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

Подождите немного. Документ загружается.

элементов в сосуществующих природных средах, испытывающих

влияние одних и тех же источников загрязнения. И, наконец, они

подчеркиваются пространственным совпадением источников заг-

рязнения центров и общей структуры ореолов и потоков рассея-

ния

(рис.

9).

Данных, оценивающих корреляционные связи между составом

и количеством химических элементов в промышленных выбросах,

их концентрацией в воздухе, в выпадениях на земную поверх-

ность и степенью загрязнения почв пока еще очень мало. Имею-

щиеся материалы демонстрируют лишь отдельные фрагменты

этой сложной цепи.

Геохимическое изучение зависимости распределения хими-

ческих элементов в выбросах промышленных предприятий и в вы-

падениях из воздушных потоков может быть проведено только

на уровне приближенных оценок. Это вызвано прежде всего не-

достатком, а чаще всего, отсутствием точных данных по объ-

емам организованных выбросов и невозможностью учета неорга-

низованного выброса. Кроме того, обычно известны только те

химические элементы, которые по принятым технологиям должны

участвовать в производственном процессе, элементы-примеси

в сырье не учитываются. Ярким примером является производство

серной кислоты. В случае использования для этого

пиритных

огарков в выбросах обнаруживаются

Аз,

РЬ,

Сс1,

2п, Си и другие

элементы в относительных концентрациях, не меньших, чем 5.

Спектры химических элементов в выбросах и

пылях,

осаж-

денных на снег, хорошо совпадают (см. рис. 9,

а).

На основании результатов сопряженных исследований метал-

лов в атмосферном воздухе и почве в ряде крупных промышлен-

ных городов выявлены количественные связи между концентра-

циями некоторых металлов в этих сопредельных средах.

Наблюдаемые корреляции статистически достоверны и выра-

жаются следующими уравнениями регрессии (см. рис. 9):

зависимость между концентрацией свинца в атмосферном

воздухе

л;

и в выпадениях из атмосферы на снеговой покров у:

5317х

130;

зависимость между концентрацией свинца в атмосферном

воздухе

и почве у:

Шх

165;

зависимость между концентрацией меди в атмосферном воз-

духе х и почве у:

526*

457;

зависимость между концентрацией ртути в атмосферном воз-

духе х и почве у:

130л:

Рис. 10. Распределение пыли (а),

соединений азота (б) и сульфатов

(в) в снеговом покрове различных

функциональных типов городских

территорий:

О—4

— зоны 0 — фоновая, 1 —

парковая, 2 — селитебная, 3 —

се-

литебно

транспортная, 4 — про-

мышленная

Установленные соотношения

позволяют для перечисленных эле-

ментов определить уровни их со-

держания в депонирующих сре-

дах,

оконтуривающие

территории,

где с большой степенью вероятно-

сти могут быть обнаружены пре-

вышения предельно-допустимых

концентраций металлов в атмос-

ферном воздухе. Выявление кор-

реляционных связей в системе

«атмосферный аэрозоль — выпа-

дение» позволяет считать, что при

изучении структуры загрязнения

депонирующих сред городов эф-

фективно изучение распределения

возможно более широкой ассоци-

ации металлов, отражающей весь

комплекс химических элементов,

загрязняющих атмосферный воз-

дух.

Важно отметить, что аномалии

выпадений пыли и химических

элементов, как правило, совпада-

ют с участками проявления в ат-

мосферном воздухе аномалий оксидов серы, азота, хлоридов,

антропогенных органических соединений — т.

загрязняющих

веществ, приоритетных для воздушного бассейна

[8].

Интересно

отметить, что в ряде случаев (рис 10) загрязненные пылью и

химическими элементами выпадения проявлены контрастнее, чем

для приоритетных газообразных загрязняющих веществ. Таким

образом, геохимические аномалии, важные сами по себе, имеют

большое индикационное значение.

Наличие геохимических корреляционных связей в окружаю-

щей среде позволяет решать прикладные задачи: по аномалиям

в природных средах, которых депонируют выпадения загряз-

няющих веществ, оценивать состояние жизнеобеспечивающих

природных сред Таким образом, возникает принципиальная

возможность использования геохимического картографирования

для пространственной дифференциации структуры загрязнения

окружающей среды. В основе картографирования лежит вы-

явление и

оконтуривание

на местности геохимических ано-

малий.

Геохимическая аномалия — участок территории, в пределах

которого хотя бы в одном из слагающих его природных тел

статистические параметры распределения химических элемен-

тов достоверно отличаются от геохимического фона.

Геохимический фон — средняя величина природной вариации

содержаний химических элементов Он устанавливается на тер-

ритории, где с большой надежностью можно предположить

отсутствие природных или антропогенных источников поступле-

ния химических элементов.

Появление геохимических аномалий всегда связано с теми

или иными природными и неприродными источниками воздей-

ствия, не являющимися обязательным компонентом данного

типа геологической структуры или ландшафта. В случае антро-

погенных источников воздействия образуются антропогенные

геохимические аномалии.

При этом различают геохимические ореолы и геохимические

потоки рассеяния.

Геохимический поток рассеяния — термин, уже широко нами

использовавшийся,—

применяется при описании аномалий в при-

родных средах, транспортирующих загрязняющие вещества

(в водах и воздухе). Их главными особенностями являются

динамичность, неустойчивость состава и концентраций хими-

ческих элементов во времени.

Геохимический ореол рассеяния — термин, используемый для

описания аномалий в природных средах, накапливающих за-

грязняющие вещества при их выпадении из потоков рассеяния.

К депонирующим средам относятся почвы, донные отложения,

растительный и снеговой покровы. Слово «ореол» подчеркивает

наличие надежно фиксируемой пространственной связи между

аномальным полем и источником его образования. Геохимические

ореолы по сравнению с потоками рассеяния значительно менее

динамичны и, соответственно, лучше воспроизводимы при

повторных наблюдениях. Геохимические ореолы рассеяния —

поле аномальных концентраций загрязняющих веществ и их

ассоциации, отражающие воздействие на данную конкретную

территорию источника загрязнения или группы источников за

весь период их существования. Это своеобразная геохимичес-

кая фотография зоны воздействия источников загрязнения.

Техногенные геохимические аномалии и зоны загрязнения —

понятия, широко используемые в природоохранной литературе,

не являются полными синонимами. Под зоной загрязнения обыч-

но подразумевается часть геохимической аномалии, в пределах

которой загрязняющие вещества достигают концентрации, ока-

зывающей неблагоприятное влияние на живые организмы.

Техногенные ореолы и потоки классифицируются по типам

вмещающих природных сред, по направленности изменения

содержаний химических элементов в

результате

геохимического

преобразования и генезису.

По типам геохимических потоков, формирующих аномалии,

и их источникам они могут быть аэрогенными (связанными

с выпадением из воздушных потоков), гидрогенными

(связан-

зз

3-3486

ными

с выпадением из водных потоков), биогенными (обуслов-

ленными концентрированием живыми

организмами),

вейстоген-

ными

(связанными с распространением отходов, внесением отхо-

дов в качестве удобрений, засыпкой отходами при строительстве)

агрогенными

(связанными с особенностями ведения сельс-

кого и лесного хозяйства — внесение удобрений, ядохимикатов,

агротехническая обработка

почв).

Отметим, что существуют

природные геохимические аномалии

рудогенные

и вулканоген-

ные, которые в случае использования территорий их распростра-

нения под расселение или сельское хозяйство могут рассматри-

ваться как зоны загрязнения.

По природным средам, вмещающим аномалии, ореолы и пото-

ки могут быть

литохимическими

(в почвах, горных породах, дон-

ных отложениях),

сноухимическими

(в снеговом покрове), гид-

рохимическими (в водах),

атмохимическими

(в воздухе), био-

геохимическими (в живых организмах).

По направленности изменений химического состояния объек-

тов окружающей среды различаются аномалии концентрации

и аномалии выноса химических элементов. При техногенной

миграции могут возникать также аномалии

разубоживания

—

участки, где в результате искусственного механического пере-

мещения вещества, связанного со строительством и планиров-

кой местности, происходит разбавление природных концентра-

ций материалом с низкими содержаниями.

Для биогеохимических аномалий в случаях, когда уровни

концентрации элементов определяют состояния организмов и био-

косных систем

(почв),

различают аномалии избытка и аномалии

дефицита химических элементов.

Для всех видов техногенных ореолов характерна высокая

неоднородность распределения химических элементов. Для аэро-

генных аномалий показано

[28],

что как для приближенной

к источнику загрязнения зоны наиболее интенсивных аномалий,

так и для сравнительно удаленных периферических участков

с аномалиями ослабленной интенсивности распределение харак-

теризуется очень высокими дисперсиями и соответственно коэф-

фициентами вариации (табл. 4).

С удалением от источника выбросов в пределах зоны воздей-

ствия в периферических частях аномалий дисперсия распределения

возрастает. Таким образом, аэрогенные аномалии в почвах обра-

зуются за счет крайне неравномерно распределенных очень бо-

гатых химическими элементами техногенных частичек, разбав-

ленных почвенной массой с фоновыми содержаниями. Естест-

венно, что всякая геохимическая проба усредняет картину. Тем

не менее, ситуация очень хорошо видна при анализе частот встре-

чаемости аномальных содержаний, резко уменьшающихся с уда-

лением от источника выброса (рис.

11).

Для гидрогенных ореолов в донных отложениях также

харак-

Рис. 11. Частота встречаемости аномальных концентраций в аэрогенных ореолах

на различном удалении от источника загрязнения

терны резко варьирующие распределения содержаний. Вблизи

источника стоков содержания химических элементов всегда ос-

таются в аномальной области, при удалении от него по руслу

может наблюдаться вариация от контрастно аномальных до

фоновых концентраций.

При загрязнении сельскохозяйственных территорий неравно-

мерность распределения химических элементов особенно ярко

наблюдается для аномалий смешанного

агрогенно-вейстогенного

происхождения, т.

е.

в случае использования в качестве удоб-

рений бытовых или промышленных отходов.

Аэрогенные ореолы рассеяния наиболее четко проявлены в

снеговом покрове и почвах. Мы уже отмечали хорошие корре-

ляционные связи между распределением химических элементов

Таблица 4. Характеристика распределения химических элементов в загряз-

ненных промышленными выбросами почвах

Химический

элемент

Свинец

Цинк

Медь

Олово

Ртуть

Вольфрам

Никель

Хром

Центр аномалии

дворы

326

380

0,015

165

120

0,029

улица

263

250

0,044

238

ПО

0,144

Периферия аномалии

дворы

250

0,07

200

4,5

0,24

—

улица

ПО

0,07

0,3

0,24

—

парк

ПО

0,01

—

Примечание. Изучены площадки размером 10X10

с отбором проб через 1

(С —

среднее содержание в выборке,

мг/кг;

а — стандартное

отклонение).

Таблица

5 Средневзвешенные содержания химических элементов в золах

Источники

загрязнения

Завод цветных металлов

Завод черной металлургии

Завод изделии из цветных

металлов

Завод приборостроения

Угольная ТЭЦ

Нефтеперерабатывающий за-

вод

Фон

Зг

717(0,7)

618(0,6)

342(0,4)

825(0,8)

770(0,8)

922(0,9)

994

Т|

650(1)

453(0,7)

647(1)

700(1)

570(0,8)

488(0,7)

670

10(0,6)

30(2)

67(4)

16(1)

42(3)

31(2)

393(6)

128(2)

101(1,5)

80(1)

72(1)

61(1)

Примечание

Опробовались

листья с мелкими ветвями, взвешивание средних

произво

концентрации

элемента

относительно

фона

в выбросах, воздушных потоках, выпадениях из атмосферы и

почвах. Менее изучены пока связи между воздушными потоками

и растительным покровом. Влияние выбросов на растительность

изучается давно и очень детально. Имеются интересные работы

по принципам индикации загрязнения воздушного бассейна

по геоботаническим особенностям растительности (главным

образом, по лишайникам и мхам). Однако количественные кор-

реляционные связи между распределением химических элемен-

тов в воздушных потоках и в биогеохимических ореолах изучены

хуже.

При исследовании влияния промышленных выбросов на

растительность трудно отделить химические элементы, погло-

щенные растительным организмом в процессе жизнедеятель-

ности, от элементов, механически загрязняющих поверхность

растения. Эта методическая задача пока не решена, и поэтому

большая часть данных по концентрации химических элементов

в растениях в зонах выбросов позволяет дать лишь приближен-

ную оценку реального воздействия. Действительно, исследования

по накоплению свинца близ автодорог показывают, что от 30

до 60% металла удаляется при смыве листьев

[28].

В. С. Аржа-

нова установила, что пылевое накопление металлов на листьях

в зоне влияния металлургического комбината настолько интен-

сивно, что может использоваться для изучения пространственных

закономерностей распространения выбросов.

Связь между составом химических элементов в выпадениях

и растительности (табл. 5) позволяет рассчитывать на прин-

ципиальную возможность картографирования загрязнения воз-

духа по составу растений (особенно листьев). Вместе с тем на-

личие значительной пылевой составляющей, нестабильно за-

крепляемой на листьях, требует более детальной методической

проработки условий использования биогеохимических ореолов

для картографирования атмосферных потоков.

древесных

растении

в зоне влияния различных источников загрязнения

Си

2683(15)

264(1,5)

506(3)

875(3)

225(1)

142(1)

180

АВ

4,1

(14)

0,5(1,7)

0,4(1)

0,3(1)

0,1(0,5)

0,3

2п

1583(1,6)

747(0,8)

821(0,8)

2275(2)

1810(2)

756(0,8)

990

РЬ

492(6)

170(2)

222(3)

6525(74)

94(1)

47(0,5)

5п

24(3)

68(8)

77(10)

4(0,5)

14(2)

5(0,7)

Мо

53(4)

128(10)

101(8)

14(1)

42(4)

5(0,4)

дилось

на число

проб

каждого вида растения в выборке в скобках -

коэффициент

Техногенные ореолы, связанные с выпадением химических

элементов из атмосферы, концентрируются в самой верхней

части почв (рис. 12). В этом их главное отличие от

вейстоген-

ных

рудогенных

ореолов рассеяния, для которых характерно

увеличение концентрации химических элементов вниз по разрезу

(рудогенные

аномалии) или незакономерное, сильно варьирую-

щее распределение

(вейстогенные

аномалии на свалках). В то

же время для аэрогенных ореолов в ненарушенных почвах наблю-

дается связь глубины проникновения в почву с мощностью выпа-

дений (см. рис.

12).

Однако даже для выпадений в эпицентре

аномалий одного из крупнейших заводов цветной металлургии

глубина проникновения элементов в ненарушенных почвах за

более чем 100-летнюю историю не превышает 35 —40 см.

В техногенных геохимических аномалиях, как правило, не

может быть изучен весь возможный спектр загрязняющих

ве-

ществ,

который часто далеко не ясен. Поэтому обычно иссле-

дуются главные или приоритетные (и часто наиболее распростра-

ненные) ингредиенты — загрязняющие вещества, оказывающие

наиболее неблагоприятное воздействие на окружающую среду.

В то же время для фиксации зоны неблагоприятного воз-

действия источников загрязнения обычно достаточно изучить

типоморфные

ингредиенты

(типоморфные

химические элементы,

элементы-индикаторы),

т.

е.

те химические элементы или показа-

тели воздействия, которые позволяют судить о состоянии изу-

чаемой системы в целом.

Например, с выбросами автотранспорта, работающего на

этилированном бензине, связано загрязнение окружающей среды

нефтепродуктами, угарным газом, полицикличными ароматичес-

кими углеводородами

(ПАУ),

бромом, свинцом, цинком, кад-

мием и многими другими веществами. Приоритетными (по

концентрированию и опасности воздействия) здесь являются

угарный газ, ПАУ и свинец.

Типоморфным

можно считать один

свинец — элемент, корреляционно связанный со всеми другими

ингредиентами, исследование которого позволяет описать всю

систему воздействия автотранспорта.

При геохимических исследованиях окружающей среды на-

ряду с отдельными химическими элементами проводится анализ

распределения ассоциаций химических элементов. Ассоциация

химических элементов — группа элементов, обнаруживаемая в

изучаемом объекте в количестве, отличном от критериального

уровня. Таким уровнем может быть либо геохимический фон,

либо норматив, задаваемый условиями задачи.

Количественной мерой ассоциации является суммарный по-

казатель

загрязнения,

представляющий собой аддитивную сумму

превышений коэффициентов концентрации (рассеяния) над еди-

ничным (фоновым) уровнем.

где

Кс

— коэффициент концентрации (отношение содержания

химического элемента в оцениваемом объекте к его фоновому

содержанию,

— число химических элементов, входящих в изу-

чаемую ассоциацию, С, — аномальное содержание;

Сф

— фоно-

вое содержание.

Количественными показателями, используемыми при описа-

нии и типизации ассоциаций химических элементов, являются

также индексы соотношений между отдельными химическими

элементами или какими-либо их группами. Выбор видов таких

индексов зависит как от особенностей

-выбранного

эталона срав-

нения, задающего первичный масштаб уровня соотношений

между элементами и их группами, так и от специфики

изучае-

мого

объекта. Система таких индексов (показателей) часто явля-

ется константой и позволяет разработать чувствительные спо-

собы геохимической интерпретации аномалий (например, раз-

деление аномалий по источникам их

образования).

Наиболее известным в техногенной геохимии примером такого"

индекса является отношение

РЬ/Вг,

позволяющее отделить ано-

малии свинца, связанные с автомобильными выбросами, имею-

щими высокие

концентрации

'брома,

от выбросов иных источ-

ников, как правило, не содержащих брома.

В случаях, когда появление химических элементов в ассо-

циации связано с единым источником поставки или миграцион-

ным процессом, ассоциации являются

парагенетическими.

В слу-

чаях, когда воздействие разных источников механически сводит

химические элементы на одной территории и в одном объекте,

появляются ассоциации

сонахождения.

Ассоциации могут быть полными, включающими все хими-

ческие элементы, обнаруживаемые в исследуемом объекте в

аномальных количествах, и частными, включающими химиче-

ские элементы, отражающие какую-либо сторону геохимического

явления. Примерами частных ассоциаций являются ассоциации

токсичных элементов, ассоциации элементов,

типоморфных

для

какого-либо вида производства или процесса, ассоциации ред-

ких металлов и т. д.

Анализ

ассоциаций

элементов

—

основа картографирования

техногенных геохимических аномалий

[28].

Геохимическая струк-

тура ассоциаций — важнейшая характеристика техногенной ано-

малии, демонстрирующая ее специфичность и позволяющая

идентифицировать источники загрязнения. Ниже приведено мно-

го примеров ассоциаций химических элементов для аномалий,

связанных с различными видами антропогенных воздействий

и природными аномалиями. Как и для источников загрязнения

(отходов, выбросов, стоков), в техногенных аномалиях четко

проявляется преимущественное концентрирование элементов-

примесей. Яркий пример этой закономерности наблюдался в

серии аномалий, связанных с циклом переработки богатых

свинцово-цинковых

руд: добыча (механические процессы) —

обогащение (водно-механические процессы) — металлургия (тер-

мические процессы). Мы видим (рис. 13), что главные элементы

технологии

(РЬ

и 2п) во всех типах аномалий накапливаются

примерно одинаково, тогда как примеси

(А§,

Со

Си, особенно

Мо

В1)

резко повышают свой ранг в ореолах при увеличении

разрушения первичного сырья.

Качественные и количественные признаки подбора элементов,

включаемых в ассоциации, определяются задачами исследова-

ния. Можно назвать важнейшие типы задач, где требуется изу-

чение геохимических ассоциаций.

Во-первых, эта задача картографирования загрязнения

тер-

Рис. 13. Изменение состава ассоциаций

химических элементов в почвах центров

техногенных аномалий, связанных с до-

бычей и переработкой

свинцово-цинко-

вой

руды:

—

III — ореолы рассеяния элементов

(I — на участке добычи руды,

— на

участке

обогащения руды, III — на

участке металлургического передела)

К — коэффициент обогащения ореолов

относительно участка добычи В индек-

се элемента указан его коэффициент

концентрации в почве на участке I

риторий,

требующая выделения геохимических аномалий, одно-

родных по качественным и количественным признакам, выяв-

ления связи аномалий с источниками загрязнения, выделения

и разделения в пространстве зон воздействия отдельных источ-

ников.

Во-вторых, это характеристика динамики и кинетики пове-

дения загрязняющих веществ.

Естественно, что на одной территории могут

сочетаться

(и

чаще всего сочетаются) техногенные геохимические аномалии,

имеющие разное происхождение и проявленные в различных

природных телах. Иными словами, чаще всего загрязнение окру-

жающей среды

полигенно

полиформно.

Характер сочетаний

различных типов геохимических аномалий позволяет судить об

общей направленности динамики процессов загрязнения, что

имеет огромное значение для интерпретации зон загрязнения

и разработки природоохранной политики.

Техногенные аномалии, проявленные только в долговременно

депонирующих загрязнение природных средах (почвах, донных

отложениях)

и отсутствующие в транспортирующих средах (воз-

духе, воде) и в средах кратковременно депонирующих загряз-

няющие вещества (снег, поверхность растений), являются рег-

рессивными. Они фиксируют былые источники загрязнения, ныне

не функционирующие.

Техногенные аномалии, проявленные только в природных

средах, транспортирующих и кратковременно депонирующих за-

грязнение, являются неотрансгрессивными. Они связаны с не-

давно созданными источниками загрязнения и вновь формируе-

мыми зонами загрязнения.

При развитии техногенных аномалий одновременно в депони-

рующих и транспортирующих средах аномалии являются транс-

грессивными и фиксируют устойчиво существующие источники

со стабильными зонами загрязнения.

На рис. 14 приведен схематизированный геохимический про-

филь через крупную урбанизированную зону, где наблюдались

все названные выше типы аномалий.