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

Подождите немного. Документ загружается.

Как отмечалось ранее, недостаток, избыток,

дисбаланс химических элементов в компонен-

тах литосферы приводит к заболеваниям живот-

ных, растений, человека, именуемым в биогео-

химиии "биогеохимическими эндемиями", кото-

рые по существу являются индикатором негатив-

ного воздействия геохимической составляющей

литосферы на развитие биоты. Районы их рас-

пространения, по А.П.Виноградову (1938), име-

нуются биогеохимическими провинциями (био-

геохимические провинции - области на Земле,

отличающиеся от соседних по уровню содержа-

ния в них химических элементов и вследствие

этого вызывающие различную биологическую

реакцию со стороны местных флоры и фауны;

в крайних случаях в результате резкой недоста-

точности или избыточности содержания како-

го-либо химического элемента (или элементов)

в пределах данных биогеохимических провин-

ций возникают биогеохимические эндемии - за-

болевания растений и животных).

Базируясь на идеях биогеохимической гете-

рогенности и зональности континентов, В.В.Ко-

вальский (1982) выделил регионы биосферы -

биогеохимические почвенно-климатические зо-

ны, в пределах которых зональные признаки раз-

нообразия среды и организмов ограничены

по сравнению с экологической системой целой

биосферы. Было выделено три равнинных регио-

на: таежно-лесной нечерноземный; лесостепной

и степной черноземный; сухостепной полупус-

тынный и пустынный. Все горные территории

были объединены в четвертую группу (рис. 28).

В их пределах обособлены субрегионы биосфе-

ры- зональные биогеохимические провинции,

в которых комбинируются признаки зон по кон-

центрациям, соотношениям химических элемен-

тов и биологическим реакциям, и азональные

признаки, которые не соответствуют характери-

стике зон и образуются над рудными телами при

рассеянии в них химических элементов, в бес-

сточных бассейнах, в районах вулканизма. В ка-

честве зональных биогеохимических провинций

221

можно привести провинции Нечерноземья, связанные с недостатком йода, кобаль-

та, меди, часто кальция, с избытком марганца, железа, что обусловлено подвижно-

стью форм кальция, меди, кобальта, йода и других химических элементов в подзо-

лах. Провинции данного типа и эндемии не встречаются в зоне черноземов.

Так называемые азональные, или интерзональные, биогеохимические про-

винции, характерны для территорий образования природных ореолов рассеивания

различных химических элементов. В их пределах развиваются природные биогео-

химические аномалии. Они связаны преимущественно с избытком в среде и орга-

низмах одного химического элемента или их ассоциаций.

Подчеркнем, что биогеохимическое районирование территории России и со-

предельных государств, выполненное в Биогеохимической лаборатории АН СССР

под руководством В.В.Ковальского, очень информативно, так как базируется на об-

ширных данных по биогеохимии и дифференцированному анализу патологиче-

ских состояний организмов. Оно, по существу, создает базу для эколого-геологи-

ческих оценок.

Для современного этапа исследований биогеохимических провинций характе-

рен, как показал В.В.Ермаков, экологический подход. По биогеохимическим критери-

ям оценивается экологическое состояние территории биогеохимических провинций.

Таким образом, специалистами различных естественно-научных школ четко

зафиксированы связи в системах "горные породы-биота", "подземные воды-био-

та", "почвы-биота", "атмогеохимические аномалии-биота". Назрела необходи-

мость на основании данных о патогенных геохимических аномалиях выделять па-

тогенные экосистемы геохимической специализации (литогеохимического, гидро-

геохимического, атмогеохимического либо смешенного типов) с указанием прио-

ритетных токсикантов и характерных реакций биоты.

7.3. Техногенные геохимические поля и аномалии

Литогеохимические

поля и аномалии

Техногенные геохимические поля и аномалии, в том числе и литогеохимиче-

ские, формируются в результате активной хозяйственной деятельности человека

(химические, металлургические предприятия, разработка месторождений полез-

ных ископаемых, транспортные магистрали, сельскохозяйственные районы и др.)

или вследствие техногенных катастроф (Чернобыльская АЭС, Челябинский ком-

бинат). Верхняя часть литосферы - почвы, горные породы, донные осадки - игра-

ет роль аккумулятора, трансформатора техногенного загрязнения.

Существует несколько подходов к оценке величины техногенной нагрузки,

испытываемой природной средой. Например, М.А.Глазовской,

Н.С.Касимовым,

Т.А.Теплицкой, И.А.Авессаломовой и др. (1995) для сравнения различных продук-

тов производства по геохимическому воздействию на окружающую среду предла-

гается использовать суммарный коэффициент ноосферной концентрации

222

где С - содержание компонентов в данном продукте;

- кларки соответству-

ющих компонентов в ноосфере (биосфере); / - число аномальных элементов.

Наиболее высокий

характерен для угля. Именно при использовании угля

в ландшафты поступает избыточное количество по крайней мере 25 элементов,

в том числе углерода, тяжелых металлов, урана. Значительно ниже

С„

для других

видов горючих ископаемых - нефти и газа, хотя с ними поступает избыточное ко-

личество С, N, S, J, Cd, а из инертных газов - Не, Аг.

Для характеристики территориальных особенностей геохимического техно-

генного воздействия этими же авторами предложено использовать региональный

суммарный коэффициент ноосферной концентрации -

где D - техногенное давление различных продуктов на изучаемой территорий, к—

число аномальных элементов.

223

Различия техногенных воздействий реально проявляются в региональном гео-

химическом фоне содержания микроэлементов в почвах

подстилающих горных

породах. Ф.Я.Сапрыкиным (1984) были рассчитаны коэффициенты ноосферной

концентрации Си,

Со,

Mo,

Zn в почвах для территории Черноземной и Нечерно-

земной зон. Согласно полученным данным, в Донецкой области, где наиболее вы-

сокие значения С,„ кларки ноосферной концентрации микроэлементов также име-

ют самые высокие значения. В других областях Черноземной зоны, где значения

в пять и более раз ниже, содержание рассматриваемых микроэлементов уменьша-

ется. В Нечерноземной зоне выделяется повышенным содержанием микроэлемен-

тов Московская область, где и значения

С„

для данной зоны самые высокие. Наи-

более низкие значения

С„

в европейской части России имеют Поволжский (Ярос-

лавская, Костромская области) и Северо-Западный (Ленинградская область и Ка-

релия) экономические районы. Эти области выделяются и самыми низкими клар-

ками ноосферной концентрации элементов в почвах.

Другой подход оценки литогеохимических полей и аномалий нашел отраже-

ние при выполнении многоцелевого геохимического картирования, реализованно-

го в виде атласа геолого-геохимических и эколого-геологических карт масштаба

1:5 000 000 (Э.К.Буренков, М.В.Кочетков и др., 1994-1997). Авторским коллекти-

вом создано 12 базовых карт и проведено районирование территории России

по степени напряженности экологической обстановки с выделением природно-хо-

зяйственных систем в ранге провинций: Кольская горно-тундрово-таежная горно-

рудно-металлургическая; Западно-Сибирская таежно-болотно-мерзлотная неф-

тегазопромышленная; Центрально-Черноземная степная промышленно-хозяй-

ственная и др.

На локальном уровне объективная картина формирования техногенных геохи-

мических аномалий фиксируется данными натурных исследований в почвах, дон-

ных осадках, горных породах. Такие наблюдения выполняются во всевозраста-

ющих объемах в районах действия различных по функциональной направленно-

сти техногенных объектов.

В последнее время широкие комплексные работы по оценке геохимической

ситуации были выполнены в районах развития крупных городских агломераций.

Техногенные ореолы в почвах и горных породах фиксируют интенсивное загряз-

нение в течение последних 20-50 лет. Минимальное время формирования контра-

стных педогеохимических аномалий зависит от типа воздействия и составляет

в среднем

5-10

лет. Однако для таких элементов, как мышьяк, цинк, это может

быть и 1-2 года. Ореолы в почвах более статичны, чем в воздухе, снеге и растениях,

так как они способны аккумулировать поллютанты в течение всего периода техно-

генного воздействия.

* В их число вошли карты: ландшафтная эколого-геохимическая, геохимических аномалий,

геохимической специализации структурно-формационных комплексов, эколого-гидрогеологиче-

ская, эколого-гидрогеологическая, источников техногенного загрязнения, эколого-радиологическая

и оценки экологического состояния геологической среды.

224

Практически повсеместно фиксируется, что загрязнение почв макро- и микро-

элементами приводит к трансформации почвенно-геохимической структуры тер-

ритории. По данным

Н.С.Касымова

(1995), резко возрастает радиальная геохими-

ческая дифференциация почвенного профиля вследствие накопления поллютан-

тов в верхней части профиля; в черноземах равномерное распределение металлов

сменяется поверхностно-аккумулятивным.

Наиболее высокие уровни суммарного загрязнения почв тяжелыми металла-

ми

от 120 до 1000) установлены для городов с развитой цветной и черной ме-

таллургией (Чимкент, Усть-Каменогорск, Мончегорск, Белово, Магнитогорск и др.),

где в эпицентрах аномалий содержания металлов в десятки раз выше ПДК. Почвы

вокруг перерабатывающих заводов загрязнены углеводами, сероводородом, се-

рой, вокруг машиностроительных и химических предприятий - свинцом, медью,

225

226

хромом, железом, кожевенных - хромом. В районах действия обогатительных

фабрик и металлургических заводов наблюдается образование поясов с повышен-

ными содержаниями микроэлементов в почвах и растениях (табл. 47 и 48).

В отходах промышленности количество высокотоксичных элементов значи-

тельно превышает их природные концентрации. Так, с отходами предприятий хи-

мической и машиностроительной промышленности в почву и подстилающие их

горные породы поступает большое количество кобальта и молибдена, а в районах

отстойников текстильной промышленности в приповерхностном слое концентри-

руется марганец, цинк, никель. На диаграмме (рис. 30) показаны загрязняющие ве-

щества, типичные для различных отраслей промышленности.

Как правило, техногенные литогеохимические поля и аномалии вокруг горо-

дов определяются промышленной ориентацией города. Так, по данным биогеохи-

мической индикации для района Братска, характеризующегося развитием произ-

водства алюминия и лесохимии, типоморфными элементами являются цинк и сви-

нец, а для Тольятти, в котором высоко развито автомобилестроение, производство

азотных и фосфорных удобрений, теплоэнергетика, типичными поллютантами, по

данным Н.С.Касимова (1995), являются хром, никель, свинец, медь.

Достаточно типичным для городских почв, а нередко и почвообразующих по-

род, является их ожелезнение и карбонатизация. Вследствие карбонатизации почв

увеличивается их щелочность, идет насыщение поглощенного комплекса основа-

ниями, многие металлы связываются в труднорастворимые формы. При значи-

тельном поступлении карбонатной пыли в кислые и нейтральные почвы происхо-

дит изменение класса водной миграции ландшафта.

В лесной и лесостепной зонах кислые, кислые глеевые, нейтральные и ней-

трально-глеевые классы трансформируются в кальциевые и кальциевые глеевые

классы водной миграции. Щелочная техногенная трансформация городских почв

ведет к изменению их буферности, увеличению поглотительной способности,

уменьшению возможности выноса и миграционной способности многих поллю-

тантов и, прежде всего тяжелых металлов.

Сателлитами любого промышленно-городского хозяйства являются хранили-

ща отходов: бытовых, строительных, специфических производственных, явля-

ющихся источниками пыли, техногенных газов и токсичных стоков. Состав ток-

сичных стоков зависит от вида хранящихся отходов. Если в хранилищах промыш-

ленных отходов просачивающиеся воды содержат те же вещества, что и сами отхо-

ды, то из хранилищ бытового мусора в первую очередь вымываются продукты

брожения, гниения.

Особую опасность представляют хранилища смешанного типа. В массе таких

отходов происходит взаимодействие между веществами, образовавшимися при

анаэробном брожении, и токсичными веществами из промышленных отходов, что

может привести к растворению последних, например, в результате комплексооб-

разования.

Практически повсеместное развитие на территории России имеют геохимиче-

ские аномалии, связанные с сельскохозяйственным производством. Ежегодно

в сельскохозяйственные ландшафты вносится до 600 кг/га элементов в минераль-

ной форме. Среди веществ, постоянно вносимых в приповерхностную часть лито-

сферы, преобладают соединения бора, марганца, молибдена, меди. Особенно ин-

тенсивное поступление элементов происходит с фосфатными удобрениями, в ко-

торых, помимо кадмия, содержится большое количество и других микроэлемен-

тов, мг/кг: As - 2-1200; В - 5-120; Си - 1-300;

РЬ

- 7-255; Hg - 0,01-1,2; Zn - 50-

1450. В некоторых калийных удобрениях содержание калия достигает 500 мг/кг,

227

тогда как в почвах оно составляет обычно около 1

мг/кг;

иногда в этих удобрениях

регистрируются повышенные количества изотопа калия.

В случае невысокого внесения удобрений (менее

90-100

кг/га) формирование

природно-техногенных нитратных аномалий сдерживается процессом денитри-

фикации. При превышении данного критического порога процессы денитрифика-

ции отстают от темпов роста техногенного загрязнения

Ж>з,

и это приводит к фор-

мированию природно-техногенных нитратных геохимических аномалий.

Большую долю в общем техногенном воздействии в сельскохозяйственных

районах, особенно на орошаемых землях, занятых ценными культурами, составля-

ют пестициды и дефолианты. Так, в Германии ежегодно расходуется 12 тыс. т раз-

личных пестицидов. При этом часть их попадает в почву и аккумулируется в ней

на глубине до 30-40 см, а в некоторых случаях до 60 см. Из почвы они переходят

в растения, а затем в организм животных. В результате скармливания ботвы сахар-

ной свеклы с полей, обработанных препаратом 2,4Д, произошло отравление скота.

Животноводческие комплексы территориально занимают значительно мень-

шие площади. Они состоят из разнородных, но связанных в единое целое частей:

пастбищ, выгонов, ферм, зон утилизации. Вынос элементов в литосферу идет пре-

имущественно в биогенной, минеральной форме или в виде растворов, и как след-

ствие, в литосферу в больших количествах поступают углерод, фосфор, азот, сера,

калий, кальций, алюминий, магний.

Практически для всех техногенно-развитых территорий в аквальных ландшаф-

тах идет формирование литогеохимических аномалий в донных осадках. Специфи-

кой данных аномалий является тонкодисперсный состав осадков, их повышенная

пластичность, иногда желеобразная консистенция, наличие частиц техногенного

происхождения, маслянистость, специфический запах (нефтяной, сероводородный,

фекальный). Техногенные илы обогащены органическим веществом, карбонатами,

оксидами и гидроксидами железа и алюминия, а также повышенными количествами

органических загрязняющих веществ - нефтепродуктов, ПХБ и др.

Формирование типоморфных ассоциаций элементов в донных отложениях

обусловлено наличием в районе природных и техногенных литогеохимических,

гидрогеохимических, аэрогенных аномалий. Так, в районах развития рудных тел

и при разработке промышленных залежей состав токсикантов будет характеризо-

ваться составом типоморфной рудной ассоциации элементов. В пределах город-

ских агломераций типоморфные ассоциации элементов обусловливаются специа-

лизацией промышленного производства и типом поселения (табл. 49).

Речные наносы мелких фракций, обладая высокой сорбционной способностью,

в процессе своего перемещения и отложения в русле реки накапливают весь комп-

лекс химических элементов, присутствующих в воде. Концентрация загрязняющих

химических элементов в наносах размером меньше 0,02 мм (глинистые и пылева-

тые частицы) зачастую превышает их концентрацию в речной воде в 5-10 раз.

Донные отложения вследствие своих высоких сорбционных свойств могут

рассматриваться как интегральный индикатор техногенной нагрузки на реку, и их

изучению следует отводить важное место в общей системе наблюдений за состоя-

228

229

нием водной среды. Они показывают среднее загрязнение за длительный проме-

жуток, так при среднем содержании в 1 л воды 25 мг взвешенного вещества можно

считать, что изучение верхних 3-5 см толщи донных отложений дает данные о за-

грязнении за последние 3-12

мес.

Несколько лет назад выявлены "осадочные ло-

вушки", с помощью которых точно определяется исследуемый временной проме-

жуток. В настоящее время на Эльбе в Германии установлено восемь таких лову-

шек, пробы из которых берутся раз в месяц. Изучение донных отложений требует

по сравнению с гидрохимическими и гидробиологическими исследованиями зна-

чительно меньших затрат, поскольку нет необходимости в организации ежегодных

режимных наблюдений. Например, в Германии при проведении экологического

мониторинга для выявления тенденции в изменении загрязнения реки периодич-

ность отбора проб донных отложений составляет 3-5 лет. Результаты исследования

речных донных отложений позволяют установить наиболее неблагополучные

экг

логическом отношении участки реки и, в конечном счете, скорректировать

состав и объем мониторинга речного бассейна.

Еще одним аспектом воздействия донных осадков на экосистемы и здоровье

человека является их способность становиться устойчивыми источниками загряз-

нения водной среды и почв. Первое пояснения не требует, а второе нуждается

в комментарии.

При перенесении донных отложений на почвы, что осуществляется при про-

ведении землечерпательных и дноуглубительных работ в акваториях портов, чист-

ке судоходных каналов, необходимо знать абсолютный потенциал загрязняющих

веществ. В основном это зависит от того, какую часть в донных отложениях со-

ставляет мелкозернистая фракция.

Гидрогеохимические аномалии

Техногенные гидрогеохимические аномалии формируют преимущественно

соединения азота (в первую очередь, нитраты), алюминия, железа, марганца, бе-

риллия, кадмия, ртути. Отдельные устойчивые загрязнители представляют собой

опасность из-за накопления их в пищевых цепочках; это может привести к вредно-

му воздействию на высоких трофических уровнях. К таким веществам относятся

хлорорганические пестициды, полихлорбифенилы (ПХВ), некоторые тяжелые ме-

таллы и радионуклиды.

Так, по данным

С.Р.Крайнова

и др.

(1994),

нерациональная эксплуатация мес-

торождений подземных вод хозяйственно-питьевого водоснабжения усиливает

гидродинамические и геохимические взаимодействия водоносных горизонтов

и приводит к подтягиванию менее кондиционных вод смежных водоносных гори-

зонтов. Классическим примером в этом отношении является Молдова, где в арте-

зианском бассейне, заполненном фтороносными подземными водами, осуществ-

лялась нерациональная эксплуатация нижнесарматского и верхнемелового водо-

носных горизонтов и в итоге были сформированы техногенные гидрогеохимиче-

ские аномалии, что вызвало увеличение количества населения, пораженного

230