Лекции_Общая геохимия

17. ГЕОХИМИЯ ТЕХНОГЕНЕЗА

17.1. Ноосфера

Часть планеты, охваченная техногенезом, представляет собой особую систему - ноосферу. В.И. Вернадский писал в 1944 г.: "Ноосфера есть новое геохимическое явление на нашей планете. В ней впервые человек становится крупнейшей геологической силой. Он может и должен перестраивать своим трудом и мыслью область своей жизни, перестраивать коренным образом по сравнению с тем, что было раньше. Перед нами открываются все более и более широкие творческие возможности".

В разработке проблем ноосферы особенно важен контакт с другими науками, в частности с экономической географией, к чему призывал Ю.Г. Саушкин. Его идеи о преобладании территориальной концентрации над территориальным рассеянием, о поляризации различных участков ноосферы и др у- гие важны и для геохимии ландшафта. Однако, в целом концепция ноосферы разработана слабо.

В ноосфере происходит грандиозная миграция атомов. Ежегодно перемещаются миллиарды тонн угля, нефти, руд. Эколого-геохимическая классификация веществ, участвующих в техногенезе, представлена на рис. 17.1.

Сэкспортом и импортом зерна в мире ежегодно мигрируют миллионы тонн К, сотни тысяч тонн Р и N, что лишь в 10 - 100 раз меньше ионного стока рек в океан. Н.Ф. Глазовский показал, что вывоз N, Р и К с зерновой продукции только с территории степной зоны России и Казахстана с о о т - в е т с т в уе т и о н н о м у с то к у э ти х эл е м е н то в в К а с п и й с к о е м о р е . По О.П. Добродееву масштабы многих процессов техногенеза значительно (рис.17.2) превышают природные, ежегодно из недр извлекается больше металлов, чем выносится с речным стоком. Только при сжигании угля освобождается больше металлов, чем выносится с речным стоком (V - в 400 раз, Мо - в 35, С - в 20 раз и т.д.).

Техногенные

воздействия

Рис. 17.1. Классификация техногенных воздействий (по Н.П. Солнцевой).

211

меньше солнечной радиации. Однако в крупных городах техногенное тепло уже достигает 5% от солнечного излучения. Главная причина - отопление жилых домов и промышленных предприятий. По М.И. Будыко, увеличение производства энергии от 5 до 10% в год приведет к тому, что через 100 - 200 лет техногенное тепло будет соизмеримо с величиной радиационного баланса земной поверхности. При этом могут произойти громадные изменения климата.

Месторождения угля, нефти и газа отрабатываются за десятки лет. В результате углерод снова соединяется с кислородом и входит в состав СО2. Ежегодное потребление угля и нефти добавляет в атмосферу до 9х109 т СО2. При современных темпах через 50 лет содержание СО2 удвоится и температура земной поверхности за счет парникового эффекта может повыситься на 4°С. К техногенным парниковым газам относятся также метан, закись азота, фреоны, озон и др. В результате парникового

эффекта возможно частичное растопление льдов Антарктики и Арктики, затопление приморских низменностей и другие положительные и отрицательные последствия.

С распашкой почв, дроблением пород, руд и т.д. связано запыление атмосферы, которое может способствовать похолоданию климата. В этом же направлении действует вулканизм.

212

17.3. Информационные особенности техногенеза.

При техногенезе в ландша наряду с водными, воздушными биотическими и биокосными связями возникли новыесоциальные (между общественными группами людей) и природно-социальные, которые приобрели важнейшее значение. В техногенных ландшафтахпреобладает специфическая "социальная информация", намного расширились скорость и способы ее передачи (печать, радио, телевидение и т.д.). Произошел информационный взрыв, хотя биологическая информация часто уменьшается.

Потеря природной информации с избытком компенсируется ростом техно-

генной. В целом в геохимическом отношении техногенные ландшафты разнообразнее природных. Рост разнообразия в ноосфере, уменьшение в ней энтропии сопряжены с огромным увеличением энтропии в земной коре - рассеянием месторождений полезных ископаемых, сжиганием угля, нефти, горючих сланцев и газов, распадом ядер урана и плутония.

17.4. Эволюция техногенеза.

Впервобытном обществе эффект техногенеза был незначительным, но уже в государствах античного мира, коренным образом изменивших ландшафт долин крупных рек, техногенез стал важным геохимическим фактором. Поэтому этап геологической истории, начавшийся около 8000 лет назад, В.А. Зубаков предложил называть технозойским, или техногеем.

ВXX в. техногенез стал главным геохимическим фактором на поверхности Земли. По Е.М. Сергееву, ежегодно добывается около 100 млрд. т минерального сырья и каустобиолитов, горные и строительные работы пе-

ремещают не менее 1 км3 горных пород, что соизмеримо с денудационной работой рек. В.А. Ков-

да подчеркивал, что "диспергирование и эолизация вещества суши" в е- дут к возрастанию геохимической роли поверхностной энергии, сорбции. Мощность производства удваивается каждые 15 лет. Поэтому сущес т- венное отличие ноосферы от биосферы — огромное ускорение геохимических процессов.

17.5. Загрязнение окружающей среды.

Это важное и нежелательное следствие техногенеза. Ярким примером служат т.н. "кислотные дожди". Они связаны с работой серно-кислотных суперфосфатных, медепавильных и ферросплавных заводов, котельных ГРЭС, ТЭЦ, бытовых топок, которые выбрасывают в воздух много

SO2.

Последний, окисляясь и растворяясь в атмосферных осадках, дает серную кислоту. "Кислые дожди" увеличивают число легочных заболеваний,

осложняют земледелие, разрушают памятники архитектуры. Принос ветрами в Скандинавию SO2 из Англии и ФРГ привел к вымиранию лососей (рыба исчезала в тех водоемах, рН которых понизился до 4,0. В канадской провинции Онтарио из -за кислых дождей, поступающих из США, стали безжизненными более 148 озер.

213

Полагают, что в среднем около 30% окислов серы атмосферных осадков имеет техногенное происхождение (в умеренной зоне Северного полушария до 50%). Кислые дожди характерны и для отдельных регионов России.

Следуя закону Вернадского о ведущей геохимической роли живого вещества, М.А. Глазовская предложила незагрязненными считать такие биокосные системы, в которых колебания концентрации и баланс форм нахождения техногенных веществ не нарушают газовые, концентрационные и окислительно -восстановительные функции живого вещества, не вызывают нарушения биогеохимических пищевых цепей, количества и качества биологической продукции, не снижают ее генетическое разнообразие. Нарушение названных условий означает техногенную трансформацию или разрушение природной системы.

Загрязнение среды серьезная проблема XX в.

17.6. Техногенные процессы.

Известно два геохимических типа техногенной миграции (рис.17.3).

Рис. 17.3. Геохимические типы техногенной миграции

Техногенная миграция, унаследованная от биосферы, но измененная в ноосфере. Так же, как и в биосфере, в техногенных ландшафтах протекает биологич е-

ский круговорот, элементы мигрируют в водах и атмосфере. Это позволяет устанавл и- вать ряды миграции, типоморфные элементы, коэффициенты биологического поглощ е- ния. Такие понятия, как "биомасса", "ежегодная продукция", "дефицитные и избыточные элементы", применимы и к техногенезу. Для характеристики техногенных ландшафтов часто используют коэффициент К. В результате орошения пустынь, осушки болот, строительства гидростанций, использования подземных вод в ноосфере изменяется и круговорот воды. Дефицит пресной воды становится одной из наиболее актуальных проблем. Затрачивая энергию на опреснение морской воды, очистку водопроводной воды, уменьшение ее жесткости и т.д., человечество выступает в роли антиэнтропийного фактора. По сравнению с биосферой для ноосферы характерно еще более грандиозное рассеяние элементов, которые концентрировались природой на протяжении геологической истории. Это увеличивает энтропию 23. В течение немногих десятилетий отрабатываются крупнейшие месторождения Fe, Си, Рв, Zn и т.д. Заключенные в них атомы мигрируют на тысячи километров, пересекают океаны и континенты.

23 Понятие введенное в термодинамику для определения меры необратимого рассеяния энергии. Упрощенно энтропия – это мера энергетического равновесия, мера устойчивости энергетического состояния (перехода всей энергии в тепловую) (Реймерс, 1990).

214

Геохимическая классификация техногенных процессов. Техногенные процессы мо-

гут систематизироваться по режимам (постоянные, периодические, катастрофические), модулям нагрузки на среду, объемам выбросов, источникам загрязнения, химическому составу выбросов, стоков и т.д.

Н.П.Солнцева разработала классификацию техногенеза, связанного с добычей и переработкой полезных ископаемых. Эта классификация учитывает типы ответных реакций природных систем на техногенез. С некоторыми допо лнениями и изменениями она показана на рис. 17.4. Кроме того, можно различать техногенные и природнотехногенные процессы. Их соотношение показано на рис. 17.5.

Техногенные источники загрязнения. По A. M . Рябчиков у, ежегодно в мире создается около 20 млрд . т промышленных отходов, столько же сельскохозяйс т- венных и до 4 млрд. т бытовых. В среднем количество мусора ежегодно возрастает на 2 - 3%. Среди источников загрязнения особенно важно учитывать источники промышленных узлов и городов.

Рис.17.4. Схема техногенных и природно -техногенных геохимических процессов при добыче и переработке полезных ископаемых.

условиями. Характерное для ноосферы металлическое состояние Fe, Al, Cu, Zn и других металлов не соответствует физико-химическим условиям земной коры. Человек здесь уменьшает энтропию и тратит много энергии, чтобы получить и содержать металлы в свободном состоянии. Во все б ольшем количестве производятся химические соединения, в биосфере не существовавшие, обладающие свойствами, неизвестными у природных материалов (искусственные полимеры, пластмассы и т.д.). Новым является производство атомной энергии, получение радиоактивных изотопов. Наконец, чужды биосфере экспорт - импорт и др. виды миграции, подчиняющиеся социальным законам. Для характеристики подобных процессов недостаточно старых понятий и методов, необходимы новый понятийный аппарат и новые подходы к исследованиям.

Рис.17.5. Соотношение природных, природно-техногенных и техногенных процессов, миграции, ландшафтов.

Геохимия городской среды наряду с природными условиями определяется количеством техногенных расположением, мощностью и качественным составом загрязняющ их

215

веществ. Наиболее опасная экологическая ситуация складывается в крупных промышленных центрах, где происходит кумулятивное воздействие на природную среду и человека различных производств, транспорта, муниципальных и других отходов. Г ла в - н ыми и ст очник ами з агрязн ени я являю т ся не утилизированные промышленные и коммунально-бытовые отходы, содержащие токсичные химические элементы. Особенностью городов является наложение полей загрязнения различных производств и видов хозяйственной деятельности и формирование полиэлементных техногенных геохимических аномалий в воздухе, снежном, почвенном и растительном покровах, поверхностных

и грунтовых водах.

Рис. 17.6. Систематика техногенных отходов.

Техногенные отходы подраз-

деляются на жидкие и твердые

(преднамеренно собираемые и депонируемые), стоки (поступающие в окружающую среду в виде жидких потоков, содержащих твердые взвешенные частицы) и выбросы (рассеяние в атмосфере загрязняющих веществ в твердой, жидкой и газообразной формах). При мониторинге техногенные отходы делятся на орга-

низованные -поступающие в окружающюю среду через специальные устройства (трубы, факелы, очистные сооружения, накопители шлаков, отвалы), поддающиеся контролю и неорганизованные (утечки и выбросы загрязняющих веществ в системах трубопроводов, канализации, при авариях, перевозке отходов и т.д.), постоянный контроль которых затруднен.

Промышленные отходы. С выбросами и стоками в крупных промышленных городах поступают ежегодно сотни тысяч и даже миллионы тонн загрязняющих веществ. Особую опасность представляют отходы с высокими концентрациями токсичных химических элементов и их соединений, иногда в сотни и тысячи раз превышающими их средние содержания в биосфере. Автотранспорт и теплоэнергетика по объему поллютантов занимают одно из первых мест и поставляют в атмосферу продукты сгорания угля, нефти, газа и их производных — мазута, бензина и др. Основными поллютантами являются оксиды углерода и азота, сернистый ангидрид, пыль, нефтепродукты, токси ч- ные микроэлементы. У

автотранспорта это Pb, Cd, Hg, Zn и др., в теплоэнергетике - В, Be, Mo, As, a также полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) 3,4 бензпирен и др., которые включают канцерогены и мутагены. Техногенные аномалии ПАУ образуются вокруг промышленных предприятий, нефтяных промыслов, угольных шахт, автодорог и т.д. (Т.М. Белякова, Ю.И. Пиковский, Ф . Я . Р ови н ск ий , В . Н . Флоровск ая и др . ) - С эл ек тротехн ич еск и й промышленностью связано загрязнение среды полихлорированными бифенилами (ПХБ).

Металлургия и металлообработка. Особенно высокие концентрации тяжелых металлов содержатся в выбросах и осадках очистных сооружений гальванических производств, где концентрации Cd, Bi, Sn и Ag в тысячи, а РЬ, Си, Сг, Zn и Ni в сотни раз выше кларков литосферы. Высокими кларками концентрации характеризуются также предприятия по переработке цветных металлов, машиностроительные и металлообрабатывающие заводы, инструментальные цехи,

216

пыли которых отличаются самой широкой ассоциацией загрязнителей ( W, Sb, Cd, Hg - тысячи КК; Pb, Bi, Zn, Cu, Ag, Zn и As - сотни и десятки КК). Отдельные производства имеют специфические загрязнители (сварка и выплавка спецсплавов Мп; переработка лома цветных металлов As; металлообработка V;

производство никелевого концентрата - - Ni, Сr, Со; алюминия - Al, Be, F, ПАУ и др.).

Нефтеперерабатывающая, нефтяная, химическая промышленность поставляют в окружающую среду главным образом газообразные соединения - оксиды азота, углерода, диоксид серы, углеводороды, сероводород, хлористые и фтористые соединения, фенолы и др., содержания которых иногда в десятки и сотни раз превышают предельно допустимые концентрации (ПДК) в атмосфере.

Таблица 17.1

Состав продуктов сгорания нефти, попутного газа и конденсата Юрубчено-Тохомского месторождения (Битнер, 2010)

Таблица 17.2

Летучие органические продукты горения конденсата

Летучие органические соединения, идентифицированные в нефти и конденсатах имеют очень широкий спектр. Всего 69 соединений (рис. 17.7), среди которых метилбензол, 1,2 - диметилбензол, нонан, декан, ундекан имеют выход более 20 мкг/г. Спектр летучих органических соединений в продуктах сгорания конденсатов уже (табл. 17.3). Доминирующими веществами в продуктах сгорания являются гептан, 2.3-диметилгептан и нонан.

217