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

Подождите немного. Документ загружается.

Глава 1

ПОНЯТИЙНЫЙ АППАРАТ И НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ

ОСНОВЫ ГЕОХИМИЧЕСКОГО ИЗУЧЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ

СРЕДЫ

Общий анализ человеческой деятельности как геологического,

геохимического и, в конечном счете, биогеохимического явления

создал методологическую основу для организации геохимических

исследований преобразования природной среды — формирующе-

гося научного направления. В своей основе это направление

является прикладным, так как имеет главной целью выявление

геохимических закономерностей изменения химического состава

природных систем, т.

е.,

в сущности, их загрязнения при антро-

погенных воздействиях.

В геохимии окружающей среды, как и во всяком новом

направлении в науке, одновременно разрабатываются научно-

методические принципы исследований и их понятийная база.

Используемая геохимией окружающей среды система терминов

и понятий органически связывает общенаучную геохимическую

базу с географической, биологической и гигиенической основами

природоохранной деятельности.

При определении терминов и их смысловой нагрузки авторы

опирались на практический опыт изучения окружающей среды

в Институте минералогии, геохимии и кристаллохимии редких

элементов и других геохимических организациях Министерства

геологии СССР и АН СССР, а также на представления В. И. Вер-

надского, А. Е. Ферсмана и их последователей — создателей

теоретической основы геохимии окружающей среды: А. А.

Беуса,

М.

А.

Глазовской,

В. А.

Ковды,

В. В. Ковальского, К. И.

Лука-

шева,

А. И.

Перельмана;

кроме того использованы материалы,

изложенные в новейших словарях и справочниках [4, 6, 13, 15,

17, 24, 36, 39,

49].

1.1. ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА И ЕЕ КОМПОНЕНТЫ

Предметом прикладных геохимических исследований является

окружающая среда

т. е. совокупность природных и

природно-

антропогенных

тел, явлений и факторов, прямо или косвенно

влияющих на условия жизни человека и связанных с ним

вещественным и энергетическим обменом.

* Выделены основные понятия, сущность которых раскрывается, в скобках

приводятся

близкие понятия сопредельных наук.

Понятие «окружающая среда» удобно применять не как гло-

бальное и общенаучное, а как утилитарное для определения

экологических условий жизни человека или какой-либо интере-

сующей человека группы живых организмов в условиях антро-

погенного воздействия.

Термин экология большинство исследователей толкуют не в

первоначальном классическом биологическом понимании, а рас-

ширительно, как комплекс факторов, обеспечивающих условия

жизни, или как всесторонне рассматриваемый комплекс взаимо-

действия живых организмов с природными телами и системами.

В то же время экология человека включает и социальные аспекты

взаимоотношения человека с биосферой.

Окружающая среда представляет собой систему ландшафтов

или

территориальных

образований, в которых формируется соче-

тание специфического, характерного для данной географической

зоны, взаимодействия природных и антропогенных элементов.

В зависимости от характера и соотношения этих элементов ланд-

шафты с известной условностью подразделяются на природные

ландшафты,

агроландшафты

урболандшафты.

Природные ландшафты — территории, геолого-географиче-

ские и биологические особенности которых определяются есте-

ственными биосферными процессами, и антропогенные изменения

существующими методами исследования достоверно не фиксиру-

ются. Ценность природных ландшафтов определяется их значе-

нием

как экологического ресурса (совокупность

средообразую-

щих

компонентов, обеспечивающих типичное для данной терри-

тории экологическое равновесие в биосфере), и, что особенно

важно, как генетического фонда. С целью сохранения этих ресур-

сов среди природных ландшафтов выделяются заповедники, за-

казники, резерваты и другие особо охраняемые территории. Кро-

ме того, природные ландшафты — единственный резерв развития

курортно-рекреационной

деятельности (отдых, восстановление

здоровья и

трудоспособности).

Природные ландшафты могут быть антропогенно-преобразо-

ванными — загрязненными или механически поврежденными, но

сохраняющими основные

типоморфные

геоморфологические и

почвенно-ботанические

особенности. Степень деградации антро-

погенно-преобразованных природных ландшафтов может варьи-

ровать очень широко. Она фиксируется прежде всего характе-

ром смены растительного покрова (антропогенной сукцессией).

В зонах максимального преобразования (полное сведение расти-

тельности или ее угнетение вплоть до вымирания) формируется

так называемая техногенная пустыня, то есть неосвоенная тер-

ритория, лишенная естественной растительности, но сохраняю-

щая первичную

геоморфологию,

общий тип и вертикальную не-

нарушенную структуру почвенного покрова, обычно сильно хими-

чески загрязненного.

Агроландшафты

— антропогенные

ландшафты,

у которых

естественная растительность заменена каким-либо биотическим

сообществом или отдельным видом сельскохозяйственного или

лесохозяйственного

значения. Агроландшафты дифференциру-

ются в зависимости от типа применяемого севооборота (полевые,

овощные, садовые и

др.),

от водохозяйственных

условий

(полив-

ные, богарные) и т. д.

Урболандшафты

(урбосистемы)

по наиболее общему опреде-

лению — территория, основные особенности строения и свойства

которой определяются наличием в ее пределах человеческих по-

селений, прежде всего городов.

Урболандшафт

включает в себя

как собственно город, жители которого связаны с несельско-

хозяйственной деятельностью, так и его обрамление. Это обрам-

ление испытывает наиболее сильное воздействие города, прежде

всего в результате рекреационной деятельности горожан, за-

грязнения окружающей среды, сгущения сети транспортных ма-

гистралей близ городов, появления отходов и других воздей-

ствий.

Окружающая среда состоит из компонентов — структурных

единиц, включающих основные материально-энергетические при-

родные и

природно-антропогенные

системы абиогенного (косно-

го), биогенного или смешанного (биокосного) происхождения

и состава, необходимые для неопределенно долгого, в пределе

бесконечного поддержания жизнеобеспечения.

Основными природными компонентами окружающей среды

являются: геологический фундамент, почва, поверхностные вод-

ные системы, подземные воды, атмосферный воздух и живые

организмы.

Структурными элементами

урболандшафтов

являются про-

мышленные предприятия,

промзочы

(агломерация предприя-

тий, объединяемых единой

территорией),

транспортные магистра-

ли (улицы с транзитными транспортными

потоками),

селитебные

зоны (жилые территории и участки

внутридворового

озеленения),

рекреационные зоны (зоны отдыха — бульвары, парки,

сады,

водоемы, лесопарки).

Промышленные предприятия могут быть отдельно стоящими

и иметь примыкающий к ним рабочий поселок (типовая ситуация

для крупных предприятий и комбинатов

старой,—

до 80-х го-

дов —

застройки).

Они могут входить в структуру города и моза-

ично распределяться среди селитебных и рекреационных тер-

риторий — типовая ситуация для подавляющего большинства

крупных городов, когда

промзоны

могут находиться в самых

различных пространственных соотношениях с другими функцио-

нальными типами городских

территорий).

Лишь в самое послед-

нее время (да и то не всегда) промышленные предприятия

(промзоны), селитебные и рекреационные территории простран-

ственно разделяются.

Рекреационные зоны могут находиться как внутри города,

так и в примыкающем к городу зеленом поясе (зеленой зоне,

лесопарковом защитном поясе), обычно специально формируе-

мом.

1.2. ИЗУЧЕНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Геохимическое изучение загрязнения окружающей среды —

комплекс взаимосвязанных, синхронизированных и территориаль-

но совмещенных исследований, включающих выявление и коли-

чественную оценку источников загрязнения; прослеживание рас-

пространения загрязняющих веществ в компонентах окружаю-

щей среды с оценкой их состояния и пространственной диф-

ференциации; установление степени биогеохимического концен-

трирования загрязняющих веществ живыми организмами и

определение экологических последствий такого концентрирования.

Источники загрязнения

Всякое преобразование окружающей среды в результате деятель-

ности человека может быть названо антропогенным. Антропоген-

ное воздействие, приводящее к изменению химического состава

одного или нескольких природных компонентов окружающей

среды, является геохимическим, поскольку неизбежно с той или

иной скоростью и интенсивностью включает это изменение во

взаимодействующие друг с другом природные системы. Таким

образом, сформулированное А.

Е.

Ферсманом понятие

«техно-

генез»

включает любое антропогенное геохимическое воздействие

и не ограничивается каким-либо определенным видом челове-

ческой деятельности (в частности, промышленным производст-

вом), а в равной мере относится и ко всем остальным (сельское

и лесное хозяйство, строительство, рекреация и т.

д.).

С классических геохимических позиций изменение химических

свойств окружающей среды, не связанное с естественными при-

родными процессами, является загрязнением. В то же время,

при использовании этого термина чаще всего в него вкладывает-

ся медико-биологический смысл. В этих случаях под загрязне-

нием подразумевают появление или количественное изменение в

окружающей среде тех или иных свойств — физических (напри-

мер, шума, радиации, электромагнитных полей, вибрации) или

химических (загрязняющих

веществ),—

уровень проявления ко-

торых может оказать неблагоприятное влияние на условия жиз-

ни. При таком понимании, загрязнение — явление количествен-

ное. Оно может возникнуть не только антропогенным способом,

но и в связи с естественными природными причинами (пыльны-

ми

бурями,

паводками и т.

д.).-Таким

образом появились

нело-

гичные

на первый взгляд, термины, как, например, природное

или естественное загрязнение, которые, однако, уже вошли в

практику и достаточно удобны для прикладных целей. Особенно

характерно природное химическое загрязнение для участков

месторождений полезных ископаемых, особенно рудных место-

рождений, и в районах вулканической деятельности.

Загрязняющие вещества

(поллютанты)

— материальные но-

сители загрязнения — связаны с наличием источников загрязне-

ния. Этот термин имеет очень широкое и не очень определенное

применение. Под источником загрязнения может подразуме-

ваться как вид человеческой деятельности (например, радиотех-

ническое производство, поливное овощеводство, водная рекреа-

ция), так и конкретные объекты деятельности (завод, свалка,

хранилище отходов, автомобильный транспорт и т. д.) или

материальные носители загрязняющих веществ (отходы произ-

водства, средства химизации).

Средства химизации — вещества, преднамеренно вносимые в

окружающую среду с целью увеличения эффективности того или

иного вида производственной деятельности. Загрязнение окру-

жающей среды чаще всего есть побочный непредвиденный ре-

зультат этой деятельности.

Отходы — неутилизируемая в данный момент и возвращае-

мая в окружающую среду часть используемых и перерабатывае-

мых человеком материалов. Загрязнение окружающей среды —

неизбежное следствие появления отходов.

Отходы могут быть промышленными, коммунальными, быто-

выми, сельскохозяйственными.

Различают складируемые отходы, а также выбросы и стоки.

Складируемые отходы (жидкие и твердые) представляют

собой ту часть отходов человеческой деятельности, которая

собирается с целью захоронения на свалках или депонирования

на полигонах — накопителях для последующей утилизации. До-

вольно часто общее понятие «отходы» относят именно к скла-

дируемым отходам.

Стоки — часть жидких отходов, которые рассеиваются в окру-

жающей среде. Стоки обычно состоят из дисперсионной среды

(жидкой фазы раствора) и дисперсной фазы (взвешенных ча-

стиц, водной взвеси, взвешенного вещества). Очень часто наибо-

лее значительное загрязнение связано именно с дисперсной фа-

зой.

Выбросы

—

часть отходов, рассеиваемая в атмосфере. Как и

стоки, выбросы обычно двухфазны и состоят из воздушно-га-

зовой смеси и твердых частиц — воздушной взвеси, пыли, аэро-

золей.

Стоки и выбросы могут быть

организованными,

т.

е.

осуще-

ствляемыми через те или иные технические устройства, на кото-

рых происходит количественный учет загрязняющих веществ, и

неорганизованными, возникающими стихийно

(пыление

конвейе-

ров, оконная вентиляция и

т.д.).

По характеру поступления загрязняющих веществ в окру-

жающую среду источники загрязнения разделяются на локаль-

ные, точечные, площадные и линейные

(неточечные).

Все про-

мышленные источники выбросов и стоков точечные. Неточечные

источники связаны с сельским хозяйством, химизацией,

поверх-

ностным стоком с загрязненных территорий и т. д.

Загрязняющие вещества могут быть органические,

органоми-

неральные

и минеральные. При изучении загрязнения минераль-

ными веществами обычно исследуют отдельные химические эле-

менты, а не соединения. При этом очень широко используется

термин «тяжелые металлы». Первоначально к ним относились

металлы с плотностью более 5

г/см

В последнее время термин

иногда используется для обозначения большой группы

токсичных

химических элементов и, прежде всего, цветных и редких ме-

таллов.

Все виды источников загрязнения содержат широкую группу

загрязненных веществ полиэлементного состава (табл. 1). Соче-

тание химических элементов характеризует специфические инди-

видуальные особенности источников загрязнения. Во всех слу-

чаях антропогенное геохимическое воздействие является мощ-

ным, комплексным по составу источником загрязнения окру-

жающей среды.

Распространение загрязняющих веществ

Образование и характеристика геохимических аномалий

Загрязнение окружающей среды происходит в результате мигра-

ции загрязняющих веществ, генерируемых источниками загряз-

нения.

Геохимическая миграция — неразрывный комплекс процессов,

приводящих к перераспределению химических элементов в при-

родных телах. Этот комплекс включает перевод химических эле-

ментов в структурное состояние, форму нахождения, обеспечи-

вающих их подвижность в данных внешних условиях, тран-

спортировку элементов в физических и химических градиентных

полях природных тел; осаждение, концентрирование элементов

в результате его взаимодействия с веществом транспортирующе-

го потока или вмещающей его природной системы и перевод их

в неподвижное структурное состояние, равновесное с новыми

внешними условиями.

Основной геохимической мерой качества окружающей среды

является содержание химических элементов: массовая доля

химического элемента

(мкг/г,

мг/кг,

г/т или

либо объемная

концентрация — масса химического элемента в единице объема

природного тела

(мкг/л,

мг/л,

г/м

Таблица

1. Ассоциации химических элементов в различных видах отходов. По [29, 34]

Примечание. Индекс элемента — величина п.

В некоторых случаях изучается распределение так называ-

емых показателей техногенной нагрузки или модулей техноген-

ного давления — массовой доли или объемной концентрации

загрязняющих веществ, поступающих в окружающую среду на

единицу площади (длины) за единицу времени (например,

г/м

сутки).

Каждая миграционная природная система является одновре-

менно транспортирующей и вмещающей средой. В результате

геохимической миграции может происходить как рассеяние хими-

ческих элементов, так и их концентрирование. Процесс рассея-

ния химических элементов обусловливается их разбавлением

лли

осаждением из транспортирующих потоков. Процесс концент-

рации

происходит в случаях, когда в силу тех или иных физи-

ческих или химических причин скорость транспортирующего

потока в целом, или скорость перемещения каких-либо состав-

ных частиц потока резко уменьшается. Такие участки являются

геохимическими барьерами. Вся система от источника поставки

элементов до геохимического барьера может быть названа миг-

рационным потоком или цепью распространения загрязняющего

вещества.

Природные среды, накапливающие загрязняющие вещества

(почвы, растительный покров, снеговой покров, донные отложе-

ния) являются депонирующими. Перемещение происходит в

транспортирующих средах в водно-миграционных и воздушно-

миграционных потоках, а также путем биологического погло-

щения элементов (транслокация) растительностью и далее по

цепям питания живых организмов (трофическая цепь распростра-

нения).

Транспортирующие

среды для живых организмов явля-

ются главными жизнеобеспечивающими природными средами.

Распространение химических элементов в антропогенезе

может происходить и техническими средствами

(автомобильные,

и железнодорожные перевозки, авиатранспорт и т.

д.).

В процессе миграции происходит распределение химических

элементов между природными телами.

Интенсивность миграции определяется скоростью обмена,

перераспределения химических элементов между компонентами

природной среды. Она зависит от физических, физико-химических

и биологических свойств природных систем, обусловливающих

то или иное соотношение между скоростями перехода элементов

в мобильное состояние и скоростями их транспорта и осаждения.

В конечном счете интенсивность миграции зависит от

ландшафт-

но-геохимических

условий, т.

е.

от специфики сочетания гидро-

метеорологических,

литолого-геохимических

почвенно-ботани-

ческих

характеристик конкретной территории. Численно интен-

сивность миграции может быть выражена в виде какого-либо

индекса или коэффициента, т. е. относительного показателя, со-

поставляющего содержание химических элементов или их

объем-

ную

концентрацию в фиксированном наблюдении, месте, или

моменте времени по отношению к такому же состоянию природ-

ного объекта, принимаемого за базовый.

В прикладной геохимии разработана подробная система

коэффициентов

[

36].

В основе большинства коэффициентов лежит общепринятый

в научных исследованиях коэффициент распределения, т.

е.

вели-

чина отношения средних содержаний в каких-либо сравнивае-

мых между собой взаимосвязанных объектах или частях одного

объекта. За базовую величину в данном случае принимается

либо исходное (до начала геохимического преобразования)

состояние объекта, или какая-либо часть преобразуемого объ-

екта, либо аналогичный объект, не затронутый исследуемым

геохимическим процессом. Применительно к прикладным геохи-

мическим исследованиям этот показатель

д^я

случаев роста

содержания элемента в изучаемом природном теле в ходе распре-

деления или миграции трансформируется в коэффициент кон-

центрации

(накопления),

а для случаев уменьшения содержаний

в этих процессах — в коэффициент рассеяния (выноса или

разубоживания

в зависимости от механизма явления). В ка-

честве базового здесь чаще всего принимается фоновое содер-

жание, понятие, которое является основополагающим в при-

кладной геохимии. Фоновое содержание — среднее содержание

химических элементов в природных телах по данным изучения

их естественной вариации (статистических параметров распре-

деления) в пределах однородного в

геологически

или (и)

ландшафтно-геохимическом

отношении участка. Геохимический

фон — понятие местное, локальное. Коэффициенты концентра-

ции, подсчитанные по отношению к геохимическому фону,

называются коэффициентами аномальности

(контрастности).

Коэффициенты концентрации, подсчитанные по отношению

к среднему содержанию химического элемента в литосфере

(кларку),

в какой-либо геохимической системе (почве, горной

породе, растительности и т. д.) или ее таксономической части

(тип почвы, тип горной породы и т. д.) называются

кларками

концентрации.

В результате миграции химических элементов по природным

транспортным каналам в окружающей среде образуются гео-

химические аномалии.

Прежде всего следует отметить высокую динамичность воз-

душных и водных потоков.

Концентрации элементов в атмосферном воздухе зависят

от многих несинхронно изменяющихся технологических парамет-

ров выбросов и метеорологических характеристик, условий рас-

сеяния. Теоретические и экспериментальные исследования спе-

циалистов по физике атмосферы показывают связь распреде-

ления приземных концентраций загрязняющих веществ от

тур-

Рис. 1. Распределение

свинца

(сплош-

ная линия) и никеля (пунктир) в ат-

мосфере.

Направление факела выброса: дни

3—16

—

на точку наблюдения, дни 2,

17, 18,

—

под углом к точке наблю-

дения, день 1 — от точки наблюдения

Рис. 2. Распределение меди, цинка и

кадмия в водотоке, дренирующем про-

мышленную зону (пунктирная ли-

ния —

ПДК)

булентности

воздушных течений (сочетание солнечного притока

тепла и его излучения от земной поверхности и технических

источников); от условий температурной стратификации атмо-

сферы (при температурных инверсиях ухудшаются условия рас-

сеяния);

от влажности воздуха (прямая

зависимость);

от рель-

ефа местности, расстояния от источника выброса; высоты выб-

роса и его тепловых и физико-химических характеристик; от

скорости и направления ветра [8,

17].

В урбанизированных зонах приземная концентрация опре-

деляется воздействием множества источников выбросов, что

приводит к высокой динамичности содержаний и соотношения

химических элементов в воздухе.

На рис. 1 представлены графики синхронных наблюдений

за динамикой распределения в воздухе свинца и никеля вблизи

группы приборостроительных предприятий. Несмотря на сравни-

тельно устойчивый по направлению и силе ветер, химические

элементы появлялись в воздухе несинхронно, регистрировались

в разное время и далеко не весь период наблюдений.

Интенсивная динамика распределения химических элементов

отличает и техногенные водные потоки рассеяния. На приводи-

мом примере (рис, 2) мы видим, что пики концентрации хими-

ческих элементов в воде для различных химических элементов

не совпадают по времени, частоте появления и длительности

существования.

Высокая вариабельность распределения загрязняющих ве-

ществ в природных средах, транспортирующих техногенные

геохимические потоки имеет три важных следствия.