Глава 4.Техногенная миграция.

Человек геохимически переделывает мир А.Е. Ферсман.

Человечество, осуществляющее техногенную миграцию, ещё плохо знает её законы, - те новые явления, которые стали возникать на нашей планете. Что же нового принесла эта геохимия Земли? Что она сулит в будущем? Эти вопросы затрагивают интересы всего населения земного шара, тесно связаны с материальной и духовной жизнью лю­дей, с их здоровьем и долголетием. Геохимический анализ деятель­ности человечества исключительно важен.

§13. Характеристика техногенной миграции.

1. Общие особенности техногенной миграции.

Геохимическую деятельность человечества А. Е. Ферсман назвал техногенезом. Та часть планеты, которая охвачена техногенезом, представляет собой особую систему – ноосферу. В науках о Земле ноосфера рассматривается как планетарное явление, как особый этап развития планеты, как особая её оболочка, в которой проявляется деятельность человеческого общества. Изучение геохимии ноосферы и техногенеза составляет теоретическую основу рационального исполь­зования природных ресурсов, охраны природы и борьбы с загрязнени­ем окружающей среды. Эти исследования быстро развиваются.

В целом концепция ноосферы разработана слабо, хотя не вызы­вает сомнений основной тезис В.И. Вернадского и А.Е. Ферсмана – человечество становится мощной геохимической силой. По масштабам многие процессы техногенеза намного превышают природные. Так, еже­годно из недр извлекается много больше металлов, чем выносится с речным стоком (Pb – почти в 70 раз, Cr - в 35, Cu - в 30, P - в 20, Fe, Mn - в 10, Zn - 5, Al – в 3 раза и т. д.). Только при сжигании угля освобождается больше металлов, чем выносится с речным стоком (V - в 400 раз, Mo - в 35, Cr - в 20 раз).

В ноосфере происходит грандиозное перемещение атомов, их рас­сеяние и концентрация. Ежегодно в мире перемещаются миллиарды тонн угля, нефти, руд и стройматериалов. В течение немногих лет рассеиваются месторождения полезных ископаемых, накопленные при­родой за миллионы лет. С продукцией сельского хозяйства и промыш­ленности атомы мигрируют на огромные расстояния. Так, с экспортом и импортом зерна в мире ежегодно мигрируют миллионы тонн K, сот­ни тысяч тонн P и N, что лишь в 10 - 100 раз меньше ионного стока рек в океан.

Ноосфере свойственна и механическая, и физико-химическая, и биогенная миграция, но не они определяют её своеобразие: главную роль играет техногенная миграция. В первобытном обществе её эф­фект был незначительным, но уже в государствах античного мира, ко­ренным образом изменивших природу долин Нила (Египет), Амударьи (Хорезм), Тигра и Евфрата (Вавилония), Хуанхэ (Китай), техногенез стал важным геохимическим фактором. Поэтому этап геологической ис­тории, начавшийся около 8000 лет назад называют технозойским или техногеем.

В XX веке техногенез стал главным геохимическим фактором на поверхности Земли. Ежегодно добывается около 100 млрд. т минерального сырья и каустобиолитов, горные и строительные работы пе­ремещают не менее 1 км³ горных пород. Мощность производства удва­ивается каждые 14 - 15 лет. Следовательно, существенное отличие ноосферы от биосферы - огромное ускорение миграции.

В последние десятилетия интерес к геохимии техногенеза и ноосферы связан преимущественно с проблемой загрязнения окружаю­щей среды. Соответствующий раздел геохимии называют ноохимией (геохимией ноосферы).

а) Две группы процессов техногенеза.

Первая группа процессов унаследована от биосферы, к ней отно­сятся биологический круговорот, круговорот воды, рассеяние элемен­тов при отработке месторождений, распыление вещества и многие дру­гие.

Техногенная миграция второй группы находится в резком проти­воречии с природными условиями. Так, характерное для ноосферы ме­таллическое состояние Fe, Ni, Cr, V и многих других элементов не соответствует физико-химическим условиям земной коры. Человек здесь уменьшает энтропию, ему приходится тратить много энергии, чтобы получить и содержать данные элементы в свободном состоянии.

Ни в одной системе космоса мы не встречаемся с такими реакциями, которые бы шли столь очевидно в разрез с законом энтропии. Во всё большем количестве в ноосфере изготовляются химические соединения, никогда в биосфере не существовавшие и обладающие свойствами, не известными у природных материалов (искусственные полимеры, лекарства, краски, сплавы и т.д.). Новым для земной коры является и производство атомной энергии, радиоактивных изотопов, сверхчис­тых веществ.

б) Использование химических элементов.

В 1915 году В.И. Вернадский подсчитал, что в античную эпоху использовалось лишь 19 элементов. В ХVIII в. - 28, в XIX в. - 50, в начале Ив. - 60. Теперь используются все 89 химических эле­ментов, известных в земной коре. Началось также искусственное получение и частичное использование отсутствующих элементов -Рu, Np, Cf и др. Характерна общая тенденция этого процесса: в начале ис­пользовались преимущественно природные вещества - минералы, в том числе самородные элементы (S, Au и др.). Позднее начался син­тез новых соединений элементов, а также получение их в чистом виде (металлургия Fe, Pb, Zn и др.). Наконец, в ХХв. началось использование изотопов.

в) Технофильность и другие показатели техногенеза.

Количество добываемых элементов неодинаково. Так, мировая ежегодная добыча С, измеряется миллиардами тонн, Fe - сотнями мил­лионов, Cu - миллионами, Hg - тысячами, Pt - десятками тонн. Эти различия обусловлены многими причинами. Имеют значение свойства элементов и технология получения. Al и Ti, например, практичес­ки не использовались до XX в., т. к. технология их извлечения из минералов была слишком сложной и дорогой. Большую роль играет и способность элемента к: концентрации в земной коре - образованию месторождений. Так, Hg образует месторождения с большими запасами, и этот редкий металл использовался ещё в древности. У In кларк вы­ше, чем у Hg, но он рассеян и его практическое применение началось лишь в XX в. Но есть ещё один фактор - распространённость элементов. Действительно, как бы Au ни было ценно для человечества, его добыча никогда не сравнится с добычей Fe, т.к. кларк Au 4,3∙10^-7, а Fe - 4,65, т.е. в 10 млн. раз больше. Si и Ge - химические аналоги. Ge похож на Si. Но Si - второй по распространён­ности элемент, а Ge - редок (кларки 29,5 и 1,4∙10^-4). Поэтому Si - основа строительства (кирпич, бетон, цемент и др.), а Ge добывает­ся в ничтожном количестве. Если бы кларк 6ы равнялся 29, то_и этот элемент нашёл бы огромное применение. Исключительная роль Fe (XIXв. – «железный век») связана не только с его свойствами, но и с боль­шим кларком. Поэтому добычу элементов рационально измерять в единицах кларков. Эту величину называют технофильностью - Т. Она равна отношению ежегодной добычи элемента Д к его кларку в земной коре К. Рассмотрим химически родственные элементы – Fe, Mn и Cu, Ag. Они добываются в разных количествах, их кларки различны. Расчёты технофильности дают следующие величины:

Следовательно, в единицах кларков человечество извлекает из недр Fe и Mn, Cu и Ag c равной интенсивностью, пропорционально их распространению в земной коре. Технофильность их одинакова.

Многие химические элементы - аналоги с разными клерками и размерами добычи обладают одинаковой или близкой технофильностью: Cd и Hg, Ta и Nb, U и Mo, Ti и Zr и т.д. Но есть и различия: Cl и F, K и Na, Ca и Mg и др. Технофильность включает не толь­ко использование свободное элемента, но и его соединений, однако расчёт ведется на элемент. Даже если не учитывать полезную расти­тельную массу, а только уголь и нефть, то и в этом случае самым технофильным элементом оказывается C , у которого Т = 1,1∙10^-11. Уголь и нефть в основном используются как источники энергии. Применение их в химической промышленности по массе невелико. Следовательно, максимальная технофильность C отражает огромную важ­ность энергии: для того чтобы переработать и использовать вещест­во, необходимо добыть энергию, обеспечить опережающее развитие энергетики.

Наименее технофильны Y, Ga, Cs, Th. Их низкая техно­фильность, вероятно, - явление временное, и они будут использо­ваться так же, как и другие химически входные элементы.

Технофильность элементов колеблется в миллионы раз - от 1,1∙10¹¹ у C до 1∙ 10³ у Y, в то время как контрасты кларков сос­тавляют миллиарды (n∙10¹- n∙10^-10 и менее). Следовательно, техно­генез ведёт к уменьшению геохимической контрастности ноосферы (по сравнению с биосферой и земной корой).

При техногенезе накапливаются наиболее технофильные элементы: человечество «перекачивает» на земную поверхность из глубин эле­менты рудных месторождений. В результате по сравнению с птриродным культурный ландшафт обогащается Pb, Hg, Cu, Sn, Sb и другими элементами. Из недр ежегодно извлекается больше химических элементов, чем вовлекается в биологический круговорот: Cd - более чем в 160 раз, Sb – 150, Hg – 110, Pb – 35, Fe – 15, U – 6, Sn – 5, Cu – 4, Mo - в 3 раза.

Помимо техкофильности есть много других количественных харак­теристик техногенеза. Так, отношение технофильности элемента (с учётом содержания его в углях) к его биофильности (на суше) назы­вают деструкционной активностью элементов техногенеза (Д), кото­рая характеризует степень опасности элемента для живых организмов. Для Hg Д = n∙104 - n∙10⁵, для Cd и F - n∙10³ , для Sb, As, U, Pb - n∙10², для Se, Be, B, Sn - n∙10, для мно­гих других элементов Д ≤1.

Количество элемента, выводимого ежегодно из техногенного по­тока в природный, называют техногенным геохимическим давлением, отношение его к единице площади - модулем техногенного геохими­ческого давления.

г) Техногенные геохимические аномалии.

Их размеры колеблются в широких пределах. Глобальные анома­лии охватывают весь земной шар (повышенное содержание CO₂ в атмос­фере в результате сжигания угля и нефти, накопление ⁹⁰Sr после ядерных взрывов и др.). Локальные аномалии связаны с конкретным рудн. заводом, городом и т.д. (повышенное содержание металлов в почвах и водах вокруг металлургических комбинатов и др.). Регио­нальные аномалии распространяются на материки, страны, зоны, об­ласти, провинции (применение минеральных удобрений, ядохимикатов).

Техногенные аномалии делятся на литохимические (в почвах, по­родах, строениях), гидрогеохимические (в водах), атмогеохимические (в атмосфере) и биогеохимические (в организмах - фито-, зоо- и антропогеохимические). По влиянию на окружающую среду техноген­ные аномалии делятся на три типа:

1) Полезные аномалии, улучшающие окружающую среду. К ним относятся повышенное содержание Ca в районах известкования кислых почв, до­бавка NaI и KI к поваренной соли в районах развития эндемического зоба, фторирование питьевой воды в городах с распространением ка­риеса, применение Mo, B, Zn и других микроудобрений, подкормки домашних животных CO и т. д.

2) Вредные аномалии, ухудшающие («загрязняющие») окружающую среду.

3) Нейтральные аномалии, не оказывающие влияния на качество окру­жающей среды.

д) Энергетика техногенеза и проблема изменения климата.

Часть используемой в ноосфере энергии производит работу, дру­гая часть неизбежно обесценивается и выделяется в виде тепла. Пока эффект техногенного разогрева невелик - в 25 тыс. раз меньше сол­нечной радиации. Однако в крупных городах техногенное тепло уже достигает от солнечного излучения. Главная причина - отопление жилых домов и промышленных предприятий. Увеличение производства энергии от 5 до 10% в год приведёт к тому, что через 100 - 200 лет техногенное тепло будет соизмеримо с величиной радиационного баланса поверхности Земли. При этом произойдут громадные измене­ния климата.

Месторождения угля, нефти и газа отрабатываются за десятки лет. В результате С снова соединяется с O входит в состав CO₂. Ежегодное потребление угля и нефти добавляет в атмосферу до 9∙10⁹ т СО₂ - 7∙10^-5 %. При современных темпах через 50 лет со­держание СО₂ удвоится и температура земной поверхности за счёт парникового эффекта может повыситься на 4°С. К техногенным парниковым газам относятся также CH₄, N₂O, фреоны, O₃ и др. В результате парникового эффекта возможно растопление льдов Антарк­тики и Арктики, затопление приморских низменностей и другие по­ложительные и отрицательные последствия. Громадная скорость про­цессов ставит сложные проблемы глобального воздействия на атмос­феру с целью стабилизации климата.

Как и в биосфере, в ноосфере происходит раздробление вещест­ва, рост поверхностной энергии (распашка почв, дробление пород, руд и т. д.). С этим связано запыление атмосферы, которое может способствовать похолоданию климата. В этом же направлении действу­ют и другие процессы (вулканизм и др.). Поэтому имеются прогнозы и о глобальном похолодании климата.

В середине XX века человечество столкнулось с новой опаснос­тью - в результате ядерных взрывов в окружающую среду стали посту­пать высокотоксичные радиоактивные изотопы - и др. Ядерная война грозит глобальным похолоданием климата в результате сильного запыления атмосферы («ядерная зима»), уничтожением циви­лизации, а возможно и биосферы.

По аэрокосмическим данным ежегодно в мире вырубается от 7 до 20 млн. га лесов, тропические леса вырублены уже на 50 % площади, леса умеренного пояса - на 30 - 40%. Предполагается, что при современных темпах вырубки тропические и субтропические леса исчез­нут к 2000 - 2025 г. Это нарушит глобальный круговорот воды, O₂, CO₂, резко усилит эрозию почв, запыление атмосферы. Количествен­ный геохимический прогноз здесь затруднён, но отрицательные пос­ледствия вырубки лесов несомненны.

е) Загрязнение среды.

Изменение состава воздуха и воды в промышленных центрах и крупных городах, рост заболеваемости раком лёгких и других забо­леваний составляет отрицательные следствия техногенеза. Загрязне­ние среды быстро увеличивается. Серьёзную опасность представляют ядерные взрывы и аварии на АЭС, техногенные аномалии Нg, Cd, Pb, Cu, Sn, V, Cr, Mo и других тяжёлых металлов. Сернокис­лотные, суперфосфатные, медеплавильные заводы, котельные ГРЭС, ТЭЦ, бытовые топки выбрасывают в воздух много SO₂, который, окис­ляясь и растворяясь в атмосферных осадках, даёт серную кислоту. «Кислые дожди» увеличивают число лёгочных заболеваний, осложняют земледелие. Принос ветрами в Скандинавию SO₂ из Англии и ФРГ привёл к вымиранию лососей (рыба исчезла в тех водоёмах, pH которых понизился до 4).

Серьёзную проблему представляет и загрязнение среды различ­ными органическими соединениями, которые включают канцерогены и мутагены (например, некоторые полициклические ароматические угле­водороды - ПАУ, которые известны в природных ландшафтах). ПАУ поступают из нефти, углей, горючих газов и продуктов их перера­ботки. Опасны также аномалии ядохимикатов. ДДТ обнаружили даже в кишечнике пингвинов Антарктиды. Насекомые привыкают к ядам, а менее выносливые животные от них гибнут.

Загрязнение среды – серьёзная проблема XX века. Катастрофи­ческие экологические ситуации характерны для многих стран. Роль геохимии в решении данных вопросов очень велика.

2. Техногенные системы.

К техногенным системам относятся: техногенные (культурные) почвы, техногенные илы, техногенные коры выветривания, техноген­ные водоносные горизонты, техногенные (культурные) ландшафты.

Примерами полностью техногенных почв (которых не было в био­сфере) служат осушенные торфяники и поливные почвы оазисов. Чаще природный тип почв сохраняется и происходит только окультуривание с помощью различных агротехнических и агрохимических приёмов. В результате неумелого окультуривания происходит ухудшение почв - их эрозия, засоление, заболачивание и т. д.

Техногенные илы часто резко отличаются от ассоциаций природных илов. В городах, в прудах на территории металлургических и химических комбинатов илы почти полностью техногенны, в крупных реках и озёрах они изменены только частично, в морях и океанах изменены в определённых районах. Спектр элементов очень широк – Ag, Hg, Cd, Pb, Ni, Cu, Zn, Sn, Sr, Bi, Mo, P и т.д.

Во многих техногенных илах повышено содержание битумов, металлов, появляются синтетические продукты, неизвестные в биосфере, сущест­венно изменяются микробиологические процессы. Например, в реках и каналах Санкт-Петербурга илы обогащены органическими соединениями (до 30%), Zn и Cu.

На рудниках, вскрывающих сульфидные месторождения, кислород воздуха, проникая к сульфидным рудам, значительно ускоряет окис­ление сульфидов. В результате pH вод местами понижается до 0, формируется искусственная зона окисления - техногенная кора выветривания сернокислого класса. За счёт сернокислых процессов происходит частичная потеря руды, меняется её состав и это важно учитывать технологам.

К техногенным водоносным горизонтам относятся искусствен­ные подземные водохранилища, горизонты, образующиеся при отра­ботке рудных месторождении, методом подземного выщелачивания и др. При этом меняется состав подземных вод. При закачке промышленных стоков в глубокие водоносные горизонты образуются качественно но­вые химические типы вод, не известные в природе.

Вопросы для самостоятельной работы.

§ 13.

1. Дайте определения понятиям «техногенез», «ноосфера».

2. Охарактеризуйте две группы процессов техногенеза.

3. Что такое «технофильность», как она изменяется?

4. Расскажите о техногенных геохимических аномалиях.

5. Какова энергетика ноосферы?

6. Рассмотрите геохимические аспекты проблемы загрязнения окружающей среды. Что такое «ядерная зима»?

7. Приведите примеры техногенных почв, илов, коры выветри­вания.

8. Что такое сернокислый ландшафт, где идут «кислые дожди»?