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 XXв. – 60. Теперь используются все 89 химических эле­ментов, известных в земной коре. Началось также искусственное получение и частичное использование отсутствующих элементов – Рu, Nb, 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 (XIX в. – «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 природным 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 технофильности 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 рудным 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 – ⁸⁷Sr, ¹³⁷Cs, ¹³¹I 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.