Сает Ю.Е., Ревич Б.А., Янин Е.П. Геохимия окружающей среды

Подождите немного. Документ загружается.

УДК 550.4

Геохимия окружающей

среды/Ю.

Е.

Сает,

Б. А.

Ревич,

Е.

П. Янин и

др.—

М.:

Недра,

1990.—335

с.:

ил.—

13ВЫ

5-247-01127-9

Обоснованы возможности и показана эффективность методов приклад-

ной геохимии при

изучении

и оценке состояния окружающей среды. При-

веден

эколого-геохимический

анализ антропогенной миграции химических

элементов. Описаны источники загрязнения окружающей среды (выбросы,

стоки, твердые отходы, средства химизации), миграционные цепи распро-

странения элементов в природных системах (воздушной, водной, биоген-

ной). Рассмотрены принципы, методы и результаты биогеохимической и

геогигиенической оценки отрицательных последствий загрязнения окру-

жающей среды для здоровья человека.

Для научных работников, занимающихся охраной окружающей сре-

ды — геологов, географов, медиков, биологов, агрохимиков, архитекторов,

инженеров по очистным сооружениям.

Табл. 100, ил. 94, список

лит.—

50 назв.

Авторы:

Ю.

Е. Сает, Б. А. Ревич, Е. П. Янин, Р. С. Смирнова,

И. Л.

Башаркевич,

Т. Л.

Онищенко,

Л.

Н.

Павлова,

Н.

Я.

Трефилова,

А. И.

Ачкасов,

С.

Ш.

Саркисян

Рецензент

д-р

геол.-минер,

наук А. И.

Перельман

1804020100-244

043(01

)-90

I5ВN

5-247-01127-9

Коллектив авторов, 1990

ПРЕДИСЛОВИЕ

Геохимическое

преобразований

природы человеческой деятель-

ностью, постоянно усиливающееся в ходе научно-технической

революции, привело к появлению центральной проблемы совре-

менной экологической ситуации — проблемы загрязнения окру-

жающей среды.

Накопление химических элементов и их поступление в объек-

ты окружающей среды являются результатом производственной

и сельскохозяйственной деятельности человека. Дальнейшее рас-

пределение химических элементов осуществляется природными

факторами миграции, образующими антропогенные ореолы и по-

токи рассеяния. Характеристики ореолов и потоков рассеяния —

состав, степень концентрации, формы нахождения элементов,

интенсивность биологического поглощения — определяют каче-

ство

окружающей среды.

В настоящее время большая часть многочисленных обобще-

ний по проблеме загрязнения окружающей среды химическими

элементами носит теоретический характер. В то же время важ-

нейшей задачей изучения загрязнения природной среды токсич-

ными элементами является выявление пространственной структу-

ры распределения очагов загрязнения, установление источников

вредных воздействий, размеров зон их влияния на население

и оценка этого влияния. Решение этих задач прежде всего необ-

ходимо для разработки природоохранных мероприятий, а также

для экологического обоснования схем развития и размещения

производительных сил, генеральных планов городов и террито-

риально-производственных комплексов.

В предлагаемой работе впервые сделана попытка обобще-

ния материалов по особенностям образования, состава и мор-

фологии техногенных и

агрогенных

геохимических ореолов и

потоков рассеяния в окружающей среде, а также по методам

их выявления и оценки для разработки практических мероприя-

тий, направленных на

ликвидацию,

уменьшение и предотвраще-

ние негативных воздействий.

Основой для написания книги послужили многолетние

при-

кладные

геохимические исследования окружающей среды в раз-

личных антропогенных ландшафтах, проводимые большим кол-

лективом геологов, географов, гигиенистов, химиков Института

минералогии, геохимии, кристаллохимии редких элементов Ми-

нистерства геологии СССР и его экспедиций под научным ру-

ководством доктора геолого-минералогических наук

Ю.

Е.

Саета.

Авторы выражают искреннюю признательность своим товари-

щам и коллегам по работе — Л.

Н.

Алексинской,

А. В.

Глебову,

М.

Г. Журавлевой, Л. И.

Кашиной,

Л. Н. Павловой, Е. П. Со-

рокиной, Г. А.

Тимошкину,

И. В. Токареву — за ценные советы и

замечания, а также за возможность использования в книге их

научных разработок, позволивших сделать ее более информа-

тивной. Особую благодарность авторы приносят О. Г. Кулач-

ковой, А. В. Литвинову,

Э.

А. Дрозд, Е. С. Киселевой, И. И. Гри-

горьеву, Н. И.

Субчеву

за помощь при оформлении данного

труда.

Развитие и применение методов прикладной геохимии при

исследовании окружающей среды началось лишь в самые послед-

ние годы и, естественно, сколько-нибудь значительного опыта

пока не накоплено. Любые дополнения, отзывы и замечания

помогут улучшить работу и будут приняты с благодарностью.

ВВЕДЕНИЕ

Загрязнение окружающей среды происходит при распростране-

нии в ней неутилизируемых отходов человеческой деятель-

ности — стоков, твердых отходов, выбросов в атмосферу, а так-

же при рассеянии средств химизации, применяемых в сельском

•

и лесном хозяйстве.

В. И. Вернадский первый раскрыл геохимический смысл пре-

образования природы деятельностью человека и его глобальный

характер. Тем самым им был заложен методологический принцип

изучения окружающей среды. Характеризуя необходимость раз-

вития прикладных геохимических исследований, В. И. Вернад-

ский писал: «Подходя к научному изучению природы, мы никогда

не должны и не можем забывать, что оно всегда неизбежно

связано с практическим значением его в жизни человечества...

Особенно это должно чувствоваться, когда мы касаемся вопро-

сов геохимии, где культурная жизнь человечества является могу-

чей силой, меняющей химические явления нашей планеты. Оче-

видно, что изучение хода развития роста геохимического значе-

ния человечества должно повести за собой и большее проникно-

вение человека в понимание прикладного характера научной ра-

боты»

[9].

В. И. Вернадский подчеркивает возможность неожи-

данных и непредвиденных последствий воздействия человека на

природные среды и называет наименее устойчивые компоненты:

атмосферу и воды. «Лик планеты — биосфера — химически резко

меняется человеком сознательно, и, главным образом, бессозна-

тельно. Меняется человеком физически и химически воздушная

оболочка суши, все ее природные воды» [10]. Он показал, что

проблема антропогенного воздействия является проблемой геохи-

мической и биогеохимической. В качестве нового для биосферы

вида геохимической миграции В. И. Вернадский выделил био-

генную миграцию атомов 3-го ряда, вызываемую человеческим

разумом и трудом. Огромная интенсивность этой миграции позво-

лила ему сформулировать положение о сопоставимости деятель-

ности человечества с геологическими процессами.

Советские ученые под руководством

Н.

П. Моисеева создали

глобальную

биогеоценотическую

модель, которая показала, что

совокупное действие загрязнения окружающей среды и умень-

шения белковой компоненты рациона питания приведут около

2100 г. к падению плотности населения в четыре раза. Только

сочетание жесткой борьбы против загрязнения с интенсивным

развитием сельского хозяйства дает более благоприятный прог-

ноз.

Л.

М.

Гвишиани,

анализируя данные по глобальным

процес-

сам антропогенного преобразования окружающей среды, показы-

вает, что они наносят удар по некомпетентному оптимизму в

отношении процессов развития. В то же время, признавая слож-

ность существующей ситуации, автор отмечает, что, в отличие

от пессимистической концепции экологов Римского клуба о «пре-

делах роста», применение к анализу ситуации метода истори-

ческого материализма — общесоциологической теории марксиз-

ма — позволяет создать концептуальную модель развития, реали-

зуемую в рамках социалистической общественной формации.

Диалектически противоречивое единство человека и среды его

обитания обеспечивается прежде всего материальным производ-

ством.

«Труд,—

отмечал К.

Маркс,—

есть прежде всего процесс,

совершающийся между человеком и природой, процесс, в кото-

ром человек своей собственной деятельностью опосредствует,

регулирует и контролирует обмен веществ между собой и при-

родой» (К. Маркс и

Ф.

Энгельс, Соч. т. 23, с. 188). Именно

благодаря контролю и регулированию этого обмена веществ

и может быть достигнуто разумное равновесие между челове-

ческой деятельностью и состоянием окружающей среды.

Л.

М.

Гвишиани

приходит к выводу, что научно-техническая

революция определяет две основные взаимосвязанные задачи,

необходимые для решения кризисной экологической ситуации:

1) мониторинг окружающей среды и анализ потоков вещества

и энергии на разных уровнях; 2) разработка принципов опти-

мизации взаимодействия общества и окружающей среды.

Совершенно очевидно, что обе эти задачи в значительной

степени являются геохимическими и в полной мере соответствуют

выводам, следующим из учения В. И. Вернадского о ноосфере —

особом состоянии эволюции биосферы (состоянии наших дней).

А.

Е.

Ферсман, назвавший

техногенезом

геохимическое воз-

действие промышленности, на примере распределения годовой

добычи металлов показал, что их концентрирование — лишь

временный промежуточный этап процесса, конечным итогом кото-

рого является «безвозвратное распыление», рассеяние вещества.

А. Е. Ферсман отмечал также, что геохимическая миграция,

обусловленная технической деятельностью человека, превышает

по скорости природные процессы.

В. А.

Ковда,

сравнивая массы транспортируемого в природе

вещества (сток рек и атмосферная взвесь) с массами антропо-

генного происхождения, показал их соизмеримость. Так, при

общем природном транспорте вещества водами в

19-10

т/год,

антропогенный вклад составляет

2-Ю

т/год (около 10%). Па-

раметры антропогенного стока вредных веществ ныне таковы,

что не дают возможности рассматривать даже моря и океаны

как неисчерпаемый резервуар. Для атмосферы антропогенный

вклад по пыли составляет

5-Ю

—1-Ю

т/год

(5—10%

общего

запаса).

Проблема загрязнения окружающей среды выявилась не как

теоретическое обобщение, а как практическая задача, вызванная

многочисленными отрицательными реакциями в различных об-

ластях человеческой жизни и производства. В числе таких реак-

ций могут быть названы: 1) изменение показателей состояния

здоровья населения, рост заболеваемости, инвалидности, доказа-

тельно обусловленные загрязнением окружающей среды; 2) до-

стоверное установление эпизодических случаев гибели людей из-

за загрязнения окружающей среды; 3) массовые случаи гибели

гидробионтов

в загрязненных водах; 4) непригодность по хими-

ческому составу большого числа водоисточников для питьевого

и технического водоснабжения,

рыбохозяйственных

и рекреа-

ционных целей; 5) невозможность во многих случаях проведения

тонких технологических операций из-за загрязнения атмосферно-

го воздуха.

До недавнего времени в качестве важнейших загрязняющих

веществ рассматривались, главным образом, пыль, угарный и

углекислый газы, оксиды серы и

азота-,

углеводороды, соеди-

нения азота, калия и фосфора, ядохимикаты, синтетические

органические вещества, радиоактивные изотопы. Химические

элементы и их соединения (тяжелые металлы, микроэлементы)

рассматривались обычно в меньшей степени. В последнее деся-

тилетие, однако, интерес к оценке химических элементов как

загрязняющих

веществ

резко повысился. Это, прежде всего, свя-

зано с фактами проявления острых токсичных эффектов, вызван-

ных промышленным загрязнением ртутью, кадмием, селеном,

свинцом.

Экспериментальные и эпидемиологические исследования, про-

веденные и проводимые ныне различными специалистами, выяви-

ли широчайшую гамму отрицательных воздействий химических

элементов на живые организмы всех основных групп на различ-

ных уровнях их организации. Очень важно подчеркнуть, что для

многих химических элементов, помимо прямого токсического воз-

действия, характерны и так называемые отдаленные эффекты,

которые затрагивают основополагающие функции живых орга-

низмов: воспроизводство и биопродуктивность. Степень их вред-

ности в конечном счете значительно больше, нежели в случае

токсических эффектов, так как угроза создается не для отдель-

ных организмов, а для целых популяций и поколений. В этом

плане они могут считаться экологически токсичными

(экотоксич-

ными).

В отличие от многих загрязняющих веществ, химические эле-

менты не включаются в процессы самоочищения: в ходе мигра-

ции они меняют лишь уровень содержания или формы нахожде-

ния. Включаясь во все типы миграций и биологический круго-

ворот, они неизбежно приводят к загрязнению важнейших

жизнеобеспечивающих природных сред: воды, воздуха, пищи.

Способность химических элементов к аккумуляции в живых

организмах с токсическим воздействием на многие их системы

приводит как к появлению специфической заболеваемости (мик-

роэлементов, по А. П.

Авцыну),

так и к ослаблению иммунных

систем и росту общей неспецифической заболеваемости, особенно

аллергического характера.

В качестве прогнозного показателя интенсивности участия

химических элементов в загрязнении окружающей среды

А. И.

Перельман

предложил использовать понятие

«технофиль-

ность

химических элементов» (отношение ежегодной добычи

элемента в тоннах к его среднему содержанию в земной

коре).

Все наиболее известные как загрязнители окружающей среды

химические элементы обладают высокой (более 10)

технофиль-

ностью

(С,

РЬ,

Р,

Н^,

Сс1).

Вместе с тем, имеющиеся данные

свидетельствуют о крайне низком уровне знаний о химических

элементах как загрязняющих веществах. Даже для некоторых

элементов с очень высокой

технофильностью

(В1,

5п,

Вг.

5Ь,

XV,

А^,

Зе)

с этих позиций практически нет систематизированных

данных. Для многих других элементов (Си, 2п,

Сг,

Аз,

Сё)

отсут-

ствует общая картина их распределения в окружающей среде.

Важнейшая современная задача — разработка принципов и

методов оптимизации взаимоотношений между человеком и окру-

жающей средой. В практическом плане это выражается в необ-

ходимости регулирования воздействия общества на окружающую

среду и управления ее состоянием. С этой целью прежде всего

необходима разработка таких приемов контроля состояния окру-

жающей среды, которые максимально точно локализовали бы

неблагоприятные ситуации («горячие точки») и дали возмож-

ность оптимизировать природоохранные затраты.

В этой связи материалы контроля за состоянием окружающей

среды должны давать возможности:

получения объективной

информации, позволяющей выявить источники загрязнения и

дифференцировать их по типам потоков загрязняющих веществ,

их качественному составу и объемам, т.

е.

сформировать приори-

тетный ряд источников вредных воздействий; получаемая инфор-

мация должна дать пространственную картину распределения

вредных воздействий, т. е. выявить конкретные территории, а,

следовательно, и численные параметры различных групп живых

организмов и природных систем, требующих охраны; 2) интер-

претации информационных данных, определения степени влияния

вредных воздействий и выявления изменений, выходящих за

допустимые пределы; 3) обоснования таких организационных,

технологических, территориально-планировочных, здравоохрани-

тельных мероприятий, которые бы привели к ликвидации или

необходимому сокращению вредных воздействий, либо локализо-

вали их на участках, откуда они не могут распространяться.

В настоящее время проводится большая работа по

инвентари-

зации

источников загрязнения, определению предельно допусти-

мых выбросов, по контролю в различных природных компонен-

тах приоритетных загрязняющих веществ. Однако, имеющаяся

информация о содержании химических элементов не позволяет

точно зафиксировать источники их поступления и локализовать

на местности зоны их воздействия, дифференцированные по сте-

пени экологической опасности. Существующая система контроля

не показывает взаимосвязи между природными средами и не

отражает в едином по месту и времени исследований уровня

воздействия на биогеоценозы и население, а также их отклик

на это воздействие.

Отмеченные сложности — неизбежное следствие

многоведом-

ственности

служб контроля за окружающей средой. Они также

обусловлены традиционной системой организации контроля,

основанной на динамическом изучении загрязняющих веществ

на сравнительно редкой сети стационарных постов и створов

с последующим математическим моделированием распростране-

ния токсикантов. Такая организационная служба контроля на-

следует концепции гидрометеорологии, хорошо себя зарекомен-

довавшие при прогнозе глобальных и региональных ситуаций.

В то же время, перенос схемы на значительно более локальные

по масштабу явления со сложной мозаичной структурой распре-

деления источников вредных воздействий и зон их влияния тре-

бует принципиально иного согласования временных и простран-

ственных характеристик проявления загрязнения с масштабом

контроля. Проведение таких исследований возможно при помощи

методов прикладной геохимии. Это связано с тем, что хими-

ческие элементы неизбежно являются составной частью всех ви-

дов загрязнения окружающей среды. Современными химико-ана-

литическими методами они достаточно экспрессивно и количе-

ственно определяются в любых природных средах. Все это

позволяет использовать химические элементы в качестве инди-

каторов потоков загрязняющих веществ, дающих возможность

выявить источники загрязнения и зоны их влияния, проследить

взаимодействие между природными средами и оценить интенсив-

ность воздействия на живые организмы.

Опираясь на представления В. И. Вернадского и А.

Е.

Ферс-

мана и развивая идеи и подходы к исследованию техногенной

миграции, намеченные ведущими геохимиками и специалистами

в области охраны природы (А. А.

Беус,

Дж.

Вуд,

М.

А.

Гла-

зовская,

Е.

Голдберг,

В. В. Добровольский,

Ю.

А.

Израэль,

В. В. Ковальский, В. А.

Ковда,

В. К.

Лукашев,

К. И.

Лука-

шев,

А. И.

Перельман,

И.

Фёрстнер

и др.), авторы

совместно

с коллегами с 1976 г. начали планомерные комплексные гео-

химические исследования распространения загрязняющих ве-

ществ, связанных с отходами, выбросами и стоками различных

производств и коммунально-бытовой деятельности, а также со

средствами химизации сельского хозяйства. Было установлено,

что в ходе распространения загрязняющих веществ, осуществ-

ляемого, главным образом, природными миграционными механиз-

мами, образуются ореолы и потоки рассеяния, сходные с ореола-

ми и потоками рассеяния месторождений полезных ископаемых.

Это позволило предположить возможность использования для

эколого-геохимической

оценки состояния среды обитания чело-

века (окружающей среды) приемов и методов, применяемых

при геохимических поисках.

С геохимических позиций выявилась следующая логика иссле-

дования загрязнения окружающей среды:

1) изучение ассоциаций, концентраций и форм нахождения

химических элементов в твердых отходах, выбросах, стоках, сред-

ствах химизации, выявление участков и путей их поступления

в окружающую среду;

2) прослеживание путей и способов миграции химических

элементов в окружающей среде, установление природных компо-

нентов, взаимодействующих с миграционным потоком; исследо-

вание интенсивности и результатов этого взаимодействия —

техногенных геохимических аномалий;

3) оценка площади распространения техногенных ореолов и

потоков рассеяния, выявление их

морфоструктурных

особенно-

стей, установление зональности распределения химических эле-

ментов и центров наиболее интенсивного воздействия, характе-

ризующихся максимальными нагрузками

экотоксичных

элементов

и определяющих

контингента

живых организмов с повышенным

риском проявления отрицательных реакций;

4) биогеохимическая оценка воздействия выявленной ассо-

циации химических элементов на живые организмы, прослежи-

вание их распределения по трофическим цепям, оценка степени

метаболизма; изучение биокруговоротов.

Авторы детально разработали принципы и технологии приме-

нения геохимических методов для обоснования рекомендаций

по ликвидации или уменьшению вредных последствий загрязне-

ния окружающей среды для решения широкого круга научных

и практических задач ее охраны

[26—30].

Геохимические проблемы окружающей среды исследуются

главным образом для решения практических задач. Эти задачи

и способы их решения сильно различаются для функциональ-

ных типов территорий, наиболее сильно испытывающих послед-

ствия загрязнения окружающей среды (города и их обрамления,

сельскохозяйственные и горно-промышленные

территории).

Именно для этих типов территорий авторы и систематизиро-

вали геохимические данные по источникам загрязнения, зонам

их воздействия, биогеохимическим и биологическим реакциям

живых организмов, геогигиеническим оценкам последствий,

прежде всего для человека.