Трофимов В.Т., Зилинг Д.Г. Экологическая геология

Подождите немного. Документ загружается.

лающего ордовика Северо-Запада, перьми-триаса Башкирии, девона и перекрыва-

ющих ледниковых отложений Беларуси возрастает, по данным Е.К.Мельникова,

В.А.Рудника

(1997), в 1,5-2,0 раза онкозаболеваемость населения, обусловленная,

главным образом, формой нахождения и дисбалансом, а не повышенным содержа-

нием ряда тяжелых элементов, присутствующих в окисной труднорастворимой

и не переходящей в водные растворы форме.

Аномалии химических элементов в районах рудных месторождений фиксиру-

ют экстремальные эколого-геохимические ситуации, известные в природе. Эколо-

го-геохимические особенности отмеченных районов определяют типоморфные

ассоциации элементов. В качестве примера в табл. 45 приведены данные по геохи-

мическим ассоциациям химических элементов, концентрирующихся в некоторых

типах рудных месторождений и сопровождающих их ореолах рассеивания. На-

глядно видно, что подавляющее большинство из них является сильными токсикан-

тами (табл. 46).

Уровни концентрации элементов в центральной части ореолов месторожде-

ний, непосредственно трассирующие рудные тела, в десятки, а иногда и в сотни

211

раз превышают фоновые, в среднем же уровень концентрации химических эле-

ментов (выделяемых в контуре с 95%-й вероятностью) превышает, по данным

Е.П.Янина (1993), фоновые значения в 10-15 раз. Это позволяет говорить о необхо-

димости проведения эколого-геохимических исследований данных территорий,

так как они зачастую используются под сельскохозяйственные угодья либо под

жилую застройку.

Гидрогеохимические провинции и аномалии

Природные гидрогеохимические провинции и аномалии обусловлены геоло-

го-структурными условиями района, литогеохимической специализацией горных

пород, их литолого-минералогическими и физико-химическими особенностями.

С.Р.Крайновым,

В.П.Закутиным (1994) выполнена геохимико-экологическая

оценка подземных вод России по комплексу водоносных горизонтов, артезиан-

ских бассейнов и гидрогеологических массивов, воды которых имеют повышен-

ные концентрации нормируемых химических элементов и веществ по отношению

к ПДК. Авторы исходили из того, что при превышении концентраций элементов

в водах выше ПДК наблюдается рост заболеваемости населения. Поэтому выде-

212

ленные ими гидрогеохимические провинции можно рассматривать как своеоб-

разные патогенные гидрогеохимические аномалии.

Роль подземных питьевых вод в формировании экологического состояния сре-

ды значительна, так как именно состав подземных вод как компонентов литосфе-

ры, используемых для питьевого назначения, непосредственным образом влияет

на физиологические функции человека и его здоровье.

В пределах патогенных гидрогеохимических аномалий состав подземных вод

обогащен одним или несколькими элементами. Наиболее часто выводят подзем-

ные воды из разряда кондиционных повышенные содержания соединений азота,

марганца, железа, стронция, селена, мышьяка, фтора, бериллия, органические ве-

щества (углеводороды и их различные производные). На рис. 26 и 27 показано рас-

пространение подземных вод с повышенным содержанием элементов на террито-

рии бывшего СССР.

* Гидрогеохимическая провинция - это территория, объединяющая комплекс водоносных го-

ризонтов, артезианских бассейнов или гидрогеологических массивов, подземные воды которых име-

ют повышенные концентрации нормируемых химических элементов и веществ. Для таких провин-

ций характерны по

С.Р.Крайнову:

а) высокий уровень фоновых концентраций нормируемых хими-

ческих элементов (веществ), приближающийся к ПДК или превышающий его; б) высокая частота

встречаемости (>50%) в подземных водах их концентраций, превышающих ПДК.

213

К важнейшим естественно-геохимическим процессам, приводящим к форми-

рованию гидрогеохимических аномалий, относятся: увеличение минерализации

подземных вод; изменение соотношений между концентрациями компонентов,

лимитирующих распределения нормируемых химических элементов; изменение

Eh-pH подземных вод; увеличение концентраций компонентов, являющихся ли-

гандами для элементов комплексообразователей. Первый из этих процессов - уве-

личение минерализации верхних водоносных горизонтов - может происходить за

счет двух естественных геохимических процессов: испарительного концентриро-

вания грунтовых вод (что в целом характерно для аридной зоны); растворения

и диффузного рассоления минералов галогенных формаций и первичных седи-

ментационных рассолов. Увеличение минерализации подземных вод осуществля-

ется вследствие появления в них хорошо растворимых хлоридных и сульфатных

соединений натрия и кальция. Вследствие этого формируются сульфатные и хло-

ридные гидрогеохимические аномалии: Западно-Сибирская, Прикаспийская, Юж-

но-Забайкальская (см. рис. 26). Но гораздо более широко распространены на тер-

ритории России напорные сульфатные и хлоридные подземные воды.

214

В большинстве артезианских бассейнов вертикальная геохимическая зональ-

ность подземных вод обусловлена сменой маломинерализованных подземных вод

на все более минерализованные, залегающие на различных глубинах, и сменой

геохимичеких типов подземных вод от В Восточно-

Европейской, Западно-Сибирской, Восточно-Сибирской провинциях нижележа-

щие сульфатные и хлоридные минерализованные воды самым непосредственным

образом влияют на формирование химического состава верхних водоносных гори-

зонтов. В результате увеличиваются концентрации нормируемых элементов, имею-

щих высокую растворимость своих соединений с катионами и анионами этих вод.

К таким элементам в частности относится стронций. Однако его распределение

в подземных водах существенно зависит и от его содержания во вмещающих поро-

дах. Поэтому гидрохимические стронциевые провинции тяготеют, как правило,

только к определенным структурам внутри сульфатных и хлоридных провинций.

Изменение соотношений между натрием и кальцием в подземных водах также

играет важную роль в формировании состава вод питьевого назначения. Натри-

евые соединения многих анионов имеют хорошую раство-

римость, а их кальциевые соединения чаще труднорастворимые. Соответственно

натриевые геохимические зоны подземных вод всегда оказываются благоприят-

ными для накопления в них F, В, As и других анионогенных элементов. Классиче-

ским примером в этом отношении является фтор, образующий обширные гидро-

геохимические провинции с высоким его содержанием в подземных водах.

Содержание фтора в маломинерализованных подземных водах лимитируется

произведением растворимости поэтому уменьшение концентрации в под-

земных водах кальция и рост отношения Na/Ca всегда приводит к увеличению

в них концентрации фтора. Проблема источника фтора в данном случае не имеет

значения, поскольку кларковые концентрации фтора составляют 660 мг/кг, что

вполне достаточно, чтобы обеспечить в подземных водах содержания фтора, превы-

шающие ПДК. Подземные воды с минимальными содержаниями кальция и высоки-

ми отношениями

Na/Ca

закономерно и широко распространены в гидрогеологиче-

ских структурах земной коры России, и поэтому гидрогеохимические провинции

фтороносных вод в ней соответственно широко представлены. Примерами фторо-

носных провинций на территории России являются Московско-Волго-Камская, За-

падно-Предкавказская, Кулундинская, Якутская, а за пределами России - Молдав-

ская,

Днепровско-Донецкая,

Причерноморская, Прибалтийская (см. рис. 26).

В последние годы на территории России установлены гидрогеохимические

провинции

пластовых

и трещинно-жильных вод с высокими содержаниями мы-

шьяка и бора. Их происхождение преимущественно обусловлено сочетанием двух

факторов: формированием подземных вод натриевого состава; повышенными со-

держаниями мышьяка и бора во вмещающих породах. Наиболее типичным в этом

отношении можно считать Восточно-Предкавказскую гидрогеохимическую про-

винцию. Высокие (превышающие ПДК) содержания мышьяка и бора в этой про-

винции приурочены к относительно маломинерализованным (менее 3,0 г/л) плас-

215

товым

водам НСОз-Na и

НСОз-СОг-Na

состава третичных водоносных горизон-

тов. Имеются и чисто бороносные гидрогеохимические провинции - Предураль-

ская и Зауральская, где их формирование идет преимущественно в пределах боро-

носных геохимических зон.

При формировании состава околонейтральных подземных вод велика также

роль окислительно-восстановительного потенциала (Eh). Оптимальные для водо-

снабжения кислородсодержащие подземные воды имеют Eh в пределах 350-500 мВ.

Данная величина Eh определяет невозможность увеличения в них концентраций

железа, марганца, аммония, фосфора, а также многих токсичных соединений тя-

желых металлов с неокисленными органическими веществами (метилированная

ртуть, свинец, мышьяк и др).

Уменьшение Eh подземных вод ведет к формированию гидрогеохимических

аномалий. Типичными в этом отношении являются Среднерусская, Западно-Си-

бирская, Ангаро-Ленская провинции, объединяющие систему крупных артезиан-

ских бассейнов, а систему малых артезианских бассейнов объединяют Дальнево-

сточная и Забайкальская гидрогеохимические провинции (см. рис. 27). Кроме ар-

тезианских бассейнов, гидрогеохимические аномалии с повышенными содержа-

ниями приурочены к массивам, сложенным кристаллическими

интрузивными, эффузивными и песчано-сланцевыми породами. Классическими

в этом отношении являются гидрогеологические массивы Карелии, Урала, многих

регионов Сибири и Дальнего Востока (см. рис. 26).

Особые гидрогеохимические аномалии железо- и марганецсодержащих вод

занимают практически всю зону постоянной многолетней мерзлоты, так как меж-

мерзлотные и подмерзлотные напорные воды, лишенные кислорода, имеют низ-

кие значения Eh. В них железо и марганец содержатся в концентрациях, значитель-

но превышающих ПДК.

При возрастании окислительно-восстановительного потенциала увеличива-

ются концентрации других переменно-валентных компонентов: цинка, меди,

свинца, селена, кадмия. Первые три элемента из этой группы являются типоморф-

ными для подземных вод районов сульфидных месторождений. Однако их ПДК

высокие, и для питьевого водоснабжения они редко представляют опасность.

В грунтовых и напорных водах, имеющих высокие значения Eh (свыше +200 мВ),

наиболее опасен селен, так как данные воды предрасположены к его накоплению.

Селеновые гидрогеохимические аномалии, связанные с возрастанием Eh, имеют

место только в районах развития обогащенных селеном пород или селенсодержа-

щих минералов в селеновых металлогенических зонах. На территории России сей-

час выделяются Уральская, Тувинская и Алтайская гидрогеохимические провин-

ции с высоким содержанием селена в грунтовых и напорных водах. В сопредель-

ных государствах классическими селеновыми гидрогеохимическими провинция-

ми являются Донецкая, Среднеазиатская и Молдавская (см. рис. 27).

Среди естественных геохимических процессов, приводящих к формирова-

нию особых гидрогеохимических провинций, велика роль процессов комплексо-

216

образования между органическими и неорганическими веществами. К важней-

шим лигандам (молекулам и ионам, связанным с центральным ионом в комплекс-

ные соединения), оказывающим влияние на распределение Fe, Hg, Be в

около-

нейтральных водах, относятся фульво- и гуминовые кислоты, а также фтор. Бла-

годаря образованию анионов-лигандов и росту их концентраций в подземных во-

дах, происходит интенсификация растворимости твердой фазы и более активное

поступление в водную среду Элементы-гидролизаты при об-

разовании устойчивых комплексных соединений труднее подвергаются гидроли-

зу и не осаждаются из околонейтральных подземных вод, а проявляют способ-

ность концентрироваться в этих водах при увеличении концентраций анионов-

комплексообразователей. Благодаря этому, например, концентрация

около-

нейтральных кислородсодержащих подземных водах, содержащих фульвокис-

лоты в количестве 5-10 мг/л, намного превышает его ПДК в питьевых водах.

Вследствие этого, гидрогеохимические аномалии грунтовых железосодержащих

подземных вод занимают практически всю гумидную зону России с максималь-

ным проявлением в Мещере, Карелии, Архангельской области и смежных ей об-

ластях Севера европейской части России.

Близкий механизм - образование ртутных и бериллиевых гидрогеохимиче-

ских аномалий. Однако для природных условий, при относительно низких их

кларковых содержаниях, обязательным условием является наличие металлогени-

ческих зон, характеризующихся ртутной рудной минерализацией и общей обога-

щенностью ею пород. Типичной в этом отношении является Алтайская гидрогео-

химическая провинция грунтовых вод с повышенным содержанием ртути. Клас-

сическими примерами бериллиевых гидрогеохимических зон является Уральская,

Рудно-Алтайская,

Забайкальская, Приморская. Специфика формирования гидро-

геохимических провинций, имеющих бериллиевую минерализацию, состоит в том,

что она сопровождается флюоритовой минерализацией и подземные воды таких

металлогенических

зон всегда содержат высокие концентрации фтора. Фтор явля-

ется прекрасным лигандом для бериллия, удерживает его от процесса гидролиза

и способствует накоплению в подземных водах. Вследствие этого, гидрогеохими-

ческие провинции бериллийсодержащих подземных вод выходят за пределы гу-

мидной зоны и распространяются и на аридную зону.

В районах развития рудных месторождений тип оруденения обусловливает

элементный состав подземных вод. В соответствии с этим именно от состава

основных ассоциаций типоморфных микроэлементов зависят экстремальные эко-

лого-геохимические условия существования биоты в этих районах.

Таким образом, гидрогеохимические провинции - продукт как зональных, так

и региональных (структурно-литологических) факторов. Они могут быть установ-

лены не только на основании экспериментальных исследований, но и прогнозиру-

емы, исходя из гидрогеохимической зональности отдельных структур, горизонтов

и знания современной геохимии элементов в подземных водах. Согласно работам

С.Р.Крайнова

и В.М.Швеца (1992), вероятно существование высоких концентра-

ций селена во многих районах распространения подземных вод.

217

Это означает, что селен, подобно фтору и железу, может вполне дополнить список

элементов, осложняющих санитарно-токсикологическую и медико-биологиче-

скую ситуацию значительной части Российских регионов.

Атмогеохимические аномалии

Природные атмогеохимические аномалии обусловлены геолого-структурны-

ми особенностями литосферы, обусловливающими ее проницаемость. Растворен-

ные во внешнем ядре газы выходят на поверхность Земли преимущественно

в рифтовых зонах - грандиозных расколах литосферы, сливающихся в единую ми-

ровую систему и образующих патогенные атмогеохимические зоны. В них потоки

флюидов по интенсивности на два порядка превосходят, по В.Л.Сывороткину

(1998), потоки в других геоструктурных зонах.

Выделение эндогенных газов в эколого-геохимическом аспекте приводит к из-

менению почвенной и приземной атмосферы с образованием атмогеохимических

ореолов. Представлены они многокомпонентной смесью из углекислого газа, во-

дорода, метана, алканов, алкенов, аргона, гелия, ртути, летучих соединений тяже-

лых металлов, сернистых и различных углеводородных соединений, предельно-

ароматических углеводородов, бензапиренов и цианидов, подчас в весьма замет-

ных концентрациях. Из всех радионуклидов изотопы радона и продукты их радио-

активного распада наиболее опасны для здоровья людей в связи с их практически

беспрепятственным проникновением внутрь организма через дыхательные пути

и накапливанием во всех жизненно важных центрах.

Изменениями газового состава приземной атмосферы можно объяснить повы-

шенную заболеваемость "пришлого населения", например, в Памирской, Курило-

Камчатско-Сахалинской атмогеохимических провинциях. Атмогеохимические ано-

малии регистрируются и в районах развития локальных проницаемых зон. Они, на-

пример, установлены в ряде районов Москвы, Санкт-Петербурга др. Эманационные,

в том числе радоновые, атмогеохимические аномалии известны в районе ордовикско-

го глинта в пределах Северо-Запада России, создающие, по

В.А.Руднику,

условия био-

логического дискомфорта для жителей Гатчины, Красного Села, Копорья, Пушкино.

Наиболее наглядными индикаторами патогенного влияния зон повышенной

проницаемости - зон разломов и подземных водотоков, являются растения и, в пер-

вую очередь, древесные формы, развивающиеся на одном и том же месте десятки

лет. В районах, имеющих мощный чехол рыхлых отложений, многие зоны разломов

отчетливо выделяются на аэровысотных и космических снимках в виде протяжен-

ных полос, отражающих смену состава и интенсивности растительного покрова.

Опасность атмогеохимических ореолов заключается не только в прямом воз-

действии на человека, но и в проникновении подобных газов и металлсодержащих

газообразных флюидов и металлоорганических соединений в подземные воды,

растительный покров, в микробиологическую составляющую почв и почвообра-

зующих пород. По данным В.В.Виноградова (1997), в зоне активного разлома (Ка-

релия) за 24 ч с площади потока около

см

содержание свинца составило поряд-

ка 12 мкг, а алюминия до 250 мкг. По тектоническим нарушениям с парогазовыми

218

глубинными потоками на поверхность поступают не только уже известные глу-

бинные газы, но и ионные парообразные формы практически всех элементов, об-

ладающих еще более проникающим действием и легче усвояемых организмом,

чем обычные аэрозоли. Значительное количество частиц с радиусом менее микро-

на, попадая в легкие, остаются в них. При этом многие вещества, безвредные

в аэрозольном состоянии, становятся чрезвычайно опасными.

Биогеохимические провинции и аномалии

Изначально вопросы биогеохимии растений изучались в геологии в связи с ис-

пользованием представителей растительного мира в качестве биоиндикаторов при

поиске и разведке полезных ископаемых. Прекрасно зарекомендовавший себя метод

был взят на вооружение основателями геохимической экологии и успешно исполь-

зован для целей выявления биогеохимических аномалий, так как состояние биоты

является индикатором экологического благополучия территории вследствие мигра-

ции элементов в системе "горные породы-подземные

воды-газы-почва-биота".

Исследованиями Н.А.Власюка, В.В.Ковальского, Я.В.Пейве, М.Я.Школьника

и других авторов установлено, что поглощение химических элементов растениями

и факторы формирования химического состава растений при нормальном (фоно-

вом) и аномальном их содержании в питающей минеральной среде существенно

различны. Так, для районов развития интенсивных аномалий (например, рудных)

М.А.Глазовской

(1993)

выделяются четыре основных фактора, под влиянием кото-

рых содержание химических элементов варьирует в сотни и даже тысячи раз:

содержание элементов во внешней среде (порода, подземные воды, почва);

формы нахождения элементов в питающей среде, определяющие их доступ-

ность растениями;

наличие или отсутствие у различных видов, органов, частей органов растений

барьеров (порогов) поглощения элементов при высоких содержаниях их в пита-

ющей среде;

степень контакта корней растений с локальными источниками изучаемого

элемента во внешней среде.

Считается, что ландшафтно-геохимические условия произрастания растений,

влияние видовой специализации, фаз вегетации, климатических и погодных усло-

вий и другие факторы - менее значительны и определяют пределы колебания со-

держаний отдельных элементов не более, чем в 10 раз. В целом перечисленные

факторы имеют существенное значение для всех типов аномалий, где концентра-

ции химических элементов в компонентах литосферы сопоставимы или превыша-

ют их содержания в рудных зонах*.

* В фоновых ландшафтах с относительно низкими содержаниями элементов в питающей мине-

рально-органогенной среде дифференцированную роль приобретают ландшафтно-геохимические

условия миграции элементов: щелочно-кислотная и окислительно-восстановительная обстановка,

степень минерализации и состав вод и связанная с ними биогеохимическая специализация растений

по видам, родам и семействам. Оба эти фактора контролируются геохимией элементов, их способно-

стью мигрировать в определенных ландшафтно-геохимических условиях.

219