Количественные показатели техногенного геохимического воздействия

Геохимия техногенных ландшафтов

Техногенез (техногенная миграция химических элементов) - процессы миграции химических элементов, связанные с деятельностью человеческой цивилизации.

По мере развития человеческого общества в техногенез вовлекается все большее число химических элементов. В древности использовались лишь 18 элементов, в XVIII в. - 28, в XIX в. - 62, в 1915 г. -71, в настоящее время — все известные на Земле элементы и, кроме того, неизвестные в природных условиях нептуний, плутоний и др. трансураны, а также радиоактивные изотопы известных элементов (Sr⁹⁰, I¹³¹ и др.).

Масштабы ежегодной добычи колеблются от миллиардов тонн для С (уголь, нефть) до десятков тонн для Тl, Рt, Тh, Ga, In, т.е. различаются в сотни миллионов раз. Эти различия связаны со свойствами элементов (их ценностью для хозяйства), технологией получения, способностью к концентрации в земной коре, но также и с распространенностью в земной коре, т.е. с кларком.

Интенсивность поступления того или иного химического элемента с техногенными потоками в биосферу определяется интенсивностью его использования в хозяйственной деятельности человека.

Использование химических элементов человечеством зависит от многих причин. Несомненно, играют роль их свойства - у одних более ценные, чем у других. Важное значение имеет и технология извлечения: алюминий и титан практически не использовались до начала ХХ века, так как технология извлечения их из минерального сырья была сложной и дорогой для того уровня развития техники. Большую роль играет и способность элементов концентрироваться в земной коре.

Например, ртуть образует месторождения с большими запасами и этот металл, несмотря на его редкость, использовался еще в древности.

Но существует и еще один фактор - распространенность элементов, их кларки в земной коре. Как бы ни было ценно золото для человечества, его добыча никогда не сравняется с добычей железа, т.к. кларк золота - 4.3 ×10^-7 % , а железа - 4.65 %. Кремний и германий - химические аналоги и оксид германия GeO₂ похож на оксид кремния SiO₂. Но кремний - второй по распространенности элемент в литосфере (кларк 29.5%), а германий - редкий элемент (кларк 1.4 × 10^-4 %). Поэтому соединения кремния - основа практически всех используемых человечеством строительных материалов, а германий добывается в небольшом количестве и используется в основном в электронной промышленности. Если бы кларк германия был бы столь же высок, как у кремния, то и этот элемент нашел бы большое применение.

Степень специального использования химического элемента в техносфере к его содержанию в литосфере характеризует технофильность элемента.

Технофильностью элемента называется отношение его ежегодной добычи к его кларку в литосфере.

В принципе можно рассчитать технофильность элемента для отдельной страны, группы стран, всего мира. Естественно, что технофильность элементов динамический показатель и может резко изменяться во времени. На рис.3.1 приведены значения технофильности химических элементов, используемых в настоящее время человечеством [ 14 ].

Рис. 3.1 Технофильность химических элементов.

Многие химические элементы-аналоги с разными кларками и размерами добычи обладают одинаковой или близкой технофильностью, т.е. в единицах кларков человечество извлекает их из недр практически пропорционально их распространенности в земной коре. Это Сd и Hg, Та и Nb, U и Мо, Тl и Zr. Но есть и различия: Сl и F, К и Na, Са и Мg и др.

Технофильность очень динамична. По А.Е. Ферсману, добыча основных металлов за XIX век увеличилась примерно в 100 раз. К 1934 г. среднее ежегодное потребление за 15 - 30 лет увеличилось: А1, Сu, Мо, W, К, Не - в 200 - 1000 раз; Fе, С, Мn, Ni - в 50 — 60 раз; Zn, Рb, Nа+Сl, S, N, Р, Аu - в 15 — 40 раз; Аg, Sn, U, Со, Нg - менее 10 раз. "Особый рост добычи в последние годы обнаруживают металлы, связанные с металлургией железа (Fе, Мn, Мо, W, Сr, Ni), элементы электротехники и воздухоплавания (Аl, Сu, редкие металлы) и элементы сельского хозяйства (К, Р, N)", — писал Ферсман в 1934 г.

За счет увеличения добычи нефти и газа продолжается, но не столь сильно, как прежде, рост технофильности углерода, производство фосфорных удобрений, доломита, магнезита привело к увеличению технофильности фосфора и магния. Научно-техническая революция, развитие космической техники, электроники и теплоэнергетики в 5 — 10 раз увеличили технофильность редких элементов — Тh, In, Hf, Nb, Zr, Ве, Ga. Выявилась новая тенденция — рост технофильности С1, В, I, S а также некоторых щелочных и щелочноземельных металлов — Li, Sr, Ва. В первом случае это связано с производством хлорорганических соединений, серосодержащих газов и сульфидных руд, а во втором — производством ядерного топлива, алюминия, апатитов, фосфорных удобрений и др.

Сопоставление ежегодного мирового производства химических элементов не с

кларками, а известными запасами в земной коре показывает долю их извлечения из разведанных месторождений полезных ископаемых. По сравнению с запасами больше всего добывается Аu и углерода нефтей — около 10%, а также Рb, In, Li, Zn, Р, S, Сu, Мо, Нg, Sb, Ва и Аg – 1-5%. В десятых долях процента извлекаются из запасов Сr, С (уголь), Ni, Fе, I, V, Аl, Мn, В. Невелика доля извлечения К, Тl, С1, Мg и Zr - 0,0n—0,000n%. По сравнению с добычей практически неисчерпаемы ресурсы Н, Nа, Са, Si, Вr.

Чрезвычайно низко по сравнению с запасами (n10^-5%) производство благородных газов. Как и технофильность, этот показатель меняется во времени из-за колебаний производства и изменения известных запасов каждого элемента.

Добыча элементов складывалась стихийно в зависимости от экономических условий, прогресса техники, находок месторождений и т.д. И все же очевидна регулирующая роль кларка. В будущем зависимость добычи от кларков, вероятно, станет еще более тесной, так как богатые месторождения быстро отрабатываются и со временем, человечество перейдет к эксплуатации гранитов, базальтов и других горных пород, в которых содержания элементов близки к кларкам.

Различия в технофильности определяют изменение элементарного состава ландшафтов, накопление в них наиболее технофильных элементов. Впервые на это обратила внимание М.А. Глазовская, отметившая, что для культурных ландшафтов характерно "ожелезнение", возрастание относительной роли Сu (по сравнению с Zn), Ni (относительно Со) и т.д. [Пер].

Человечество "перекачивает" на земную поверхность химические элементы, сосредоточенные в гидротермальных и других глубинных месторождениях. В результате ландшафт обогащается Рb, Нg, Сu, Zn, Sb и другими элементами.

Bз недр ежегодно извлекается больше ряда химических элементов, чем вовлекается в биологический круговорот: Сd — более чем в 160 раз, Sb — 150, Нg — 110, Рb — 35, F — 15, U — 6, Sn — 6, Сu — 4, Мо — в 3 раза [Пер].

Другим количественным показателем техногенного воздействия является общее техногенное использование элемента или техногенность ТГ [ 16 ]:

ТГ = (М1 + М2 ) / Кк ,

где М1 и М2 - соответственно вовлечение элемента в техногенные потоки для специального техногенного использовани и в качестве побочных продуктов (отходов);

Кк - кларк элемента в биосфере.

Показатель техногенности количественно характеризует степень общего вовлечения в техногенные потоки, в отличие от технофильности, характеризующей только степень специального вовлечения элемента.

Отношение показателей технофильности к техногенности элемента характеризуется коэффициентом полноты техногенного использования Р [ 16 ]:

Р = ТФ / ТГ

Кроме этих показателей, характеризующих интенсивность использования, а следовательно, количество элементов в техногенных потоках, используются удельные показатели техногенного геохимического давления (Д) и модуль техногенного давления (МД):

Д = М1 + М2 ,т/год

МД = Д /S, т/год ×км2 ,

где S - площадь рассматриваемого региона, км2.

В табл. 3.1 и 3.2 приведены данные по количественной оценке коэффициента полноты техногенного использования (Р) и модуля техногенного давления (МД) для современной техносферы Земли.

Таблица 3.1. Значение коэффициента полноты техногенного использования

для современной техносферы

Коэффициент Р,%	Элементы
более 90	Cl, Ag, Ba
50 - 90	Li, Na, Mg, P, K, Ca, Cr, Fe, Ni, Cu, Zn, Br, Sn, Hg, Pb
20 - 50	B, N, F, Co, Mo, Cd, W, Au, Bi
20 - 10	Al, S, V, As, U
1 - 10	Be, Se, I, Cs
менее 1	Sc, Ti, Ga, Ge

Таблица 3.2. Значение величины модуля техногенного давления для современной техносферы

Модуль техногенного давления,т/км2×год	Элемент
500 - 1000	Na, Cl, Ca, Fe
200 - 500	S
100 - 200	N, K
50 - 100	Al
20 - 50	P
10 - 20	Ti, Mn
1 - 10	B, F, Mg, Cu, Zn, Ba, Pb
0,1 - 10	V, Cr, Ni, As, Br, Sr, Mo, Cd, Sn, I,U

Как видно из табл. 3.1 , для многих элементов миграция в виде попутных примесей превышает их специальную добычу (As, U, S, V, Be, Se, I, Ge, Ti).

Техногенное давление определяется использованием в техносфере различных видов сырья. В глобальных масштабах с использованием угля связано техногенное рассеивание Be, B, S, V, Mn, Ge, Ga, As, Se, Ag, Cd, U, W; для нефти - Li, S, Br, Cd, I; минерального сырья - Сг, Cu, Zn, Bi, Hg, Pb, Ni, Cl, Na, P, B, S.

Наибольшее техногенное давление присуще Na, Cl, Ca, Fe, S, N, K, причем рассеивание серы ( в основном в виде оксидов ) приводит к кислотному загрязнению атмосферных осадков и поверхностных вод, N и К - к увеличению содержания в водоемах питательных веществ (евтрофикация водоемов) и нарушению в них экологического равновесия ( бурное развитие сине-зеленых водорослей).

А.Е.Ферсман, назвавший промышленное геохимическое воздействие на окружающую среду техногенезом, на примере распределения годовой добычи металлов наглядно показал, что их концентрирование при переработке руд и последующем хозяйственном использовании - временный, промежуточный этап процесса, конечным итогом которого является безвозвратное распыление, рассеивание вещества. А.Е.Ферсман также отмечал, что геохимическая миграция, обусловленная деятельностью человека, превышает по скорости природные процессы геохимической миграции.

Многочисленные исследования, проведенные в последнее время, показывают соизмеримость масс транспортируемого в природе вещества (речной сток и атмосферный аэрозоль) с массами антропогенного происхождения.

Так, при общем природном транспорте вещества речным стоком в 19 ×10⁹ т/год атропогенный вклад - 2 ×10⁹ т/год (более 10%). Для атмосферы антропогенный вклад по пыли составляет 5 - 10% от общего ее количества в атмосфере.

Химические элементы, поступающие в биосферу в результате техногенеза, в большинстве своем не включаются в процессы самоочищения. В ходе своей миграции они меняют лишь уровень своего содержания или формы нахождения в том или ином объекте биосферы. Включаясь во все типы миграционных потоков и биологические круговороты, они неизбежно приводят к загрязнению важнейших жизнеобеспечивающих природных сред: воздуха, воды, пищи. Особую опасность представляют миграционные потоки так называемых "тяжелых металлов" (Cu, Zn, Cd, Hg, Pb, Co, Ni и др.). Вследствие очень низких кларков этих элементов в биосфере живые организмы не способны адаптироваться к их высоким концентрациям, поэтому токсичность этих элементов для живых организмов проявляется уже на клеточном уровне, воздействуя на аппарат наследственности (табл. 3.3 [ 27] ).

Таблица 3.3 Токсичность химических элементов

Элемент	Кларк,%	ПДК	Токсичность
воздух, мг/м3	вода, мг/л
Цинк Zn	8.3×10-3	0.5	0.01	Длительная интоксикация приводит к желудочно-кишечным расстройствам, увеличению числа ОРЗ, кариесу, изменению морфологического состава крови, повышению уровня заболеваемости детей; мутаген, гонадо- и эмбриотоксичен.
Медь Cu	4.7×10-3	0.1	0.01	Соединения меди раздражают слизистые оболочки верхних дыхательных путей и желудочно-кишечного тракта. При хронической интоксикации функциональные расстройства нервной системы, почек, печени; канцероген, гонадотоксичен.