, атмосферы, гидросферы и биосферы.
Говоря об окружающей человека среде, принято выделять четыре геохимические
системы, которые являются ее составными частями:
14
1) воздушную;
2) водную;
3) почвенную;
4) горных пород поверхности литосферы.
Последняя система включает разнообразные горные породы поверхностной части
литосферы, которые находятся в активном взаимодействии с тремя предыдущими
системами, а также с биосферой. Сюда следует включать и части литосферы,
доступные человеку при наличии имеющихся технических средств.
Названные четыре системы не включают в себя сложные экологические сообщества
биосферы. Сам человек – один из наиболее сложных продуктов биосферы. Он в
течение многих миллионов лет эволюции рода человеческого не оказывал скольконибудь заметного влияния на окружающую его среду. Он активно пользовался ее
дарами, боролся за свое существование и по мере сил и возможностей приспосабливал
среду обитания к своим потребностям. До тех пор, пока эти потребности
ограничивались строительством простых жилищ, примитивным сельским хозяйством и
ремесленничеством, воздействие человека на среду ограничивалось непосредственным
приложением ручного труда.
Но было бы неправильным недооценивать влияние человека на природу и в тот
период
–
период
зарождения
сельскохозяйственной
деятельности
человека,
начавшийся около 10 тыс. лет тому назад. Столетия такого «незначительного,
незаметного» воздействия, и цветущие земли Месопотамии на Среднем Востоке были
превращены в бесплодные пустыни. По оставшимся историческим (археологическим)
свидетельствам можно с уверенностью судить, что опустынивание и засоление земель
здесь явилось следствием неразумного уничтожение лесов и неправильного
использования орошения. То же можно сказать и о Средней Азии, где пустыни ныне
покрывают следы цветущей древней цивилизации, и о других районах мира. Более
того, всего несколько сот лет назад, еще до смены феодального общества
капиталистической системой, большая часть территории Западной Европы и
европейской части СССР была покрыта дремучими лесами, уничтоженными
объединенными усилиями хлеборобов многих стран. Но тогда, в допромышленный
период развития и на ранней стадии промышленного периода, человека мало
интересовали возможные конечные результаты его деятельности, которая в те времена
практически не нарушала серьезно установившееся равновесие во взаимодействии
геосферы. И долгое время после этого казалось, что так и будет продолжаться вечно.
В те периоды развития человечества окружающая среда активно воздействовала на
15
жизнь людей, однако обратная связь – воздействие человека на среду – проявлялась
лишь в ограниченной степени. Вот почему она оставалась вне поля зрения ученых и
общественных деятелей, т.е. за пределами внимания наиболее дальновидной части
человечества.
Технический прогресс земной цивилизации изменил это положение коренным
образом.
Начавшаяся после Второй мировой войны научно-техническая революция
сопровождалась резким скачком использования природных ресурсов и ростом
промышленного производства в глобальном масштабе. 3а последние 30–40 лет
человечество извлекло из недр больше полезных ископаемых (металлических,
энергетических и др.), чем за всю свою предыдущую историю. А темп использования и
добычи
полезных
ископаемых
непрерывно
возрастает.
На
наших
глазах
вырабатываются огромные месторождения. Хозяйственная деятельность человека
превратилась в важный геологический фактор, активно изменяющий поверхность
Земли, окружающую среду.
Гигантский рост промышленного производства сопровождался резким увеличением
количества отходов, засоряющих атмосферу (газ, пыль), а также гидросферу
(жидкости, соли, растворимые газы) и поверхность литосферы (твердые продукты).
Установившееся в течение миллионов лет равновесие между геосферами
постепенно начало разрушаться. В отдельных районах земного шара, подвергшихся
особенно интенсивному загрязнению, происходят уже необратимые изменения состава
природных вод и почв, что крайне негативно сказывается на биосфере и, в том числе,
на человеке.
Именно отрицательная реакция биосферы, миллионы лет приспосабливавшейся к
природным условиям зоны соприкосновения трех неорганических геосфер, обратила
внимание человека на нежелательные изменения окружающей среды. Они могут
непосредственно угрожать не только дальнейшему развитию, но и самому
существованию человеческого общества.
Крупные
экономисты
экспоненциального
роста
и
социологи,
мирового
подсчитав
промышленного
установившиеся
производства,
типы
оценив
соответствующие им масштабы загрязнения окружающей среды, пришли в ужас.
Вырисовывалась такая картина: человечеству в скором времени грозит сырьевой
голод; если не будут вовремя приняты кардинальные меры, то изменения окружающей
среды, необратимые из-за прогрессирующего загрязнения, резко ухудшат условия
жизни человека на поверхности планеты.
16
Прав был К. Маркс, когда более 100 лет назад пророчески писал в письме к
Ф. Энгельсу о том, что культура, если она развивается стихийно, а не направляется
сознательно, оставляет после себя пустыни.
Острота проблемы загрязнения окружающей среды вынудила правительства
многих стран принять ряд мер по контролю за источниками загрязнения и
ограничению контаминации атмосферы и природных вод. Для многих ядовитых или
вредных для человека, животных и растений веществ установлены предельно
допустимые концентрации (ПДК) в окружающей среде (в воде и воздухе). К
сожалению, ПДК значительно превышают естественный уровень содержания этих
веществ в природных объектах, который называется «геохимический фон».
Всякие
существенные
отклонения
от
геохимического
фона
называют
геохимической аномалией. В зависимости от характера природного объекта, различают
такие главные типы геохимических аномалий:
•
литохимические (в различных типах горных пород);
•
почвенные (в почвах);
•
гидрохимические (в природных водах);
•
атмохимические (в воздухе);
•
фитохимические (в растениях);
•
зоохимические (в животных).
Два последние типа можно объединить в группу биохимических аномалий.
Геохимические аномалии могут быть положительными, если содержание в них
изучаемого
элемента
или
вещества
превышает
геохимический
фон,
или
отрицательными, если элемент дефицитен.
По своему происхождению геохимические аномалии делятся на природные и
антропогенные.
Возникновение
последних
прямо
или
косвенно
связано
с
деятельностью человека.
Более узкое значение имеет термин «техногенная геохимическая аномалия»,
используемый для характеристики антропогенных аномалий, образование которых
обусловлено влиянием промышленности и технических средств на изменение
химического состава одной или нескольких геохимических систем окружающей среды.
Мерой
интенсивности
геохимической
аномалии
является
коэффициент
контаминации (загрязнения) K З , представляющий собой отношение содержания
компонента в природном образовании (С) к его фоновому содержанию (а), т.е.
KЗ = C a .
17
Очевидно, если величина K З меньше или равна единице, то загрязнение
отсутствует, но аномалия есть!
Важно подчеркнуть, что масштабы и интенсивность антропогенных геохимических
аномалий в атмосфере, гидросфере и биосфере во много раз превышают возможные
уровни геохимических аномалий, вызываемых любыми видами природных процессов,
происходящих на поверхности земного шара. Главная причина − темп загрязнения,
когда природа не успевает «справиться» с ним, т.е. превзойдена способность природы
к самоочистке.
При этом живые организмы (в том числе и человек) во всех случаях являются
конечными объектами на пути миграции элементов, образующих аномалию.
Только знание путей и закономерностей образования антропогенных аномалий в
атмо-, гидро- и литосфере, особенностей их эволюции во времени и пространстве
позволит вскрыть сложные связи, существующие между «изменением» химического
состава окружающей среды и нежелательными экологическими изменениями в
биосфере. Нельзя забывать, что антропогенные аномалии развиваются во времени и
при условии бесконтрольного загрязнения окружающей среды промышленными и
бытовыми отходами могут достигнуть опасных для биосферы уровней
С другой стороны, бережное отношение к природе позволяет, благодаря комплексу
специальных мер, предотвратить появление новых антропогенных аномалий в
окружающей среде, а также модернизировать ранее построенные производственные и
бытовые объекты с целью прекращения или хотя бы уменьшения поступления в среду
нежелательных для биосферы компонентов.
В этих условиях со временем возможно снижение уровня геохимических аномалий,
которое, в конечном счете, может завершиться полным восстановлением природного
геохимического и биологического равновесия. Но это идеальный вариант.
Необходимо иметь в виду, что наиболее общее, глобальное значение имеет
антропогенное загрязнение атмосферы. Вследствие взаимодействия с загрязненной
атмосферой, поверхностные и океанические воды могут изменить свой естественный
состав за тысячи километров от источника загрязнения. Осадки выносят загрязняющие
компоненты из воздуха в почву, растения накапливают аномальные количества
химических элементов, как из почв, так и путем прямого взаимодействия с атмосферой
(вспомните «кислотные дожди» над Скандинавией, источник которых – немецкий Рур
или Черная Силезия в Польше). Поэтому любые, даже незначительные в начальной
стадии, глобальные изменения состава атмосферы заслуживают специального
внимания вследствие особого значения воздушной оболочки Земли для развития и
18
существования биосферы.
Второе место по значимости для биосферы занимает загрязнение океанов в
результате стока контаминированных речных вод и непосредственного сброса в океан
промышленных отходов, нефти.
Загрязнение поверхностных вод на суше обычно имеет более узкий, региональный
характер. Однако реки вносят свою долю в общее прогрессирующее загрязнение
гидросферы.
Твердые отходы на поверхности литосферы образуют локальные загрязнения.
Однако
взаимодействие
этих
отходов
с
агентами
выветривания
определяет
поступление аномальных количеств, определенных химических компонентов в почву,
гидросферу и атмосферу (горячие терриконы угольных шахт и т.п.).
Таким образом, имеет место тесная взаимосвязь между антропогенными
аномалиями разного типа и происхождения.
Напоминаю еще раз, что результатом развития устойчивых и интенсивных
аномалий в атмосфере, гидросфере и почвенном покрове является отрицательная
реакция биосферы. Во многих случаях формирование таких аномалий непосредственно
или через посредство растений и животных (по трофическим цепям) оказывает
негативное влияние на условия жизни и здоровье человека.
Вот почему систематический контроль геохимического равновесия в атмосфере,
гидросфере и на поверхности литосферы является необходимым условием для
предотвращения формирования геохимических аномалий, которые могут явиться
угрозой для нормального развития биосферы.
Нетрудно понять, что специалисты, осуществляющие
контроль состояния
окружающей среды, как никто другой, должны быть вооружены геохимическими
знаниями,
информацией
о
геохимических
закономерностях
распространения
химических элементов в различных образованиях земной поверхности. Кроме того,
они должны владеть геохимическими основами оценки особенностей миграции
химических элементов в условиях атмосферы, гидросферы, а также участков твердой
части земной коры, соприкасающихся с этими геосферами.
Задача настоящего курса − дать вам оптимальный объем знаний в области геохимии
окружающей среды.
Поэтому мы переходим к изучению основных слагаемых земной коры, т.е.
геохимических систем окружающей среды.
19
6. Литосфера
Твердая часть земной коры называется литосферой. На континентах и под океанами
она имеет различную мощность и состав. По данным геофизики, в континентальной
литосфере, на глубинах порядка 8–15 км, устанавливается поверхность Конрада,
условно разделяющая гранитный (точнее, гранодиоритовый) верхний слой и
базальтовый нижний. Названия этих частей литосферы условны, ибо состав их не
отвечает строго граниту и базальту. Бурением Кольской сверхглубокой скважины (СГ3) опровергнуто представление о такой природе границы Конрада (могу показать
образцы керна этой скважины).
Средняя мощность так называемого гранитного слоя составляет немногим более 10
км. Он и контактирует непосредственно с атмо- и гидросферой, а верхней своей частью
входит в состав биосферы. В результате взаимодействия гранитного слоя с
атмосферой, гидросферой и биосферой, образовался третий слой литосферы –
осадочный (стратосфера), состоящий из осадочных пород и осадков различного
состава (песчано-глинистые, карбонатные, кремнистые и др.).
Под
океанами
гранитный
слой
отсутствует,
литосфера
представлена
так
называемым базальтовым слоем (мощность порядка 5 км) и слоем осадочных пород и
осадков небольшой мощности (сотни метров).
В жизни и хозяйственной деятельности человек соприкасается только с осадочным
и гранитным слоями литосферы. Однако на судьбу человечества влияют и процессы,
протекающие глубже в литосфере и в подстилающей ее, ниже поверхности Мохо,
мантии. Это землетрясения, вулканическая деятельность и др.
Континентальная кора составляет 79 % массы литосферы, океаническая – 21 %.
Проблема изучения химического состава земной коры (а затем и Земли в целом)
могла быть поставлена только на рубеже XIX и XX столетий, ибо раньше не только
для ее решения, но и даже для ее постановки не было достаточных данных. Нужно
подчеркнуть, что даже в наше время эта проблема является одной из сложнейших
научных задач, стоящих перед человечеством. Ее суть хорошо раскрывает образное
высказывание австрийского писателя Стефана Цвейга (1881–1942): «Человек сто лет
назад знал о своей планете не больше, чем микроб на апельсиновой корке об
апельсине». Не лестно для человека, но это правда.
Изучению химического состава литосферы посвятил 40 лет своей жизни
американец Ф. Кларк (1847–1939). Он использовал около 6 тыс. анализов горных
пород и вычислил среднее арифметические значение содержания для 50 наиболее
20
распространенных химических элементов (в 1924 г. совместно с Вашингтоном). Эти
средние значения содержания химических элементов в литосфере были позже названы
А.Е. Ферсманом «числами Кларка» или просто «кларками». Это были весовые кларки.
Правда, Кларком были определены средние значения содержания химических
элементов всего на глубину порядка 16 км (10 миль), которую тогда считали доступной
для непосредственного изучения. Причем относилось это только к континентальной
части литосферы.
Надо отметить, что долгие годы эту титаническую работу Кларка большинство
ученых рассматривало как «простую забаву». Большинство, кроме В.И. Вернадского в
России и Фогта в Норвегии, которые своевременно оценили ее и приняли деятельное
участие в изучении проблемы кларков. Именно Вернадский предложил вычислять
кларки других геосфер земной коры, а также биосферы и земной коры в целом. Оба
они, а затем и другие исследователи расширили перечень элементов, для которых были
вычислены «кларки». И теперь мы имеем их показатели для всех элементов таблицы
Менделеева, для океанической коры в том числе.
Итак, мы будем различать кларки для геосфер, биосферы и для земной коры в
целом. Анализ кларков показывает:
1. Резкую неравномерность (в миллиарды раз) в распространении разных
химических элементов (см. табл. кларков и доклады Вернадского);
2. Сопоставление кларков и порядковых номеров элементов приводит к выводу о
том, что распространенность элементов снижается по мере увеличения их порядкового
номера и что наиболее распространенные элементы располагаются в начале таблицы
Менделеева (в первой ее трети). При этом часть элементов отклоняется от данной
тенденции в большую сторону (это избыточные элементы: O, Si, Ca, Fe, Ba), а другая –
в меньшую (дефицитные элементы: H, He, Li, Be, B) (см. график зависимости кларков
от порядкового номера).
Установленные закономерности и отклонения от них находят сегодня объяснение,
если принять во внимание основной геохимический закон Гольдшмидта и его
приложение к земной коре. Вот формулировка закона: «Распределение химических
элементов обусловлено физико-химическими свойствами отдельных атомов, т.е.
свойством электронных оболочек атомов, а абсолютная частота распределения
элементов определяется свойствами атомного ядра».
Исходя из закона, логично допустить, что наиболее распространенные элементы
должны иметь наиболее просто построенные, а потому и наиболее прочные ядра, и
поэтому они располагаются в начале таблицы элементов Менделеева. А вот
21
дефицитность названных элементов получает объяснение, если учесть, что Н и Не –
это единственные элементы, которые утекают (диссипируют) из земной коры в космос.
А такие элементы, как литий, бериллий и бор, имеют неустойчивые ядра (что
подтверждено экспериментально при бомбардировке их быстро движущимися
частицами в реакторах). Низкие кларки радиоактивных элементов также легко
объяснить неустойчивостью их ядер.
Необходимо понимать, что, когда мы говорим о кларках элементов, имеем в виду
среднее их содержание в геосфере или в коре в целом, но элементы в них в
действительности распределены неравномерно. В одних участках содержание их выше
кларкового, в других – ниже его. Выявление концентраций элементов и причин их –
важнейшая задача геохимии и геохимических методов исследования. Способность к
концентрации и рассеянию у разных элементов неодинакова. И дело здесь не только в
кларке (правда, для первой трети таблицы Менделеева имеет место прямая
зависимость между числом минералов и кларком элемента). В ряде случаев
химические элементы, даже при сравнительно высоких кларках, в массе своей
находятся в состоянии рассеяния. Они считаются малодоступными для технического
использования (Ti – 0,61, Ni – 0,02, V – 0,02, Ye – n ⋅10 −4 % ). И наоборот, ряд элементов
с низкими кларками способны образовывать концентрации, они считаются обычными,
доступными в силу того, что могут образовывать месторождения (Zn, Cu, Pb, Au, Pt и
др.). Основная причина способности элементов к концентрации или рассеянию для
двух третей таблицы Менделеева − их кристаллохимическая индивидуализация. Если
химический элемент по этому показателю похож на более распространенные
элементы, то он войдет в решетки их минералов в качестве изоморфной примеси, т.е.
будет рассеян. Если же не похож («личность»!), то, даже при малом кларке, он
образует собственные минералы, дает концентрацию. Примеры смотри выше.
С другой стороны, общие массы рассеянных, редких элементов в земной коре столь
велики, что в будущем, при наличии дешевой энергии и новых технологий,
комплексная переработка горных пород, морской воды даст неограниченное
количество химических элементов для нужд человека. Поэтому все пессимистические
теории о «сырьевом голоде» не имеют под собой никаких серьезных оснований.
При процессах выветривания пород гранитного слоя на дневной поверхности и
вблизи нее ряд химических элементов переходит полностью или частично из
минералов в водные растворы, попадая, таким образом, в гидросферу, частично
задерживается в почвах и впоследствии может усваиваться растениями, животными и
человеком.
22
Давайте условимся называть главными химические элементы, присутствующие в
природных образованиях в количестве 1% и выше, второстепенными – в десятых долях
процента, и микроэлементами, если их распространение не достигло 0,1%.
К главным элементам относятся O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, K, Na; к второстепенным −
Mn, Ti, P, C; к микроэлементам − минералогенные (Li, Be, В, F, S, Ba, Nb, W, U, Cr, Co,
Ni и др.) и рассеянные (Ya, Ye, Hf, Ru, Rh) (см. таблицу кларков литосферы).
Распространенность и распределение химических элементов в литосфере, как вы
уже знаете, неравномерны. Если среднее содержание химического элемента (его кларк)
в литосфере принимать за норму, то всякое отклонение от среднего в конкретных
природных объектах (точках, участках) литосферы в сторону уменьшения содержания
будет характеризоваться явлением рассеяния элемента, а отклонения в сторону
увеличения – его концентрацией. Процессы рассеяния и концентрации химических
элементов
в
земной
коре
осуществляются
в
результате
перераспределения
(перемещения), т.е. миграции атомов, и являются следствием приноса или выноса
определенных химических элементов. Очевидно, что если миграция направлена в
сторону данного участка, то концентрация этого элемента в нем повышается, если в
сторону от участка, то имеет место рассеяние элемента (снижение концентрации).
На фоне относительно монотонного распределения элементов, свойственного
обычным горным породам, такого рода повышенные концентрации выступают как
природные геохимические аномалии. Крайним случаем таких аномалий являются
месторождения
полезных
ископаемых
(если
концентрация
либо
химических
элементов, либо минералов экономически выгодна для добычи).
Заметьте, что концентрация многих химических элементов в промышленных
месторождениях обычно превышает среднее содержание их в литосфере в десятки и
сотни тысяч раз. А ведь скорость выработки месторождений человеком в десятки
миллионов раз превышает скорость их формирования или естественного разрушения в
зоне выветривания.
Так, природные аномалии (в том числе и месторождения, образованные при
действии эндогенных факторов) в зоне выветривания являются источниками
формирования вторичных природных же геохимических аномалий в породах, почвах,
водах, воздухе, растительных и животных организмах.
А вот при добыче полезных ископаемых, вследствие потерь при добыче,
транспортировке, переработке и использовании, часть элементов или минералов
поступает в окружающую среду. И темп такого поступления несравнимо выше, чем
при естественном процессе выветривания месторождения.
23
Так
возникают
интенсивность
и
антропогенные
масштабы
(техногенные)
которых
в
условиях
геохимические
нарастающего
аномалии,
развития
промышленности и техники во много раз превышают интенсивность и масштабы
природных геохимических аномалий. В этом и состоит особая опасность влияния
человека на природу, когда природа уже не способна справляться с таким вторжением.
По имеющимся данным, 80% территории Украины покрыты антропогенными
аномалиями.
Нам сегодня хорошо известны особенности химико-минерального состава
различных месторождений полезных ископаемых. Сегодня мы можем прогнозировать,
какие элементы поступят в окружающую среду в процессе разработки месторождений
того или иного типа (сульфидных руд, цветных металлов: Cu, Pb, Zn, Cd, In, Ya, Ye;
редких и легирующих металлов: Be, Ta, Li, Nb, Mo, Sn, W, Zr; сурьмы и ртути; горючих
ископаемых и многих других), в какой форме и на какой стадии (добыча,
транспортировка,
переработка)
использования
полезного
ископаемого
будет
осуществляться это поступление и т.п. Но делаем ли это, считаемся ли мы с этим?
Давайте подробнее рассмотрим этот вопрос на примере сульфидных руд, их добычи и
переработки человеком.
На поверхности сульфидные руды быстро окисляются и превращаются в сульфаты,
многие из которых растворимы в воде. В результате формируются кислые (ион SO42− )
поверхностные и подземные воды с повышенными концентрациями цветных металлов
и их спутников. Эти воды выносят растворенные в них компоненты в гидросферу, т.е.
за пределы собственно месторождений. При этом вокруг них возникают большие по
площади геохимические ореолы рассеяния, в пределах которых рыхлые отложения,
почвы (и произрастающие на них растения) и природные воды обогащены
выносимыми из руд химическими элементами, если сравнить с нормальным
геохимическим фоном. Очевидно, что повышенные концентрации тяжелых металлов и
низкие значения рН природных вод отрицательно влияют на биосферу на этих
участках. Однако концентрации металлов в природных гипергенных геохимических
аномалиях, генетически и пространственно связанных с рудными месторождениями,
обычно невысокие.
А вот масштабы и интенсивность геохимических аномалий, связанных с
разработкой месторождений цветных металлов человеком, неизмеримо больше
природных. При мировой добыче цветных металлов ежегодно потери (поступления в
миграционный цикл зоны гипергенеза) составляют: Cu – около 0,6 млн. т, Pb – 0,3 млн.
т, Zn – 0,5 млн. т. Если учесть эти потери только за последние 10 лет, получается, что
24
на каждый квадратный километр поверхности суши приходится в среднем 42 кг Cu, 20
кг Pb и 34 кг Zn. Конечно, локальные загрязнения в районах действующих рудников и
обогатительных
фабрик
оказываются
значительно
более
высокими,
часто
превышающими всякие ПДК. Но, кроме этих главных рудных элементов, в
гипергенную миграцию поступают и многие микроэлементы, отличающиеся высокой
токсичностью: Cd, In, Ya, Ye, Tl, Se. За 10-летний период из-за окисления сульфидов,
в том числе и пирита, в процессе добычи и обогащения образуется более 60 млн. т
сульфата иона! А если к этому добавить количество сернистого газа, поступающего в
атмосферу из труб предприятий цветной металлургии – 5,6 млн. т в год! С этим газом
ежегодно выбрасывается в атмосферу и 700 т селена, 200 т ртути и др.
Замечу, что загрязнение окружающей среды свинцом в больших масштабах
приходится на свинец, добавляемый в бензин, чем на потери при переработке
сульфидных руд. Обратите внимание на это обстоятельство.
Таким образом, добыча, переработка и использование цветных металлов в мировом
хозяйстве являются основным источником загрязнения окружающей среды Cu, Zn, Pb,
As, Hg, Cd, In, Tl, Ya, Ye, а также частично SO2 и SO42− .
Что касается рудных месторождений, то ясно, что их разработка способствует
поступлению в окружающую среду нежелательных, часто весьма токсичных,
химических элементов, притом в огромных количествах и за короткие сроки. Но
почему я привел в перечне месторождений и месторождения горючих ископаемых?
Да потому, что огромные масштабы добычи и потребления органического топлива
(в особенности угля) за последнее столетие уже внесли ощутимый вклад в изменение
состава атмосферы с точки зрения содержания в ней СО2. А вы, вероятно, знаете, к
каким последствиям это может привести («парниковый эффект» и т.п.). Каменные
угли, кроме того, содержат значительные количества серы (а это серная кислота в зоне
гипергенеза и при сжигании угля). С пылью и газами в атмосферу при сжигании угля и
нефти поступают такие микроэлементы, в том числе и весьма токсичные
(антибиогенные, биофобные), как Hg, Cd и др. Вспомните, я приводил сведения о
геохимической карте Донецка. Хотя содержание тяжелых металлов в углях и нефти в
среднем мало (это типичные микроэлементы), но, умножив эти величины на миллиард
тонн сжигаемого в год топлива, мы понимаем, какой «подарок» мы преподносим
окружающей среде и, в конечном счете, самим себе, нашим потомкам.
Остановимся теперь на вопросе о формах нахождения химических элементов в
земной коре. Первым на эту проблему обратил внимание В.И. Вернадский. Его
представления были разработаны А.Б. Гаврусевичем, который выделял следующие
25
6 форм:
1. Самостоятельные минеральные виды (кристаллохимические и коллоидные
системы);
2. Изоморфные примеси в минералах – закономерные вхождения в чужие
кристаллические решетки;
3. Магматические расплавы. Состояние элементов в них до сих пор проблематично.
Большинство склоняется к мнению, что это простые и комплексные ионы;
4. Водные растворы и газовые смеси (атомное, молекулярное и ионнодиссоциированное состояние химических элементов);
5. Биогенное состояние (как в виде сложных органических, так и неорганических
соединений);
6. Состояние рассеяния. Эта форма объясняет «вездесущность» элемента или его
«следы» в виде еще не установленной формы, возможно, в виде самостоятельных
атомов. Именно В.И. Вернадский, который впервые выделил эту форму нахождения
элементов, допускал нахождение рассеянных свободных атомов за пределами
кристаллической решетки или в чужих решетках, независимо от величины радиусов
или объема в промежутках между узлами кристаллической решетки (внедрение,
захват). Примером может быть самый редкий из металлов астат – astat – At (85 элемент
таблицы Менделеева). В слое литосферы до 16 км его обнаружено всего 0,3 г.
В чистейшем исландском шпате найдено 5 ·106 %, что составляет 1014 атомов йода на
1см3 минерала.
Рассмотрим здесь же и вопрос о постоянстве или изменении состава земной коры
во времени. Краткий ответ: химический состав земной коры непостоянен. Земная
кора – это система, открытая и на космос, и на мантию. В космос непрерывно
диссипируют Н и Не, из космоса поступают метеориты и космическая пыль (а это
порядка 1 млн. т в год). Из мантии выплавляются базальты и включаются в состав
литосферы, из мантии дегазирует вода, различные газы и включаются в состав атмо- и
гидросферы. В самой коре, вследствие радиоактивных процессов, идет уменьшение
содержания материнских элементов (U, Th, K40) и увеличивается содержание дочерних
элементов (Pb, He). Следовательно, земная кора − образование историческое, ее
формирование еще не закончено, она продолжает эволюционировать, как и вся наша
Земля.
7. Атмосфера
Это
газообразная
оболочка
Земли,
которая
характеризуется
наибольшей
26
подвижностью составляющих ее компонентов. Поэтому любые резкие изменения
состава атмосферы, связанные с поступлением или уходом главных газовых
составляющих (или микрокомпонентов), распространяются вокруг земного шара со
значительными скоростями. И это касается как естественных изменений состава
атмосферы (вулканические извержения и т.п.), так и антропогенных ее загрязнений.
Кроме того, атмосфера находится в непрерывном обмене с биосферой и является
непосредственным или опосредованным − через гидросферу − поставщиком солнечной
энергии для всего живого (кроме анаэробных микроорганизмов). Вот почему
атмосферу следует рассматривать как наиболее важную для жизни и для человечества
составную часть окружающей среды.
Глобальная роль атмосферы определяет особую ответственность государств Земли.
Сама атмосфера имеет зональное строение. Нижняя ее часть (до высоты примерно до
80 км) называется гомосферой. Плотность этой части уменьшается с высотой, сохраняя
однородность химического состава. В пределах гомосферы выделяют три слоя,
различающихся по характеру температурного режима. Нижний слой – тропосфера −
имеет основное значение для жизни на Земле. Верхняя граница тропосферы –
тропопауза, отделяется от ее среднего слоя – стратосферы. Вы, вероятно, знаете, что
тропопауза у полюсов располагается на высоте 8–10 км, а у экватора – порядка 16–18
км, и знаете причины этого. До тропопаузы, по мере увеличения высоты, температура
достигает почти 0°С. Верхний слой гомосферы выше стратопаузы – мезосфера (до
высоты 80–90 км). В ее пределах температура снова снижается с увеличением высоты.
Выше гомосферы залегает мощная, но с низкой плотностью, гетеросфера, в
которой, по мере увеличения высоты, слой молекулярного азота сменяется слоем
атомарного кислорода, а затем гелиевым слоем и, наконец, водородным слоем,
который на высоте порядка 10000 км постепенно переходит в космос.
В нашем курсе мы уделим внимание наиболее важной для биосферы зоне
атмосферы – гомосфере − и, особенно, прилегающему к земной поверхности ее слою –
тропосфере.
Переходя к вопросу о химическом составе гомосферы, мы будем различать главные
компоненты (N – 75,5 весовых %; О – 23,1 %), второстепенные (Ar – 1,28 %; CO2 –
0,04 %); микрокомпоненты (Ne, He, Kr, Xe, H2 – 10-5%) и ксенокомпоненты (CH4, N2O,
03, Rn). Главные и второстепенные компоненты составляют более 99,99 % массы
гомосферы.
К ксенокомпонентам относятся вещества, находящиеся в переменных количествах
и
являющиеся
временными
примесями,
поступление
которых
связано
с
27
вулканическими извержениями, жизнедеятельностью биосферы, с производственной и
бытовой деятельностью человека. Большая часть ксенокомпонентов в повышенных
концентрациях оказывает отрицательное воздействие на биосферу, поэтому они
рассматриваются как загрязнители окружающей среды.
К числу ксенокомпонентов относят и пылевые частицы, которые, по источнику
образования, подразделяются на 5 категорий:
1. Пыль, выдуваемая с континентов;
2. Пыль растворимых солей, выдуваемая с поверхности океанов и морей;
3. Пыль вулканических извержений;
4. Космическая пыль;
5. Антропогенная (техногенная) пыль.
По оценке разных авторов, антропогенная пыль (результат сжигания твердого и
жидкого топлива, пыль металлургических, химических, цементных предприятий и др.)
составляет 5-45 % общего количества пыли, приносимого в атмосферу из всех
источников.
Главные компоненты атмосферы и их геохимическая роль
Обычно при оценке роли атмосферы в геологических и биологических процессах
ограничиваются ролью О2 и СО2. Азот остается в стороне. Этому способствует
укоренившееся представление об азоте как о нейтральном химическом элементе.
«Нежизненный и не поддерживающий жизни», – назвал его Лавуазье. Какая ирония
судьбы! Сегодня мы знаем значительно больше об азоте.
Азот появляется из глубин Земли постепенно, с вулканическими эманациями, в
газовых струях и горячих источниках – азотных термах. В азотных фумаролах Везувия
содержание азота достигает 98 весовых %. На Земле азот распространен крайне
неравномерно: в литосфере – всего 1 %, в гидросфере –1 10-5 %, в атмосфере – 75 % и в
биосфере – порядка 15 %. Как видим, в биосфере происходит широкая аккумуляция и
фиксация азота из воздуха специализированными микроорганизмами, которые
молекулярный азот превращают в NH3 и NH 4+ . Это происходит с поглощением
энергии. Другие группы бактерий, напротив, участвуют в окислении, нитрификации
NH3 и NH 4+ до NO2− , а затем – до NO3− , причем выделяется энергия. И наконец, третья
группа
бактерий-анаэробов
восстанавливает
нитрит-
или
нитрат-ионы
до
молекулярного азота, или N 2 O . Это процесс денитрификации. При этом также
поглощается энергия.
Подсчитано, что благодаря денитрификации с 1 га почвы в атмосферу поступает
28
50–60 кг азота за год. Другая часть азота (в виде NH3) освобождается при разложении
органических остатков (окисление и распад аминокислот).
Но это работа биосферы по миграции азота. А непосредственно в атмосфере
связывание азота идет в меньших количествах. Соединение азота с кислородом
воздуха требует затраты значительной энергии, поэтому происходит оно только при
грозовых разрядах. По оценке А.Е. Ферсмана, фиксация азота на 90 % носит
биохимический характер и только на 10 % зависит от его образования в грозовых
разрядах. Поэтому максимальное содержание нитратов в дождевых водах отмечается в
богатых грозами тропических районах. Так, в Индокитае в год на 1 га площади
выпадает 30–35 кг азотной кислоты и 10–15 кг аммиака.
Однако пока еще роль азота не оценена в достаточной мере ни в процессах
выветривания горных пород, ни в почвообразовании, ни в питании растений
(нитратная форма – наиболее приемлемая форма питания растений).
Изучение показывает, что азот атмосферы далеко не нейтральный газ. Как и О2 и
СО2 велико его значение в геохимических реакциях (азотная кислота – сильный
реагент, окислитель) с минеральной частью пород и почв, при этом высвобождаются
необходимые для растений химические элементы – Ca, Na, P и др. Растворяя все
минеральные соединения пород, азотная кислота делает недоступные зольные
компоненты доступными для питания растений.
Вот вам и безжизненный азот! Без азота жизнь вообще была бы невозможной
(например, фотосинтез белков и аминокислот).
Видимо, прав был А.А. Сауков, когда писал, что «количество жизни» на земле
определяется количеством связанного азота.
Прав был, вероятно, и В.И. Бгатов (1985): «Трудно представить, чтобы природа
была столь неразумной, создав огромную массу азота в атмосфере только для
балласта».
И уж совсем стоит удивляться прозорливости А.Е.Ферсмана, который признавал:
«Надо думать, что в области геохимии азота мы имеем еще ряд совершенно
неразгаданных черт, которые совершенно иначе расшифровывают пути его миграции,
чем мы это думаем сейчас».
Таким образом, можно согласится с точкой зрения некоторых ученых о том, что
роль молекулярного кислорода атмосферы как единственного окислителя минералов и
горных пород, видимо, несколько преувеличена. Не исключено, что окислительный
потенциал
на
поверхности
Земли
создается
в
основном
атмосферными
новообразованиями − ионами кислорода (продукта распада озона) и азотной кислотой.
29
Они постоянно возникают при грозовых разрядах. Иначе трудно объяснить
существование самой кислородной атмосферы Земли, этого геохимического чуда,
присущего только нашей планете, при резко недоокисленной верхней части литосферы
и сейчас, и в геологическом прошлом.
С азотом связан ряд важных проблем, непосредственно касающихся состояния
окружающей среды.
1. Проблема загрязнения атмосферы из-за окисления азота.
2. Использование азота атмосферы в процессах техногенеза.
3. Загрязнение атмосферы и почвы продуктами переработки атмосферного азота.
Техногенное поступление окислов азота в тропосферу происходит при сжигании
твердого и жидкого топлива (а это десятки млн. т в год). Это приводит к повышению
окислительной способности атмосферы, увеличению кислотности метеорных осадков,
превышению содержания нитратов в водах районов загрязнения, что отрицательно
сказывается на биосфере. В списке наиболее важных загрязнителей, рекомендуемых
для международного контроля, окислы азота помещены на пятом месте.
Не менее серьезную проблему для окружающей среды представляет и нарушение
сложившегося баланса азота в атмосфере из-за использования его для промышленных
и сельскохозяйственных нужд (производство удобрений). Количество связанного азота
превышает количество его, поступающее в атмосферу при процессах денитрификации.
Конечно, это не грозит человечеству «азотным голодом» в ближайшие миллионы лет.
Но выделяются две стороны проблемы. Увеличение питательно важных соединений
азота в реках и озерах способствует старению водоемов, что сокращает ресурсы
пресных вод. Не ясно пока, как скажется вынос избыточных количеств азота в океаны
на развитие жизни в них.
В последние годы появилось сообщение о регистрации в 1990 г. научного открытия
(само открытие состоялось в 50-х г.г.) об усвоении высшими растениями и животными
атмосферного азота непосредственно, без участия микроорганизмов (автор открытия −
Больский).
Кислород занимает второе место в составе атмосферы. Сейчас уже известно, что
кислород появился в атмосфере, по крайней мере в значительных количествах, с
момента начала фотосинтетической деятельности зеленых растений (сине-зеленых
водорослей), т.е. около 3 млрд. лет тому назад. Сложилось убеждение, что при
фотосинтезе зеленых растений углерод CO2 идет на построение тканей, а кислород
высвобождается в атмосферу. До этого атмосфера имела восстановительный характер.
В истории кислорода атмосферы выделяют несколько критических точек:
30
•
точка Юри (1,2 млрд. лет тому назад, средний рифей), когда содержание
кислорода достигло 0,1 %;
•
точка Пастера (около 600 млн. лет тому назад, кембрий-венд) – содержание
кислорода около 1 %;
•
точка Беркнера-Маршалла (около 400 млн. лет тому назад, силур-девон) –
содержание кислорода порядка 10 % (от современного).
К этому времени концентрация кислорода была достаточной, чтобы начал
формироваться озоновый слой, под защитой которого жизнь получила возможность
выйти из океана на сушу. Наземные растения подключились к «выработке» свободного
кислорода, и его концентрация в атмосфере начала возрастать более быстрыми
темпами.
Однако исследования, проведенные в 30-х г.г. текущего столетия, показали,
насколько мы еще далеки от истины в смысле понимания природы происхождения
кислорода атмосферы. Изотопный анализ показал, что при фотосинтезе имеет место не
восстановление углекислоты, как думают и до сих пор еще многие, а дегидрогенизация
по реакции:
H 216O + C 18O2 → (HCOH )n +16 O2 .
Таким образом, в атмосферу поступает более легкий кислород воды. Но кислород
атмосферы оказался на 2,3 % тяжелее фотосинтетического. Возникает вопрос: какой
же
мощный
процесс,
сопоставимый
с
процессом
генерации
легкого
фотосинтетического кислорода, утяжеляет его.
Сейчас можно указать на три таких процесса.
1. При дыхании организмов и разложении органических веществ связывается
преимущественно легкий кислород. Однако этот процесс разделения изотопов
кислорода хотя и идет в огромных масштабах, но происходит с малым коэффициентом
разделения, недостаточным для объяснения имеющегося утяжеления кислорода
атмосферы.
2. Утяжеление кислорода атмосферы при помощи фотодиссоциации CO2 в верхних
слоях
атмосферы,
происходящей
с малой
интенсивностью,
но
с
большим
коэффициентом разделения.
3. Третий источник тяжелого кислорода – региональный метаморфизм окислов
железа, в котором легче отторгается тяжелый кислород, как менее прочно связанный.
В последние годы высказывались новые идеи относительно происхождения
кислорода атмосферы. Академик Н.П. Семененко (1972), американец Дж. Картес
(1973) считают, что главным источником кислорода в атмосфере является
31
фотодиссоциация молекул воды в верхних слоях атмосферы. Кислород затем
включается в круговорот, а водород, как легкий элемент, уходит в космос –
диссонирует.
И наконец, В.И. Бгатов (1985) считает, что кислород в атмосфере появился в
глубокой древности благодаря дегазации базальтовой магмы. Этот автор считает, что
фотосинтез растений дает только 30 % кислорода атмосферы, а остальные
70 % являются продуктом вулканизма.
Кислород активно участвует в круговороте веществ в зоне гипергенеза. Огромные
его массы расходуются на дыхание организмов, разложение органических веществ,
окисление соединений закисных Fe и Mn, сульфидов. Примерно такие же количества
его выделяются в атмосферу при других процессах (см. выше). Положительный баланс
его в атмосфере сохраняется многие сотни миллионов лет.
Деятельность человека направлена в основном на уменьшение содержания
кислорода в атмосфере. По некоторым оценкам, только сжигание органического
топлива ежегодно извлекает из атмосферы около 2 % кислорода, вырабатываемого за
этот период растениями. А вырубка лесов – статья «вклада» человека в кислородный
баланс. Надо заметить, что сельскохозяйственная
деятельность человека
не
компенсирует эти потери. Заметьте, что, например, на территории США и части
Западной Европы расходуется кислорода больше, чем генерируется на этих площадях.
Кроме того, оголение земель в результате различного строительства (города, дороги,
промышленные предприятия и т.п.) ведет к ускорению процессов окисления почв и
верхнего слоя коренных пород.
И еще одно важное замечание. В Мировом океане растворено много кислорода,
океан – важнейший поставщик кислорода в атмосферу. Поэтому охрана его от
нефтяных пленок и т.п. «благополучия» океана, его фитопланктона играет особую роль
для сохранения баланса кислорода в атмосфере и нормальных условий развития
биосферы.
Второстепенные компоненты атмосферы
Аргон – самый важный из распространенных инертных газов атмосферы.
Образуется он при распаде радиоактивного изотопа –
40
K − в породах, дегазирует
потом из литосферы в атмосферу. Как благородный газ, аргон не участвует в процессах
гипергенеза.
Углекислый
газ.
Несмотря
на
низкую
концентрацию
его
в
атмосфере,
геохимическая роль этого газа исключительно важна. Причем, в отличие от кислорода,
32
основная масса CO2 (98 %) растворена в Мировом океане, а только 2 % находится в
атмосфере.
В процессе фотосинтеза извлекаются ежегодно из атмосферы огромные массы CO2.
Темп настолько высок, что весь углекислый газ атмосферы полностью потребляется
растениями менее чем за 30 лет. Но количество его не убывает, ибо действуют и
противоположные процессы – идет выделение свободного CO2 в атмосферу. Это
дыхание растений и животных, это разложение органического вещества, т.е. имеет
место биологический цикл углерода в окружающей среде. В.И. Вернадский называл
его жизненным циклом (CO2 – живое вещество). Огромные массы CO2 уходят из
атмосферы и при образовании карбонатов, химическим и биохимическим путем. Это
различные известняки, мел. Благодаря захоронению органического вещества и
карбонатов в осадочных породах (угли, нефть, известняки, рассеянная органика) из
этого круговорота ускользают огромные количества углерода. Компенсация этих
потерь идет за счет «минеральных» источников (вулканический процесс, кислотное
разложение карбонатов, углекислое дыхание зоны метаморфизма).
Итак, в природе сложился положительный баланс CO2 в атмосфере. А за последнее
столетие человек резко увеличил использование горючих полезных ископаемых,
сжигание которых приводит к резкому поступлению техногенного CO2 в атмосферу. И
это происходит, несмотря на способность океана к растворению CO2, а растений – к
расходованию его на фотосинтез. Имеются тревожные прогнозы на этот счет,
например, парниковый эффект и его геологические последствия – потепление климата,
таяние ледников, затопление прибрежных территорий, опустынивание отдельных
районов и т.п.
Обнадеживает то, что запасов органического топлива человечеству хватит всего на
100–200 лет. По мере перехода на другие виды топлива количество техногенного CO2
будет сокращаться, и в относительно недалеком будущем содержание CO2 в атмосфере
может достигнуть уровня, соответствующего природному равновесию.
Микрокомпоненты
Поскольку микрокомпоненты – это инертные газы, которые оправдывают свое
название и не вступают в какие-либо химические реакции в биосфере, мы не будем их
рассматривать.
Ксенокомпоненты
Ксенокомпоненты атмосферы − другое дело. Они интересуют нас еще и потому, что
33
к ним относятся и многие антропогенные вещества, загрязняющие атмосферу, о чем
уже было упомянуто выше. Кратко остановимся на основных ксенокомпонентах
атмосферы.
Метан и другие газообразные углероды. Метан – CH4 – в небольшом количестве
всегда
присутствует
в
атмосфере.
Естественным
его
источником
является
органическое вещество, разлагающееся при условии недостатка кислорода. Процесс
этот идет в почвах, болотах, в захороненных осадках и осадочных породах. В
месторождениях природного газа метан составляет до 90 %, в газах нефтяных
месторождений – порядка 75 %, в угольных – 96 %.
Часть метана в биосфере окисляется особыми видами бактерий с образованием CO2
и H2O.
Содержание более тяжелых газообразных углеводов (этана, пропана и др.)
ничтожно, хотя их больше в газах нефтяных месторождений (до 17 %) и газовых (до
3 %).
Источником техногенных углеводов в окружающей среде являются двигатели
внутреннего сгорания. Ежегодно с выхлопными газами в атмосферу поступают многие
десятки млн. т углеводов. В этих газах преобладают наиболее токсичные предельные
углеводороды – пентан, гексан, − содержание которых не должно превышать
допустимое в 3 мг/м3. Свой вклад вносят и промышленные предприятия, и сжигание
отходов.
Окись углерода. Этот газ в, отличие от О2 и CO2 – основы жизни на Земле, –
токсичен. Если его концентрация превышает 10 мг/м3 – это опасно для здоровья
человека (угарный газ). Заметьте, CO не характерен для природных процессов
в окружающей среде (природа мудра!). Появление его в атмосфере – следствие
деятельности человека, если исключить образование некоторого количества CO при
лесных пожарах. Но я бы заметил, что и пожары − это часто «заслуга» человека.
Имеются данные (исходя из потребления топлива разными странами), что ежегодно
поступление техногенного CO превышает 200 млн. т. Уже сейчас в воздухе
крупнейших
городов −
Токио,
Лос-Анджелеса,
Нью-Йорка −
содержание
CO
представляет угрозу для здоровья людей (видели по телевидению полицейских в
противогазах?).
Сероводород – H2S. Источники поступления его в атмосферу – бактериальное
(осуществляемое сульфатредуцирующими бактериями) разложение органического
вещества в условиях резкого недостатка кислорода. Некоторое количество поступает
при вулканических извержениях, а также из горячих термальных источников.
34
К счастью, этот высоко токсичный газ в атмосфере неустойчив, легко окисляется до
SO2, особенно в присутствии воды (пары в атмосфере).
Высокая опасность для всего живого со стороны сероводорода заставляет строго
контролировать те производства, которые выделяют его в составе отходов. Это ряд
химических предприятий по переработке каменных углей без доступа кислорода.
Сернистый газ попадает в атмосферу при вулканических извержениях и при
окислении H2S, а также сульфидных руд, в зоне гипергенеза (о чем вы уже знаете). Но
эти естественные источники не создают его значительных концентраций в атмосфере.
Большую опасность составляет антропогенный сернистый газ (об этом уже тоже
говорили). Это одна из наиболее серьезных проблем загрязнения окружающей среды.
Проблема состоит сегодня даже не в суммарном количестве SO2, а в том, что
концентрация его на отдельных участках (городах, регионах промышленных
комплексов) достигает опасных величин для проживающего в этих регионах
населения.
Сернистый газ не только непосредственно действует угнетающе на живые
организмы (Белая и Черная Силезия), но с водой он образует серную кислоту,
разрушительное действие которой общеизвестно. Правда, серная кислота легко
«вымывается» из атмосферы дождями, но это порождает проблему кислотных дождей.
Атмосфера, так сказать, «делится» с другими геосферами «чем сама богата». А нам от
этого не легче! Специальными исследованиями показано, что сульфаты атмосферы
более вредны для человека, чем неокисленный сернистый газ. Часть серы извлекается
из круговорота в биосфере при образовании гипса.
По имеющимся оценкам, прибавка техногенной серы (в виде SO42− ) в течение
продолжительного времени не окажет заметного влияния на среду океана. Там «своей»
сульфатной серы много, да и скоро все топливо и сульфидные руды будут
использованы.
Галоиды (Cl, F). Основной поставщик Cl в атмосферу – выдувание с поверхности
океана и морей хлоридов, второстепенный – вулканические извержения. Некоторую
проблему, но чисто локального характера, составляет наличие F в виде HF, F4 в
атмосфере (в радиусе нескольких километров от алюминиевых заводов и предприятий
по производству суперфосфата). Естественные повышения концентрации связаны с
месторождениями минералов фтора.
Фтор – чрезвычайно токсичен. ПДК – 0,02 мг/м3 (одноразовая) и 0,005 мг/м3
(суточная).
Озон. Солнце генерирует смертоносные для всего живого дозы ультрафиолетового
35
излучения. Поэтому наличие в атмосфере и стратосфере озонового экрана (на высотах
от15–25 км до 35–48 км) «жизненно» важно для биосферы. В тропосфере озон
возникает, как и оксиды азота, в небольших количествах при грозовых разрядах. И это
благо, ибо озон токсичен для живой материи. Техногенный озон – результат
фотохимических реакций превращения оксидов азота и органического вещества. Это
нежелательное загрязнение атмосферы.
Ртуть – опасный загрязнитель атмосферы. Хотя считается, что поступление ртути
на поверхность при естественных процессах (вулканы, фумаролы) составляет 1000 т в
год и существенно превышает количество техногенной ртути, тем не менее это не
уменьшает опасности загрязнения окружающей среды ртутью, поскольку она
концентрируется в локальных очагах, где проживает масса населения. Техногенная
ртуть поступает в атмосферу таким образом:
1. При сжигании твердого и жидкого топлива;
2. При металлургической переработке руд цветных металлов.
Правда,
ртуть
быстро
«вымывается»
из
атмосферы
дождями
и
просто
гравитационным осаждением, обогащая иные геосистемы окружающей среды (почвы,
воды). Частично такая ртуть снова испаряется в атмосферу.
По новым данным, однако, считается, что техногенный «вклад» в загрязнение
окружающей среды не меньше, а больше, чем природный, и составляет 1100 т в год.
Проблема загрязнения атмосферы
По
масштабам
загрязнение
может
быть
локальным,
региональным
или
глобальным, а по характеру − долго- или кратковременным.
Кратковременные загрязнители – SO2, Hg и др. в атмосфере неустойчивы, легко
вымываются дождями, обогащая почвы и гидросферу. Они обычно образуют
локальные или региональные атмогеохимические аномалии, которые, будучи
динамически связаны с гидросферой и литосферой (почвами), и определяют
загрязнение последних. Более того, год за годом именно в литосфере могут
сформироваться более масштабные и интенсивные аномалии, чем в атмосфере.
Долговременные загрязнители (CO2 и др.) прогрессивно накапливаются в
атмосфере. И это опасно, ибо даже небольшие по масштабам поступления их в
атмосферу могут, в конечном счете, повлиять на химический состав ее в
нежелательном направлении.
Не следует забывать, что окружающая среда достаточно легко нейтрализует
последствия естественного загрязнения (вулканы, лесные пожары, грозовые разряды).
36
К тому же вулканы, например, обычно располагаются вдали от крупных скоплений
населения.
8. Гидросфера
Вода стоит особняком в истории
нашей планеты. Нет природного тела,
которое могло бы сравниться с ней по
влиянию на ход основных, самых
грандиозных, геологи
ческих процессов. Вода определяет и
создает всю биосферу – она создает
основные черты механизма земной
коры,
вплоть
до
магматической
оболочки, по крайней мере.
(В.И. Вернадский)
Вода, у тебя нет ни запаха, ни вкуса,
ни цвета, тобой наслаждаются, не
ведая, что ты такое. Нельзя сказать,
что ты необходима для жизни. Ты –
сама жизнь!
(Антуан де Сент-Экзюпери)
Общеизвестна роль воды в жизни человека, биосферы в целом. Население планеты
расходует ежесуточно около 7 млрд. т воды. Проблема не в недостатке воды на Земле,
а в неравномерном ее распределении (районы с избыточным увлажнением и пустыни).
Н.Н. Горский в книге «Вода – чудо природы» (1962) писал: «В наших силах осушить
непроходимые болота, обводнить самые засушливые пустыни, изменить направление
рек и опреснить морскую воду. Человечеству не угрожает недостаток воды. Ему грозит
нечто худшее – недостаток чистой воды».
Природные воды – это не химически чистые воды, а сложные растворы различных
веществ. Без растворенных в водоемах солей и газов не была бы возможна жизнь.
Химический состав вод необходимо учитывать и при деятельности человека.
Формирование химического состава вод происходит под
влиянием двух
37
независимых факторов:
1. Геологических условий;
2. Антропогенного воздействия.
Изменение состава природных вод при хозяйственной деятельности человека
обусловлено
внедрением
в
гидросферу
огромного
количества
отходов
сельскохозяйственного и промышленного производства, разного вида сточных вод,
которые загрязняют реки, озера, грунтовые воды и, в конечном счете, моря, океаны.
Проблема эта настолько остра, что чистая вода стала дефицитным полезным
ископаемым. Уже сегодня уровень загрязнения природных вод создает ситуацию,
угрожающую нормальному развитию биосферы. Если загрязнение и его темпы не
будут приостановлены, дефицит чистой воды неизбежно превратится в трагедию для
ближайших поколений.
Недаром у древних народов, наряду с культом Солнца, существовал и культ воды.
Аристотель в IV в. до н.э. провозгласил воду началом всех начал, всех вещей. С
развитием цивилизации значение воды не умалялось.
Водную оболочку Земли Э. Зюсс (1875) назвал гидросферой. Она составляет около
7 % от массы земной коры. Включает гидросфера не только океан, но и наземные
водоемы, подземные воды и горную влажность.
По современным данным (Ионин, 1977), гидросферу составляет 1,46 106 триллиона
т воды (порядка1460 106 км3). Это в 375 раз больше массы атмосферы, а от массы
Земли − 1:4000 часть. 94 % этого количества воды − соленые воды Мирового океана.
Остальные 6 % делятся следующим образом:
1) ¾ % – подземные воды;
2) ¼ % − ледники Антарктиды, Гренландии и др. (если бы ледники растаяли,
уровень океана поднялся бы примерно на 80 м).
Гидросфера занимает 70,8 % поверхности Земли, средняя глубина океана – около
3,8 км (максимальная – 11034 м в Марианской впадине − обнаружена советским
судном «Витязь»).
Соленость Мирового океана – 3,472. Из них: Na – 1,076 %, Mo – 0,13 %, Ca –
0,04 %, К – 0,039 %, Sn – 0,001 %, Cl – 1,935 %, SO42− – 0,27 %, HCO3− – 0,014 %, Br –
0,007 %, CO32− –0,007 %. В океане растворено CO2 в 60 раз больше, чем в атмосфере
(140 триллионов т против 2,6 триллиона т), O2 – в 130 меньше, чем в атмосфере.
Если сравнить состав гидросферы с составом литосферы, то мы увидим серьезные
отличия. Главные элементы литосферы − Si, Al, Fe и др., в гидросфере находятся в
38
ничтожных количествах (кроме O, который преобладает и там, и там). Зато в
гидросфере явно концентрируются Na, Cl, Br, S, I, B.
Особый интерес вызывает вопрос об источнике солей Мирового океана. Я не буду
останавливаться на старой норвежской легенде о «соляной мельнице, которую
выбросил за борт незадачливый капитан», на утверждении, что «море соленое от слез
моряков и тех, кто не дождался их берегу». Еще В.М. Гольдшмидт справедливо
полагал, что соли снесены в океан с континентов текучими водами. Однако оказалось,
что источником таких элементов, как B, Br, Ca, K, Mg, Sr, действительно были
разрушающиеся горные породы в зоне выветривания. Источником же самой воды и
анионов является непрерывная вулканическая и интрузивная деятельность, т.е. вынос
H2O, CO2, HP, HCl, S, B, I с лавами, в гидротермальном процессе, с горячими
источниками, газовыми струями. Следует отметить поразительное сходство этих
эманаций с составом атмосферы и океана. Атмосфера и гидросфера – продукт
дегазации мантии 3емли, а литосфера – выплавления легкоплавкой фракции из мантии.
Сведения по другим типам природных вод приведем по М. Брелшоу (1980):
Почва и аэрируемая зона
0,066 ⋅10 6 км 3 .
Грунтовые воды до 0,8 км
4,16 ⋅10 6 км 3
Грунтовые воды 0,8 км
4,16 ⋅10 6 км 3
Общие грунтовые воды
8,4 ⋅10 6 км 3
Озера и реки
0,2 ⋅10 6 км 3
Ледники
29 ⋅10 6 км 3
Воды суши. Поверхностные текущие воды резко отличаются по составу от
океанических. Если состав последних не зависит от широты, то состав речных вод
зависит от климата, геологического строения и состава пород области стока.
В умеренных и влажных зонах – это гидрокарбонатные воды, а в районах сухого и
жаркого климата возрастает роль Cl − и O42− . Реки переносят в конечные водоемы
стока не только истинно растворенные вещества, но и коллоиды, механические взвеси.
В год это составляет порядка 20 млн. т, из которых на растворенные вещества
приходится около 10 %.
Состав вод и озер зависит от климата и от характера вод (речных и подземных),
питающих озера, а также от характера окружающих горных пород. Озера бывают
пресными (до 1 г на литр сухого остатка) и солеными (больше 1 г/л.).
39
Подземные воды – это воды, циркулирующие внутри верхней части литосферы
ниже земной поверхности. Подземные воды можно классифицировать с разных точек
зрения: геологической, физической, генетической, химического состава и т.п.
Геологическая классификация включает:
1. Почвенные воды;
2. Грунтовые воды – до первого водоупорного пласта;
3. Межпластовые, или непарные, – между водоупорными горизонтами.
По физическим признакам выделяются:
1. Гравитационные воды, заполняющие полости, крупные трещины, поры;
2. Гигроскопическая влага – капиллярная;
3. Пленочная вода – одномолекулярный слой вокруг частиц породы.
К подземным относятся и воды, связанные физически или химически, т.е.
кристаллогидратная,
конституционная,
цеолитная
вода,
и
вода,
механически
включенная в минералы.
По происхождению (генезису):
1. Ювенильные, по своему происхождению связанные с магмой. Результат
охлаждения магматических эксгаляций. Они сильно и разнообразно минерализованы,
содержат много растворенных газов. Это собственно гидротермальные воды, хотя в
ряде случаев они не связаны генетически с магмой.
2. Вадозовые, связанные с атмосферными осадками. Они составляют основную
часть циркулирующих в литосфере вод.
3. Фреатические (метаморфогенные), образующиеся вследствие выделения в зоне
метаморфизма воды, связанной с минералами,.
4. Остаточные. Это воды, захороненные в породах воды древних морских и иных
бассейнов.
И, наконец, химическая классификация.
Следует отметить, что в природе нет химически чистых вод. Даже свежесобранные
атмосферные осадки содержат в себе различные химические элементы, пылинки,
растворенные газы. Причем соотношение растворенных газов отличается от такового в
атмосфере. А именно: N2 – 60 %, O2 – 30 %, CO2 – 10 %. Здесь налицо увеличение
содержания кислорода и, особенно, углекислоты.
Тем более это касается почвенных и иных подземных вод. Состав их и степень
минерализации колеблются в широких пределах. Среди них выделяются (О.А. Алекив,
1970):
1. Пресные воды – до 1 г на литр;
40
2. Солоноватые – 1–25 г/л;
3. Соленые – 25–50 г/л;
4. Рассолы – больше 50 г/л.
В основу классификации по химическому составу кладут преобладающий анион:
1. Хлоридные воды − Cl − .
Главные катионы − Na, реже Са, Mg.
2. Сульфатные воды − SO42− .
Те же главные катионы.
3. Карбонатные и гидрокарбонатные воды – CO32− , HCO3− .
Главные катионы − Na (содовые воды) и Ca (известняковые).
4. Воды смешанного характера: двойные, тройные по анионам.
Меньшим распространением пользуются воды с другими ведущими анионами −
борнокислые, нитратные, фосфатные, кремнекислые и др.
В особую группу выделяются воды минеральные, обладающие лечебными
свойствами (с H2S, радоном, железом, кремнеземом, органическим веществом, CO2 и
т.п.).
Происхождение воды на Земле
В настоящее время популярны две точки зрения. Первая из них возникла давно, а
исходила она из космогонической гипотезы образования Земли и Солнечной системы
Канта-Лапласа, т.е. из так называемого «горячего варианта». Согласно этой гипотезе,
вода на Земле образовалась конденсационным путем из атмосферы сразу же или
вскоре после образования планеты (т.е. после того, как температура на поверхности
снизилась до 100°С и ниже). Следовательно, океан древний (порядка 4 млрд. лет).
Сторонник этой точки зрения, наш современник В.И. Ферронский с соавторами (1975),
на основании данных по изучению изотопного состава природных вод, сделал
заключение: «Гидросфера, будучи конденсационного происхождения, образовалась в
период остывания верхней оболочки Земли за сравнительно короткий срок в объеме,
близком к современному».
Вторая точка зрения (А.П. Виноградов, 1957): вода равномерно накапливалась на
поверхности планеты в процессе дегазации и вулканизма мантии Земли. Обе точки
зрения признают древность Мирового океана. Так считали Э. Зюсс и В.И. Вернадский.
Наш современник О.С. Сорохтин пишет: «Если под океаном понимать воду,
заполняющую океанские впадины, то Мировой океан является древним образованием,
41
а по своему возрасту он лишь ненамного моложе самой Земли».
Однако в последние годы высказано сомнение относительно древности океана.
Аргумент «против» основывается на том, что изначальное образование гидросферы не
согласуется с представлениями об эволюции Земли, земной коры и органического
мира. В.В. Орленок (1990), развивая идею о «молодости» океана, исходит из двух
установленных при глубоководном бурении фактов:
1. На дне океанов не обнаружено осадков древнее 165 млн. лет, что свидетельствует
об их геологической молодости.
2. На дне глубоководных котловин всех трех океанов обнаружены осадки и породы
со следами мелководности и даже субаэрального выветривания. Теперь эти области
опущены на глубину 1–6 км.
Важно еще одно обстоятельство, внимание на которое обратил автор гипотезы: за
последние 100 лет поднятие уровня Мирового океана оценивается в 1,5 мм в год. Если
допустить, что такой же темп был и последние 500 млн. лет, то получим абсурдную
цифру глубины океана – 75 км. Значит, считает автор, этот темп установился только
60–70 млн. лет тому назад, т.е. только в кайнозое. Завершится такое поступление воды
на поверхность Земли тоже примерно через 60–70 млн. лет вследствие исчерпания
ресурсов воды в недрах планеты. Дальше же начнется «усыхание» океана через
механизм фотолиза. Через 300–350 млн. лет океаны исчезнут с лица Земли.
Поверхность Земли станет подобной венерианской или марсианской, ибо с водой
исчезнет и жизнь.
Итак, ежегодное прибавление массы океана в ближайшие 60–70 млн. лет приведет к
подъему уровня воды, к затоплению пониженных участков суши, к потеплению
климата, что, в свою очередь, обусловит таяние ледников и поднятие уровня океана на
десятки метров. В конце концов, уровень воды поднимется на 500–650 м. Теперь уже
только горные области в виде разобщенных островов будут возвышаться над водой.
Планета Земля превратится в планету Океан. Гипотеза В.В. Орленка – гипотеза об
океанизации Земли.
Таков, по ее автору, неизбежный закон эволюции планеты от бесплодной,
безводной, огнедышащей Земли к цветущему зелено-голубому оазису, затем к планетеОкеану и, наконец, к безжизненной и безводной пустыне с зияющими впадинами
высохших океанов.
Весь этот этап займет около 500 млн. лет. У человеческой цивилизации будет
достаточно времени, чтобы повлиять на процессы в глубоких зонах Земли или создать
условия жизни на Луне, Марсе, Венере, других мирах.
42
Не в порядке критики или комментария хочу заметить, что, возможно, это именно
тот случай, о котором говорил Н. Бор: «Перед нами безумная теория. Вопрос только в
том, достаточно ли она безумна, чтобы быть верной». Или другая сентенция, о которой
я вам уже говорил: «Не всякая красивая гипотеза верна, а не всякая верная гипотеза
красива».
А теперь критика по существу. В том же 1990 г. появилась критическая статья
А.О. Селиванова. Он указал, что В.В. Орленок поступает некорректно, когда величину
прироста уровня океана, наблюдаемую сейчас, экстраполирует столь вольно на
прошлое и будущее Земли, не принимая во внимание установленное обстоятельство,
что имеет место периодическое (примерно раз в 2 тыс. лет) перераспределение воды
между сушей и океаном. В ваши дни оно в «пользу» океана, но потом сменится в
«пользу суши».
Поэтому сегодня следует считать более обоснованной точку зрения о древности
Мирового океана.
В заключение заметим, что вода не только поступает из недр на поверхность Земли,
но частично безвозвратно теряется нашей планетой. B верхней стратосфере
ультрафиолетовая радиация Солнца расщепляет молекулы H2O на H и O. Этот процесс
называется фотодиссипацией. Кислород остается в атмосфере и участвует в известных
вам процессах, а водород диссипирует.
Геохимическая роль воды
Вода,
образующая
одну
из
земных
геосфер − гидросферу − определяет всю
химию земной коры в доступной нашему
непосредственному изучению ее области.
Вода
на
минералов,
нашей
планете –
который
по
один
из
своему
распространению не имеет себе равного.
Нет
земного
вещества –
минерала,
горной породы, живого тела, − которое бы
ее не заключало.
(В.И. Вернадский)
Геохимическая деятельность природных вод развивается в двух направлениях:
43
1. Растворяющее действие их на минералы и горные породы;
2. Выделение вещества из растворов.
Учитывая высокую растворимость некоторых горных пород (каменная соль, гипс,
известняки), растворение их приводит к серьезным последствиям – карстовым
явлениям.
Вода как растворитель (а в природе нет нерастворимых веществ) играет
исключительную роль в перемещении, миграции химических элементов в земной коре,
которая не прекращается ни на мгновение, протекая в грандиозных масштабах. Вода не
только химический реагент, она – среда для химических реакций.
Процесс выделения веществ из растворов приводит к залечиванию трещин и
пустот, к цементации рыхлых отложений. В процессе образования аутогенных
минералов проявляются обе стороны деятельности воды: многие вещества переходят
в раствор, а затем выпадают из него, образуя минералы. Без участия воды не проходят
магматические и гидротермальные процессы, метаморфизм. С участием воды идут
процессы гидратации и формирования коллоидов. Наконец, без воды невозможна
жизнь, а биосфера, в свою очередь, играет выдающуюся геохимическую роль на Земле.
Деятельность поверхностных вод развивается также в двух направлениях –
разрушения и созидания. Совершенно очевидна роль воды как среды накопления
осадков: обломочных, хемогенных и биохемогенных осадков. Многие миллиарды тонн
вещества в виде истинных и коллоидных растворов, в виде взвеси перемещаются по
лику Земли текучими водами, приливами и отливами. Последствия известны: абразия и
эрозия, денудация горных систем, пенепленизация континентов.
Ввиду исключительной роли воды в процессах миграции элементов правомерно
поставить вопрос о том, все ли элементы проходят в своей истории в ходе миграции
через водные растворы. Ответ на этот вопрос дал В.И. Вернадский, который все
химические элементы по их отношению к воде подразделял на две группы:
1. Элементы гидрогенические, которые в основной своей массе проходят через
водные растворы.
2. Элементы пирогенические, которые в водных растворах присутствуют в малых
количествах, а собственные минералы дают из расплавов (Zr, Ta, Nb, Pt, Th, Be и
некоторые другие). Их меньше всего.
Круговороты воды в природе
Вам должны быть известны понятия о малом и большом круговороте воды на
поверхности Земли. Поэтому я остановлюсь на двух других типах круговоротов, в
44
которых участвуют огромные массы воды.
Третий круговорот воды может быть назван геохимическим циклом воды в земной
коре. Цикл этот начинается в зоне гипергенеза с момента попадания атмосферных
осадков в горные породы и заканчивается выходом на дневную поверхность
глубинных вод, возрожденных в зоне регионального метаморфизма.
Академик А.В. Сидоренко показал, что вместе с водой в зоне экзогенеза
переносятся и многие газы и металлы, т.е. речь идет о «газовом, водном, рудном
дыхании зоны метаморфизма».
В зоне гипергенеза вода в виде ионов H + , OH − , H 3O − входит в состав
образующихся здесь минералов, а в зоне метаморфизма идет обратный процесс –
синтез молекул воды, а не только простая дегидратация пород. Еще В.И. Вернадский
указывал: «По-видимому, и синтез, и разложение молекул воды идет в земной коре в
большом масштабе, проходит вокруг нас, на каждом шагу». Но это была гениальная
догадка. Теперь мы видим, что оформляется новое научное понятие о геохимическом
круговороте воды в земной коре.
И, наконец, самый грандиозный – четвертый – круговорот воды. Он захватывает не
только земную кору, но и верхнюю мантию Земли. Речь идет о зонах субдукции, где
океаническая вода вместе с гидратированными базальтами, обводненными осадками,
погружается в мантию, а затем через вулканические аппараты в зоне островных дуг
возвращается на поверхность Земли, заканчивая цикл. Подсчитано, что за время
геологического развития Земли (4 млрд. лет) через эти зоны профильтровалось 16
млрд. км3 воды, что в 2 раза больше, чем ее содержание в современной гидросфере.
Значит, Мировой океан уже 2-й раз «побывал» в мантии. При этом в земную кору из
мантии
было
вынесено
гигантское
количество
и
породообразующих,
и
рудообразующих химических элементов, т.е. вода и в этом круговороте выполняет
титаническую геохимическую работу, способствуя формированию земной коры,
обогащая ее из кладовой-мантии ценными для человечества химическими элементами.
По длительности времени этот круговорот сопоставим с третьим, геохимическим, а по
масштабам и последствиям, видимо, даже превосходит его.
Уравнение водного баланса на Земле
Классическое уравнение водного баланса М.И. Львовича, где Е – испарение, R –
речной, подземный и другие виды стока, Р – атмосферные осадки, верно лишь для
Мирового океана как закрытой системы. Однако гидросфера Земли – система
открытая. Она открыта и на космос, и на мантию. Следовательно, в приведенном выше
45
уравнении не учтены внешние статьи прихода и расхода воды. Имеются в виду
эндогенные внутрипланетные поступления воды (Т) и потери на фотодиссоциацию
(фотолиз) воды в верхней стратосфере (F). При условии учета этих статей, уравнение
приобретет более полное выражение:
Р+R+Т–Е–F>0 (В.В. Орленок, 1990).
В годовом исчислении малые величины Т и С имеют решающее значение в балансе
воды геологического масштаба времени, а значит, и в эволюции лика Земли.
В современную геологическую эпоху величина F, по некоторым данным,
составляет всего около 1 % от величины Т. Поэтому водный баланс остается в течение
продолжительного времени положительным (>0). По мере исчерпания ресурсов воды в
недрах Земли, величины Т и F могут сравниться, а затем и эндогенный приход воды
может оказаться меньшим, чем ее расход путем фотолиза. Тогда равновесие сместится
в сторону отрицательного баланса, и количество воды на Земле начнет убывать. Это
уменьшение воды неизбежно, хотя, может быть, и не с тем темпом, как это
предполагает В.В. Орленок.
Химический состав природных вод и факторы его формирования
Прежде чем перейти к вопросу о влиянии антропогенного фактора на изменение
состава природных вод, остановимся на их составе в естественных условиях.
Вот основные слагаемые химического состава природных вод:
1. Главные ионы: Cl − , O42− , HCO32− , Na + , K + , Mg 2+ , Ca 2+ ;
2. Растворенные газы: O2, CO2, H2S и др.;
3. Биогенные компоненты: соединения N, P, Si;
4. Микроэлементы (все другие элементы, присутствующие в меньших количествах,
чем главные ионы);
5. Органические вещества.
Качество воды определяется также и такими характеристиками, как жесткость,
щелочность-кислотность, окисляемость и т.п. Прямое влияние на химический состав
вод оказывает: химический состав и свойства горных пород и почв, жизнедеятельность
организмов и деятельность человека. Косвенное − климат, рельеф, растительность.
Хотя многие микроэлементы содержатся в водах в ничтожных количествах, их
влияние на новые организмы весьма велико. Позже мы еще об этом поговорим. Сейчас
отметим, что, как правило, концентрация микроэлементов в воде мала. Это
обусловлено следующими причинами:
1. Низкое содержание микроэлементов в породах литосферы;
46
2. Низкая растворимость минералов, содержащих эти элементы;
3. Влияние величин рН и Еh на содержание этих элементов в природных растворах;
4. Адсорбция их различными сорбентами;
5. Извлечение элементов из вод живыми организмами.
Химический
состав
природных
вод
является
критерием,
определяющим
возможность использования их в хозяйственных целях.
Имеются подробные сведения о химическом составе речных, озерных и подземных
вод, вод морей и океанов. За недостатком времени мы не будем останавливаться на
этом вопросе, но вы должны знать, что при необходимости эти данные можно
получить из специальной литературы.
К сожалению, имеющиеся в литературе цифры по содержанию многих
макроэлементов,
особенно
в
речных
водах,
отражают
не
«истинный
гидрогеохимический фон», а состав уже загрязненных рек Европы, Азии, Америки
(вечная тяга расположения населенных пунктов и промышленных комплексов вблизи
источников пресной воды). Вспомните, я говорил о срочной необходимости изучать
состав мировых рек, Антарктиды и т.п., чтобы иметь представление о естественном
фоне (пока не поздно, если уже не поздно). Вы также знаете, что некоторое повышение
содержания
микрокомпонентов
в
природных
водах
наблюдается
в
районе
месторождений (помните аномалии вокруг сульфидных месторождений цветных
металлов). Абсолютные значения содержания микроэлементов, в общем, невелики, но
уже они резко выделяются на «нормальном геохимическом фоне» района (за
пределами влияния месторождения).
Иное дело, как вы помните, антропогенные аномалии, возникающие при добыче
руд, их переработке, сбросе промстоков и т.п. Тогда их концентрации становятся
опасными для всего живого. Перейдем к рассмотрению этого вопроса.
Антропогенные изменения химического состава природных вод
Как вы могли убедиться, в естественных условиях содержание тех или иных
компонентов химического состава вод регулируется природными процессами. За
тысячелетия выработались оптимальные условия для установления равновесия между
поступлением химических элементов в воду и выведением их из нее. И только в
отдельных случаях, на весьма ограниченных участках, наблюдаются аномальные
содержания некоторых микроэлементов.
Однако существует в наши дни важный фактор, который «вмешивается» в
природные процессы, часто радикально изменяя химический состав природных вод,
47
иногда на значительных площадях. Это хозяйственная деятельность человека. Нет ни
одной отрасли хозяйства, где бы ни использовалась вода.
В
результате
хозяйственной
деятельности
человека
в природных
водах
уменьшается количество кислорода, ухудшаются условия разложения агонических
веществ, происходит их накопление, увеличивается количество азота, фосфора,
различных металлов, хлорорганических соединений, ядохимикатов и т.п. Большинство
рек в развитых странах превратились в сточные канавы, непригодные не только для
водоснабжения, но даже для купания.
И это касается не только рек и других пресных водоемов, но и морей, океанов.
Особенно загрязнены прибрежные зоны морей (порты, устья рек). Во всех морях
земного шара в последнее время значительно усилилось загрязнение нефтью и
нефтепродуктами, а это сказывается на содержании кислорода в воде, на
фитопланктоне.
Свой
сельскохозяйственная
«вклад»
вносят
деятельность
и
горнодобывающие
(удобрения,
пестициды,
предприятия,
и
ядохимикаты),
и
химические предприятия, и целлюлозно-бумажная промышленность (Байкал) и др. Для
некоторых микроэлементов (Hg, Be и др.) или их соединений даже не устанавливаются
ПДК для питьевых вод, ибо любые концентрации их в питьевой воде недопустимы. Но
они имеются в водоемах, вода которых предназначается для других целей.
9. Баланс энергии в атмосфере и гидросфере и антропогенное воздействие
на климат
Источники энергии геохимических процессов земной коры подразделяются на 2
категории: земные (планетарные) и внеземные (космические). Главным источником
для атмосферы и гидросферы является космическая энергия, в основном, энергия
солнечной радиации, которая и определяет тепловой режим атмосферы, гидросферы,
биосферы. Роль других космических источников (энергия звезд) в целом ничтожна, во
всяком случае, пока мало выяснена не только в количественном, но и в качественном
отношении.
Напряженность солнечной радиации, т.е. количество энергии, падающей на 1 см2
поверхности в минуту, измеряется актинометрами и выражается в малых калориях.
Эмпирически установлено, что напряженность солнечной радиации на верхней
границе атмосферы близка к 2 м.кал./мин/см2. Это солнечная постоянная. Разумеется,
что она несколько колеблется по месяцам, годам, с изменением солнечной активности.
У земной поверхности она значительно меньше, ибо часть радиации солнца отражается
от газовых молекул атмосферы и отбрасывается обратно в мировое пространство,
48
другая часть поглощается атмосферой, часть рассеивается в атмосфере. Какие части?
Около 40 % отбрасывается в космос (это альбедо Земли) остальные около 60 %
поглощаются атмосферой, рассеиваются в ней, идут на ее нагревание, а также
достигают земной поверхности. Часть солнечных лучей отражается от поверхности
земли, часть расходуется на фотосинтез растений (около 1–2 %, по другим данным −
0,1–1 %), часть идет на испарение воды, часть поглощается породами литосферы и
гидросферой, идет на их нагревание.
Следует подчеркнуть, что, хотя Земля получает лишь ничтожную часть энергии
Солнца (5·10-10 или одну двухмиллиардную часть ее), в абсолютном выражении это
огромная энергия. Этого «немногого» достаточно, чтобы приводить в движение
большие массы вещества на поверхности Земли (воздуха, вод, твердых веществ),
вызывать в больших масштабах миграцию элементов, обеспечивать жизнь на Земле.
Если бы процесс поступления космической энергии на Землю был односторонним,
то атмосфера и гидросфера неуклонно нагревались бы. Но этого нет. Многие ученые не
без основания считают, что термический режим на Земле за последние 2 млрд. лет
существенно не изменился. Как же это обеспечивается? Дело в том, что Земля не
только получает из космоса энергию, но и теряет тепло в космическом пространстве.
Потеря энергии идет в виде тепловых лучей через атмосферу.
Считается, что для поддержания постоянного термического режима Земля теряет
столько тепла, сколько получает. Но это не совсем так. Ведь поверхностные части
Земли получают тепло не только из космоса. Есть и земные источники тепла:
радиоактивный распад и др. Поэтому для постоянства теплового режима Земля должна
терять несколько больше энергии, чем получает ее только из космоса. Правда, из
глубин Земли к ее поверхности поступает незначительная, по сравнению с солнечной,
энергия. Приводят такие цифры:
Солнце – 4,5 1016 кал/сек, а глубинный поток – 9·1012 кал/сек., что в 5000 раз меньше.
Интенсивность излучения энергии Землей зависит от ряда причин:
1. Прозрачности атмосферы;
2. Разности температур земной поверхности и нижних слоев атмосферы, верхних ее
слоев и космоса.
И, напротив, количество энергии, которое достигает дневной поверхности, тоже
определяется этими причинами, плюс широта места, т.е. длина пути, которую проходят
солнечные лучи в атмосфере. Прозрачность атмосферы определяется количеством
пыли, паров воды. Количество энергии также зависит от времени года и суток. Потеря
тепла Землей зависит еще и от так называемого парникового эффекта, который
49
определяется количеством СО2 и других компонентов (H20 и 03) в атмосфере (теория
Аррениуса).
Напомню также, что до поверхности Земли доходят далеко не все виды солнечного
излучения. Атмосфера планеты пропускает лишь видимый участок спектра (свет),
небольшую часть ультрафиолетового, инфракрасного излучений, а также радиоволны с
длиной от 3 мм до 3 м. Не долетают до поверхности Земля и корпускулы. Исключение
представляют лишь очень маленькие незаряженные «нейтрино» (от итальянского −
«нейтрончики»). Интенсивность солнечной радиации зависит и от солнечной
активности, которая не остается постоянной во времени. Установлена определенная
цикличность с периодами, различными по продолжительности. В свете этих данных
нельзя не остановиться на вопросе о техногенных загрязнениях атмосферы, которые
могут повлиять на баланс энергии внешних геосфер планеты.
По некоторым данным (Джеймс Лодж – сотрудник научного Центра атмосферных
исследований США), температура атмосферы снизилась за последние 17 лет на 0,З°С.
Причина –
промышленное
загрязнение,
которое
мешает
солнечной
радиации
проникать в глубину атмосферы. Имеются и прямо противоположные данные.
Английский исследователь Питер Лори в лондонской «Санди Таймс» писал в 1969
году: «Уголь и нефть, сожженные в течение прошедшего столетия, увеличили
содержание СО2 в атмосфере на одну седьмую. Если содержание СО2 и дальше будет
возрастать такими темпами, то через 400 лет (по некоторым расчетам, через 4000 лет) в
атмосфере количество СО2 будет таким, что оно, вследствие «парникового эффекта»,
сократит объем отбрасываемого тепла в космос. Это повысит температуру на Земле,
приведет к таянию ледников и затоплению пониженных участков суши вследствие
поднятия уровня Мирового океана. Будут затоплены города, плодородные земли...».
Другого рода загрязнение может привести к противоположному результату. Если бы, в
результате ядерного конфликта, в атмосферу была выброшена пыль от взрыва ядерных
бомб, общей мощностью 2000 мегатонн, то на Земле начался бы новый ледниковый
период. В природе очень хрупкое равновесие. Такое временное похолодание было бы
спусковым крючком для нового оледенения.
Человечество действительно может вызвать климатическую катастрофу, способную
уничтожить его как биологический вид. Такой катастрофой была бы ядерная война.
Оценку ее последствий ученые сводят к следующему:
1. Тепловой нагрев атмосферы взрывами и пожарами эквивалентен нагреву всей
атмосферы на 1°С, он вызовет разрушительные локальные эффекты, в том числе
ураганные ветры.
50
2. Атмосфера будет заражена радиоактивными загрязнителями в виде облака на
тысячи км, включая всю территорию США и Европы.
3. Дополнительное выделение при пожарах и из вскрытых газовых скважин СО2,
СО, метана, пропана и др. газов, увеличение образования озона в тропосфере за счет
ультрафиолета, появившегося из разрушенного окислами азота озона стратосферы,
приведут, даже без учета «пепельного экрана», к повышению глобальной температуры
на Земле на 4–5 С, что повлечет за собой опустынивание, иссушение, потерю урожаев.
4. Образование при взрывах окислов азота из воздуха и их вынос в стратосферу с
облаками приведут к разрушению 40–60% озона в Северном полушарии. Окислы азота
вступят в фотохимические реакции с озоном, связывая его в кислород, что приведет к
резкому увеличению ультрафиолетового облучения на поверхности Земли.
5. Главным последствием взрывов и пожаров явится поступление пыли и пепла в
атмосферу. Количество пыли может достигнуть 50 млрд. т. Большая часть ее осядет, но
часть испарится и превратится в аэрозольную фракцию со средним размером в 1
микрон, которая попадет в стратосферу. Пожары дадут пепел, который заполнит
тропосферу и, частично, стратосферу. Пепел и пыль быстро обволокут все Северное
полушарие. Солнце нагреет пыль, усилятся ветры, что будет способствовать
распространению пыли и новому ее подъему. В итоге прозрачность атмосферы
уменьшится в 70–200 раз. Это приведет к нагреву верхней тропосферы в первый месяц
на 25°С, а приземной слой ее остынет на 15–30°С, что перекроет эффект парникового
нагрева. Смена неустойчивой стратификации атмосферы на устойчивую, даже
сверхустойчивую,
приведет
к прекращению
выпадения
осадков,
что
продлит
нахождение пыли в воздухе. Локальные эффекты будут более разительными. Местами
похолодание достигнет 40–50°С. После осаждения пыли, через несколько месяцев,
наступит резкое потепление на 20–30°С, по сравнению с нормой, что приведет
к катастрофическому таянию снега, льдов. Высокие горы будут нагреты в первые
месяцы, что вызовет гигантские паводки оттуда.
Неравномерность температурного нагрева в Северном и Южном полушариях
обусловит единую ячейку трансэкваториальной циркуляции, разрушит пассатные
ячейки.
Серьезные последствия вызовут также изменение альбедо Земли.
Модель подобного развития событий дала сама природа. В 1815 г. произошло
извержение вулкана Тамбора на о. Субава (к востоку от о. Ява), которое было самым
сильным на Земле за последние 500 лет. В атмосферу было выброшено материала во
много раз больше, чем при взрыве Кракатау на о. Ява в 1883 г. Газ и пепел в верхних
51
горизонтах атмосферы создали завесу, ставшую экраном для солнечного излучения.
Началось охлаждение атмосферы. В Северном полушарии повсюду сезонный снег
лежал до середины июня, а в августе в Западной Европе уже отмечались заморозки, в
Англии в этом году совсем не было лета. В 1816 г. об этом феномене написал стихи
Байрон. Явления эти наблюдались в течение 2-х лет.
Ученые считают, что после ядерной войны и ядерной зимы климат никогда уже не
будет прежним, а взрыв – это спусковой крючок к оледенению.
Тот же результат может быть получен и менее драматическим образом, благодаря
реактивной авиации, которая при сжигании топлива выбрасывает в атмосферу на
высотах более 10 тыс. м массу паров воды, которые при замерзании дают мельчайшие
кристаллы льда, белесую дымку. Некоторые метеорологи серьезно обеспокоены, что
«и лето не такое, как прежде»: небо затянуто пленкой таких облаков. Со временем над
землей может образоваться постоянная дымка, которая либо понизит, отражая
солнечные лучи, температуру на Земле, либо повысит ее, задерживая земное тепло.
Каков будет конечный результат, пока неизвестно. Важно сейчас подчеркнуть, что
возможности человека влиять на крупнейшие природные процессы возросли
неизмеримо и имеют тенденцию к дальнейшему росту. Не считаться с последствиями
технической деятельности человека нельзя.
Давайте теперь посмотрим, как складывается баланс энергии в гидросфере. Мы уже
видели, что до поверхности воды доходит только часть солнечной радиации, и она тем
меньше, чем менее прозрачна атмосфера (влажность, пыль и т.д.). Приведу, на первый
взгляд, парадоксальные данные. Для полярных районов планеты сумма тепла на 1 см2 в
сутки достигает 800 м.кал., а вблизи экватора − только 600 м.кал. Это объясняется
большой влажностью воздуха в низких широтах и, соответственно, большим
поглощением солнечного тепла, а также большей продолжительностью дня на севере.
Часть солнечных лучей отражается от поверхности гидросферы. Тем большая
часть, чем больше угол падения–отражения. В среднем, эту величину оценивают в
17 %. Часть лучей проникает в воду и поглощается верхним слоем. При этом первый
метр воды поглощает около 80 % энергии), большую роль играет и прозрачность
воды – взвешенные частицы, организмы), 5 % достигает 5 м, 1 % – 10 м глубины.
Нижние горизонты океанической воды получают тепло не непосредственно за счет
радиации Солнца, а вследствие перемешивания воды (течения, бури, конвекция). Моря
полярных районов получают тепло за счет притока более теплой воды из низких широт
(Гольфстрим и др.).
Следовательно, вся толщина воды гидросферы получает энергию от Солнца.
52
Температура воды у дна океана близка к 0°С, тем самым тепловой кондуктивный поток
земного происхождения здесь не сказывается. Геотермический градиент начинает
«работать» только с некоторой глубины в осадках океана (иначе была бы «уха»).
Правда, эндогенное тепло активно воздействует на воду в рифтовых зонах океанов.
Гидросфера также теряет тепло вследствие излучения в атмосферу и испарения
воды. На испарение огромной массы воды (кстати сказать, равной массе атмосферных
осадков + сток с суши), гидросфера расходует около 10 % всей энергии, получаемой
Землей от Солнца, или на 1 см2 – 70000 м.кал./год (некоторые авторы). Надо, впрочем,
подчеркнуть, что это тепло не теряется в космическом пространстве бесследно.
Значительная его часть удерживается атмосферой, идет на ее нагревание, и это
предохраняет гидросферу и литосферу от быстрого остывания («одеяло» Земли).
Путем излучения теряется, в зависимости от состояния атмосферы, от 10 % до 50 %
энергии. Часть тепла гидросферы расходуется на нагревание нижних горизонтов
атмосферы, но, ввиду высокой теплоемкости воды, эта величина в целом
незначительна, хотя она вызывает ураганы и штормы!
Мировой океан поглощает почти 70 % солнечной энергии, падающей на Землю.
Преобразование тепловой энергии океана дает возможность эксплуатировать этот
огромный резерв энергии, используя перепад температур между нагреваемыми
Солнцем поверхностными водами и водами морских глубин.
Вопросы для подготовки к семинару по теме «Баланс энергии в атмо- и
гидросфере».
1. Земные и космические источники энергии, их количественная оценка для
окружающей среды.
2. Распределение солнечной энергии в атмосфере. Альбедо Земли. Солнечная
постоянная. Факторы, определяющие прозрачность атмосферы, и их роль в балансе
энергии.
3. Распределение солнечной энергии в гидросфере, роль ее как аккумулятора
солнечной энергии.
4. Антропогенное загрязнение атмосферы и возможные геологические последствия
этого («парниковый эффект», «ядерная зима» и другие возможные нежелательные
явления)
5. Механизмы поддержания баланса энергии в атмо- и гидросфере. Соотношение
космических и земных источников энергии в окружающей среде.
53
10. Биосфера и ее геохимическая роль
Под биосферой понимают оболочку Земли, в которой распространены организмы.
Это понятие впервые ввел в геологическую науку Э. Зюсс в 1875 г. Однако значение
биосферы в химии Земли было выяснено только в ХХ веке, главным образом в работах
В.И. Вернадского, которого по праву считают создателем новой отрасли геохимии –
биогеохимии.
В.М. Гольдшмидт писал: «К этому нужно добавить влияние биохимических
процессов на геохимический распад веществ, причем местом особенно интенсивного
обмена веществ между живой и мертвой природой является область, заключенная
между литосферой и атмосферой; значение этой области как биосферы было
выдвинуто, главным образом, В.И. Вернадским».
Вернадский показал, прежде всего, что биосфера является не геосферой (как это
считал Э. Зюсс и его единомышленники), а оболочкой, ибо она включает в себя три
геосферы. В современную геологическую эпоху биосфера непрерывна. На дневной
поверхности фактически нет «безжизненных» мест. Кратеры вулканов, потоки лав –
это только временно безжизненные места. Очередь дойдет и до них. Биосфера
включает тропосферу, гидросферу и верхнюю часть литосферы. В прошлом биосфера
занимала только гидросферу, в которой зародилась жизнь, затем, в ходе времени,
биосфера завоевала и сушу.
В 1926 г. В.И. Вернадский поставил вопрос о границах биосферы, но ответа на него
в то время не было. Какие физико-химические условия могут определить границы
биосферы? Их, по меньшей мере, три.
1. Достаточное количество CO2 и O2 (на Гималаях зона растительности до высоты
6200 м).
2. Достаточное количество воды (на поверхности Земли нет участков, где бы жизнь
была ограничена этим фактором, даже в пустынях).
3. Благоприятный термический режим (высокая температура вызывает свертывание
белка, а очень низкая – прекращение работы ферментов). Чемпионами в отношении
термического режима являются некоторые бактерии и сине-зеленые водоросли (от
+100°С до температуры
Антарктиды).
В последние
годы
получены
новые
американские данные о наличии спор грибов и бактерий на высотах 48–85 км в
атмосфере, т.е. в стратосфере. Выявление бактерий на таких высотах побудило
некоторых исследователей возвратиться к вопросу о возможности «экспорта» и
«импорта» жизни. Раньше считали, что перенос микробов в межпланетном
54
пространстве,
возможно,
происходит
в
результате
давления
света.
Однако
обнаруженные в стратосфере микробы и споры грибов слишком крупны, чтобы свет
мог перемещать их в космосе. Однако возможность «путешествия» их от одного
небесного тела к другому реальна. Так, на Луне обнаружены живые земные микробы,
занесенные туда американским космическим кораблем. Сейчас доказано также, что
очень тонкая
белковая пленка способна защитить клетки микроорганизмов от
ультрафиолетовых лучей. Еще более надежной защитой может быть микрометеорит.
Обнаружение микроорганизмов и спор в стратосфере – экспериментальное
доказательство того, что верхняя граница жизни находится выше, чем это
предполагалось раньше. Однако речь идет не о нахождении бактерий и спор грибов в
состоянии анабиоза. Мы имеем в виду «поле устойчивой жизни» Вернадского, зону,
которая примыкает к биосфере сверху. Эту зону американские исследователи назвали
«парабиосферой» («пара» – возле). Под «полем существования жизни» Вернадский
понимал условия, при которых организмы могут давать потомство. Он полагал, что
«пределы биосферы обусловлены полем существования жизни». Правда, Вернадский
считал,
что
бактерии
заселяют
всю
осадочную
оболочку
Земли.
Это
его
предположение не подтвердилось: бактерии проникают в толщу литосферы только на
2–3 км.
Сейчас за нижнюю границу проникновения организмов принимают 100°С или
концентрацию растворов 270 г/литр (что в 10 раз больше солености океана).
Верхнюю границу биосферы давно уже связывали с наличием воды, критическим
для организмов уровнем ультрафиолетового излучения. Уже Вернадский считал
верхней границей озоновый экран.
Исходя из таких представлений, Н.Б. Вассоевич (1976) предложил выделить в
границах озонового экрана метабиосферу, которая включает:
а) апобиосферу – зону выше распространения форм жизни в состоянии анабиоза;
б) парабиосферу – «поле устойчивости жизни»;
в) биосферу (собственно биосферу);
г) метабиосферу, соответствующую «былым биосферам» Вернадского или
«оболочке Земли, когда-либо подвергавшейся воздействию биосферы».
Таким образом, благодаря постоянному притоку солнечной энергии, интенсивной
работе
приемника
энергии –
живого
вещества,
и
биохимического
круговорота,
биосфера
непрерывно
концентрические
планетарные
оболочки:
пара-
и
неполной
создает
апобиосферу,
замкнутости
вокруг
а
себя
внутри –
метабиосферу.
55
По массе, биосфера составляет всего 0,001 % массы земной коры. В наши дни
изменилось представление о распределении биосферы на Земле. Если недавно считали,
что основная масса ее сосредоточена в океане, то сейчас думают иначе. Монин (1977):
биомасса Земли – 2–3 трлн. т, из них 98–99 % находится на суше. В основном, это
растения лесов. На океан приходится всего 34 млрд. т (две трети – зоопланктон, 5 % –
водоросли, 3 % – рыбы, кальмары). Но годовая продукция лесов всего около 50 млрд.
т, а водорослей (хотя их количество меньше 0,001 массы биосферы) – 550 млрд. т в год
(ибо они делятся через 1–2 суток).
Хотя масса живой материи, по сравнению с массой земной коры, ничтожна, роль
организмов определяется не их массой, а их активной энергией. Каждый организм при
жизни постоянно захватывает из окружающей среды известное количество элементов
и снова возвращает их в окружающую среду, т.е. организм непрерывно обменивается
веществом со средой обитания.
Ф. Энгельс, подчеркивая эту сторону жизни, дает следующее определение:
«Жизнь – это способ существования белковых тел, существенным моментом которого
является постоянный обмен веществом с окружающей природой, причем с
прекращением этого обмена прекращается и жизнь, что приводит к разложению
белка».
В геохимии жизнь проявляется совместным действием мириад организмов, их
совокупностью. Поэтому количество вещества, которое пропускают через себя
организмы, огромно. Растительные организмы способны поглощать солнечную
энергию непосредственно, а из них она уже попадает в животные организмы.
Кислород
атмосферы,
огромные
скопления
каустобиолитов,
известняков,
кремнистых пород – все это результат жизнедеятельности организмов; почва – продукт
взаимодействия живой и неживой материи.
В процессе жизни организмы выполняют гигантскую работу по созданию
органических веществ, приводят в движение атомы химических элементов. Некоторые
бактерии, по Вернадскому, за 36 часов могут покрыть всю поверхность Земли
однослойным покровом, причем скорость переноса вещества достигнет скорости звука.
Одна диатомея, разделившись на части, если не встретит препятствия, за 8 дней дает
массу вещества, равную массе Земли, а в течение следующего часа удвоит эту массу.
Конечно, крупные организмы такой скорости не могут достигнуть.
В составе организмов обнаружено практически все химические элементы. Их
можно разделить на три группы.
(
)
1. Макрохимические n ⋅101% ÷ n ⋅10 −2 % : O, H, C, N, Ca, S, Mg, Fe, Na, Cl, Al, P, K,
56
Si;
2. Микрохимические (n ⋅10 −3 % ÷ n ⋅10 −5 % ) : Zn, Br, Mn, Cu, As, B, V, Ti и др.;
3. Ультрахимические (n ⋅10 −6 % ÷ n ⋅10 −12 % ): Au, Rb, Hg.
Некоторые виды организмов способны концентрировать в себе определенные
элементы. Такие организмы-консерваторы особенно интересны с точки зрения
геохимии. Растениями создаются огромные концентрации углерода (уголь, торф),
кальция (известняк), а также кремния (диатомиты) и т.п. Факт концентрации элементов
в организмах станет особенно наглядным, если сравнить содержание элементов в них
с содержанием их в окружающей среде. Так, по данным Вернадского, в морских
организмах концентрируются: F, B, K, S – в десятки раз, Si, P – в тысячи раз, Cu, I – в
десятки тысяч раз больше, чем в окружающей среде
Концентрация Si в кремнистых губках – в 600 тыс. раз больше. Состав биосферы
отличается от состава литосферы. Биосфера обогащена C, N, K, Ca. В.И. Вернадский
даже считал, что биосфера отбирает чистые элементы без смеси изотопов, но это не
подтвердилось, хотя биосфера активно разделяет изотопы.
Интересно также то обстоятельство, что биосфера концентрирует в себе
одновременно несколько химических элементов из разных полей геохимических
классификаций, т.е. биохимический процесс выступает как качественно особый фактор
ассоциации химических элементов в земной коре, о чем вы уже знаете.
Поэтому в последнее время зола углей как «руда», например, привлекает внимание
на такие элементы, как Ye, Ya и др. Такая концентрация элементов имеет место не
только при жизни растений, но и после их отмирания, вследствие сорбции
органическим веществом. Это касается концентрации Ye в угольных пластах, которая
приурочена в основном к периферии пластов, к участкам выклинивания. Интересно,
что отдельные углистые включения имеют концентрацию малых элементов на 2–3
порядка выше, если сравнить с пластами угля.
До сих пор мы говорили об организмах как о концентраторах химических
элементов, как о факторах образования ассоциации элементов, миграции их. Можно
также показать, что организмы не только концентрируют вещество, но и рассеивают
элементы, извлекая их из окружающей среды, снижают их концентрацию в среде,
рассеивают элементы в пространстве, занятом живой материей.
Нельзя не отметить и такую важную сторону геохимической деятельности
организмов, как биохимическое выветривания. Исходя из всего сказанного, можно
перечислить основные функции живого вещества в биосфере:
•
энергетическая (поглощение солнечной энергии и химическая энергия);
57
•
концентрирующая (избирательное накопление, построение тел, скелетов,
экскременты);
•
деструктивная
(вовлечение
веществ
в
биохимический
круговорот,
биохимическое выветривание неорганических веществ);
•
средообразующая (преобразование физико-химических условий среды);
•
транспортная (перенос веществ в горизонтальном направлении, против
действия силы тяжести).
Несколько слов следуют сказать о специфике биохимического круговорота
веществ. Жизнь, будучи организованной в планетарном масштабе, функционирует в
пределах
«квантов»
биосферы –
экосистем.
Размеры
экосистем
(комплексов
взаимосвязанных организмов различных видов, изменяемой ими абиотической среды,
обладающей способностью к саморегуляции и полному самовозобновлению биоты)
могут быть любыми «от кочки до оболочки». Экосистемы взаимодействуют друг с
другом, и все вместе образуют гигантский круговорот веществ в пределах биосферы.
Основные элементы: O, H, C, N, Ca, K, Si, P, S, Ba, Sr, Zn, Cu, Mo, Ni, Na.
Биохимический
круговорот
в
биосфере
не
является
замкнутым.
Степень
воспроизводства циклов достигает 90–98 %. В масштабе геологического времени
неполная замкнутость биохимических циклов приводит к дифференциации элементов
и накоплению их в атмо-, гидро- и литосфере. Эти несколько процентов, ускользающие
из биогеохимического круговорота, и составляют «вход в геологию». Но геология
стоит и на «входе» биогеохимического круговорота.
Признание значительной «открытости» биогеохимического круговорота нашло
отражение и в сформулированном А.Б. Романовым «Геохимическом принципе
сохранения жизни»: «Жизнь на Земле и других планетах, при прочих равных условиях,
возможна лишь до тех пор, пока эти планеты активны и происходит обмен энергией и
веществом между их недрами и поверхностью». В частности, необходимым условием
поддержания жизни является постоянное поступление CO2 из недр планеты.
И еще одно обстоятельство. Непрерывному круговороту в биосфере подвергаются
только вещества, а в отношении энергии надо говорить о направленном потоке. Поток
солнечной энергии «крутит» колесо жизни на планете. Обновление всего живого
вещества биосферы Земли осуществляется в среднем за 8 лет, наземные растения – за
14 лет, животные вещества океана – за 33 дня, а растения океана – каждый день!
А.И. Перельман, воздавая должное вкладу В.И. Вернадского в изучение биосферы,
в обоснование планетарной геохимической роли живого вещества, предположил
назвать законом Вернадского следующее обобщение: «Миграция химических
58
элементов
на
земной
поверхности
и
в
целом
осуществляется
или
при
непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция), или же она
протекает в среде, геохимические особенности которой обусловлены живым
веществом, как тем, которое населяет данную систему, так и тем, которое действовало
на Земле в течение всей геологической истории».
Отсюда легко понять и такое определение биосферы: «Биосфера – пронизанная
жизнью и ею сформированная наружная оболочка Земли, развитие которой
определяется постоянным притоком космической, главным образом, солнечной,
энергии».
В заключение хочется сказать еще несколько слов о развитии понятия «биосфера».
Впервые это понятие, в значении «область жизни», введено было в биологию
Ламарком, а в геологию – Э. Зюссом. Однако Э. Зюсс ничего не написал о сущности
биосферы. И долго еще после Э. Зюсса биосфера рассматривалась как «пленка жизни»
и ускользала от глобального взгляда геологов и географов, ввиду своей ничтожности,
очевидной малости, по сравнению с привычными и величественными атмо- и
гидросферой, литосферой и земной корой, глубинными недрами Земли в целом.
Более того, раньше даже была оценена роль человека как геологического фактора,
чем биосферы (еще в конце XVIII в. о геологической деятельности человека говорил
Бюффон, в середине XIX в. этой теме посвящена была книга Г. Марша, об этом
упоминал
Ч. Лайель).
А
вот
геологическое
значение
биосферы
оставалось
неоцененным.
Идеи Вернадского о живом веществе и биосфере быстро нашли отклик, но лишь в
узком кругу специалистов. Общественный резонанс опоздал почти на полстолетия –
случай, не характерный для нашего мобильного научно-технического века.
В.И. Вернадский первым из ученых понял, что биосфера определяет прекрасный и
изменчивый облик Земли. Свой труд «Биосфера» Вернадский считал главным трудом
жизни. Общеизвестно, как скромен был В.И. Вернадский. Но он в 1919 г., пораженный
перспективами научных исследований, написал в дневнике: «Сейчас я как-то ясно
чувствую, что-то, что я делаю своей геохимией и живым веществом, есть ценное и
большое. И готов это утверждать прямо, уверен, что если не оценят современники, то
оценит потомство». Первыми начала учения о биосфере услышали студенты
Сорбонны, и двое из них стали продолжателями его дела.
Сейчас много пишут о биосфере экологи и географы, но нельзя не согласиться с
американцем Дж. Хатчинсоном: «Концепция биосферы, которую мы принимаем
сейчас, в основном опирается на идеи Вернадского». Именно Вернадский показал, что
59
земная кора – это не инертная каменная масса, а сложный механизм, где постоянно
движутся атомы и молекулы, осуществляются различные круговороты, в значительной
степени определяемые деятельностью живого существа. Земная кора – это область
былых биосфер и аккумуляции солнечной энергии. В земной коре сохраняются
свидетельства вспышек, волн жизни в виде скоплений биогенных карбонатов, горючих
сланцев, угля, нефти, писчего мела и др. Человечество тоже, кроме нарушения
экологических
равновесий,
производит
огромную
геологическую
работу,
перерабатывая вещества земной коры. К рассмотрению этого вопроса мы и переходим.
Вопросы для подготовки к семинару по теме «Биосфера и ее геохимическая
роль».
1. Развитие представлений о биосфере. Границы биосферы и причины,
обуславливающие их.
2. Понятие о «мегабиосфере» Н.Б. Воссаевича, о «поле устойчивости» и «поле
существования жизни» по В.И. Вернадскому.
3. Распределение биомассы биосферы на Земле.
4. Химический состав биосферы: макро-, микро- и ультрахимические элементы.
Организмы – концентраторы химических элементов.
5. Функции биосферы.
6. Специфика биохимического круговорота в биосфере.
7. В чем смысл «геохимического принципа сохранения жизни на Земле»
А.Б. Ронова.
8. В чем смысл «закона Вернадского» А.И. Перельмана.
9. Как Вы оцениваете геохимическую роль биосферы и человека в земной коре?
11. Техническая деятельность человечества как геохимический фактор
Человек стал ведущей геологической силой, преобразующей планету, но, в отличие
от стихийных геологических сил, человек – существо разумное, и он должен
соизмерять силу своего воздействия на земную кору со способностью природы
к восстановлению
нарушаемых
равновесий.
Человек
в
состоянии
сохранить
окружающую среду на протяжении многих тысячелетий, но он должен многое понять
в своих взаимоотношениях с природой и принять необходимые меры, чтобы
предупредить возникновение ситуаций, которые могут оказаться нежелательными и
непоправимыми. Преобразованную человеком биосферу В.И. Вернадский назвал
ноосферой – сферой разума.
60
Основоположник биогеохимии, создатель современных представлений о биосфере,
В.И. Вернадский показал, что за геологическое время жизнь на Земле развилась как
взаимосвязанная
совокупность
организмов,
обеспечившая
и
обеспечивающая
непрерывный поток элементов в биогенном обмене вещества на поверхности нашей
планеты. Атмосфера и стратосфера, вся гидросфера и многокилометровый слой
литосферы обязаны своими свойствами тому влиянию, которое оказали на поверхность
Земли организмы за миллиарды лет своей эволюции и существования. Этот
поверхностный слой Земли, измененный деятельностью организмов, Вернадский и
назвал биосферой.
Жизнь, совокупную деятельность всех организмов на Земле, Вернадский,
основываясь на многочисленных данных, считал наиболее мощным геохимическим
агентом, преобразующим поверхность Земли, энергетическим фактором планетарного
масштаба и значения.
Оценивая воздействие разных групп организмов на всю земную кору, Вернадский
прозорливо заключил, что биогеохимическая роль человека за последнее столетие
стала
значительно
превосходить
роль
других,
даже
наиболее
активных
в
биохимическом смысле, организмов.
Воздействие человека на поверхность Земли принципиально отличается от
воздействия
остальных
организмов:
оно
связано
не с
биологической,
а
с
производственной деятельностью, направляется его разумом. Вернадский с гордостью
за человека писал, что биосфера − влияние жизни на Земле, и в наши дни уступает
место ноосфере – сфере влияния человеческого разума, его законов. Действительно,
человек стал геологической силой, преобразующей планету. Но геологические силы
слепы и стихийны, а человек – существо разумное. Геологическую деятельность
человека Вернадский начал изучать с первых лет нашего века, но только за год до
смерти, в 1944 г., он написал статью «Несколько слов о ноосфере», которая прошла
почти незамеченной современниками. Правда, была война.
Человек
достаточно
вооружен
технически,
чтобы
обеспечить
сохранение
высокоразвитой промышленной цивилизации, ликвидировать голод и нищету и
сохранить свою среду на протяжении многих тысячелетий. Человек, если это
потребуется, сможет извлекать нужные ему металлы из обычных скал. Тонна гранита
содержит легко добываемые уран и торий, эквивалентные примерно 15 т угля, а также
все другие элементы, необходимые для продолжения существования высокоразвитой
в техническом отношении цивилизации. Конечно, это породило бы новые проблемы,
так как в подобных условиях человек превратился бы в геологический фактор,
61
мощность которого была на несколько порядков выше, чем в настоящее время.
Потребление энергии на душу населения достигло бы, вероятно, величины,
эквивалентной 100 т угля в год, а количество стали – около 100 т в год. Такой мир в
корне отличался бы от современного, и нет никаких оснований считать такой мир
неприемлемым.
С чисто технической точки зрения человек мог бы вполне комфортабельно
существовать, используя лишь создаваемые им самим мусор и самые убогие руды.
Сейчас в год добывается около 100 млрд. т полезных ископаемых, а к 2000 году эта
цифра возрастет до 600 млрд. т. Такие масштабы не могут не сказаться на качестве
окружающей среды, на тех равновесных состояниях, которые существуют между
живой и неживой природой. Все это ведет к нарушению экологических связей,
биологических потоков, пищевых цепей. Эти нарушения распространяются и на
человека.
Американский исследователь Е. Одум писал, что человечество погибнет не от войн,
а от незнания экологии.
В настоящее время, в результате деятельности человека в культурных ландшафтах
одни процессы усилились, другие ослабли, наконец, получили развитие такие, которые
вообще раньше на Земле не протекали. Резко усилилась миграция элементов, пришли в
движение элементы, находящиеся в покое миллиарды лет. Запасы угля накапливались
сотни миллионов лет, а за последние 100 лет значительная часть их сожжена, и массы
углерода начали новое странствие по Земле. Он соединяется с кислородом, дает CO2,
содержание которого в атмосфере повышается, улучшается воздушное питание
растений, изменяется климат, интенсифицируется разложение силикатов, возникают и
другие последствия, которые мы еще даже и не учитываем. При сжигании угля
выделяется и SO2, а это ведет к коррозии памятников древности, современности и
горных пород, угнетает растения.
При металлургическом процессе человек получает наперекор природе Fe, Al, Pb,
Zn, Cu, Mn, т.е. вещества, чуждые земной коре. В течение немногих лет рассеиваются
крупные месторождения, которые природа копила многие миллионы лет. Напротив, в
банках хранятся тонны золота. Осушаются болота, орошаются пустыни, проводятся
дороги, распахиваются земли – человек коренным образом нарушает природные
процессы, меняет миграцию элементов.
В результате деятельности человека изменяется и сама биосфера, преобразуясь в
ноосферу. С точки зрения философии, для ноосферы, по сравнению с биосферой,
характерна новая высшая форма движения материи – общественная деятельность
62
человека. В ноосфере развиты и все низшие формы, но не они определяют сущность
ноосферы, ее своеобразие.
Действительно, никакие законы механики, физики или химии, биологии не могут
пояснить, почему огромные массы угля, руд, строительных материалов перевозятся на
большие расстояния, перерабатываются. Здесь действуют законы социальные.
Нельзя не сказать и о другой стороне деятельности человека. В ноосфере возникают
явления, опасные для жизни человека. Изменяется состав атмосферы, усиливаются
процессы эрозии почвы, ощущается недостаток питьевой и технической воды, растут
заболевания человека, проводятся ядерные взрывы. Все это свидетельствует, что
неконтролируемая деятельность человека может быть источником бедствий. Отсюда
вытекает важность геологического и геохимического анализа деятельности человека,
необходимость улучшения ноосферы.
Анализ показывает, что человек уже сейчас может преодолеть указанные
последствия, что они не являются фатальной неизбежностью развития цивилизации.
Вопрос о глубоких преобразованиях окружающей среды в результате деятельности
человека, а также возможных неблагоприятных последствиях этих изменений для
природы не является новым. «Даже целое общество, нация и даже все одновременно
существующие общества, взятые вместе, – писал К. Маркс, – не есть собственники
земли. Они лишь ее владельцы, пользующиеся ею, и, как добрые отцы семейств, они
должны оставить ее улучшенной последующим поколениям» (Маркс К., Энгельс Ф.,
Соч., т.25, ч.II, с.237).
К последней четверти нашего столетия воздействие человека на отдельные
экосистемы достигло невиданных масштабов и продолжает расти. Мир в целом
оказался на пороге ситуации, когда количественные изменения, вносимые человеком
в окружающую среду, перерастают в изменения качественные.
К идеям В.И. Вернадского обратились только четверть века спустя после его статьи
о ноосфере. И теперь это весьма актуальный и популярный вопрос, ибо оказалось
воочию, что «победа над природой опаснее поражения».
Приведем
один
пример,
который
показывает
высочайшую
степень
организованности и уязвимости живого вещества. Информация об огромном числе
признаков взрослого кита с весом в 5·107 г заложена в молекуле ДНК, которая весит
всего 5·10-15 г, т.е. при благоприятных условиях масса индивида возрастает на 22
порядка. Много ли звеньев в ДНК надо заменить чуждыми ей атомами, чтобы
генетический код был нарушен? А ведь человек, не задумываясь, вводит в
окружающую среду сотни тысяч новых веществ, неизвестных в природе, не
63
опробованных жизнью в процессе эволюции.
Жизнь на нашей планете увенчалась созданием сферы разума, она заселена
мыслящими существами – людьми. Однако последствия их взаимоотношений с
природой во многом печальны:
1) площадь лесов сократилась на 2/3;
2) уничтожены сотни видов животных (это «черная книга» человечества);
3) сотни видов занесены в «Красную книгу»;
4) антропогенное перераспределение вещества (добыча ископаемых, рассеивание на
полях удобрений с загрязнением среды) приводит к негативным последствиям, ибо
многие вещества токсичны (Hg, Pb, Zn, As, Be, Cu) и даже канцерогенны (Zn, Cd).
Особенно опасен уровень такого загрязнения вокруг заводов, промышленных центров.
За столом современного человека, в его одежде, жилище встречаются атомы с
разных мест, континентов, преодолевшие океаны, горы.
В настоящее время человек вырабатывает в 10 раз больше энергии, чем ее
поглощает живое вещество.
Появление
разумного
человека
в
геологической
истории
есть
следствие
непрерывного приспособления жизни к разнообразной обстановке: чем точнее
реагируют животные на изменение внешней среды, тем выше их шанс в борьбе за
существование.
Разум,
с
точки
зрения
эколога, –
это
высшая
способность
целесообразно реагировать на изменения внешней среды. В свою очередь, появление у
человека
разума
привело
к
формированию
ноосферы,
которая
и
является
преобразованной человеком биосферой.
Писатель Борис Агапов писал: «Голенький, без шерсти, тонкокожий, с маленькой
пастью, с нестойкими зубишками, с мускулатурой куда слабее, чем у его врагов,
бегающий и прыгающий хуже, чем они, человек создал вокруг себя, от рубашки на
теле до спутников в космосе, вторую природу, и в ней, и благодаря ей, он стал самым
могущественном существом на свете». Напомню и высказывание экономиста
Брентано, которое иллюстрирует планетарную значимость человека. Он подсчитал, что
если бы каждому человеку выделить по 1 м2 и поставить всех живущих на земном
шаре людей рядом, то они не заняли бы и площади маленького Боденского озера
в Швейцарии. Остальная поверхность планеты осталась бы пустой. Таким образом, все
человечество, вместе взятое, представляет собой ничтожную массу вещества планеты.
Мощь его связана не с его материей, а с его разумом и направляемым этим разумом
трудом.
Еще в 1934 г. А.Е. Ферсман предложил геологические явления, возникающие в
64
результате деятельности человека, называть «техногенез».
По мнению А.В. Сидоренко (1967 г.), из современных научных направлений,
занимающихся изучением влияния человека на земную кору, должна родиться новая
важная отрасль науки – техническая геология, изучающая геологические последствия
хозяйственной деятельности человека, дающая прогнозы того, как пойдет дальше
развитие геологических процессов в земной коре, в зоне, доступной человеку. В свое
время В.А. Обручев предлагал термин «техническая геология», но он не получил
распространения, а был признан термин Ф.П. Саваренского «инженерная геология»,
который, конечно, значительно уже. Поэтому, на наш взгляд, следует возродить
термин «техническая геология», включающий геологическую деятельность человека.
Хорошо известно, что первоначально воздействие человека на природу было
незначительным, со временем оно возрастало и усложнялось. В настоящее время оно
сравнялось с другими геологическими факторами, а в ряде случаев и превзошло их.
Причем темп воздействия неуклонно нарастал во времени [3]. Если до XVIII в.
человечество использовало 19 химических элементов, то в XVIII в. – 28, в XIX в. – 50,
а в XXв. – более 80 только в промышленных количествах. За последние 40–50 лет
добыто полезных ископаемых больше, чем за всю предыдущую историю человечества.
Растут объемы и номенклатура, все меньше остается «неполезных ископаемых».
В результате горнодобывающей деятельности человека нарушаются природные
ассоциации химических элементов, создававшиеся в течение миллионов лет,
нарушается распределение элементов в земной коре.
Можно ли, используя исторические данные, представить себе перспективы
дальнейшего изменения среды вследствие деятельности человека?
Если учесть возможный рост населения и темпы роста потребности в основных
видах сырья, то следует признать, что уже в скором будущем придется удовлетворять
потребности человечества не за счет бедных руд и горных пород, ибо запасы эти не
возобновляются и они конечны.
Отсюда требование комплексного использования минерального сырья. Стоит
задача и рационального использования химических элементов, уже имеющихся
в распоряжении
человека
(борьба
с
коррозией
металлов,
использование
металлозаменителей). Огромные количества элементов в будущем дадут океан и
атмосфера. Необходима замена дефицитных металлов менее дефицитными (Cu на Al
в электротехнике). А вот P, N, K для удобрения полей ничем заменить нельзя!
Нефть, газ, уголь заменят ураном, солнечной энергией, энергией ветра, воды,
геотермическим теплом.
65
Тенденции на будущее можно подметить уже сейчас, но реальность часто бывает
выше всякой фантазии и прогнозов.
Сейчас в год в морскую воду сбрасывается около 5 тыс. т ртути, т.е. столько же,
сколько и в природном процессе, ДДТ за 26 лет – 1,5 млн. т, причем 2/3 этого
количества находится в окружающей среде (медленно разрушается). Впервые за
многие тысячи лет человек вошел в крупный конфликт с биосферой. Если на суше
отходы пока оказывают локальное воздействие, то в атмосфере они вызывают
глобальный эффект. В США и некоторых других развитых странах потребление
кислорода превышает генерацию его на их территориях (живут за счет российской
тайги, джунглей Южной Америки и Африки).
Разрушается озоновый экран в нижней стратосфере при полетах высотных
самолетов (выброс двигателями низших окислов азота, которые окисляются озоном).
Если разрушить озоновый экран на 50 %, то это увеличит в 10 раз дозу
ультрафиолетовой радиации, что может привести к ослеплению людей и животных.
Фреон (из холодильников) инертен вблизи поверхности Земли, но в стратосфере
показывает иной характер. Под действием ультрафиолетовых лучей он разлагается и
выделяет Cl in statu nascendi, который также разрушает озоновый экран.
Дополнительная тепловая нагрузка биосферы в связи с технической деятельностью
человека тоже начинает сказываться. Локальный сброс тепла в водоемы вызывает
бурное цветение сине-зеленых водорослей. Количество техногенного тепла в
небольших развитых государствах приближается к теплу, приходящему от солнца. В
целом доля техногенного тепла пока незначительна, но эта доля растет.
В Англии 10 % территории занято городами, поселками, дорогами. В США только
автодороги занимают 1 % территории.
В год на строительных работах перемещается 1 км3 пород, что соизмеримо с
деятельностью текущих вод рек.
Таким образом, эти примеры показывают все возрастающую роль человечества как
геохимического фактора планетарного масштаба и значения.
Среди ученых в последние годы часто раздавались призывы спешить изучить
природные системы как эталонные(реки, океан, Антарктиду), пока человек не повлиял
на них радикальным необратимым образом.
Для исследования ноосферы необходима «единая наука». Необходимо преодолеть
противопоставление природы и человека, укрепить связи между дисциплинами,
исследовать взаимосвязи человека (общества) и природы. Единая наука не просто
должна фиксировать с естественнонаучной точностью разрыв между тем, как должен
66
протекать естественный процесс без возмущающей деятельности человека, и тем, как
он протекает под влиянием производственной деятельности человека, а строить
проект – норму естественного процесса, учитывая совокупную человеческую
деятельность, давать научный прогноз функционирования естественно-искусственных
систем.
Вопросы для самостоятельной работы и подготовки к практическим занятиям
и экзаменам.
1. Учение В.И. Вернадского о ноосфере.
2. Влияние технической и хозяйственной деятельности человека на геохимические
процессы земной коры.
3. Превращение биосферы в ноосферу.
4.Отрицательные последствия преобразования биосферы вследствие деятельности
человека. Почему мы так говорим: «Победа над природой опаснее поражения?».
5. Проблема охраны окружающей среды – проблема века.
6.Техническая
геология
(техногенез) –
новая
отрасль
науки,
изучающая
геологические последствия деятельности человека.
7. Научно-техническая революция и будущее природы. Перспективы и прогнозы.
12. Почвы и их геохимическая роль
В.В. Докучаев дал прекрасное определение: «Под почвой следует понимать те
дневные или прилегающие к ним горизонты горных пород (все равно, каких), которые
были более или менее естественно изменены под влиянием воды, воздуха и различного
рода организмов, живых или мертвых, что и сказывается заметным образом на составе,
структуре и цвете этих образований. Где этого нет, там нет естественных почв, а есть
или искусственная смесь, или горная порода». Вот принципиальное отличие почв от
другой геосистемы – горных пород.
Факторами почвообразования являются: почвообразующие породы, растительные и
животные организмы, климат, рельеф, почвенные и грунтовые воды, время и
хозяйственная деятельность человека.
Охарактеризуем кратко эти факторы.
Почвообразующие материнские породы – это верхние слои, выходящие на
поверхность горных пород, которые в процессе почвообразования превращаются в
почву.
Размер частиц породы определяет водо- и воздухопроницаемость почвы, ее
67
влагоемкость и водоудерживающую способность, скорость передвижения в ней
веществ. Химико-минеральный состав породы влияет на ход химических процессов в
почве и на формирование ее химического состава (на извести, гранитах, песках).
Материнская порода обогащает почву определенными химическими элементами.
Так, на лессовидных суглинках формируются почвы, обогащенные карбонатами Ca и
Mg, тогда как на ледниковых глинах почвы не содержат этих соединений. На
бескарбонатных породах почвы имеют кислую реакцию почвенного раствора, а почвы,
развитые на корах выветривания основных пород, обогащены Ni, Cu, Co, Zn, на корах
кислых пород – Li, Be и др. элементами.
Живые организмы (особенно наземные растения и микроорганизмы) играют
ведущую роль в почвообразовании. Растения обеспечивают почву органическими
веществами, создают потоки зольных веществ, почвенного азота и почвенной влаги из
глубинных слоев почвы в ее верхние слои и на поверхность, кислорода из атмосферы в
почву, углекислоты из почвы в атмосферу и т.п.
Микроорганизмы обеспечивают разложение органических остатков. Возникающие
при этом органические кислоты + CO2 воздействуют на минералы и переводят в
раствор различные химические элементы. Есть микроорганизмы, непосредственно
вызывающие распад ряда минералов. Специфические нитрифицирующие бактерии
связывают азот воздуха, вовлекают его в почвообразование.
Неоценима роль растений в поглощении солнечной энергии и вовлечении ее в
процесс почвообразования.
Свою роль в этих процессах играют водоросли, грибы, лишайники и почвенные
животные (черви).
Климат влияет на формирование водного и теплового режима почвы, что
определяет темпы и глубину разложения органических и минеральных веществ и
интенсивность миграции химических элементов.
Почвенно-грунтовое тепло, поступающее на поверхность почвы, и определяет
воздействие на почву грунтовых вод, положение уровня грунтовых вод.
Время – особый фактор почвообразования. Условия почвообразования изменяются
во времени, что влечет за собой и изменение почвы.
Сельскохозяйственная деятельность самым радикальным образом влияет на
изменение
природные
условий
почвообразования
(осушение
или
орошение,
применение органических и минеральных удобрений, гербицидов и пестицидов,
вырубка лесов и т.п.), на изменение химического состава почвы, состава
бактериальной флоры и т.п.
68
Почва состоит из четырех фаз: твердой, жидкой, газообразной и живой.
Твердая фаза представлена двумя фракциями: крупнодисперсной (с размером
частиц более 0,001 мм) и тонкодисперсной (менее 0,001 мм). Первая – это обломки
горных пород и минералов, минеральные новообразования, слаборазложившиеся
органические остатки; вторая – в основном глинистые минералы и продукты
разложения животных и растений.
Тонкодисперсная часть почвы определяет ее физические свойства и условия
питания растений. Большинство элементов, необходимых для нормального роста
растений, накапливается именно этой частью почвы. Это Ca, K, Mg, Na и
микроэлементы. Поэтому тонкодисперсная часть почвы называется еще почвенным
поглощающим комплексом. Емкость поглощения или обмена почв (количество
поглощенных оснований и водорода) определяется составом и относительным
количеством
тонкодисперсных
частиц.
Наибольшей
емкостью
поглощения
характеризуется гумус черноземных почв, затем монтмориллонит, гидрослюда, и
наименьшей – каолинит.
Жидкая фаза – это почвенный раствор, содержащий газы (CO2, O2, N2) и различные
ионы ( HCO3− , NO2− , NO3− , Cl − , SO42− , Ca 2+ , Mg 2+ , K + , Na + , NH 4+ , H + , ряд
микроэлементов). Важным показателем почвенного раствора является pH: разные
организмы могут развиваться только в определенных интервалах значений pH.
Газообразная фаза – почвенный воздух, состав которого отличается от состава
атмосферного воздуха. Определяется состав почвенного воздуха биологическими
процессами, протекающими в почве. Корни растений энергично поглощают кислород
и выделяют углекислоту. Недостаток кислорода в почве приводит к развитию
анаэробных бактерий, продуцирующих метан, сероводород, аммиак, что сказывается
на плодородности почвы, влияет на развитие растений.
Конечно, между воздухом почвенным и атмосферным происходит газовый обмен,
но это два бок о бок существующих разных геохимических «мира».
Живая фаза – совокупность всех живых организмов. Деятельность их обеспечивает
малый биологический круговорот – миграцию химических элементов в системе
«почва – растение – почва». Другими словами, живые организмы энергично
перераспределяют элементы между разными частями (слоями) почвы и подпочвы.
С
другой
стороны,
мобилизация
химических
элементов
в процессе
почвообразования способствует их вовлечению и в более крупные геологические
круговороты. Из почвы наиболее энергично выносятся элементы с наибольшей
миграционной способностью: Cl, Br, I, S, Ca, Mg, Na (первые два ряда Б.Б. Полынова).
69
Некоторые из них достигают океана! А это уже большой круговорот.
Чтобы оценить миграционную возможность химических элементов в почвах (а тем
самым и доступность их для минерального питания растений), надо рассмотреть
формы нахождения элементов в почвах. При этом необходимо ссылаться на
результаты работ академика А.П. Виноградова по изучению распространения и
распределения элементов в почвах. Исследования показали, что в почвах присутствуют
все известные химические элементы. Главным источником химических элементов почв
являются материальные породы, на которых формировались почвы. Некоторые
элементы привносятся из атмосферы с метеорными осадками и с вулканическими
газами (I, B, F, Se, S).
А.П. Виноградов выделял почвы с нормальным, избыточным и недостаточным
содержанием того или иного элемента. Повышенное содержание элемента может быть
связано с наличием вблизи рудопроявлений или месторождений (т.е. с природными
геохимическими аномалиями). Растения на таких почвах тоже обычно обогащены
этими элементами (биогеохимические аномалии). Это дает основание для разработки
геохимических методов поисков месторождений полезных ископаемых путем анализа
почв и зондирования растений, что дает надежные результаты, широко применяется
в поисковой геохимии.
А.П. Виноградов выделил следующие формы нахождения химических элементов в
почвах.
1. В виде устойчивых самостоятельных минералов;
2. В виде изоморфных примесей в кристаллических решетках минералов;
3. В составе поглощенного комплекса (почвенные коллоиды);
4. В составе живых организмов и различных органических соединений в почве;
5. В почвенных растворах.
Из этого следует, что миграционная способность химических элементов в почвах
(вообще, в осадочных образованиях) зависит от их состояния, от формы их
нахождения.
Подвижность элементов, входящих в самостоятельные минералы, зависит от
растворимости
последних.
Изоморфные
примеси
также
не
могут
покинуть
кристаллическую решетку минерала-хозяина до ее разрушения (растворения и т.д.).
С другой стороны, миграционная способность элементов зависит и от внешних
факторов, от физико-химических условий и среды в почвах. А стало быть, поведение
различных элементов в разных типах почв будет неодинаковым. Так, изменение pH
среды может привести к десорбции ионов, при разложении органического вещества
70
многие элементы также перейдут в раствор, т.е. вступят в пути миграции.
Анализ приведенных выше форм нахождения элементов показывает, что не все они
«доступны» растениям, а только те, которые переходят в почвенные растворы.
Поэтому и удобрения в почвы надо вносить в форме, удобоваримой для растений.
Отсюда очевидно, что «благополучные» валовые химические анализы почвы еще не
свидетельствуют о «плодородии» почвы. Важно определить не только количество, но и
форму нахождения элемента, «доступность» его для растений, способность его
к миграции в конкретной ситуации и т.п.
Надеюсь, из сказанного о формах нахождения химических элементов в почвах вы
поняли, что надо иметь в виду, в какой форме поступают загрязняющие вещества при
антропогенном загрязнении почв. От этого, а не только от их количества, зависит
степень опасности для растений и человека (через пищу, воду).
Итак, в каких размерах, в какой форме человек вносит вещества в почвы, во что
трансформируются эти вещества, зависит биосфера и здоровье самого человека.
Остановимся на этом подробнее и конкретнее в следующем разделе темы. Как вы
уже знаете, нас постоянно интересует проблема охраны окружающей среды: что и как
попадает в результате хозяйственной деятельности человека в окружающую среду,
каким образом повлияет на процессы, в ней происходящие. Мы коснемся этого
вопроса при изучении одной из геосистем окружающей среды.
13. Геохимическое изучение почв с целью решения вопросов сельского
хозяйства и здравоохранения
Биологам издавна известны случаи заболевания растений (а через них и животных)
на определенных площадях. Академик А.П. Виноградов выяснил причины таких
заболеваний – эндемий. Они кроются в избытке или недостатке каких-либо
химических элементов в почвах или водах района. Оказалось, что в развитии
организмов играют огромную роль не только ведущие элементы, но и большинство
микроэлементов. Разные организмы неодинаково реагируют на недостаток или
избыток
химических
элементов.
Одни
могут
приспособиться,
другие –
нет.
Происходит естественный отбор. Этим-то и объясняется различие фауны и флоры
морей и пресных водоемов, бесплодие одних и плодородие других почв, своеобразие
флоры на известняках или других породах, галмейная флора – на почвах, обогащенных
цинком.
В институте геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского под
руководством
академика
А.П. Виноградова
была
проведена
большая
работа
71
по биогеохимическому районированию территории Советского Союза, по составлению
карты, характеризующей содержание важнейших макро- и микроэлементов в почвах.
Были даны рекомендации по предупреждению и устранению эндемических
заболеваний сельскохозяйственных культур, повышению их урожайности путем
внесения специальных удобрений и применения подкормки животных.
Под биогеохимической провинцией понимают области различного размера и
формы, отличающиеся от соседних областей более или менее одинаковой
концентрацией в среде (почвах, водах, воздухе) одного или нескольких элементов, с
чем связана соответствующая биологическая реакция фауны и флоры данной области.
С ними и связаны эндемические заболевания. Причиной является содержание и форма
нахождения ряда элементов.
В связи с этим вопросом, нельзя не привести такое изречение: «Нет вредных
веществ, есть вредные концентрации».
Пожалуй, первым, кто понял, что надо накормить растение, чтобы получить
урожай, был Юстус Либих (1803–1875). Эту истину он сформулировал как «закон
возврата». В почву необходимо возвратить те минеральные вещества, которые были
увезены с поля с урожаем. Он установил также, что урожай определяется тем
элементом, которого меньше в почве, чем других.
«Законы» Либиха были восторженно встречены всем миром. Урожаи росли, доходы
землевладельцев повышались. Но постепенно рост урожаев замедлился и остановился.
Начали использовать больше удобрений – безрезультатно. Более того, урожаи стали
падать. Ю. Либих впал в душевную депрессию («Я посмел поднять руку на творение
Бога».). Хотя Либих сделал много, он не понимал основного, ошибался в главном. Он
рассматривал почву как простое вместилище корней, из которого растение черпает
воду и питательные вещества.
В.В. Докучаев показал, что это не так. Почва – это уникальное природное
образование. Она играет исключительную роль, это переходное звено от живого к
неживому. Даже питательные вещества, если они в избытке, могут быть губительны
для почвы и для растений. Избыток удобрений, вносимый согласно совету Либиха
отравил почву. Как говорится в пословице: «Що занадто, то не здраво».
Интересные сведения привел академик А.Л. Яншин в статье «Без ссор с природой»
в журнале «Знание – сила» (№4 за 1987 г.). Он указал, что венгерские ученыеагрохимики действуют буквально по совету Либиха (хотя о нем нет упоминания в
статье). Они определяют содержание K, P, N не в почве, а в зерне и соломе, которые
убирают с полей, что дает, по их мнению, более точные результаты. По результатам
72
измерений они осенью вносят в почву 120 % от установленного в зерне и соломе
содержания элементов. 20 % – это на потери, а 100 % – это возврат того, что было
увезено с поля урожаем (ну буквально «закон возврата Либиха»). Так поддерживается
в почве постоянный уровень содержания питательных веществ, обеспечивающий
плодородие.
Таким образом, в XIX в. выяснилось значение макроэлементов (N, P, K) в сельском
хозяйстве. В середине ХХ в. прояснилась и роль микроэлементов, которые не
заменяют традиционные минеральные удобрения. Их значение и роль определяются
особой
биохимической
активностью.
Они
повышают
энергию
фотосинтеза,
активируют углеводный обмен, участвуют в биосинтезе белков. Естественно, что их
недостаток в почве вызывает серьезные нарушения в объеме веществ растений и
животных,
порождает
заболевания,
снижает
урожай
и
продуктивность
животноводства.
Вот почему применение микроудобрений в добавляемых к кормам препаратах из
микроэлементов стало неотъемлемой частью общей задачи химизации нашего
сельского хозяйства.
Вот ряд примеров. Внесение в почвы микроудобрений бора повышает урожайность
культур на 20–25 %. Молибден (50–100 г/гектар) повышает урожайность бобовых
культур до 40 %. Расход этих удобрений действительно «микро». Академик Я.В. Пейве
показал, что потребности сельского хозяйства СССР в 1975 г. составляла: 2000 т бора,
500 т молибдена, 600 т марганца. Это была посильная задача для промышленности
(можно для этих целей использовать и бедные руды, и отходы промышленности).
Массовое применение микроэлементов – это дело сравнительно новое, и шаблон
здесь недопустим (не «чем больше, тем лучше», «маслом каши не испортишь»).
Задачи сводятся к следующему.
1. Изучение действительно большего числа элементов.
2. Подготовка новых препаратов, включающих новые химические элементы и
комбинации их.
3. Изучение
действия
различных
микроудобрений
на большой
круг
сельскохозяйственных культур в различных климатических и почвенных
зонах.
Ценные соображения на этот счет высказаны в работе В.И. Бгатова «История
кислорода земной атмосферы». Он считает, что внесение удобрений в почву – это
вмешательство во внутренние многовековые связи, сложившиеся в природе. Поэтому
применение искусственных минеральных удобрений оправдано только в том случае,
73
если их питательные вещества строго сбалансированы с жизненными потребностями
растений. Нарушение этой целесообразности приводит к необратимому разрушению
природы, (наглядным примером этого высказывания является неудача «закона»,
выведенного Либихом, который не догадывался об этом предостережении). Но и через
столетие венгры так делают!
Так, вносимые в почву легко растворимые минеральные удобрения (N, P, K) легко
вымываются и попадают в реки, водоемы, окружающую среду, являясь опасным
животным ядом. Поэтому вместо легко растворимых, где это необходимо, следует
вносить природные, почти нерастворимые в воде минеральные концентраты,
заключающие для растений питательные вещества (калиевые полевые шпаты,
лейцититы и т.п.). Это фосфориты, апатиты, вивианиты. Вносить их в почвы нужно в
научно обоснованных нормах, что и обеспечит повышение урожайности. Если,
например, почву поливать слабым раствором азотной кислоты, в концентрациях,
близких к природным (например, в грозовой дождливый год), то расход питательных
веществ будет экономичным, близким к природному, за счет медленного их
растворения азотной кислотой. Этим также будут выравниваться нарушенные связи
природных экологических систем.
Интересен еще один аспект этой проблемы. В одно время сложилось
представление, что радиоактивное облучение в определенных дозах благоприятно
влияет на организм. А.П. Виноградов показал, что роль радиоактивности природного
калия сильно преувеличена. Сделали вывод, что такое излучение – чуждый для
организма фактор, а не жизненно необходимый. Вместе с тем, известен факт: на одном
из островов Полинезии доза на два порядка выше нормы, а люди там живут здоровые,
не болеют. Правда, японские специалисты немедленно покинули остров. Необходимо
заметить, что организм человека может приспособиться к повышенной радиации. Но
для этого, видимо, требуется много времени и постепенная адаптация. Непонятно
также, зачем железы внутренней секреции накапливают уран, а облученные зерна –
лучшие всходы. Требуются дополнительные исследования.
Летом 1933 г. межрайонная конференция в Восточном Забайкалье заслушала
доклад о загадочной болезни – «уровской» (по названию местности). Ее признаки:
замедленный рост костей, их искривление, общая слабость организма. Болезнь носила
явно локальный, эндемический характер, в отличие от эпидемий. Были подозрения, что
причина болезни кроется в физических и химических особенностях данной местности.
Изучение болезни местными силами не дало результатов. Одни считали, что это −
простуда плюс инфекции, другие – авитаминоз, третьи – свинцовое отравление или
74
высокое содержание радия в водах района.
Конференция пришла к выводу, что без биогеохимического изучения вопроса
проблема вряд ли будет решена. Заключение конференции направили в Академию
наук. Оно было доложено А.П. Виноградовым В.И. Вернадскому. Была организована
специальная экспедиция в Восточное Забайкалье с целью изучения распределения ряда
элементов в растениях, водах, почвах, горных породах, продуктах питания. Оказалось,
что в районе прослеживался недостаток Ca, Co, Cu, зато в избытке наличествовали Sr,
Ba, Si. Эти отклонения от нормы и обусловили «уровскую» болезнь.
Известно, что в районах Северного Китая, Тироля, Средней Азии многие люди
страдают зобом: в водах и почвах (значит, в растениях и пище) мало йода. При
недостатке фтора – кариес зубов, при избытке – флюороз.
Вот она, тесная связь организма со средой. Мы видели, что наиболее наглядна эта
связь со средой у растений. Впитывая корнями, соки почвы, растения сразу вянут, как
только истощается кормящая его почва. В отличие от растений, человек не прикреплен
пожизненно к одному месту. Тем не менее, наша «химическая свобода», как мы могли
убедиться, все же ограничена. Конечно, мы стараемся удовлетворить потребность
организма во всех необходимых ему веществах. Однако освободиться от влияния
геохимических особенностей того места, где мы живем, полностью нам все же не
удается.
И порой нехватка или избыток в воде или пище одного лишь элемента (I, F и т.д.)
приводит к появлению заболевания чисто геохимического происхождения – этиологии.
Казалось, не хватает «пустяка» – единственного элемента. Но в организме любой
химический элемент не существует сам по себе Он лишь один из инструментов,
вплетающий свою неповторимую партию в игру биохимического оркестра. И его
молчание расстраивает весь оркестр. Кобальт, например, необходим для синтеза
витамина B12, а стронций мешает костям усваивать кальций, вследствие чего возникает
«стронциевый рахит», и т.п.
Какая же гениальная интуиция В.И. Вернадского позволила ему написать еще в
20-х годах нашего века: «Присутствие или отсутствие атомов, большое или малое
количество атомов разного строения в любом природном теле, в том числе и
в организме, не может быть не важным, если только это явление повторяющееся, а не
случайное».
Правда, мы знаем, что В.И. Вернадского вначале понимали лишь немногие
современники. Но, как мы видим, жизнь подтвердила его предвидение.
Биохимические эндемии, в отличие от некоторых других заболеваний, после того,
75
как они были «расшифрованы», поддаются не только изучению. Получив тревожный
сигнал
о нехватке
солей,
врач
всегда
может
восполнить
их
недостаток
соответствующими препаратами или же посоветовать поменять место жительства.
Дело в том, что многие способны приспособиться к особенностям данной местности, а
некоторые − нет.
Но проблема биогеохимических эндемий – это проблема не узко медицинская.
Чтобы знать, где гнездятся эндемии, в чем их причина, врач должен получить от
геологов, геохимиков, почвоведов, нужные сведения о геохимическом режиме региона
(нужно знать геохимию окружающей среды).
Следует отметить, что еще более чувствительны к эндемическим заболеваниям
животные, скот. Дело в том, что продукты питания для человека хотя бы частично
завозятся со стороны, из других биогеохимических провинций, а вот скот больше
связан с местным кормом (так сказать, подножным кормом).
Итак, можно сделать вывод, что развитие организмов зависит от питания, т.е. от
почвы. Не с увеличением разнообразия питания связан рост японской и другой
азиатской молодежи в последние 2–3 десятка лет.
Химическое здоровье почвы, как теперь становиться все более очевидным, – это не
только условие для успешного развития сельского хозяйства, но и необходимый
показатель здоровья человека.
Заключение
Итак, почва – продукт взаимодействия живых организмов и горных пород –
является переходным звеном из мира неживой в мир живой природы. Почва –
мегасистема, включающая ряд мультисистем (осадки, атмосфера, поверхностный сток,
биомасса) и ряд подсистем (гумус, глинистая фракция, почвенная атмосфера,
гравитационная вода). В естественных условиях мегасистема находится в равновесии.
Антропогенная деятельность приводит к нарушению в почве геохимических циклов C,
N, K, P и других химических элементов, в том числе микроэлементов. Внесение
удобрений и пестицидов, наряду с техногенным загрязнением, выступает в качестве
площадных или локальных источников загрязнения почв, природных вод. Наряду с
концентрированием почвами ряда элементов, происходит и некомпенсированный
вынос других, приводящий к дефициту отдельных биологически активных элементов,
что определяет не менее опасные экологические ситуации, чем и при их избытке.
По данным ООН, 20 % мирового пахотного фонда испытывает деградацию в
результате смыва почвы и обратной эрозии. Сокращение площади пытаются
компенсировать интенсификацией ведения сельского хозяйства, что имеет свои
76
отрицательные стороны.
Выходы из создающегося положения могут быть самыми неожиданными. Первый –
наиболее реальный – возврат к традиционным системам земледелия, примером чего
может быть агрокультуры Мальцева или «органические фермы» США, которые
используют лишь органические удобрения, только механические и биологические
методы борьбы с вредителями. У них один существенных недостаток – малые
перспективы роста производительности.
История
показывает,
что
интенсивное
земледелие
возможно
лишь
при
возобновлении плодородия почв. Антропогенные экологические катастрофы имели
место и до НТР. Мелиорация земель в Месопотамии и Северной Африке привела к
засолению почв (в первом случае) и к опустыниванию (во втором). С другой стороны,
в Египте, Китае, Японии и Индонезии плодородие почв сохранилось. Причины
стабильности плодородия не только в сохранении баланса органики, N, P, K, но и
глинистой фракции. Постоянное поступление тонкодисперсного, органоминерального
вещества (ил в Египте, лесс в Китае, вулканический пепел в Японии и Индонезии)
является главной причиной.
Создание искусственной почвы требует постоянного наличия вещества, ибо
интенсивное земледелие активизирует потоки вещества и энергии в почве, что
приводит к ускоренному разрушению минеральной фракции и сгоранию органических
компонентов.
Ингредиентами
почв
могут
служить
отходы
птицефабрик
и
свиноферм,
деревообрабатывающих комбинатов, золы ТЭК, «хвосты», бедные руды – источник
микроэлементов. Необходимо, чтобы почвообразование замыкало цикл.
14. Миграция химических элементов и ее факторы в зоне гипергенеза
Вы уже знаете, что всякое перемещение химических элементов в земной коре,
которое приводит к изменению концентрации их в данной точке, участке коры, мы
называем миграцией. Так как этот процесс движения атомов ни на мгновение не
прекращается, то не только непрерывно изменяется состав земной коры, но и само
распределение химических элементов в пространстве непрерывно меняется. Вчера оно
было не таким, как сегодня, а завтра будет отличаться от сегодняшнего.
Вы также знаете, что если миграция направлена в сторону данного участка, то это
приводит к концентрации вещества здесь, если нет, то к рассеянию.
Наиболее полно проблему миграции элементов, как в отношении пространства, так
77
и в отношении времени, охватывает геохимия, которая «пишет биографию» всех
элементов за все время пребывания их на земле, в земной коре. Другие науки
(минералогия, учение о полезных ископаемых, почвоведение) изучают движение
атомов на отдельных отрезках их «жизненного» пути. Например, почвоведов
интересует поведение химических элементов при процессах почвообразования. Что
было с ними до того, как они попали в почвы, что с ними будет после погребения почв
или смыва, сдува их ветром, почвоведов уже не интересует. А геохимиков – да, ибо
они знают, что ничто не возникает ниоткуда и не исчезает бесследно.
Перейдем к вопросу о причинах и факторах миграции химических элементов.
Сначала остановимся на очевидных положениях – постулатах (аксиомах), − которые
определяют миграционную способность химических элементов, т.е. поведение их в
разных условиях.
1. Один и тот же химический элемент в разных условиях поведет себя по-разному.
2. Разные химические элементы в одних и тех же условиях поведут себя поразному.
3. Сходные по свойствам химические элементы в одинаковых или сходных
условиях поведут себя сходным образом.
4. Некоторые свойства химических элементов проявляются только в определенных
условиях внешней среды.
5. Свойства химических элементов в термодинамических условиях земной коры (и
зоны гипергенеза в том числе) проявляются через свойства соединений.
Чтобы убедиться в очевидности этих положений, представьте себе поведение
отдельных людей в одинаковых и разных условиях. Говоря об «очевидности», нелишне
вспомнить слова К. Гибрана: «Очевидное – это то, чего никогда не видишь, пока ктонибудь не сформулирует это достаточно просто».
Академик А.Е. Ферсман первый широко и глубоко разработал проблему миграции
атомов химических элементов. Он писал: «... концентрация, и рассеяние химических
элементов зависят как от свойств строения атомов, так и от внешней геологической,
геохимической и термодинамической обстановки». А.Е. Ферсман среди факторов
миграции выделял:
1.Внутренние факторы, связанные со свойствами атомов и их соединений.
2.Внешние факторы, определяющие характер обстановки, в которой находятся
химические элементы.
Такое деление можно принимать с некоторой натяжкой, нельзя рассматривать эти
две группы как абсолютно независимые. Реальная миграция химических элементов
78
определяется
совокупным
действием
обеих
групп
взаимосвязанных
и
взаимообусловленных факторов.
Внутренние факторы миграции
1. Свойства связи. Эти свойства заключаются в способности элементов или их
соединений противостоять силам, направленным к разобщению атомов, ионов и
молекул. Такими разобщающими силами могут быть механические силы (им
противостоят твердость, спайность минералов), термическое воздействие (ему
противостоят
температура
плавления,
летучесть,
температура
диссоциации,
растворимость).
2. Химические свойства элементов и их соединений. Здесь, как и в первом случае,
надо не забывать, что в термодинамических условиях земной коры (а тем более, зоны
гипергенеза) большинство химических элементов зависит от физико-химических
свойств их соединений, т.е. минералов, от их отношения к воде, кислотам, кислороду и
т.п. Однако можно говорить и о миграционной способности отдельных ионов, которая
определяется величиной ионного потенциала (потерциализм Картиледжа), являющейся
частным от деления валентности иона на его радиус.
Эта величина колеблется в широких пределах от 0,5 до 10 м и более. С ростом
ионного потенциала падает миграционная способность иона, точнее, сужаются
диапазоны pH, в которых «разрешена» миграция. Другими словами, чем выше
валентность иона, тем хуже его способность к миграции, тем в более кислых средах
возникла его подвижность. Например, Na+, K+ и др. ( π = 0,5 − 2 ) мигрируют в широком
диапазоне pH, вплоть до сильно щелочных условий. А Ti4+, Al3+, Fe3+ – только в очень
кислых средах. Этот фактор является примером взаимосвязи внутренних и внешних
факторов миграции.
3. Величина энергии кристаллической решетки, которая является функцией зарядов
и их радиусов, измеряется работой, которую надо затратить на то, чтобы разорвать
граммомолекулу вещества на составляющие его ионы (см. первый фактор). Чем она
больше, тем хуже их миграционная способность. С другой стороны, при
кристаллизации минералов, их растворов или расплавов раньше с путей миграции
сходят те ионы, которые образуют кристаллические решетки с большей энергией. Если
энергия решетки невысока, то такие ионы дольше находятся в растворе или расплаве,
являются лучшими мигрантами.
4. Гравитационные свойства атомов и их соединений. Хотя атомы (ионы) – это
мельчайшие частицы, они и их соединения обладают определенной массой. С другой
79
стороны, существует гравитационное поле Земли. Действие закона тяготения
проявляется при сносе вещества в пониженные участки, при осаждении в растворах и
расплавах, при формировании россыпей тяжелых минералов и благоприятных
металлов и т.п.
Источник энергии геохимических процессов
Прежде чем назвать и охарактеризовать внешние факторы миграции, остановимся
на источниках энергии геохимических процессов. Перемещение огромных масс
вещества в земной коре требует затраты огромного количества энергии. Вы уже знаете,
что источники энергии в земной коре подразделяются на две категории: земные
(планетарные) и внеземные (космические). Вы также знаете, что для окружающей
среды – объекта нашего курса – главное значение имеет внеземная энергия нашего
Солнца. Как распределяется эта энергия в атмо- и гидросфере, мы уже рассмотрели
(см. специальную главу). Здесь приведем краткие сведения по важнейшим источникам
энергии, которые играют ведущую роль в энергетике Земли в целом, но малую роль – в
балансе энергии в зоне гипергенеза (1:5000).
1. Энергия положения (тяготения). Проявляется она в явлениях осаждения, в
переносе масс вещества с повышенных участков в пониженные (текучими водами,
льдом и т.п.). Основная форма ее проявления – механическая.
2. Аккреционная энергия, выделившаяся на этапе формирования из холодного
газово-пылевого протопланетного вещества нашей Земли (порядка 4,5 млрд. лет тому
назад).
3. Энергия выплавления ядра Земли.
4. Тепло радиоактивных элементов U, Th, 40K.
5. Энергия приливного трения, связанная с гравитационным взаимодействием
Земли, Луны и Солнца.
По данным японского исследователя М. Озима (1990), 2-й, 3-й и 4-й источники
примерно равны друг другу по вкладу в энергетический баланс Земли, а по данным
Н.П. Семененко (1989), последний источник на порядок меньше каждого из них
(первые − n ⋅10 31 Дж , последний – n ⋅10 30 Дж ).
Необходимо добавить, что если аккреционная энергия и теплота дифференциации
вещества при выплавлении ядра Земли проявили себя на ранних и средних этапах
эволюции Земли, то радиогенная энергия действовала на протяжении всей
геологической истории Земли, хотя и убывала со временем. Это − главная энергия. Ее
накопление в недрах планеты обуславливает вулканическую деятельность и
80
становление земной коры, благодаря выплавлению пород литосферы и дегазации из
мантии воды и газов.
Внешние факторы миграции
Наибольшее значение как фактор миграции имеют:
1. Температура.
2. Давление.
3. Концентрация вещества.
4. Степень ионизации вещества.
5. Окислительно-восстановительный потенциал.
6. Величина pH.
7. Поверхностные силы (коллоидное состояние вещества).
8. Биосфера.
9. Техническая деятельность человека
Охарактеризуем кратко эти факторы.
1. Из физики и химии известно, что температура – важный фактор, определяющий
агрегатное состояние вещества и скорость химических реакций. Повышение
температуры на 10°С увеличивает скорость реакции примерно в 2 раза. Оно усиливает
подвижность химических элементов, может привести вещество даже в летучее
состояние. Снижение температуры ведет к кристаллизации расплавов и растворов, т.е.
к прекращению их миграции. Какие же температуры существуют в земной коре и
в зоне гипергенеза? В глубинах Земли допускается температура порядка нескольких
тысяч градусов. Для магматических процессов в земной коре характерны температуры
порядка 1200°С и ниже. Гипергенные процессы протекают в диапазоне порядка 85÷+85°С, но их течение происходит при изменении температуры (суточные,
сезонные, вековые). Важное значение имеет и температура 0°С, при котором вода,
важнейшая среда для миграции, в частности для химического выветривания,
превращается в лед. Это нивальные условия.
2. Давление в зоне гипергенеза колеблется в диапазоне от доли атмосферы до 1000
атм., на поверхности − в пределах около 1 атм. От давления зависит количество
растворенных газов в поверхностных и подземных водах окружающей среды. Это
влияет на физико-химические свойства вод, а следовательно, и на растворимость в них
различных химических веществ, миграционную способность химических элементов.
3. Концентрация вещества. Пока она ниже растворимости вещества, система
остается гомогенной, и химические элементы мигрируют. Если же концентрация
превышает растворимость вещества, миграция прекращается, идет садка, система
81
становиться гетерогенной (солеродные бассейны).
4. Степень диссоциации веществ зависит как от самого растворимого вещества, так
и от свойств растворителя (а также от его температуры, концентрации и т.п.) или газа.
Лучше всего мигрируют вещества в молекулярной (нейтральной) форме, зато ионы
быстрее «сходят с дистанции».
5.
Окислительно-восстановленный
потенциал
(Eh)
определяет
валентность
элементов, способных ее менять (Fe, En, S и др.), а от валентности иона, как мы уже
знаем (ионный потенциал Картледже), зависит миграционная способность химических
элементов. Хотя элементов переменной валентности немного, но они могут
образовывать соединения со многими другими элементами, а тем самым Eh косвенно
оказывает влияние на поведение этих элементов (с кем поведешься, от того и
наберешься). Так, S может менять валентность от S2– до S6+ (в SO42− ). Она образует
соединения с сорока халькофильными элементами (Cu, Zn, Pb, Hg, As, Hg, Sb и др.).
Сульфиды практически нерастворимы, а вот многие сульфаты, напротив, хорошо
растворяются в кислых водах. Поэтому при окислении сульфидов (переход S 2− в S 42− )
сера, так сказать, «отпускает на волю» многие из цветных металлов, миграция
которых, как вы знаете, приводит к формированию рассеяния – вторичных природных
аномалий.
6. Значение pH природных вод как фактора миграции трудно переоценить.
Особенно наглядно это можно видеть на водах в зоне гипергенеза, на известных уже
вам примерах. Вспомните состав растворенных химических элементов в Мировом
океане. Хотя кларки таких элементов, как Fe, Al, Si, Mn достаточно велики, в воде
океанов они находятся в ничтожных количествах, ибо pH воды составляет 7,8–8,2.
Именно величина pH определяет, будет ли вещество находиться в растворе или
выпадет в твердой фазе.
7. Коллоидное состояние вещества. По размерности коллоидные частицы занимают
промежуточное положение между грубыми дисперсиями (частицы больше 1000А°) и
истинными растворами (меньше 10А°). Следовательно, если вещество переходит в
коллоидное состояние, его миграционная способность возрастает по сравнению с
таковой грубых дисперсий. Однако коллоидные частицы (дисперсная фаза) обладают
зарядом, а это (см. пункт 4) снижает их возможность к миграции. При нейтрализации
их заряда начинается слипание их, укрупнение, т.е. коагуляция, удаление с путей
миграции. Но это еще не все о коллоидном состоянии вещества как факторе миграции.
Не менее важно то, что коллоидные частицы способны сорбировать противоположные
по заряду ионы. Они нейтрализуют свои заряды, коагулируют, но удаляют
82
из растворов /путей миграции/ в осадок и эти сорбированные ионы. Вот почему
Мировой океан за миллионы лет так и не достиг высоких (губительных для всего
живого) концентраций элементов ядов (As, Hg, Pb, Zn, Cu, Cd и др. тяжелых металлов).
Это касается поверхностных водоемов и рек (пока за них не взялся человек). Итак,
роль коллоидного состояния вещества как фактора миграции двойственна: оно
способствует и препятствует миграции элементов (даже тех, которые не образуют
коллоидов, а находятся в истинно-растворимой форме и не достигают степени
насыщения).
8–9. Роль биосферы и технической деятельности человека как факторов миграции
огромных масс вещества в окружающей среде мы рассмотрели раньше (см.
соответствующие главы курса лекций).
Добавим кое-что к сведениям о техногенной миграции химических элементов на
земной поверхности, которая происходит в газообразной, жидкой и твердой средах.
Вызванная интенсивной деятельностью человека, она приводит к такому ускорению
движения различных веществ, что круговорот вещества становится несовершенным, а
процессы − ациклическими. Дело в том, что биоэкологическая система Земли имеет
замкнутый, «безотходный», круговорот веществ. Антропогенные вещества, включаясь
в этот круговорот, частично накапливаются в биосфере, создавая препятствия
естественным водородным процессам. Поэтому задача охраны природы сводится к
возвращению веществ в круговорот, превращению ациклических процессов в
циклические, которые обеспечили бы повторное использование веществ. Это веление
времени. Оценка агро- и техногенного загрязнения должна быть подчинена одной
цели – выявлению количества того или иного элемента, поступающего в организм
человека через всю трофическую цепь по схеме: природные объекты (почва, вода,
воздух) ⇒ организмы (растения и животные) ⇒ пищевые продукты ⇒ человек. Весь
этот комплекс природных сред должен стать объектом изучения при оценке
загрязнения токсичными элементами.
Необходимо помнить, что основное количество микроэлементов в организм
человека поступает с пищей. Здесь действует правило трофической пирамиды, по
которому органическое вещество каждое из последующих звеньев пищевой цепи
уменьшается, а количество поглощенных металлов увеличивается, т.е. концентрация
постепенно повышается. Поэтому небольшое повышение концентрации элементов в
почве или водах, в результате как природных, так и техногенных процессов, может еще
не вызывать угнетающего воздействия на местный фитоценоз. Но через пищу
(растительную или мясомолочную) человек получит наибольшую их концентрацию. К
83
сожалению, на сегодняшний день влияние техногенных загрязнений на организм
человека или отдельные органы изучено очень слабо. Это должны сделать геохимики,
медики, токсикологи, эпидемиологи, гигиенисты.
Таким образом, заканчивая рассмотрение вопроса о факторах миграции химических
элементов в зоне гипергенеза, еще раз отметим, что разделены они на внутренние и
внешние в значительной мере условно, в интересах удобства их изучения. Задача
геохимии: оценить роль всех факторов, в каждом конкретном случае выявить ведущий
или ведущие из них. Важно также знать, что внутренние факторы не изменяются в
ходе времени, тогда как внешние – подлежат изменению (вспомните, как измерялось
содержание кислорода в атмосфере до появления человека и роста его «могущества»).
Нужно иметь в виду, что при изменении условия внешней среды вызывают к жизни
различные процессы, которые стремятся привести в соответствие те или иные
химические соединения с новыми условиями. Так, они вызывают приспособление
минералов к новым условиям, что сплошь и рядом сопровождается превращением
минералов, переходом их в новые соединения, устойчивые в изменяющихся условиях.
Это и есть «внутренний стимул» самых различных процессов. Причем изменение
внешних условий происходит быстрее, чем приспособление минералов к ним. Поэтому
в природе (в том числе и в окружающей нас среде) часты факты, когда минералы
находятся в несвойственных их образованию и устойчивости условиях. Примеры:
магматические породы, сульфидные руды на земной поверхности. Следовательно, поле
существования минералов шире поля устойчивости, но со временем очередь дойдет и
до них. Процессы выветривания пород, окисление сульфидных руд – это и есть
проявление процесса перехода вещества из неустойчивого состояния в устойчивое, в
связи с изменением внешних условий. Разумеется, разные минералы имеют
неодинаковую устойчивость. Кварц, корунд и др. в течение миллионов лет
сохраняются в зоне выветривания, а сульфиды, силикаты железа, довольно быстро
окисляются, переходят в другие – гипергенные − минералы. Причем переход этот
осуществляется, как правило, не резко (из неустойчивого в устойчивое состояние), а
постепенно, в соответствии с постулатами Оствальца, через ряд промежуточных
состояний (окисление пирита, слюда − гидрослюда − каолинит).
И последнее. Внешние факторы действуют не изолированно, а сообща, от их
величины и сочетания зависит направление и скорость процессов, ведущих к миграции
элементов. Мы уже отметили, что все внешние факторы – это величины переменные,
они могут сочетаться между собой в разных комбинациях. Отсюда многообразие
геохимических систем (геохимических обстановок) в природе. Так как в природе
84
изолированных систем нет, значит, невозможно и устойчивое длительное равновесие
в реально существующих системах.
Однако всякая система стремится к равновесию, к состоянию с минимумом
свободной энергии при данных термодинамических и физико-химических условиях.
Это основной закон для всех геохимических процессов. Частным случаем этого закона
является известный принцип действия и противодействия Ле-Шателье: «Если на
систему, находящуюся в состоянии равновесия, оказать какое-либо воздействие, оно
вызовет процесс, который будет стремиться ослабить это воздействие».
Так, при повышении концентрации в растворе или расплаве какого-либо
компонента равновесие смещается таким образом, что избыточный компонент
стремится в иной фазе (твердой, газовой) выделиться и выйти из системы. Приведем
другой пример. В случае обратимых процессов повышение температуры вызывает
реакции с поглощением тепла, а повышение давления вызывает реакции с
уменьшением объема (гипс ⇔ ангидрит).
15.
Геохимия ландшафта. Геохимические барьеры
Основы геохимии ландшафта как самостоятельного научного направления заложил
Б.Б. Полынов (1877–1952). Создатели геохимии (В.И. Вернадский и А.Е. Ферсман)
вплотную подошли к геохимии ландшафта, уделяли много внимания процессам,
протекающим на дневной поверхности нашей планеты. В основе геохимии ландшафта
лежит глубоко диалектическая идея В.В. Докучаева о единстве природы на земной
поверхности, о существовании прямых и обратных связей, говоря современным
языком, связей между горными породами, водами, газами и организмами, которые и
формируют особую сложную систему – ландшафт. Б.Б. Полынов первый понял и
обосновал, мысль, что для познания сущности («души») ландшафта наиболее
приемлема методология геохимии – учения о механической, физико-химической,
биогенной миграции химических элементов в ландшафте, о биохимическом
круговороте атомов и воды как специфических «механизмах ландшафта» и биосферы в
целом.
Геохимия ландшафта быстро развивалась, ибо с первых своих шагов стала
участвовать в разработках геохимических методов поисков месторождений полезных
ископаемых, особенно при оценке выявленных геохимических аномалий и при
развитии теории геохимических барьеров.
В 50-х годах началось практическое применение геохимии ландшафта при решении
85
вопросов здравоохранения. Были составлены медико-химические карты для всей
территории СССР, но работы в этом направлении носят пока более скромный характер,
чем в поисковой геохимии.
В 70-е годы определялась новая область приложения геохимии ландшафта – ее
использование при решении проблем охраны ОС. С большим успехом эта область
быстро прогрессирует. Свидетельством является наш курс. Возникли представления
о техногенной миграции химических элементов, техногенных ореолах и потоках их
рассеяния – антропогенных аномалиях.
По Б.Б. Полынову, «элементарный ландшафт» – участок земной поверхности,
характеризующийся единообразием гипергенной миграции ХЭ, с однородными
климатическими и геологическими условиями, с определенным типом рельефа, почвы
и
растительности.
Парагенетические
ассоциации
элементарных
ландшафтов,
связанных между собой миграцией элементов, образуют «местный геохимический
ландшафт», или просто «геохимический ландшафт» (собственно ландшафт). Тогда под
«местным
ландшафтом»
понимают
совокупность
элементарных
ландшафтов,
свойственных определенному геоморфологическому элементу (водоразделу, склону,
террасе). На земной поверхности встречаются и образования другого рода, размеры
которых узко ограничены самой природой (кочка на болоте, муравейник, нора
землеройки и т.п.). Б.Б. Полынов назвал их «структурными предельными элементами
ландшафта, или деталями ландшафта». Наименьшая площадь, на которой размещаются
все части элементарного ландшафта, именуется «площадью выявления». Расстояние от
верхней до нижней границы называется мощностью «элементарного ландшафта».
Верхняя граница находится в тропосфере и определяется зоной распространения пыли
земного происхождения (из данного или соседнего ландшафта), зоной обитания
организмов.
Нижней
границей
обычно
является
горизонт
грунтовых
ландшафт
неоднороден
вод
(включительно).
Вследствие
миграции
элементов,
элементарный
в
вертикальном направлении. Он расчленяется на ярусы – природные тела: надземную
часть ландшафта, почву, кору выветривания, водоносный горизонт. Не все эти ярусы
присутствуют в каждом ландшафте, бывает, что водоносный горизонт совмещен с
почвой (поймы, болота). Из этого следует, что «резкая дифференциация вещества и
физико-химических условий по вертикали составляет характерную особенность
элементарного ландшафта, его структуру». Это скажется на геохимической миграции
элементов на разных уровнях – ярусах. Несколько слов о биологическом круговороте
элементов в ландшафте.
86
Такие противоположные процессы, как биогенная аккумуляция и минерализация, и
образуют «единый биологический круговорот атомов». История любого химического
элемента в ландшафте складывается из бесчисленного множества круговоротов,
различных по масштабу и продолжительности. Например, в пределах почвы
микроорганизмы поглощают из растворов минеральные вещества, которые снова
возвращаются в раствор или в процессе обмена веществ, или после отмирания и
разложения организмов. Более крупные круговороты осуществляются во всей толще
почвы и разных ярусах растительности, в ландшафте. В результате каждого цикла
круговорота часть веществ изымается надолго из миграции в почве в форме
труднорастворимых соединений, а другая – удаляется из ландшафта в реки и уже не
участвует в миграции вещества данного ландшафта.
Поэтому миграция ХЭ в ландшафте характеризуется не только цикличностью, но и
определенной направленностью, приводит к изменению химического состава и свойств
ландшафта, к переходу его в новое состояние. Следовательно, круговороты являются
одной из форм поступательного развития материи. Тем более, как вы знаете,
особенностью биологического круговорота ХЭ является его неполная замкнутость.
Круговороты – одна из форм развития по спирали.
А.И. Перельман считал, что одним из основных законов геохимии ландшафта
является «'закон биологического круговорота элементов в ландшафте'», и давал ему
такую формулировку: «…химические элементы в ландшафте совершают круговороты,
в ходе которых многократно поступают в живые организмы («организуются») и
выходят из них («минерализуются»). При этом происходит поглощение и выделение
энергии, совершается химическая работа. Поступательное развитие ландшафта
осуществляется через систему круговоротов». Важнейшими внешними факторами
гипергенной миграции элементов являются: характер рельефа, абсолютный уровень и
диапазон колебания температуры, баланс испарения воды и количество атмосферных
осадков, физическая дезинтеграция и денудация горных пород, процессы растворения
и осаждения, гидролиз, реакции окисления и восстановления, развитие и отмирание
растительных и животных организмов.
Различие в соотношениях этих факторов находит отражение в существовании на
поверхности Земли климатических и растительных поясов, закономерно сменяющихся
с широтой и абсолютной высотой местности.
Особое значение для миграции элементов, как вы тоже уже знаете, имеют
показатели рН и Еh. В зависимости от величины рН, природные воды разделяются на 4
класса:
87
1.
Сильнокислые с рН<3.
2.
Кислые и слабокислые – 3,5–6,5.
3.
Нейтральные и слабощелочные – 6,5–8,5.
4.
Сильнощелочные с рН>8,5.
Так как в зоне гипергенеза преобладают слабые кислоты ( CO32− , HCO3− , гуминовые)
и сильные основания (Na+, K+, Ca2+, Mg2+), то чаще всего здесь представлены
ландшафты 2 и 3 классов вод по рН. Сильнокислые воды обнаруживаются только в
локальных участках (зона окисления сульфидных руд, вулканическая деятельность), а
сильнощелочные − при содовом засолении.
Господство кислорода на поверхности Земли определяет Eh-условия. Граница
«кислородной поверхности» совпадает с зеркалом грунтовых вод, ниже которого среда
бескислородная.
Восстановительная
обстановка
возникает
при
разложении
органических остатков. Различают восстановительную обстановку с Н2S, имеющую
локальное распространение, и без Н2S – глеевую, характерную для болот. Показателем
смены Еh-условий является окраска пород: красные и бурые тона характеризуют
окислительную (Fe3+) обстановку, серо-зеленые, сизые (Fe2+) − восстановительную.
Как оценить реальную миграционную способность ХЭ в воде? Для этого нельзя
использовать их абсолютное содержание в водах. Применяются для этой цели такие
показатели (по А.И. Перельману):
1. Коэффициент таллассофильности (морелюбивости). Это отношение кларка
элемента в гидросфере к кларку его в литосфере. Но это общий коэффициент. Нас
чаще всего интересует миграционная способность ХЭ в конкретном ландшафте, для
чего используется следующий коэффициент.
2.
Коэффициент
экспериментально
и
водной
миграции
характеризует
геохимической обстановке: K x =
элементов,
поведение
их
который
в конкретной
определяется
ландшафтно-
M x ⋅100%
, где Mx – содержания элемента в воде, г/л;
a ⋅ Cx
а – общая минерализация воды, г/л; Cх – содержание этого элемента в горных породах,
с которыми данная вода находится в контакте, в %.
По интенсивности водной миграции выделяют:
1. Группа активных водных мигрантов (Кх>>>1).
2. Группа инертных элементов (Кх<<<1).
3. Элементы с контрастной геохимической подвижностью, для которых значение
Кх><1. Определяется оно геохимической характеристикой среды, прежде всего, по рН
и Еh. Это элементы с переменной валентностью U, способные к энергичной водной
88
миграции в окислительной среде ( UO22+ , Mo42− ) и оказывающиеся инертными в
восстановительной обстановке ( UO2 , MoS 2 ). В отличие от них, в восстановительной
(но глеевой) обстановке энергично мигрирует Fe2+ и Mn2+, тогда как в окислительной
они инертны (Fe3+, Mn4+).
Напомню, что все рудные элементы имеют более низкие кларки в гидросфере (в
сотни и тысячи раз меньше), чем в литосфере, а следовательно, малые значения
коэффициентов талассофильности. Это причина подчиненной роли водной миграции
этих элементов в зоне гипергенеза. Они имеют малые значения и Кх. Отсюда следует,
что преобладающая их миграция в зоне гипергенеза проходит в твердой фазе. Это
очень важно иметь в виду. Говоря о миграционной способности ХЭ в зоне гипергенеза,
нельзя забывать, что элементы, находящиеся в растворе, при изменении геохимической
обстановки способны выпасть в осадок, образовать вторичные концентрации –
аномалии. Участки, на которых происходит резкое изменение интенсивности миграции
ХЭ, сопровождаемое их аккумуляцией, называют геохимическими барьерами. Можно
сделать вывод, что на физико-химических барьерах осаждаются, прежде всего,
элементы третьей группы с контрастной миграционной способностью. Однако и
элементы двух других групп также могут резко изменить способность к миграции
в соответствующей обстановке. Так, при испарении выпадут в осадок даже активные
водные мигранты, а элементы с низкими значениями Кх – инертные − способны
образовывать концентрации при гравитационной дифференциации в механическом
переносе (россыпи).
Вот главные типы геохимических барьеров:
1. Испарительный (В, S2, F).
2. Гравитационный (Au, Pt, Sn, Nb, Ta, W, Ti, Zn, и др.).
3. Восстановительный (Mo, U, Se, S).
4. Кислородный (Fe, Mn).
5. Щелочной (Cu).
6. Адсорбционный (Zn, Pb, U, Mo, Co, Ni, Ba, Ra…).
Как видим, возможно появление лито-, гидро-, и биохимических аномалий на
любых геохимических барьерах. Это касается как природных, так и антропогенных
аномалий.
Техногенные геохимические барьеры/ТГБ/
Техногенные геохимические барьеры – это участки ноосферы, в которых
происходит резкое уменьшение интенсивности миграций ХЭ. Выделяют по механизму
89
концентрации ХЭ три класса: механические, физико-химические и биогеохимические
барьеры. Однако специфика ТГБ в том, что в формировании их участвуют вещества,
характерные
только
для
ноосферы.
Некоторые
типы
техногенных
барьеров
используются человечеством издавна (накопление солей на испарительном барьере
путем отгораживания участков моря или соленых озер, искусственные механические
препятствия для задерживания снега, движущихся песков, селевых потоков).
В
современную
эпоху
НТР
появились
совершенно
новые
возможности
практического использования ТГБ, в первую очередь, при решении вопросов
здравоохранения, сельского хозяйства, защиты ОС от загрязнения и т.п. Это и
закачивание промстоков в водоносные горизонты, и цементация рыхлых грунтов, и
закачивание воды в нефтяные и газовые скважины для поддержания пластового
давления и т.п.
Для характеристики ТГБ применяют количественные параметры: длину и ширину
барьера, его градиент и контрастность. Важно также знать емкость накопления ХЭ,
скорость концентрации элементов на барьере. Кроме геохимических показателей, надо
учитывать и экономические: эффективность и рентабельность барьеров.
Различают также побочные ТГБ, возникающие стихийно, непреднамеренно, как
побочный и нежелательный результат хозяйственной деятельности, и искусственные
ТГБ, специально создаваемые для решения определенных практических задач.
Уровни организации и масштабы ТГБ различны: от проявления их в техногенных
илах, почвах, водоносных горизонтах до более крупных, техногенных ландшафтов
(населенные пункты, территории горно-обогатительных комбинатов), даже до
ноосферы нашей планеты в целом. По мощности распространения миграционного
потока различают: микробарьеры – 0,01–0,1 м, макробарьеры – десятки, сотни и более
метров.
В зависимости от направления техногенного потока барьеры разделяются на
радиальные (при субвертикальной миграции) и латериальные (при субгоризонтальной
миграции).
Механические ТГБ распространены исключительно широко, очень разнообразны,
но геохимические мало изучены. Это наземные сооружения, искусственные выемки,
посадки кустов, деревьев и другие латериальные барьеры. Транспортируемые
поверхностными водами или ветром техногенные продукты задерживаются на таких
барьерах, в результате чего возникают техногенные аномалии. Пример: придорожная
растительность
задерживает
свинец
вдоль
автодорог.
Пример
радиального
механического ТГБ – накопление техногенной меди на некоторой глубине под
90
виноградниками, на границе вспаханной и нетронутой частей почвы.
Физико-химические ТГБ. Отличие их от соответствующих природных состоит в
возросшем значении органических соединений, спектр которых шире в ноосфере, чем
в
биосфере.
Металлоорганические
соединения
техногенного
происхождения
существенно отличаются от неорганических соединений тех же элементов.
В
зависимости
инфильтрационные
от
способа
массопереноса
физико-технические
выделяют
барьеры,
а
диффузионные
также
и
комплексные
(двухсторонние – при встречной миграции элементов, совмещенные – при наложении
различных процессов с разрывом во времени).
Как и в природных условиях, по фактору концентрации ХЭ среди ТГБ выделяют
кислородные,
сероводородные,
глеевые,
щелочные,
кислые,
испарительные,
термодинамические.
Биогеохимические ТГБ обусловлены накоплением техногеничных элементов
культурными насаждениями, что может происходить как через корневые системы, так
и в результате проникновения элемента в ткань листьев из осаждающейся пыли.
Например, в литературе описано создание искусственного техногенного барьера
для борьбы с техногенным загрязнением медью на виноградниках Молдавии. Это
щелочной барьер (смесь кальцита с крупнозернистым песком). Медь на таком
щелочном барьере оседает в виде гидрата окиси или основного карбоната.
16. Научно-методологические основы изучения окружающей среды
Введение
В ходе НТР усиливается геохимическое преобразование природы человеческой
деятельностью. Это и привело к появлению центральной проблемы современной
экологической
ситуации –
проблеме
загрязнения
окружающей
среды
(ОС).
Производственная и сельскохозяйственная деятельность человека сопровождается
накоплением и поступлением химических элементов в объекты окружающей среды,
где уже природные факторы миграции образуют антропогенные ореолы и потоки
рассеяния – аномалии. Качество окружающей среды определятся составом и степенью
загрязнения,
формой
нахождения
элементов,
интенсивностью
биологического
поглощения их и др.
Сегодня основная часть работ по проблеме загрязнения окружающей среды
химическими элементами носит теоретический характер. Но важнейшей задачей
изучения и решения проблемы загрязнения окружающей среды токсическими
91
элементами
является
выяснение
пространственной
структуры
аномалий,
распределения очагов загрязнения, установление источников вредных воздействий,
размеров зон, их влияния на население, оценка этого влияния.
Без решения этих задач невозможно разрабатывать действенные природоохранные
мероприятия,
экологически
производственных
сил,
обоснованные
генеральных
схемы
планов
развития
городов
и
и
размещения
территориально-
производственных комплексов.
Поэтому в дальнейшей части нашего курса особое внимание будет уделено именно
прикладным аспектам, накопленному опыту обобщения материалов из областей
образования, состава и конфигураций техногенных и антропогенных геохимических
аномалий в окружающей среде. Будут рассмотрены проблемы их выявления и оценки,
что
необходимо
для
выработки
практических
мероприятий
по
ликвидации,
уменьшению и предотвращению негативных воздействий.
Загрязнение
окружающей
среды
происходит
при распространении
в
ней
неутилизируемых отходов человеческой деятельности – стоков, твердых веществ,
выбросов в атмосферу, а также при рассеянии средств химизации, применяемых в
сельском и лесном хозяйстве.
Методологический
принцип
изучения
окружающей
среды
был
заложен
В.И. Вернадским, который первым открыл геохимический смысл преобразования
природы
человеческой
деятельности
и
его
глобальный
характер.
Отмечая
необходимость развития прикладных геохимических исследований, В.И. Вернадский
писал: «Подходя к научному изучению природы, мы никогда не должны и не можем
забывать, что оно всегда неизбежно связано с практическим его значением в жизни
человечества… Особенно, это должно чувствоваться, когда мы касаемся вопросов
геохимии, где культурная жизнь человечества является могучей силой, меняющей
химические явления нашей планеты».
Именно
В.И. Вернадский
подчеркивал
вероятность
неожиданных
и
непредвиденных последствий воздействия человека на природные среды, называл
наименее устойчивые компоненты: атмосферу и воды. «Лик планеты – биосфера –
химически резко меняется человеком сознательно и, главным образом, бессознательно.
Меняется человеком физически и химически воздушная оболочка суши, все ее
природные воды».
Оценка интенсивности миграции химических элементов, вызываемой человеческим
разумом и трудом, позволила ему сформулировать положение о сопоставимости
деятельности
человечества
с
геологическими
процессами,
а
саму
проблему
92
антропогенного воздействия на природу считать проблемой геохимической и
биогеохимической.
Последователи В.И. Вернадского (Н.П. Моисеев, Л.М. Гвишнани) показали, что
совокупное действие загрязнения окружающей среды и уменьшения белковых
компонентов рациона питания приведут около 2100 г. к падению плотности населения
в 4 раза. Только сочетание жесткой борьбы против загрязнения окружающей среды с
интенсивным развитием сельского хозяйства даст более благоприятные результаты.
Отечественные ученые не согласны с пессимистической концепцией экологов
Римского клуба о «пределах роста». Они считают, что НТР определят две
взаимосвязанные задачи, необходимые для выхода из кризисной экологической
ситуации:
1. Мониторинг окружающей среды и анализ потоков вещества и энергии на разных
уровнях.
2. Разработка принципов оптимизации взаимодействия общества и окружающей
среды.
Обе эти задачи, очевидно, в значительной степени являются геохимическими и
вполне соответствуют постулату об особом состоянии эволюции биосферы наших
дней, которые следуют из учения В.И. Вернадского о ноосфере.
То, что проблема загрязнения окружающей среды не является чисто теоретическим
обобщением, а вырисовывается как императивная практическая задача, вытекает из
многих
отрицательных
реакций
в
разных
областях
человеческой
жизни
и
производства:
1) измерение показателей состояния здоровья населения, рост заболеваемости,
инвалидности, обусловленные загрязнением окружающей среды;
2) достоверное установление эпизодических случаев гибели людей из-за
загрязнения окружающей среды;
3) массовые случаи гибели гидробиотов в загрязненных водах;
4) непригодность по химическому составу большого числа водных источников для
питьевого и технического водоснабжения, рыбохозяйственных и рекреационных
целей;
5) невозможность проведения тонких технологических операций из-за загрязнения
атмосферного воздуха (поэтому производятся попытки вынести эти технологии в
чистый космос).
В последнее время к традиционным загрязняющим веществам (пыли, CO2, CO, NO2,
SO2, CnHm, соединениям азота, калия, фосфора, ядохимикатам, радиоактивным
93
изотопам) приходится добавлять и проявления острых токсичных эффектов,
вызванных загрязнением окружающей среды тяжелыми металлами и микроэлементами
(Hg, Cd, Se, Pb).
Сегодня можно считать установленным, что при распределении загрязняющих
веществ в окружающей среде, осуществляемом природными миграционными
механизмами, образуются ореолы и потоки рассеяния, сходные с таковыми вокруг
месторождений полезных ископаемых. Это и позволяет использовать для экологогеохимической оценки состояния среды обитания человека (окружающей среды) не
только
общеметодологические
геохимические
идеи,
но
и
приемы,
методы,
применяемые при геохимических съемках для изучения и интерпретации природных
аномалий.
Вот основные этапы геохимического изучения окружающей среды.
1. Изучение ассоциаций, концентраций и форм нахождения химических
элементов (ХЭ) в твердых отходах, выбросах, стоках, средствах химизации,
выявление участков и путей поступления их в окружающую среду.
2. Прослеживание путей и способов миграции химических элементов в
окружающей
среде,
установление
природных
компонентов,
взаимодействующих с миграционным потоком и приводящих к появлению
техногенных геохимических аномалий.
3. Оценка
площади
рассеяния,
распространения
выявление
формы
их
техногенных
и
ореолов
структуры,
и
центров
потоков
наиболее
интенсивного воздействия.
4. Геохимическая оценка воздействия ассоциации химических элементов на
живые организмы, прослеживание их распределения по трофическим цепям,
оценка степени метаболизма, изучение биокруговоротов.
Эти задачи и способы их решения сильно различаются для разных типов
территорий. Поэтому в дальнейшем мы будем следовать разработкам для городов и их
обрамления, сельскохозяйственных и горнопромышленных территорий (Сает, Ревич,
Яшин и др.,1990).
Научно-методические основы геохимического изучения ОС и ее компоненты
Методологическая
основа
для
организации
геохимических
исследований
антропогенного преобразования природной среды – нового научного направления –
проистекает из анализа геологической, геохимической и, в конечном счете,
биогеохимической деятельности человечества.
Геохимия окружающей среды − это новое направление, использующее систему
94
терминов
и
понятий,
которые
органически
связывают
общегеохимическую
понятийную базу с географической, биологической и гигиенической основами
природоохранной деятельности.
Предметом прикладных геохимических исследований является окружающая
среда – совокупность природных и природо-антропогенных тел, явлений и факторов,
прямо или косвенно влияющих на условия жизни человека и связанных с ними
вещественным и энергетическим обменом.
Понятие «окружающая среда» используется для обозначения экологических
условий жизни человека или какой-либо интересующей человека группы живых
организмов в условиях антропогенного воздействия.
Более широкое понятие «экология» включает комплекс факторов, обеспечивающих
условия жизни или взаимодействия живых организмов с природными телами и
системами. Более того, экология человека включает и социальные аспекты
взаимоотношения человека с биосферой.
ОС – это система ландшафтов или территориальных образований, в которых
формируется сочетание специфического, характерного для данной географической
зоны взаимодействия природных и антропогенных элементов. В зависимости
от характера и соотношения этих элементов, ландшафты с определенной условностью
подразделяются на природные, агроландшафты, в которых существующими методами
исследования
достоверно
фиксируются
антропогенные
изменения.
Ценность
природных ландшафтов определяется их значением как экологического ресурса
(совокупность существующих компонентов, обеспечивающих типичное для данной
территории экологическое равновесие в биосфере), а также как генетического фонда. С
целью сохранения этих ресурсов среди природных ландшафтов выделяются
заповедники, заказники, резерваты и другие особо охраняемые территории Природные
ландшафты – единственный резерв развития курортно-рекреационной деятельности.
Природные ландшафты могут быть антропогенно преобразованы загрязнителями
или механически повреждены. Степень деградации может варьироваться очень
широко, вплоть до техногенной пустыни, лишенной естественной растительности,
сильно химически загрязненной.
Агроландшафты – это ландшафты, у которых естественная растительность была
заменена другими видами растений сельскохозяйственного или лесохозяйственного
значения. Это могут быть полевые, овощные, садовые, поливные, богарные
ландшафты.
Урболандшафты (урбосистемы) – территории, основные особенности строения и
95
свойства которых определяются наличием в их пределах человеческих поселений,
прежде всего городов. Это и собственно город, и его обрамление, которое испытывает
наибольшее воздействие города.
ОС состоит из компонентов – структурных единиц, включающих основные
материально-энергетические
абиогенного
природные
(косвенного),
и
биогенного
природно-антропогенные
или
смешанного
системы
(биокосвенного)
происхождения и состава, необходимые для неопределенно долгого (в пределе −
бесконечного) поддержания жизнеобеспечения.
Основные
природные
компоненты
ОС:
геологический
фундамент,
почвы,
поверхностные водные системы, подземные воды, атмосферный воздух и живые
организмы.
Структурными элементами урболандшафтов являются промышленные предприятия
или промзоны, транспортные магистрали (улицы), селитебные зоны, рекреационные
зоны (зоны отдыха – бульвары, парки, сады, водоемы, лесопарки). Только в последние
годы стараются учитывать «розу ветров», а также пространственно разделять
промзоны, селитебные и рекреационные территории. Иногда последние размещаются
в примыкающем к городу зеленом поясе.
Изучение загрязнения ОС
Геохимическое
изучение
загрязнения
ОС –
комплекс
взаимосвязанных,
синхронизированных и территориально совмещенных исследований:
а) выявление и количественная оценка источников загрязнения;
б) прослеживание распространения загрязняющих веществ в компонентах ОС с
оценкой их содержания, состояния и пространственной дифференциации;
в) выяснение степени биохимической концентрации загрязняющих веществ
живыми организмами и определение экологических последствий такой концентрации.
Источники загрязнения
Антропогенным называют всякое преобразование ОС, которое появляется в
результате деятельности человека. Если происходит изменение химического состава
одного или нескольких природных компонентов ОС, то такое воздействие человека
является геохимическим. Обычно принято считать, что изменение химических свойств
ОС, не связанное с естественными процессами, является загрязнением. Однако
загрязнение – явление количественное (т.к. нет вредных веществ, есть вредные
концентрации). Оно может возникнуть не только антропогенным способом. Поэтому
будем пользоваться привычными терминами: природное или естественное загрязнение.
Примерами этого являются уже знакомые нам природные геохимических аномалии
96
вокруг месторождений и в районах вулканической деятельности.
Материальные носители загрязнения – загрязняющие вещества (поллютанты),
которые связаны с наличием «источников загрязнения». Это термин широкого и не
очень определенного применения. Он означает и вид человеческой деятельности
(радиотехническое производство, поливное овощеводство), и конкретные объекты
(завод, свалка, автотранспорт), и материальные носители (отходы производства,
средства химизации).
Средства химизации – это преднамеренно вносимые для увеличения эффективности
производственной деятельности вещества (а загрязнение ОС – это побочный,
непредвиденный результат).
Отходы, в данный момент, неутилизируемая и возвращаемая в ОС часть
используемых и перерабатываемых человеком материалов. Загрязнение ОС
–
неизбежное следствие появления отходов. Они могут быть промышленными,
коммунальными, бытовыми, сельскохозяйственными.
Различают складируемые отходы, выбросы, стоки. Первые часть отходов для
возможной последующей утилизации (на свалках, полигонах-накопителях).
Стоки – часть жидких отходов, которые рассеиваются в ОС. Они состоят из
дисперсионной среды (раствор) и дисперсионной фазы, которая чаще всего и является
основным загрязнителем.
Выбросы – часть отходов, рассеиваемая в атмосфере. Они, как и стоки, чаще всего
двухфазны (взвесь, пыль, аэрозоли).
Стоки и выбросы могут быть организованными (через технические устройства,
позволяющие
вести
количественный
учет
загрязняющих
веществ)
и
неорганизованными (стихийно попадают в ОС).
В
зависимости
от
способа
поступления
в
ОС,
источники
загрязнения
подразделяются на локальные, точечные, площадные, линейные. Все промышленные
источники выбросов и стоков – точечные. Неточечные связаны с сельским хозяйством,
химизацией, поверхностным стоком с загрязненных территорий, вдоль дорог.
Загрязняющие вещества: органические, органоминеральные и минеральные. При
изучении минеральных загрязнений исследуют отдельные химические элементы, а не
соединения. При этом пользуются термином «тяжелые металлы», под которым
понимают группу токсичных химических элементов (прежде всего, цветных и редких).
Вы уже знаете, что антропогенное геохимическое загрязнение является мощным,
комплексным по составу.
Распространение загрязняющих веществ в ОС
97
Оно происходит в результате миграции загрязняющих веществ, генерируемых
источниками загрязнения.
Геохимическая
миграция –
это
комплекс
процессов,
приводящих
к
перераспределению химических элементов в природных телах. Этот комплекс
включает перевод элементов в форму, обеспечивающую их подвижность в данных
условиях, транспортировку элементов и, в результате взаимодействия с веществом
транспортирующего потока или с веществом вмещающей его природной среды, их
осаждение.
Вся система, от источника поставки элемента до геохимического барьера,
называется миграционным потоком, или цепью распространения, загрязняющего
вещества.
Природные среды, накапливающие загрязняющие вещества (почвы, растительный
покров, снеговой покров, донные отложения), являются депонирующими.
Перемещение происходит в транспортирующих средах (водно-миграционных и
воздушно-миграционных потоках), а также путем биологического поглощения
элементов растительностью, а потом дальше по цепям питания живых организмов
(трофическая цепь распространения).
Распространение химических элементов в окружающей среде может происходить и
техническим путем (разные виды транспорта).
Интенсивность миграции выражается в виде коэффициентов концентрации
(накопления) или рассеяния. Как базовое принимается фоновое содержание – среднее
содержание химических элементов в природных телах в пределах участка,
однородного
в
геологическом
и
ландшафтно-геохимическом
отношении.
Геохимический фон – это понятие местное, локальное. Коэффициенты концентрации,
подсчитанные по отношению к кларку элемента в литосфере или части ее (почве,
горной породе), называются кларками концентрации.
В результате миграции химических элементов по природным транспортным
каналам в ОС образуются геохимические аномалии. При этом наибольшей
динамичностью отличаются воздушные и водные потоки. В воздухе и воде химические
элементы мигрируют в двух основных формах:
1. Растворенной − входящей в состав из дисперсионной среды (газа, воды);
2. Взвешенной – механически перемещаемой дисперсной фазы.
Таким образом, концентрация загрязняющих веществ в потоках и интенсивность
выпадения из них зависит от соотношения «раствор (газовая смесь) – взвесь», которые
имеют неодинаковую миграционную способность. Это обстоятельство сказывается на
98
составе и концентрации загрязняющих веществ в ближней и дальней зонах влияния
конкретного источника загрязнения. На размерах и конфигурации аномалии
сказывается также «роза ветров».
Приведем еще несколько терминов.
Геохимическая аномалия – участок территории, в пределах которого, хотя бы в
одном из слагающих его природных тел, содержание химических элементов
достоверно отличается от фонового.
Если источник воздействия связан с деятельностью человека, аномалии называются
антропогенными. Среди них различаются:
1. Геохимический ореол рассеяния – поле аномальных содержаний загрязняющих
веществ и их ассоциаций, отражающих воздействие на данную конкретную
территорию источника или группы источников загрязнения за весь период их
существования.
2. Зона загрязнения – часть геохимической аномалии, в пределах которой
загрязняющие вещества достигают концентрации, оказывающей неблагоприятное
влияние на живые организмы.
3. Геохимический поток рассеяния – термин, применяемый при описании аномалий
в природных средах (водах, воздухе), транспортирующих загрязняющие вещества.
По типам геохимических потоков, формирующих аномалии, и их источникам они
могут быть аэрогенными (выпадение из воздушных потоков), гидрогенными (из
водных потоков), биогенными (концентрирование живым веществом), вейстогенными
(загрязнение отходами при строительстве и т.п.) и агрогенными (внесение удобрений,
ядохимикатов).
Надо помнить, что существуют природные геохимические аномалии (рудогенные
вулканогенные), которые, в случае использования этих территорий под расселение или
сельское хозяйство, могут рассматриваться как зоны загрязнения.
По природным средствам, вмещающим аномалии, ореолы и потоки могут быть:
•
литохимическими (в почвах, горных породах, донных отложениях);
•
сноухимическими (в снеговом покрове);
•
гидрохимическими (в водах);
•
атмохимическими (в воздухе);
•
биохимическими (в живых организмах).
В последнем случае надо иметь в виду, что при изучении влияния промышленных
выбросов на растительность трудно определить химические элементы, поглощенные
растениями из почвы, от элементов, механически загрязняющих поверхность растений.
99
Так, у автодорог 30–60 % свинца удаляется, если отмыть листья, так как растения –
механический техногенный барьер.
Надо не забывать, что аномалии – это ассоциации элементов. Анализ ассоциации
элементов – основа картографирования техногенных аномалий. Геохимическая
структура
ассоциаций –
идентифицировать
важнейшая
источники
характеристика
загрязнения,
разделять
аномалии,
«вклад»
позволяющая
антропогенного
воздействия и природных факторов. С другой стороны, анализ структуры аномалии
позволяет дифференцировать территорию по степени экологической опасности, тогда
как общие контуры техногенного ореола рассеяния определяют лишь общий размер и
морфологию зоны воздействия одного или группы источников загрязнения.
В пределах ореола различают ядро и периферическую часть. Ядро является зоной
наиболее сильного загрязнения, наблюдаемого в связи с данным источником.
Периферическая часть ореола – зона слабого и среднего загрязнения (об этом мы уже
упоминали).
Выделяют также очаг ореолов (очаг загрязнения) – территорию сплошного
загрязнения, создаваемую несколькими источниками, некое полузагрязнение среднего
уровня, в пределах которого могут быть ядра загрязнения. Такие очаги загрязнения
привязаны к промышленным зонам.
Для количественного анализа особенностей и интенсивности развития загрязнения
в
пространстве
может
быть
использована
«плотность
загрязнения».
Она
рассчитывается как соотношение их площади к общей исследуемой площади
загрязненной территории (например, площади административного района).
В конкретном случае может быть намечена или задана критическая плотность − как
отношение площади, выделенной под промышленную деятельность, к общей площади.
И наконец, форма аномалий обусловлена, с одной стороны, пространственными
особенностями распределения источников загрязнения и потоков рассеяния, а с другой
– ландшафтными условиями территории, испытывающей техногенное воздействие.
Еще раз отметим, что общая морфология ореолов химических элементов в аэрогенных
аномалиях определяется розой ветров, причем центр высоких содержаний близок к
кругу и обрамляет источник загрязнения.
Оценка результатов антропогенного геохимического воздействия на живые
организмы
Эколого-геохимической нормой условий обитания человека является кларковая
концентрация. Этот уровень приблизительно определяет наиболее распространенную
обстановку жизни. Природные отклонения от кларка не превышают 2–3 кратного
100
уровня. Вам уже известно, что экстремальные геохимические ситуации в природе
образуются чаще всего в связи с рудными месторождениями. На таких территориях
население, как правило, не концентрируется.
Вы также знаете, что антропогенные геохимические преобразования ОС по своему
уровню значительно превышают даже аномалии в районах рудных месторождений.
Рассеяние в природных системах твердых отходов, выбросов, стоков и средств
химизации неизбежно приводит к формированию геохимических аномалий и
биохимическому концентрированию ХЭ в ОС городов, сельскохозяйственных
территорий и горнопромышленных районов, территории которых являются средой
обитания значительной части человечества.
Выявление техногенных геохимических аномалий фиксирует пространственное
положение
зон
воздействия
источников
загрязнения.
На
этих
территориях
современными методами исследования можно определить благоприятные последствия
загрязнений ОС для живых организмов и для природных систем, определяющих
условия жизни (состояние воздуха, воды, пищи). Эта задачи выходит за пределы
нашего курса, ее решают особые науки: геогигиена (гигиена ОС, т.е. наука о
медицинских последствиях воздействия человека на природные системы) и экология
(наука, исследующая взаимосвязь между живыми организмами и средой их обитания).
Но без геохимии они этого сделать не могут.
Геохимические данные позволяют изучить пространственные связи между
аномалиями и состоянием биоты – совокупности всех живых организмов, населяющих
территорию.
Другими словами, для решения названной задачи необходимо сотрудничество и
взаимопонимание между специалистами различного профиля.
Система контроля состояния ОС включает 3 регламентируемых (нормативных)
показателя, оценивающих состояние:
1) источника загрязнения;
2) природных сред в зоне загрязнения;
3) биоты в зоне воздействия.
На
участках,
где
превышаются
гигиенические
нормы
(ПДК),
запрещено
размещение жилья, а иногда и разная деятельность.
В основе оценки состояний природной среды лежат представления о биологических
реакциях живых организмов, достоверно регистрируемых существующими методами
исследований. Биологические реакции – это любые отклонения в организмах,
достоверно связанные с загрязнением ОС. Обычно считают, что живые организмы
101
способны адаптироваться к изменениям в ОС. Возникли представления о пороговости
воздействия химических соединений на живые организмы. Под этим термином
понимают такие уровни поступления загрязняющих веществ в организм, в пределах
которых реакция организма не выходит за вариации физиологической нормы. Так
возникло представление о ПДК – максимальной концентрации загрязнителя в
природном теле за определенный период наблюдений (сутки, месяц, год), которая не
оказывает какого-либо вредного воздействия на организмы.
ПДК обычно ориентированы на человека, они отмечают уровень, при котором не
наблюдается ни прямых, ни вредных косвенных воздействий, включая и отдельные
воздействия для настоящего и будущего поколения. Также учитываются воздействия,
которые вызывают снижение работоспособности или ухудшение самочувствия. В
последнее время начались разработки ПДК, ориентированные на ряд других живых
организмов (рыб, растений).
ПДК не постоянная величина, она меняется, если устанавливаются новые, ранее не
замеченные эффекты воздействия. Разные загрязняющие вещества неодинаково
воздействуют на живые организмы, поэтому их подразделяют по классам опасности
(по близости ПДК к типу реакции организмов).
В случае комплексного загрязнения наблюдается кумулятивное воздействие
(усиление реакции организма, по сравнению с реакцией на отдельные индивидуальные
вещества). Мало изучены антогонестические реакции, когда воздействие одного
фактора ослабляется влиянием другого.
В трудном положении оказались курорты и заповедные зоны. Для них надо
разрабатывать свои критерии оценки.
Важнейшие по опасности уровни реакции организмов на состояние ОС в
антропогенных геохимических аномалиях.
1. Биологическое (биохимическое) концентрирование поллютантов.
2. Появление физиологических и функционально-морфологических отклонений
(симптоматические индикаторы).
3. Рост заболеваемости (общей и по группам болезней).
4. Снижение функции размножения. Уменьшение биопродуктивности (урожая).
5. Смертность и (или) уменьшение численности популяции.
Биологическое поглощение – это способность извлекать из ОС химические
элементы и накапливать их. Коэффициент биологического поглощения – отношение
содержания химических элементов в зоне, к его содержанию в почве или
почвообразующей породе. Эти коэффициенты неодинаковы для разных видов
102
организмов и даже для разных органов отдельного организма. Надо отметить, что
существуют физиологические барьеры, ограничивающие поступления или остаточную
концентрацию химических элементов в разных органах и тканях организма.
Те химические элементы или соединения, которые вызывают неблагоприятные
биологические реакции, называются ксенобиотиками. Отбираемые в пробу части
организма называются биоматериалом или биосубстратом. Те из них, которые
наиболее чутко отражают состояния ОС, являются диагностическими. При этом, это
такие органы ткани, отбор которых не наносит серьезного ущерба организму (плоды,
листья, волосы, шерсть, кровь). Есть еще «критический орган», в котором накопление
ксенобиотика наносит максимальный вред организму.
Итак, принципиальный вывод: техногенные загрязнители проникают в организмы и
накапливаются в них. Это обуславливает появление ответных реакций, выражаемых в
выше перечисленных уровнях опасности. А так как антропогенные аномалии занимают
уже сейчас огромные пространства суши, то их воздействию подвержена значительная
часть человечества (помните, в Украине 80 % территории – техногенные аномалии).
17. Технология геохимических работ по изучению окружающей среды
Для
геохимической
специализированные
оценки
состояния
эколого-геохимические
ОС
необходимо
исследования,
проводить
направленные
на
установление источников загрязнения, прослеживание путей миграции загрязняющих
веществ и выявление территорий, где их концентрация становится опасной для живых
организмов (зона воздействия, зоны загрязнения).
Общая схема прикладных геохимических исследований
Выделяют три основных этапа таких исследований.
1. Начальный – рекогносцировочные исследования геохимических особенностей
состояния окружающей среды.
2. Средний (основной) – выделение и оконтуривание на местности антропогенных
ореолов и потоков рассеяния (геохимическое картирование).
3. Завершающий – детальные геохимические и геобиохимические исследования
выявленных аномалий.
Целью первого этапа является выявление основных источников загрязнения и зон
их воздействия, а также установление природных условий формирования техногенных
ореолов рассеяния и фоновых территорий. На данном этапе проводится геохимическое
опробование лишь наиболее объемных видов отходов: канализационных стоков,
103
бытового мусора, осадков сточных вод групповых очистных сооружений. Конечная
цель этапа – выявление участков для геохимического картирования антропогенных
ореолов и потоков рассеяния. Результатом этапа является геохимическая схема
территории масштаба 1:100000–1:50000 и обоснование программы исследований
второго этапа.
Геохимическое картирование (второй этап) – наиболее объемный этап изучения
территорий. Практические цели этапа сводятся к следующему:
а) выявление всех значимых источников загрязнения окружающей среды,
установление основных видов отходов производственной и сельскохозяйственной
деятельности;
б) прослеживание потоков распространения (транспортировки отходов или
загрязненной продукции в места депонирования или вторичного применения)
химических элементов, как природных, так и искусственных;
в) изучение морфоструктурных особенностей пространственного распределения
загрязнений, установление зон влияния источников загрязнения и, в конечном счете,
разделение
исследуемой
территории
по
качественным
характеристикам
и
интенсивности отрицательного воздействия.
При
изучении
источников
загрязнения
опробуются
все
виды
и
дается
предварительная оценка объемов. Ореолы изучаются геохимической съемкой почв и
пыли на снеговом покрове. Почвы фиксируют в своем составе атмосферные выпадения
химических элементов за многолетний период, а современный уровень состояния
атмосферного воздуха устанавливается по изучению снежного покрова.
При изучении потоков рассеяния в поверхностных водотоках применяется
маршрутная геохимическая съемка донных отложений, сочетающаяся с опробованием
вод.
Результатом второго этапа являются геохимические карты всех основных очагов
загрязнения изученной территории, которые становятся основой природоохранных
практических мероприятий и выявляют локальные «горячие точки» для их детальных
гео- и биохимических исследований.
Завершающий этап проводится с целью углубленной оценки качества окружающей
среды, получения данных для прогноза изменения его во времени, выявления
характера реакций живых организмов на загрязнение. Задачи этого этапа во многом
совпадают с задачами санитарно-гигиенической службы и служб контроля состояния
окружающей среды, поэтому работы должны проводиться в тесном контакте с ними.
Эти исследования проводятся чаще всего в центрах выявления аномалий.
104
Методика отбора и обработки проб
Изучение
источников
загрязнения.
Основной
метод
изучения
источников
загрязнения окружающей среды – опробование. Отбор проб производится в местах
образования отходов, с транспортировочных средств (конвейерная лента, вагонетка),
в местах складирования и захоронения отходов (площадки, свалки). Имеются
специальные инструкции по отбору представительных проб и подготовке их к анализу.
В целом, характер опробования источников загрязнения зависит от конкретных
технологических особенностей исследуемого объекта, и пока нет стандартизированной
методики.
Изучение техногенных ореолов. На рекогносцировочном этапе опробование ведется
по «кустам», т.е. по ограниченным фрагментам территории, расположенным на разных
расстояниях от источника загрязнения, что позволяет дать сравнительную оценку
загрязнения разных частей зоны влияния.
На этапе съемки сеть опробования равномерно показывает всю территорию
предполагаемой зоны влияния. Опыт показывает, что максимальная концентрация
элементов загрязнения приурочена к верхнему горизонту почв (мощностью до 10 см),
но в общем случае рекомендуется опробовать весь гумусовый горизонт природных
почв. Средний объем пробы почвы составляет 300–400 г При подготовке к анализу
проба прослушивается, растирается в фосфоровой ступке и просеивается через сито с
отверстиями в 1 мм.
Опробование снега предполагает раздельный анализ снеговой воды и твердого
осадка (атмосферная пыль). Опробуем всю мощность снегового покрова. Вес проб − 5–
7 кг. Отбор проб снега целесообразно проводить в конце зимнего сезона, чтобы учесть
загрязнение за максимальный отрезок времени.
Масса пыли в снеговой пробе служит основой для определения пылевой нагрузки
на единицу площади. Расчет ведется по формуле: Pn =
P0
, где Pn – пылевая
(s ⋅ t )
нагрузка, Pc – масса пыли в пробе,s – площадь шурфа, t – время от начала снегостава.
Pn выражается в мг ⋅ м 2 или в кг ⋅ км 2 / сут .
Изучение техногенных потоков рассеяния. Опыт показывает, что объективно
оценить уровень техногенного загрязнения можно по средней пробе, объединяющей
фракции менее 1 мм. Масса пробы − 200–300 г, отбираются пробы из уреза воды.
Изучается также и состав воды водостока, формирующего поток рассеяния. Наиболее
практична для отбора и транспортировки в лабораторию проб воды полиэтиленовая
105
посуда. После доставки в лабораторию пробы воды немедленно фильтруются для
разделения растворенных и взвешенных форм химических элементов (с тщательным
перемешиванием перед началом фильтрации). Это дает третью составную – отстой. Он
анализируется
отдельно.
Есть
специальные
инструкции
по отбору
проб
для
биохимических исследований.
Отбор проб из атмосферного воздуха производится на стационарных, маршрутных
и передвижных постах. Первые служат для проведения систематических наблюдений.
Но при оценке дальности распространения загрязнения необходимо использовать и
материалы для передвижных постов, которые служат для разовых наблюдений в зонах
непосредственных выбросов. Каждый раз их позиция выбирается в зависимости
от поставленной задачи и метеоусловий. Маршрутные посты проводятся с помощью
автолаборатории. Детально методы опробования и обработки проб атмосферного
воздуха изложены в специальных методических руководствах.
Изучение неблагоприятных реакций населения на загрязнение окружающей
среды
Из сказанного можно сделать вывод, что такие оценки неблагоприятного
воздействия техногенной геохимической нагрузки на состояние здоровья населения
проводятся совместно организациями и учреждениями медицинского профиля. Что же
касается проблемы эндемических заболеваний, то мы ее рассмотрим в разделе о почвах
и их геохимической роли.
Обработка результатов изучения ореолов и потоков рассеяния
Одна из главных характеристик геохимической антропогенной аномалии – ее
интенсивность. Она определяется степенью накопления элемента-загрязнителя по
сравнению с природным фоном. Показателем уровня аномальности содержания
химических элементов является коэффициент Кс, который рассчитывается как
отношение содержания элемента в исследуемом объекте к среднему фоновому
содержанию:
Kc =
C
.
Cф
Так как техногенные аномалии обычно полиэлементны, то делается качественная и
количественная характеристика геохимической ассоциации исследуемого объекта.
Например, для городов, ассоциация может быть представлена такой формулой
накапливающихся элементов:
Hg30 – Pb10 – Zn8 – Ni3 – CO2,
106
где цифровые индекса отвечают коэффициентам концентрации.
18. Геохимическое изучение окружающей среды городов
Основные источники загрязнения и общая оценка их воздействия
По имеющимся данным на 1970 г. в мире образовалось 5 млрд. т твердых отходов,
19,8 млрд. т газообразных загрязнителей, 0,2 млрд. т пыли, 9135 млрд. т стоков.
Возможно, что к 2000 г. количество отходов увеличится в 3 раза. Необходимо
отметить, что подавляющая их часть образуется в городах, где проживает большая
часть населения Земли, сконцентрирована основная масса различных производств.
К сожалению, хотя имеется большая литература по характеристике отходов, их
химический состав и распределение в них токсичных элементов изучены плохо.
По частоте встречаемости в отходах среди химических элементов преобладают Zn, Cu,
Cd, Hg, Pb, Ag, Co, Ni. Промышленные и бытовые отходы характеризуются
комплексностью состава.
Как известно, часть твердых и жидких отходов утилизируется. Это лом металлов,
отходы
пищевой,
мясомолочной
промышленности,
отходы
бумаги, текстиля,
нефтесодержащие отходы. Имеются такие данные. В 1980 г. в СССР из отходов была
произведена каждая третья тонна стали, четвертая – бумаги и картона, пятая – цветных
металлов и серной кислоты.
Большая же часть отходов вывозится на свалки, которые является потенциальными
источниками поступления металлов в поверхностные и подземные воды, в почву.
Часть отходов размещается в отвалах и внутризаводских свалках, т.е. остаются в черте
городов.
А вот такой пример «утилизации» отходов. Коммунально-бытовые отходы часто
отличаются высоким содержанием тяжелых металлов. Это и твердые отходы, и осадки
городских очистных сооружений. Значительная часть их перерабатывается в компост
(«достижение»!), используемый в качестве удобрения, что приводит к загрязнению
почвы и продукции сельского хозяйства. И это называется утилизацией! Или другой
пример «утилизации» осадков очистных сооружении: засыпка ими оврагов, понижений
в поймах рек (часто в пределах городов), откуда они легко загрязняют почву и воду.
Следовательно, промышленные стоки и выбросы определяют современное качество
вод, атмосферы и почв в урбанизированных зонах и их обрамлении. Твердые отходы
образуют фиксированные скопления химических элементов – источники загрязнения
почв и вод. В высокоразвитых странах на одного человека в год приходится до 3–5 т
промышленных и около 0,3–0,4 т бытовых отходов, и с каждым годом эти цифры
107
возрастают. Виды промышленных отходов весьма разнообразны. Это определяется
характером производства:
•
черная и цветная металлургия (шлаки);
•
машиностроение
и
металлообработка
(различные
шлаки,
пыль,
гальванические осадки);
•
химическая промышленность (шламы, отходы резины, фенопласта и др.);
•
легкая промышленность (кожевенные и лакокрасочные отходы);
•
полиграфическое производство (бумажная пыль, осадки цехов цинкографии
и гальванического);
•
энергетика (золы и шлаки электростанций) и др.;
•
зола ископаемых углей обогащена, по сравнению с породами литосферы, B,
Mo, As, Yp, Pb, Be, Zn, Sn, W и др. элементами. В отвалах и отстойниках ТЭЦ
находятся уже порядка 5 млрд. т шлака и золы. Утилизация золошлаковых
отходов в СССР составляла около 10 %, в США – около 20 %, в
Финляндии – 84 %.
Коммунально-бытовые отходы (городской мусор, осадки городских очистных
сооружений и очистных сооружений поверхностного стока) сопоставимы по объему
с промышленными отходами. Около 98 % твердых бытовых отходов (ТБО) в нашей
стране вывозится на свалки. По расчетам ученых, с мусором городов с миллионным
населением на свалки ежегодно поступает 200–250 т Zn и Ca, 70–80 т Pb и Sn, 0,5–1 т
Ag и Cd, 0,02 т Hg. Вы уже поняли, что свалки далеко не конечный пункт тяжелых
металлов, из них металлы попадают в почвы и воды городов и их окружения.
Пылегазовые выбросы промышленных предприятий, энергетических установок и
транспорта – основные источники поступления в атмосферу населенных пунктов
загрязняющих веществ: оксидов азота, серы, углерода, углеводородов, пыли. Кроме
того, в атмосферу городов поступают более 500 других вредных веществ.
Пыль также содержит повышенные количества многих тяжелых металлов. В
зависимости
от
рода
производства,
коэффициенты
концентрации
элементов
колеблются очень широко: S – от 25 до 5000, W – от 10 до 10000, Cu – от 3 до 37, P –
от 3 до 385 и т.п. В то же время пыль каждого производства отличается как по набору и
содержанию металлов, так и по характеру отходов. Энергетические установки, кроме
пыли,
дают
много
оксидов
азота,
серы,
углерода.
При
сжигании
ТБО
на мусоросжигающих заводах концентрации металлов в летучей золе в сотни раз выше
кларковых. Прочая часть их находится в подвижной форме и легко может вымываться
из золы.
108
Например, в США в 1980 г. на долю транспорта приходилось более 55 % общей
массы веществ, загрязняющих воздушный бассейн, т.е. больше, чем от всех других
видов человеческой деятельности. В таких городах, как Нью-Йорк, Лос-Анджелес,
Токио, Тегеран, вклад выхлопных газов автомашин в загрязнение воздуха достигает
90 %. Полицейские ходят по улицам в противогазах.
В нашей стране автотранспорт «дает» около 25 % всех загрязняющих атмосферу
веществ и около 50 % – СО2. Вообще, в автомобильных выхлопных газах имеется
около 200 веществ. При сжигании 1 л бензина в воздух попадает 200–400 мг Pb, а в год
от одного автомобиля – около 1 кг. Автомобилей сейчас в мире около 500 млн.
Загрязняет атмосферу и пыль, которая поднимается с проезжих частей дорог при
движении транспорта. Эта пыль обогащена не только Pb, но, за счет истирания шин, Zn
и Cd.
Стоки. С ними (как коммунально-бытовыми, так и промышленными) в ОС
поступает
большое
количество
тяжелых
металлов.
Стоки
поступают
или
непосредственно в водостоки (условно чистые промстоки), или после различного вида
очистки на городских очистных сооружениях. Особенно высокое содержание тяжелых
металлов имеется в стоках производств, где есть гальванические цеха. Поэтому
промышленные стоки – основной источник поступления в канализационную систему
Zn, Cu, Cd, Pb, Cr и др. Другой источник − поверхностный сток с урбанизированных
территорий (смыв части почвы, твердофазовых выпадений из атмосферы, размыв
свалок). И даже после отстойников значительная часть металлов (в десятки раз выше
фона) остается в воде.
Тяжелые металлы попадают в водотоки и со снегом, сбрасываемым при уборке
города и промплощадок. В снег металлы попадают из атмосферы, а хлориды – с солью
на тротуарах и дорогах. В такой воде крупных городов Cl больше, чем в водах района в
150 раз.
Для оценки эколого-геохимического значения того или иного источника
загрязнения необходим более точный учет массы химических элементов, поставляемой
ими в ОС. Техногенное поступление химических элементов в водотоки крупных
урбанизированных
зон
превышает
природное
(фоновое).
Среди
техногенных
источников вклад в загрязнение водотоков увеличивается в ряде: промышленный сток
условно чистых вод→канализационный сток после очистных сооружений→ливневый
поверхностный сток. Последний источник формируется за счет смыва почвы, пыли
с асфальтированных поверхностей, эрозии зданий и сооружений, размыва небрежно
хранящихся свалок и других материалов.
109
Если сравнить по количеству поступления ХЭ основные группы источников
загрязнения (выбросы – стоки – твердые отходы), то окажется, что главным
поставщиком ХЭ в ОС урбанизированных зон являются твердые отходы (в стоках
на порядок выше, чем в выбросах, а в твердых отходах – на 2 порядка). Каждая из этих
трех групп загрязнителей отличается и набором ХЭ.
По интенсивности относительной нагрузки на ОС на первом месте выбросы (в 10–
100 раз выше фоновой), твердые отходы – несколько меньше, стоки – меньше в 10 раз.
Для сравнения опасности загрязнения атмосферы, выбросами водотоков и
водоемов – стоками, почвы и грунтов – размещенными в них твердыми отходами,
следует учитывать не только абсолютное количество и относительную концентрацию,
но и их усвояемость живыми организмами, возможность попадания в системы
жизнеобеспечения (пищу, воздух, питьевую воду). А это, как вы уже знаете, зависит
от особенностей миграции химических элементов в техногенных ландшафтногеохимических системах.
Для общих оценок рекомендуется иметь в виду следующие обстоятельства.
1. Загрязнение (исключая СО2) в воздухе не накапливается, тогда как в водах и
почве оно может депонироваться на длительное время.
2. Воду можно очищать перед использованием или подобрать другой источник
водоснабжения, тогда как для воздуха и почвы это маловероятно.
3. Загрязнение выбросами и стоками является рассеянным, тогда как твердые
отходы – строго локализованы.
4. Почва является многолетним (десятки-сотни лет) депонентом загрязнений.
Следует также различать прямое и отдаленное экологическое воздействие. Прямое
проявляется как ухудшение качества жизни, начиная с текущего поколения.
Отдаленное – как ухудшение качества жизни в перспективе.
С учетом всего сказанного, ясно, что выбросы в атмосферу в урбанизированных
зонах является ныне наиболее опасным интенсивным источником загрязнения с
прямым экологическим воздействием.
Стоки в водоемы и водотоки в равной мере обладают признаками прямого и
отдаленного воздействия.
Твердые отходы – преимущественно загрязнитель с отдаленным воздействием.
Отсюда вывод: вложение средств и общая политика общества в деле охраны ОС от
загрязнения должны базироваться на относительной значимости отдельных категорий
источников вредных нагрузок.
110
Аэрогенные ореолы рассеяния
Структура функционального использования городской территории определяется
пространственными соотношениями между источниками выбросов (промзоны, шоссе)
и страдающими объектами (селитебные и рекреационные зоны). Аэрогенные ореолы
рассеяния
обусловлены
распространением
в атмосфере
промышленных,
энергетических и транспортных выбросов, т.е. особенностями атмохимических
миграционных потоков. То, как распределяются эти потоки, степень их опасности для
объектов окружающей среды и населения, зависит от типов городов и их
функциональной структуры. Обычно выделяют три укрупненные группы городов.
1.
Города-центры,
столичного
или
областного
типа
с многоотраслевой
промышленностью и различными по составу и мощности источниками выбросов в
атмосферу.
2. Специализированные города, возникающие обычно совместно с крупными
предприятиями
или
блоками
однородных
предприятий
(металлургические,
химические, горно-обогатительные комбинаты, энергетические центры), которые
являются наиболее мощными источниками выбросов в атмосферу.
3. Города-спальни, в том числе спутники или отдаленные микрорайоны крупных
городов, малые города с местной промышленностью, где источники выбросов в
атмосферу связаны с энергетическими или транспортными объектами.
Атмохимические аномалии
Техногенные геохимические преобразования атмосферы и загрязнение воздуха в
городах –
один
из
наиболее
актуальных
вопросов
для
этих
территорий.
Приоритетными поллютантами являются: пыль, оксиды N, S, C. В большинстве
промышленных городов по всем этим ингредиентам наблюдаются обширные
атмохимические аномалии. По средним данным, в промышленных зонах городов
концентрация оксидов S и N выше фоновой в 5–8 раз, а пыли – в 15–20 раз. В
селитебных зонах – значительно меньше, но все же достаточно высокая: в 3–10 раз
выше, чем в пригородных территориях. В последние годы эти цифры сильно возросли.
Структура
таких
аномалий
резко
контрастна:
в
ряду
«воздух
условного
антарктического эталона (As – 0,003 мкг/м3, F – 0,06 мкг/м3) – пригородные территории
(соответственно
0,005
и
1,5) –
города
типа
«центр»
(0,1
и
24) –
города
специализированные металлургические (соответственно 60 и 1300)».
При изучении состояния ОС городов большое значение имеет выявление
пространственной структуры загрязнения воздушного бассейна. Оценка качества
111
атмосферного воздуха в городах дается на основании сведений, поступающих со
стационарных
постов
общегосударственной
службы
наблюдения
и
контроля
атмосферного воздуха. Результаты наблюдений на стационарных постах (один пост на
5–20 км2) позволяют получать осредненную характеристику степени загрязнения
воздуха, проследить в течение ряда лет тенденцию изменения уровня загрязнения
на площади.
На структуре аномалий сказывается и элементы ландшафта. В пониженных
участках, в центральных частях городов с плотной застройкой концентрация
загрязняющих веществ выше.
Различают ядро атмохимической аномалии (на расстоянии 0,5–1,5 км от крупных
предприятий) и периферическую ее часть, где содержание ХЭ выше фоновых значения
в несколько раз, но не превышает гигиенических нормативов. А если источников
загрязнения много, а распределены они «вразброс», трудно оценить контингенты
населения (районы), которые подвергаются наибольшему воздействию загрязненного
воздуха.
Более детальную картину можно получить, если в качестве индикатора загрязнения
воздуха использовать снежный покров, опробование которого производят по сетке 1 х
1 км. Так можно получить данные о выпадении пыли (среднесуточном или за сезон), а
также выявить зоны влияния отдельных источников загрязнения.
Техногенные ореолы и потоки рассеяния
Форма, размеры и картина распространения техногенных ореолов и потоков в
условиях города наиболее четко устанавливается по изменению химического состава
тех природных сред, которые надолго депонируют загрязняющие вещества. Как вы
догадываетесь, прежде всего это касается почв – наиболее устойчивого компонента
ландшафта. В почвы загрязнители попадают за счет выпадения из атмосферы. Вы
помните, что такие данные можно получить и при изучении снежного покрова.
Конечно, легче получить представление о структуре ореола рассеяния от одного
крупного источника загрязнения, когда образуется концентрически-зональный ореол
с ядром и периодической частью. Ореолы обычно полиэлементны. Лучше делать
структуру ореола по отдельным элементам. Обычные предприятия делают выбросы
на небольшой высоте, а ТЭЦ –, напротив, на высоте в 100–200 м и более. Это скажется
и на размерах, и на структуре ореолов. Автотранспорт – причина формирования
линейных придорожных скоплений свинца и других элементов, тогда как газовые
выбросы предприятия делают свой взнос (через атмосферу) в площадные аномалии.
112
Если же источники загрязнения разбросаны по территории города, их совокупное
воздействие может быть выявлено при геохимическом картировании. И оно
оказывается экологически более неблагоприятным, чем в случае одного источника или
при разделении функциональных зон города.
Некоторые выводы из имеющихся данных. Самая опасная экологическая
обстановка характерна для городов с преобладанием металлургических производств.
Для них почти вся территория может находиться в опасной зоне загрязнения (в ядре
аномалии). В городах с машиностроительными предприятиями, мало загрязняющими
среду, структура загрязнения складывается более удовлетворительно: опасных и
чрезвычайно опасных ситуаций почти не бывает.
Идеальные (если это вообще возможно в наши дни) условия для человека
наблюдаются в малых городах с ограниченным развитием промышленности местного
значения или в удаленных частях городов, городах-спальнях.
Водные системы городов также испытывают антропогенное влияние, что
проявляется и в изменении химического их состава, и в преобразовании морфологии
русел, берегов и поймы (за счет проведения мелиорации, засыпки отдельных участков
водостоков, создании каналов и других гидротехнических сооружений). Покрытие
больших площадей водонепроницаемыми материалами (асфальт, крыши домов)
приводит к более быстрому попаданию поверхностных вод в местные бассейны стока,
что, в свою очередь, усиливает эрозию и повышает количество твердого стока. Все это
и формирует структуру, формы и размеры водных потоков рассеяния в городах и их
окружении, нарушает физико-химические и биологические параметры природных
водных систем. Эта трансформация происходит на общем фоне заметного возрастания
минерализации воды. Пресные воды становятся солоноватыми, может измениться pH и
Eh воды, что скажется на живых организмах. Сейчас обращают внимание
на термофикацию
(тепловое
загрязнение)
вод,
что
приводит
к повышению
токсического воздействия некоторых металлов: они активнее включаются в пищевую
цепь.
Загрязненные воды несут в себе различные синтетические вещества: фенолы,
нефтепродукты, поверхностно-активные вещества. Они оказывают влияние на
миграцию химических элементов, препятствуют или способствуют сорбции металлов
коллоидами.
Донные
отложения
водотоков
также
ощущают
на себе
«удар»
техногенного загрязнения. Это техногенные, или обогащенные органическим
веществом и тяжелыми металлами, отложения, коэффициенты, концентрации которых
достигают десятков и сотен. В них, как и в почвах, фиксируется результат длительного
113
техногенного воздействия. По ним можно судить об эффективности действия
очистных сооружений. Не случайно В.И. Вернадский донные отложения называл
«подводной почвой». Часть токсичных элементов из них может поступать и в воду,
причем и после того, как прекратили сброс сточных вод. Поэтому вывод химических
элементов из водной фазы в осадке − только временное «самоочищение» водной
массы, но не водного объекта как экологической системы. Проблемы загрязнения
донных осадков как источника вторичного загрязнения вод имеют особое значение для
пресных водоемов (озер и водохранилищ), где они длительное время определяют
качество воды. Вспомните Чернобыль! Какую роль играли и играют по сей день
водохранилища на Днепре и других реках. Особое внимание надо уделять формам
нахождения химических элементов в иле. К сожалению, это подвижные формы
(сорбированные коллоидами и т.п.).
Задача изучения пространственной структуры потоков рассеяния сводится к
следующим действиям:
•
установить характер их территориальной связи с источниками загрязнения
вод;
•
определить размеры воздействия различных источников;
•
оценить пространственное соотношение распределения концентрации
различных
химических
элементов,
обусловленное
различиями
в
элементов
с
интенсивности их миграции;
•
исследовать
связи
распределения
химических
геоморфологическими особенностями водотоков;
•
выявить типы геохимических барьеров и, следовательно, наиболее
вероятные участки опасного влияния на живые организмы.
Общая оценка последствий загрязнения водных систем
Техногенное воздействие, связанное с городами, привело к резкому и быстрому
изменению геохимического состояния водных систем во многих районах мира. К
этому ведет постоянно растущее водопотребление в урболандшафтах и количество
сбросов сточных вод. Средние реки, небольшие в индустриальных районах, состоят на
30–40 % (иногда на 90 %) из сточных вод. Так, в США к категории наиболее
загрязненных относят 72 % всех водных объектов страны, в Нидерландах – 95 %, в
Австралии – 27 %. Однако экономические и эколого-гигиенические последствия
загрязнения водных систем в урболандшафтах выявлены и изучены слабо.
В то же время загрязнение водных систем в городах приведет к невозможности
114
использования их ресурсов в самых различных целях (питьевого, промышленного и
сельскохозяйственного
водоснабжения,
рекреации),
увеличивает
вероятность
воздействия токсичных элементов на живые организмы и человека, вызывая в них
отрицательные биохимические реакции, а в отдельных случаях – даже гибель.
Биохимическая и геогигиеническая оценка техногенных аномалий
Окружающая среда городов – это искусственно созданная среда обитания человека.
Химический состав атмосферного воздуха, вод, уровень шума, электромагнитных
полей и другие факторы в городах резко отличаются от природных условий, в которых
раньше существовало человечество. Химические элементы поступают в организм
человека с пищей, водой и воздухом. Основное значение приобретает ингаляционный
путь, ибо качество питьевой воды все же имеет более стабильный фактор, чем состав
атмосферного воздуха. Пищевые продукты не так уязвимы, их привозят в города из
других районов. Конечно, не нужно упускать из виду случаи, когда водозасоры или
сельскохозяйственные предприятия расположены в зоне воздействия источников
загрязнения городов.
Для оценки воздействия на человека геохимической обстановки в городах
необходимо понять и проследить закономерности и пути проникновения химических
элементов из среды в организм человека, т.е. необходимо создание индикационной
биогеохимической модели «техногенная аномалия – организм человека». Это
происходит на основе изучения диагностических биосубстратов (кровь, волосы и др.)
населения в различных городах, где техногенное воздействие неодинаково по своей
интенсивности. Так, можно сформировать эколого-геохимические модели городов, в
рамках которых можно провести геогигиеническое структурирование территорий с
выделением групп заселения повышенного риска.
Геохимическая структура территории города является важным фактором состояния
здоровья населения, но не единственным. Кроме комплекса средовых факторов,
действуют и социальные, и биологические. Ведущим, как мы уже отметили, является
загрязнение атмосферного воздуха, фиксируемое в виде техногенных аномалий в
природных средах и биогеохимических реакций населения.
Методические особенности и практические возможности использования
геохимических методов
Именно геохимическое изучение дает возможность быстро и точно выявить
распространение
химических
элементов
по
цепи
«источник
загрязнения –
геохимическая аномалия в ОС – живые организмы». Еще раз напоминаю, что именно
115
геохимические
данные
позволяют
установить
пространственную
структуру
экологически опасных зон загрязнения, создавая тем самым опорный фактический
материал для всестороннего анализа проблем ОС городов и разработки мероприятий
по оптимизации условий обитания. Здесь уместно вспомнить тему нашего курса –
«Технология геохимических работ». Есть, конечно, специфика, но все этапы
геохимических исследований надо пройти и при изучении городов. Задача − не только
понять, что происходит сегодня, бить тревогу, принимать меры по исправлению
ситуации, но и накапливать сведения для будущего, для строительства новых городов,
развития существующих. Конечно, первостепенная задача − выявить ядра аномалий,
зоны загрязнения в городах, выработать рекомендации по «смягчению удара» их на
население, перепрофилированию предприятий в черте города, по изменению
структуры медицинского обслуживания. Это должно происходить в соответствии со
структурой
загрязнения
и
заболеваемости,
размещения
детских
учреждений,
спортивных баз, режима их работы и т.п.
Следует во всех промышленных городах организовать обезвреживание отходов,
утилизацию их, а до этого хотя бы обеспечить надежное хранение и захоронение.
Создание таких накопителей обойдется куда «дешевле», чем тот вред, который отходы
наносят ОС и обществу.
По уровню загрязнения и их экологической оценке аэрогенные геохимические
аномалии и очаги в городах разделяются на 3 категории:
•
средний, умеренно опасный;
•
высокий опасный;
•
очень высокий, чрезвычайно опасный.
Делается это с учетом не только биохимических данных, но и гигиенических.
Для всех категорий очагов загрязнения рекомендуется проведение сплошной
инвентаризации выбросов предприятий, расположенных на территории очагов,
выявление технологических звеньев и производств, ответственных за выброс ХЭ и
других
загрязняющих
веществ
в
ОС.
На
основе
данных
инвентаризации
разрабатываются мероприятия по снижению или прекращению выбросов.
Рекомендации медико-организационного характера для всех категорий очагов
загрязнения включают систему мероприятий. Не вдаваясь в подробности, приведу их
только для очагов с чрезвычайно опасным уровнем загрязнения, для которых
мероприятия требуют наиболее серьезных и дорогостоящих средств.
1. Вывод или перепрофилирование вредных производств либо ликвидация жилых
массивов, в первую очередь – вывод детских учреждений.
116
2. Санация почв путем снятия верхнего слоя или перекрытия его новым слоем
привозной почвы.
3. Запрет рекреаций.
Имеются и практические рекомендации для гидрогенных аномалий в городах. Это
опять же инвентаризация стоков промпредприятий и выявление технологий,
требующих дополнительных систем более глубокой очистки сточных вод. Для
сильных и наиболее сильно загрязненных водотоков необходимо:
•
вводить временное ограничение всех видов водопользования на участках от
хозяйственных угодий в поймах, орошаемых водами загрязненных рек;
•
выявлять участки для санации почв или изымать участки из использования.
В пределах урбанизированных территорий при появлении аномалий такой
интенсивности необходимо строительство групповых очистных сооружений на
устьевых участках водотоков, локализирующих загрязненный поверхностный сток.
19. Геохимическое изучение сельскохозяйственных территорий
Общая задача исследований геохимии сельскохозяйственных территорий – это
выявление природных и антропогенных закономерностей изменения состава, качества
и количества сельскохозяйственной продукции. Дифференциация геохимической
структуры сельскохозяйственных территорий зависит от трех групп процессов.
1. Агрогенное
геохимическое
преобразование,
связанное
с технологией
сельскохозяйственного производства (удобрения, известкование и т.п.).
2. Техногенное
преобразование,
не
вызванное
потребностями
сельскохозяйственного производства (выпадение из атмосферы, поверхностного
стока).
3. Природная
геохимическая
дифференциация
территорий,
связанная
с
различиями типов и семейств ландшафтов.
Агрогенные геохимические аномалии
Опасность агрогенных геохимических аномалий связана с большими масштабами
проявления их и охватом практически всей сельскохозяйственной продукции.
Попадающие в почву при ее обработке выхлопы техники, износ орудий; внесение
удобрений и других химических веществ – главный вид агрогенного воздействия. Хотя
удобрения увеличивают урожайность наполовину, но это меняет химический состав
почв, повышает концентрацию токсичных и канцерогенных соединений азота,
фосфора и других химических элементов (30 элементов в апатите). И так из года в год!
117
Причем в удобрениях многие химические элементы поступают в виде, доступном для
растений, а растения «привыкли» добывать их из малодоступных форм. Поэтому в
почвах накапливается избыток многих химических элементов, если сравнить с
потребностями растения.
Микроудобрения и ядохимикаты (а это Hg, Zn, Mn, B), к счастью, вносятся в почвы
в небольших объемах, поэтому и значимость их как источника загрязнения небольшая.
Вспомните, я приводил примеры, когда концентрации медьсодержащих препаратов в
виноградниках Молдавии привели к увеличению количества меди в десятки раз, т.е.
к созданию специфических «медных» ландшафтов.
Следует отметить, что частные хозяйства, где применение средств химизации не
регламентируется, с геохимических позиций наиболее опасны. Это касается и нитратов
(арбузы на продажу и т.п.). Помните ситуацию с германием в Донецке!
Агротехногенные геохимические аномалии
В последние годы развивается тенденция к росту использования бытовых и
промышленных отходов в качестве удобрений и мелиорантов. Примеры такой
«утилизации» я уже приводил. Известны попытки применения в сельском хозяйстве
извести и гипсосодержащих отходов (фосфогипса, металлургических шлаков) в
качестве почвоулучшителей. Хотя масштаб применения отходов и не идет пока в
сравнение с использованием стандартных удобрений, но в пригородных зонах их роль
весьма важна. К этому надо добавить, что полив культур в этих районах
осуществляется
загрязненными
сточными
водами,
содержащими
высокие
концентрации тяжелых металлов (в 250–1000 раз больше, чем в природных). Мы уже
говорили, что низкая усвояемость растениями тяжелых металлов делает бытовые и
промышленные отходы источниками вторичного загрязнения почв на долгие годы.
К счастью, промышленные отходы мало еще применяются в сельском хозяйстве, но
опасность возрастает. Нужны специальные исследования отходов, а это многие тысячи
тонн (шлаки и шламы металлургии, золы ТЭЦ, органические отходы и т.п.).
Оценивая экономические итоги агротехногенных геохимических воздействий,
следует отметить, что, несмотря на небольшие абсолютные площади, около крупных
городов возникает своеобразный пояс загрязнения почв, следовательно, и продуктов
питания.
Техногенные
геохимические
преобразования
сельскохозяйственных
территорий
Мы условились к техногенным
преобразованиям
относить
те изменения
118
агроландшафтов,
которые
вызваны
не
спецификой
сельскохозяйственного
производства. Они связаны с загрязнением окружающей среды в результате
промышленного и транспортного воздействий. Поэтому, по составу ассоциаций
элементов, дальности их распространения и формам нахождения аэрогенные аномалии
урбанизированных
и
сельскохозяйственных
территорий
мало
различаются.
Конкретный уровень аномалий токсичных элементов в почвах зависит от мощности
источника и расстояния до него. Так, в почвах городов в 500 м от завода по
переработке вторичных цветных металлов накопление ртути составляет 5900 %, цинка
и меди – более 2000 %. Даже в 3000 м для таких химических элементов, как свинец,
цинк, медь, накопление в почве составляет 50 %.
Вы уже знаете, что загрязнение сельскохозяйственной продукции происходит не
только путем поглощения химических элементов из почвы, но и прямым осаждением
их на поверхность растений.
Еще раз подчеркнем опасность выделения участков под частные огороды и сады.
Влияние природных аномалий на сельскохозяйственные территории изучено
хорошо. Эти линейные аномалии не связаны с городами или промышленными
объектами, но они не должны ускользать от внимания.
Влияние сельского хозяйства на водные системы
Такое влияние связано:
а) с применением различных средств химизации (удобрения, ядохимикаты,
компосты, сточные воды и их осадки), поступающих в водные объекты с
поверхностным, внутрипочвенным и грунтовым стоком;
б) влиянием сточных вод и отходов животноводства, птице- и звероводства;
в) влиянием возвратных (дренажных) вод орошения;
г) покоренной эрозией сельскохозяйственных территорий.
Дело это сравнительно новое. Пока неплохо изучено поступление в водные объекты
биогенных элементов (N, F, K), органических веществ (пестицидов), а также
бактериальное загрязнение сточными водами животноводческих комплексов. Менее
изучено поступление в водные объекты микроэлементов и тяжелых металлов в
результате сельскохозяйственной деятельности. Но мы уже отмечали, что в средствах
химизации и отходах сельского хозяйства содержится широкий комплекс химических
элементов, которые и могут накапливаться в природных водных системах.
К счастью, аномалии, обусловленные сбросом сточных вод, хотя и являются
контрастными, но имеют локальные распространение и действуют вблизи от места
119
сброса.
Итак, в водах сельскохозяйственных регионов формируются агрогенные потоки
рассеяния большого числа химических элементов, в том числе и сильно токсичных.
Наиболее сильное, хотя и локальное воздействие связано с животноводческими
комплексами. С другой стороны, контрастность аномалий в районах земледелия
невелика, но они формируются на больших площадях. При существующих темпах
химизации следует ожидать сильного дальнейшего изменения водных систем
в агроландшафтах.
Это
определяет
необходимость
проведения
специальных
исследований, направленных на изучение поступления, распределения и миграции
химических элементов в водных объектах и оценку экологических последствий,
связанных с их отрицательным воздействием.
Методические
возможности
и
практическое
значение
геохимических
исследований
Из всего сказанного, можно сделать вывод, что в агроландшафтах образуются
экологически опасные геохимические и биогеохимические аномалии. Причина их
формирования − агротехнические, агрохимические, агромелиоративные воздействия,
использование отходов в качестве удобрений, орошение загрязненными речными
водами, а также общее техногенное загрязнение окружающей среды, прежде всего –
выбросами в атмосферу.
Вы также видели, что технология и методика изучения этих аномалий в основном
такая же, как и при изучении урбанизированных территорий. В основе лежат методы
геохимического картирования с выявлением ассоциаций химических элементов и форм
их нахождения в почвах, водах и оценка биогеохимических и биологических реакций
растений на дифференциацию геохимической структуры почвенного покрова.
Также следует дифференцировать агроландшафты по степени агрогенной нагрузки,
которая определяется применением средств химизации (видами, частотой внесения и
дозами,
характером
агротехнической
обработки,
т.е.
периодичностью,
интенсивностью), что в свою очередь определяет уровень и спектр поступающих
химических элементов.
По сравнению с поймами, где особенно строго надо соблюдать водоохранную
технологию и контроль доз удобрений и пестицидов, водоразделы менее подвержены
загрязнению.
Надо изучать содержание микроэлементов во всех удобрениях.
Контроль этих процессов должен осуществляться не на последнем этапе получения
120
готового продукта, фиксирующего уже сложившуюся геохимическую ситуацию
в агроландшафте, а на более ранних этапах, когда эта ситуация только формируется и
ее можно регулировать.
Надо отказаться от использования отходов, загрязненных металлами, в качестве
удобрений. В крайнем случае, можно допустить контролируемое использование
осадков сточных вод в качестве удобрения для культур непищевого профиля
на специально выделенных территориях. Это касается и других отходов (фосфогипс,
например).
Мало пока учитываются загрязнители, связанные с выбросами промышленности и
транспорта. Здесь подход иной: надо учитывать такие территории и давать
гигиеническую оценку выращенных здесь продуктов. Особенно это касается частных
садов и огородов, которые находятся вблизи источников загрязнения.
20. Геохимическое изучение горнопромышленных территорий
Совершенно очевидно, что горнорудная промышленность является одним из
наиболее мощных факторов преобразования ОС. При этом механически повреждаются
и изымаются огромные массивы пород, руды, которые подлежат дальнейшей
переработке.
Причем
современная
технология
позволяет
использовать
лишь
небольшую часть извлекаемой массы пород (всего несколько процентов). Все
остальное накапливается в виде отходов, рассеиваемых природными миграционными
процессами и являющихся источниками загрязнения ОС.
Наибольшая опасность загрязнения токсическими элементами грозит территориям,
где производится добыча рудно-минерального сырья, угля, нефти и нефти-газа,
горнохимического сырья. Экологические проблемы в горнорудных районах носят
комплексный характер, так как в техногенные миграционные потоки вовлекаются все
основные цепи распространения загрязняющих веществ: по воздуху, воде. При
открытых выработках особое значение приобретает воздушный перенос (дробление,
обогащение, хранение отходов).
А вот в случае природных геохимических аномалий экологические проблемы
возникают в горнорудных районах только при сельскохозяйственном, селитебном или
водохозяйственном использовании этих территорий.
Опыт геохимического изучения состояния ОС на ряде месторождений показывает,
что наиболее интенсивное загрязнение связано со следующими миграционными
цепями.
1. Пылевые выбросы при открытых горных разработках, что приводит к
121
образованию контрастных и значительных по площади аномалий в почвах.
2. Дефляция и размывание хвостохранилищ обогатительных фабрик. Это вызывает
образование потоков рассеяния (интенсивных − в водных системах, сравнительно
локальных – в почвах).
3. Стоки водоотлива из подземных горных разработок и протяженные водные
потоки рассеивания в водных системах.
4. Стоки обогатительных фабрик после очистных сооружений, загрязняющие
водные системы.
5. Рассеяние рудного материала при транспортировке, загрязняющее почву.
6. Организованные и неорганизованные выбросы в атмосферу при процессах
обогащения.
7. Природные геохимические аномалии – вторичные лито- и гидрохимические
ореолы и потоки рассеяния.
Рудные месторождения как источник загрязнения
Надо иметь в виду, что размеры первичных ореолов и количество заключенных в
них запасов ХЭ обычно превышает запасы самих руд. Однако при добыче руд масса
горных пород из первичных ореолов попадает в отвалы так называемых пустых пород.
А на поверку они являются очагами вторичного загрязнения ОС. Поэтому надо
позаботится об их безопасном размещении, экранировании и рекультивации. Другими
словами, без учета этого источника загрязнения нельзя прогнозировать степень
загрязнения ОС в ходе разработки месторождений.
Необходимо знать, что содержание многих ХЭ в старых отвалах намного выше, чем
в современных. Раньше в отвалы уходили породы с более высокими концентрациями.
Примером
могут
быть
Хибины,
где
сейчас
добывают
апатитовые
руды
с концентрациями ниже, чем 20–30 лет назад выбрасывали «пустые» породы.
Техногенное воздействие на месторождения приводит к резкому (до 10 раз)
увеличению мощности зоны гипергенеза. В свою очередь, в отвалах и нарушенных
зонах
рудных
тел
резко
возрастает
интенсивность
гипергенных
процессов
(выщелачивание, дренаж), а следовательно, увеличивается загрязнение ОС.
Знание и учет этих обстоятельств позволяет прогнозировать ситуацию до начала
эксплуатации месторождения и принять соответствующие предупредительные меры.
Природные и техногенные аномалии в горнорудных районах
Выбросы в атмосферу. Технологические процессы приводят к образованию массы
122
пыли. Это буровзрывные работы в карьерах, дробление руд при обогащении, дефляция
отвалов, отходов обогащения и добычи, погрузка и транспортировка. Даже на среднем
ГОКе это сотни тысяч тонн пыли в год, что сопоставимо с выбросами крупных
промышленных комбинатов. Так, при массовом взрыве в карьере в воздух на высоту
150–250 м поднимается одновременно 150–200 т пыли, которая воздушными потоками
разносится на километры. Отсюда – значительные площади техногенных аномалий.
Геохимическое
картирование
почв
и
снегового
покрова
позволяют
четко
зафиксировать зону влияния источников выброса, а также состав и соотношение
наиболее опасных компонентов. Такие аэрогенные аномалии (как и в городах) имеют
четкую
концентрическую
структуру
с
ядрами
и
периферическими
частями.
Морфология их тоже не сложная и зависит от рельефа, «розы ветров».
Воздействие обогатительных фабрик тоже весьма интенсивно, а поселки обычно
располагаются рядом. При проектировании и строительстве горно-обогатительных
комбинатов, к сожалению, не учитываются особенности техногенной миграции
загрязняющих веществ (потоки, сельскохозяйственные угодия, водные объекты). Это
недопустимо при новом проектировании.
Загрязнение поверхностных
водных систем стоками. Основной источник
поступления техногенных веществ в водотоки – различные сливы (с рудников,
обогатительных
фабрик,
с
хвостохранилищ,
отвалов),
поверхностный
сток
с территории горных отводов. Вы помните, что техногенное усиление процессов
выветривания на разрабатывающихся месторождениях играет большую роль в
поставке «избыточных» ХЭ в водные системы. Содержание твердых взвесей в стоках
может на 2–3 порядка превышать мутность природных водотоков.
Особую опасность представляют кислые рудничные воды, в которых многие
металлы находятся в подвижных формах и в весьма высоких концентрациях, которые
значительно выше всяких ПДК.
А если в пределах горнорудных ландшафтов располагаются и металлургические
предприятия, то ясно, что техногенные аномалии становятся еще более контрастными,
комплексными и протяженными. Необходимо отметить, что даже после прекращения
эксплуатации месторождений ОС долго еще будет загрязняться из отвалов,
терриконов, загрязненных донных отложений водотоков и водоемов.
И для этих аномалий характерна комплексность состава, хотя органические
вещества играют, по сравнению с урболандшафтами, незначительную роль.
Вы помните, что даже в природных аномалиях вокруг рудных месторождений
(вторичные ореолы рассеяния) экологическая опасность достаточно высокая. Можно
123
легко представить, что произойдет, если на такие аномалии будут накладываться более
контрастные, более интенсивные и более протяженные техногенные аномалии. Они
возникают и вокруг разрабатываемых месторождений, и вокруг обогатительных или
перерабатывающих фабрик, и вдоль транспортных путей. Вспомните эндемическую
уровскую болезнь (болезнь Кашина-Бека). Причина ее – фосфорно-марганцевая
интоксикация. Поэтому, при оценке ущерба здоровью в районах горнорудных
предприятий,
необходимо
учитывать
не
только
содержание
«классических»
поллютантов, тяжелых металлов, но и концентрацию в ОС фосфора, марганца и
многих других ХЭ.
Природоохранные разработки и мероприятия
1. Полное и комплексное геологическое изучение недр.
2. Предупреждение необоснованной и самовольной застройки площадей залегания
полезных ископаемых.
3. Предотвращение вредного влияния работ по добыче полезных ископаемых.
Исходя из этих задач, формируется и методологическая основа природоохранных
работ в горнорудных районах. Это три основные положения.
1. В горнорудных районах интересы горного дела на период существования ГОКа
имеют приоритет перед другими видами деятельности.
2. Горно-обогатительная деятельность имеет временный характер и должна
осуществляться таким образом, чтобы оставить возможность последующего
эффективного использования территории для других народнохозяйственных
целей (помните, я рассказывал о рекультивационных работах профессора
Скавины на песчаных карьерах Верхней Силезии в Польше), т.е. не «после нас
хоть потоп», не «лунный пейзаж».
3. В
ходе
горно-обогатительной
деятельности
необходимо
соблюдать
количественные критерии допустимых нарушений с тем, чтобы они не
оказывали вредного воздействия на общую экологию района. (Я бы даже сказал:
не приводили к необратимым изменениям в районе.)
По параграфу 2 можно дать иллюстрации в виде слайдов, которые я снял в
Иллинойском угольном бассейне США в 1979 г. (во время экскурсии в ходе IX
Международного конгресса по стратиграфии и геологии карбона). И этот параграф
необходимо завершить тезисом: после горно-обогатительных работ надо проводить
рекультивацию
территории.
Кстати,
это
обязательное
требование
прежних
постановлений правительства. К сожалению, это касалось только различных видов
124
механических нарушений. Рекомендовалось использование нарушенных земель в
сельскохозяйственном, рыбном или лесном хозяйстве. Загрязнение среды при этом не
учитывалось. Поэтому геохимические данные по таким территориям могут серьезно
скорректировать потребность, характер рекультивации и выбор экологически
безопасных типов использования земель на рекультивируемых территориях. Отвалы
пород, обогащенных токсическими элементами, можно рекомендовать только для
использования под естественные насаждения.
Таким образом, для выбора характера рекультивации необходимо геохимическое
изучение всех нарушенных типов и «продуктов» территории.
В заключение необходимо отметить, что у нас изданы «Временные методические
рекомендации по геолого-экологическим работам в пределах горнопромышленных
районов Украины» (Донецк, 1992). Здесь вы найдете весьма ценные и современные
сведения о воздействии горного производства на ландшафт, на недра, на водный и
воздушный бассейн, а также подробные рекомендации по методике геохимических
исследований и видам работ в горнопромышленных районах.
21. Научно-техническая революция и будущее природы
Возможность получения пользы заложена
в
природе
самого
«опасность» –
научного
исключительно
безответственных
знания,
а
результат
антигуманных
человеческих действий.
(Академик Баев, 1982)
Если обратиться к «Введению» настоящего курса, то можно вспомнить, что в конце
его
обращалось
внимание
на необходимость
преодоления
противопоставления
природы и человека, сложившегося к недавнему времени, укрепления связи между
науками о природе и человеке, создания единой науки.
Краткий экскурс в историю развития естественных наук и «человековедения»
позволяет нам понять остроту такой необходимости в наше время.
По имеющимся данным (Тарапов, 1994), в мире сейчас насчитывается более 5 млн.
научных работников, причем 94 % из них – в развитых странах и только 6 % – в
развивающихся. Таким образом, занятие наукой стало профессией. Более того, именно
в наше время живет 90 % всех ученых и изобретателей, которых знает человечество.
Именно в процессе эволюции человек, обретя способность к мышлению, стал
125
приспосабливать природу к условиям своего существования, а не приспосабливаться к
ней, как весь остальной животный мир.
В развитии научного познания мира выделяют три исторических периода. Первый
охватывает античность, Средневековье и Возрождение, когда наука стремилась
расширить мировоззрение человека, ориентировалась на человека, пыталась выяснить
его место в мире. Поэтому в тот период наука получила название «натурфилософия».
Человек не противопоставлялся природе, а, наоборот, соединялся с нею в единое
целое. Более того, признавался примат духовных ценностей над материальными. И в
дальнейшем философия рассматривалась как царица наук. Главные факультеты,
возникшие в позднем Средневековье университетах, – философские. Однако уже в
Средние Века церковь превратила науку в свою служанку, так что умозрительные
теоретические изыскания превращались в схоластику. В то же время крестовые
походы, развитие городов, торговли, мореплавания повышали спрос на практическое
знание. В конце периода, в эпоху Возрождения, обнаружилось, что наука может сильно
повлиять на сферу материального производства.
Во второй период наука из служанки церкви и мировоззренческих проблем
общества превратилась в служанку материального производства. В центре ее стоит уже
не человек и его взаимосвязь с природой, а развитие и обновление технической базы
материального
производства.
Это
индустриальный
период
развития
науки.
Философские и гуманитарные науки теряют свой престиж. Практическая значимость
науки ярко охарактеризована Ф. Бэконом на рубеже XVI и ХVII в.в. «Человек сможет
лишь настолько, насколько он знает. Хромой калека, идущий по верной дороге, может
обогнать рысака, если тот бежит по неправильному пути. Даже более того, чем
быстрее бежит рысак, раз сбившись с пути, тем дальше за собой оставит его калека».
Можно привести и другие высказывания (более ранние и более поздние).
И. Ньютон говорил: «Физика, бойся метафизики!». Великий М. Ломоносов сказал:
«Один эксперимент я ставлю выше тысячи мнений, если рождены они лишь одним
воображением». Но он не был бы великим, если бы тогда, в середине XVIII ст., не
писал и другое: «Людей, которые бедственными трудами или паче исполненные
смелостию тайны естественные испытать тщатся, не подлежит почесть предерзкими,
но мужественными и великодушными». И даже в наши дни Э. Резерфорд полушутя
полусерьезно говорил, что «все науки можно разделить на две группы: физику и
коллекционирование марок».
Однако роковой недостаток науки индустриального периода человечество очень
скоро ощутило в полной мере. Пришли жестокие войны, фашизм, бездуховная
126
полукультура, оружие массового уничтожения и даже реальная угроза существованию
человечества из-за уничтожения благоприятной для жизни окружающей среды. Разрыв
природоведения и человековедения достиг своего апогея. Вспомним слова М. Ганди,
которые он произнес, узнав о трагедии Хиросимы: «Японцы были уничтожены
физически. Теперь увидим, будут ли американцы уничтожены духовно».
Но этого, как мы знаем, не случилось. Политика взяла верх над моралью.
Поэтому
третий,
современный,
период
развития
науки
характеризуется
объединением целей двух предыдущих периодов: совершенствование самого человека,
его духовной сущности и умножение материального богатства общества. Наука стала
приобретать черты единой науки о человеке, обо всех сторонах его деятельности, всех
свойствах и возможностях среды его обитания, в которую органически входит и он
сам.
Важно подчеркнуть, что уже в середине XIX в. дальновидные ученые предвидели
современный этап развития науки.
А.И. Герцен («Письма об изучении природы»): «Философия без естествознания так
же невозможна, как естествознание без философии. Наука одна: двух наук нет, как нет
двух вселенных».
К. Маркс также считал, что естествознание «впоследствии включит в себя науку о
человеке в такой же мере, в какой наука о человеке включит в себя естествознание: это
будет одна наука».
Вместо «боязни метафизики» современные ученые стали мечтать о точных науках,
которые дали бы целостное представление о мире самого человека, и о мире, в котором
он существует. М. Борн в 1970 г. прямо писал: «Любой современный ученыйестественник, особенно физик-теоретик, глубоко убежден, что его работа тесным
образом переплетается с философией и что без серьезного знания философской
литературы это будет работа впустую».
Вклад В.И. Вернадского в современный этап развития науки трудно переоценить.
Именно он утверждал, что между пониманием окружающего нас мира, нашим
мироощущением и научной картиной космоса, как она строится со времен Ньютона,
существует глубокое противоречие. До ХVI в. Вселенная мыслилась конечной, в
центре ее покоилась наша планета. Вместе с ней человек занимал центральное
положение. Дж. Бруно, Коперник, Кеплер, Галилей разрушили эту тысячелетнюю
традицию, провозгласили бесконечность вселенной и разорвали установившиеся
отношения между космосом и человеком. Последний, вместе с Землей, снизошел
до роли ничтожной подробности, случайности в космосе, затерявшейся в его
127
бесконечности. И. Ньютон окончательно оформил научную картину космоса, не
оставив в ней места ни одному из проявлений жизни («Физика, бойся метафизики»).
Эти представления о безжизненности, механичности мироздания в течение
последующих веков укреплялись успехами точных наук, главным образом звездной
астрономии. Все авторитетнее наука утверждала бренность, ничтожность, случайность
жизни. По сравнению с первым периодом, маятник пошел в обратную сторону.
В.И. Вернадский отмечал: «В течение ряда столетий человек, не мирящийся с тем,
что и он сам, и все живое, вся мысль и разум, все для него самое высокое ни в каких
формах не отражается в научной картине космоса, мог вносить поправку в даваемое
наукой построение космоса только из других областей духовной жизни – из
философии, религии и отчасти из художественного творчества...».
«Оставаясь на почве научного мировоззрения, он должен был мириться с чуждой
жизни картиной космоса и считать ошибкой и иллюзией то значение, которое он
неизменно придавал разуму, сознанию и всему живому».
В.И. Вернадский считал, что человечество сейчас стоит на повороте: «Ученые попрежнему считают, что разрешение важного противоречия между общественным
сознанием и научной концепцией мироздания должно быть достигнуто силами точного
знания, что для этого требуются коренные, принципиальные сдвиги в этой области».
Эта революция происходит на наших глазах в последние десятилетия.
Таким образом, объединение двух целей первого и второго периодов развития
науки не означает, что науки античного и индустриального периодов будут
объединены механически. Нет. На новом историческом витке они обрели и новые
качества. Так, в современной науке усилилось ее, так сказать, научное начало, она
стала больше экспериментальной, в противоположность умозрительной науке
античного периода. С другой стороны, современная наука, поднимаясь до высот
теоретического синтеза, вступает в область «чистого», абстрактного мышления.
Более того, наука из служанки производства превращается в хозяйку производства,
став его производительной основной силой. В свою очередь, наука стала
ориентироваться на человека, ибо в триаде «техника–наука–человек» решающим
звеном стал человек и его интеллект. Человек даже как объект приложения научных
знаний оказывается более перспективным.
Американский экономист
Дж. Гэлбрэйт пишет, что «доллар, затраченный на
повышение интеллектуального уровня людей, как правило, увеличивает национальный
доход больше, чем доллар, затраченный на дороги, плотины и т.п.».
Это созвучно с высказыванием экс-президента США Р. Рейгана: «Америка дает
128
деньги университетам не потому, что она богата, она богата потому, что дает деньги
университетам».
«Для всех, кроме нас, это очевидно» (Тарапов, 1994 г.).
Таким образом, наука в настоящее время становится не только производительной,
но и великой духовной, нравственной силой, источником всех производительных сил
общества.
Геохимическое преобразование природы человеком, постоянно совершающееся в
ходе НТР, привело к появлению центральной проблемы современной экологической
ситуации – проблемы загрязнения ОС. В реализации этой проблемы мы сталкиваемся с
рядом опасных явлений и представлений.
В.Ф. Барабанов (1979) среди них называет следующие.
1. Незнание, непонимание или игнорирование законов экологии (М. Одум!).
2. Ошибочное представление о неисчерпаемости природных ресурсов.
3. Непонимание и вытекающая отсюда недооценка сложившихся в природе
взаимосвязей и возможных последствий нарушения существования равновесия.
4. Переоценка самоочищающих способностей природы.
5. Все еще имеющая место безответственность должностных лиц и исполнителей,
участвующих в эксплуатации природных ресурсов.
6. Низкий уровень культуры большей части населения.
Эти и другие явления и представления весьма живучи, и борьба с ними не может
свестись к проведению эпизодических, хотя бы и громких кампаний. Необходима
упорная, квалифицированная, длительная и бескомпромиссная борьба всех, кому
дорога природа, ее настоящее и будущее. Особо опасен обывательский подход с
традиционным и очень печальным обобщением: «На наш век хватит», «После нас хоть
потоп».
Поэтому взять у грядущих поколений взаймы недровые богатства, землю, воду,
воздух, леса сейчас, когда в будущем нашим внукам и правнукам они будут еще более
необходимы, значит поступить так, как человек разумный поступать не может.
Мы не должны свою миссию на Земле сводить к покорению природы, к цепи
непрерывных побед над нею (вспомните: «победа над природой – опаснее
поражения»). Нам хорошо известна формула: «Мы не можем ждать милостей у
природы, взять их у нее – наша прямая задача» (М.Б. Мичурин). Но мы не забыли
более важное положение Ф. Энгельса, которое гласит: «Не будем, однако, слишком
обольщаться нашими победами над природой. За каждую такую победу она нам мстит.
Каждая из таких побед имеет, правда, в свою очередь, те последствия, на которые мы
129
рассчитываем, но во вторую и третью очередь совсем другие, непредвиденные
последствия, которые очень часто уничтожают значения первых». Он приводит
пример, когда люди Месопотамии, Греции, Малой Азии и других мест выкорчевывали
леса, чтобы получить пахотные земли, и положили начало нынешнему запустению
этих стран. «И так на каждом шагу, – продолжает автор, – факты напоминают о том,
что мы отнюдь не властвуем над природой так, как завоеватель властвует над чужим
народом, что мы, в отличие от всех других существ, умеем познавать ее законы и
правильно их применять».
Как это созвучно с современным пониманием того, что человек стал геологической
силой, преобразующей планету. Но геологические силы слепы и стихийны, а человек –
существо разумное. Поэтому он должен соизмерять силу своего воздействия на
планету с ее способностью сохранять равновесие в геосферах и между ними. Только в
этом случае проблема охраны окружающей среды будет решена в интересах
человечества и его будущего.
Задача, как мы уже знаем, состоит не в том, чтобы оставить природу
неприкосновенной.
Это
невозможно
в
условиях
непрерывно
развивающейся
сознательной деятельности человека и роста населения Земли. Необходимо найти
такие методы ведения хозяйства, которые бы учитывали природные равновесия в
сторону либо вредных минимальных последствий, либо улучшения природного
потенциала.
В наш атомно-космический век, когда благодаря достижениям научной мысли
человечества масштабы его технического влияния охватили не только всю биосферу,
но и околобиосферное космическое пространство, нужна фундаментальная теория о
сущности дальнейшего функционирования планетной экосистемы.
Основы такой теории дал В.И. Вернадский на базе знаний об эволюции биосферы в
течение геологических периодов, обобщенных с биогеохимических, социальных и
философских позиций. В результате научных достижений и человеческого труда
биосфера постепенно переходит в новое состояние – ноосферу. Идеи Вернадского о
ноосфере, геологической деятельности человечества, а точнее, о том, что человек
вызывает процессы, которые никогда не были свойственны биосфере, чужды ей
(загрязнение атмосферы, гидросферы и почв, их эрозия, захоронение радиоактивных
отходов и др.) в наши дни стали исключительно актуальными. Пути исследования и
решения многих проблем охраны природы Вернадский предвидел много лет тому
назад. В 1922 г. он произнес пророческие слова: «Мы подходим к великому перевороту
в жизни человечества, с которым не может сравниться все им ранее пережитое.
130
Недалеко то время, когда человек получит в свои руки атомную энергию, такой
источник силы, который дает возможность строить свою жизнь, как он захочет. Сумеет
ли человек воспользоваться этой силой, направить ее на добро, а не на
самоуничтожение? Дорос ли он до умения использовать ту силу, которую неизбежно
должна дать ему наука? Ученые не должны закрывать глаза на возможные последствия
их научной работы, научного прогресса. Они должны нести ответственность за
последствия их открытий и связать свою работу с лучшей организацией всего
человечества».
В настоящее время все человечество озабочено такими проблемами: топливоэнергетической, поисками новых источников питания в связи с ростом численности
населения и быстро растущим загрязнением окружающей среды, которое вызвано
бурным развитием промышленного производства. Среди основных источников
энергии (уголь, торф, нефть, газ, гидроэлектростанции) атомная энергия получает все
большее применение. Но если при этом используется несовершенная технология или
нарушается технологический процесс, то не исключено поступление в атмо-, гидро- и
литосферу короткоживущих промежуточных элементов распада (J, Sr и др.), что
наносит ущерб не только экономике, но, главным образом, здоровью человека. Однако
при соблюдении строгого контроля атомная энергия перспективна с точки зрения
охраны окружающей среды (примеры тому АС во Франции, Японии и др.). Ведь при
применении угля на тепловых электростанциях в атмо- и гидросферу выделяется
значительно больше вредных веществ. Еще более загрязняют ОС заводы, фабрики,
если на них не налажены улавливание отходов производства и замкнутые циклы
очистки воды.
Исследования географов, экологов, экономистов свидетельствуют, что в настоящее
время влияние производственной деятельности человека на природу возрастает
небывалыми темпами. Производственные мощности индустриального общества
удваиваются каждые
11–15 лет, и адекватно этому
увеличивается степень
загрязненности биосферы.
Научная мысль как геологическая сила проявляется в биосфере не только путем
трансформации ее в ноосферу, но и возможностью регулирования техногенного
воздействия на жизненную среду. Целью является предотвращение: разрушения
озонового горизонта, последствий «парникового эффекта», загрязнения биосферы
мутагенными веществами. Поэтому столь актуальны мысли Вернадского о роли
научной мысли в сознательном направлении организованности биосферы и ноосферы,
создании системы глобального экологического контроля.
131
Идеи Вернадского об интернациональном научном сотрудничестве в области
изучения и охраны биосферы находят в наши дни практическое воплощение во многих
международных проектах. Один из наиболее грандиозных – это организация
международной сети биосферных заповедников (БЗ), являющихся охраняемыми
территориями для слежения за природными и антропогенными изменениями в
биосфере и ноосфере. Некоторые ученые считают целесообразнее называть их
нообиосферными заповедниками.
У геологов и геохимиков есть своя задача, решение которой сводится к усиленной
разработке новейших направлений комплексного использования минерального сырья,
что позволит защитить ОС от попадания отходов производства в лито-, гидро- и
атмосферу.
132