Под геохимической экологической функцией

Экологическая геология
Геохимическая экологическая
функция литосферы и её
преобразование под влиянием
техногенеза
1
Определение, значение и структура
геодинамической экологической функции
литосферы
• Под геохимической экологической функцией литосферы понимается функция,
отражающая свойство геохимических полей (неоднородностей) литосферы
природного и техногенного происхождения влиять на состояние биоты в целом и
человеческое сообщество в частности.
• Объектом исследований при таком подходе являются вещественный, химический
состав компонентов литосферы (горные породы, минералы, донные осадки, почвы,
подземные воды, нефть, газы) и формируемые ими поля природного, природнотехногенного или техногенного происхождения.
• В качестве предмета исследований рассматривается система знаний о
геохимических полях различного генезиса и их воздействие на живые организмы, а
в общем виде – знания о геохимической экологической функции и геохимических
свойствах литосферы.
• Основной отличительной особенностью геохимической экологической функции
литосферы является ее медико-санитарная ориентированность. В силу этого в сферу
ее изучения попадают преимущественно те геохимические неоднородности,
которые представляют потенциальную опасность или, наоборот, обеспечивают
наибольшую комфортабельность состояния и жизнедеятельности биоты, в том
числе и человека как биологического вида.
2
Соотношение природных и техногенных
геохимических неоднородностей
Распределение олова в районе
хвостохранилища (1), вблизи от автодороги
(2), над рудным телом (3)
• Природная геохимическая аномалия в
почвах, сформированная над рудным
телом, менее интенсивна, чем
природно-техногенная.
• В природной аномалия концентрация
олова минимальна в
приповерхностном горизонте и
достигает максимальных величин в
нижней части профиля, приуроченного
к коренным породам.
• Анализ распределения олова вниз по
профилю в районе автодороги и вблизи
хвостохранилища (природнотехногенная аномалия) показывает
более высокое содержание олова в
верхней части разреза по сравнению с
природной аномалией
3
Пути влияния вещества литосферы
(элементов и их соединений) на биоту
4
Ориентировочная шкала оценки
аэрогенных очагов загрязнения
Уровень
Состояние атмосферного воздуха
Показатели загрязнения снегового покрова, пыли и
загрязнения
почв
Средний, Превышение ПДК отдельных загрязСредний уровень загрязнения почв (ZС=16-32) и
умеренно няющих веществ (пыль, оксиды углерода и снегового покрова (ZС=64-128). Повышенная запыленопасный азота, сернистый ангидрид); содержание ность снегового покрова (среднесуточная нагрузка
тяжелых металлов выше фона
250-450 кг/км2). Содержание Pb в почве более 100
мг/кг
Высокий,
опасный
Превышение ПДК комплекса загрязВысокий уровень загрязнения почв (ZС=32-128) и
няющих веществ (пыль, оксиды углерода и снегового покрова (ZС=128-256). В составе аномалий
азота, сернистый ангидрид); содержание присутствуют химические элементы и загрязняющие
отдельных металлов (главным образом
вещества I класса опасности (особенно Pb, Cd, Hg) в
свинца) выше ПДК.
высоких концентрациях (КС > 10). Содержание Pb в
почве более 250 мг/кг. Среднесуточный уровень
выпадения пыли 450-800 кг/км2
Очень
Превышение ПДК (иногда многократное)
высокий, комплекса загрязняющих веществ, в том
чрезвычайно числе ряда тяжелых металлов.
опасный
Очень высокий уровень загрязнения почв (Zc > 128) и
снегового покрова (ZС > 256). В составе аномалий в
почве присутствуют Pb (> 400 мг/кг), что является
индикатором превышения ПДК ингредиентов в
воздухе. Очень высокая запыленность снегового
покрова (среднесуточная нагрузка 800 кг/ км2)
5
Природные литогеохимические
аномалии
• Природные литогеохимические аномалии обусловлены
геолого-структурными особенностями района, его
металлогенией, литогеохимической специализацией
горных пород, литолого-минералогическими
особенностями, а также физико-химическими
условиями миграции элементов и их комплексных
соединений.
• Выполненное эколого-геохимическое районирование
территории России с точки зрения потенциальной
угрозы всему живому, исходящему от природных
геологических тел, позволило оценить только 30% её
территории как потенциально экологически
безопасную.
6
Геохимические ассоциации химических элементов,
концентрирующихся в некоторых типах рудных
месторождений и сопровождающих их ореолах
рассеивания
Тип месторождений
Апатитовые
Кимберлиты
Редкометалльные пегматиты
Железорудные в скарнах
Медно-никелевые
Вольфрам-молибденовые в скарнах
Висмутовые в скарнах
Оловорудные
Полиметаллические в скарнах
Золоторудные
Медно-порфировые
Медные
Медно-молибденовые
Сурьмяно-ртутные
Ртутные
Стратиформные свинцово-цинковые
Медистые песчаники
Геохимическая ассоциация
P-Sr-Ce-La-Y-Yb-Zr-Nb-Mo-Pb-Ba-Sn-Ni-Co-Zn-Cr-V- Sc-Ga-Mn
Co-Ni-Cr-Pb-Zn-Ag-Cu-B-Mo-Sn
Li-Pb-Cs-Nb-Sn-Ta-W-Be-As
Mn-Pb-Cu-Zn-Ni-V-Sn-Sr-B-Zr-Mo-Co-Fe-Ti-Cr-Y-Sc
Cu-Ni-Co-Ba-Pb-Zn-Ag-Bi-Sn-Be-W-Zr
Ba-Ag-Pb-Zn-Sn-Cu-W-Mo-Co-Ni-Be-V-Y
As-Pb-Ag-Zn-Co-Cu-Bi-Ni
Sn-Pb-As-Cu-Bi-Zn-Ag-Mo-Co-Ni-W
Sb-Cd-Ag-Pb-Cu-Ni-Bi-Co-Mo-Sn-W-Be
Au-Sb-As-Ag-Pb-Zn-Mo-Cu-Ni-Bi-Co-Ni-W-Be
Ba-As-Sb-Ag-Pb-Zn-Au-Bi-Cu-Mo-Sn-Co-W-Be
Ba-As-Pb-Zn-Ag-Sn-Cu-Bi-Co-Ni-Mo
Cu-Mo-As-Ag-Pb-Zn-Bi-Co-Ni-Be-W
Sb-Hg-As-Cu-Ag-Pb-Zn-Be-Co-Ni-W-Sn
Hg-Ba-Ag-Pb-Zn-Cu-Co-Ni-Sn-Mo-W
Ba-As-Cu-Ag-Pb-Zn-Co-Ni-Be-V
Cu-Ag-Pb-Ba-Bi-W-Cr-Zn-Mo
7
Токсичность элементов по
геохимическим группам
Элементы
Группа
опасности
Халькофильные
Литохалькофильные
Литофильные
Чрезвычайно
опасные
Hg Cd Тl
Sr
Be U Ra Rn Pu Cs I
Ce Kr Am
Высокоопасные
Тс S РЬ As Sb
Se
Ba
F Th K Ca Na Rb
O3 CI В
Опасные
Си Zn S Bi Ag
Умеренноопасные
Сидероли- Сидеротофильные фильные
Ru
С Nb Zr
Mo Sr In Ge Ba W Al Li Mn Ga Cs
Si Sn
Sc
Rb La Ce Na К Та
Nb Ca N Mg
Халькосидерофильные
Fe Ti
CrV
Со Ni
Os
Pt
Rh
8
Природные гидрогеохимические
провинции и аномалии
• Природные гидрогеохимические провинции и
аномалии обусловлены геолого-структурными
условиями района, литогеохимической
специализацией горных пород, их литологоминералогическими и физико-химическими
особенностями.
• Роль подземных питьевых вод в формировании
экологического состояния среды значительна, так как
именно состав подземных вод как компонентов
литосферы, используемых для питьевого назначения,
непосредственным образом влияет на
физиологические функции человека и его здоровье.
9
Гидрогеохимические провинции подземных вод с
повышенными содержаниями SO42– и CI (1), F (2), В (3),
Sr (4), As (5) на территории бывшего СССР
10
Гидрогеохимические провинции подземных вод
с повышенными содержаниями Fe (1), Mn (2), Al
(3), Se (4), Hg (5), Be (6)
11
Природные атмогеохимические
аномалии
•
•
Природные атмогеохимические аномалии обусловлены геологоструктурными особенностями литосферы, обусловливающими ее
проницаемость. Растворенные во внешнем ядре газы выходят на
поверхность Земли преимущественно в рифтовых зонах – грандиозных
расколах литосферы, сливающихся в единую мировую систему и
образующих патогенные атмогеохимические зоны. В них потоки флюидов
по интенсивности на два порядка превосходят потоки в других
геоструктурных зонах.
Выделение эндогенных газов в эколого-геохимическом аспекте приводит к
изменению почвенной и приземной атмосферы с образованием
атмогеохимических ореолов. Представлены они многокомпонентной
смесью из углекислого газа, водорода, метана, алканов, алкенов, аргона,
гелия, ртути, летучих соединений тяжелых металлов, сернистых и
различных углеводородных соединений, предельно- ароматических
углеводородов, бензапиренов и цианидов, подчас в весьма заметных
концентрациях. Из всех радионуклидов изотопы радона и продукты их
радиоактивного распада наиболее опасны для здоровья людей в связи с их
практически беспрепятственным проникновением внутрь организма через
дыхательные пути и накапливанием во всех жизненно важных центрах.
12
Биогеохимические провинции и
аномалии
•
•
Изначально вопросы биогеохимии растений изучались в геологии в связи с использованием
представителей растительного мира в качестве биоиндикаторов при поиске и разведке
полезных ископаемых. Прекрасно зарекомендовавший себя метод был взят на вооружение
основателями геохимической экологии и успешно использован для целей выявления
биогеохимических аномалий, так как состояние биоты является индикатором экологического
благополучия территории вследствие миграции элементов в системе "горные породыподземные воды-газы-почва-биота".
Установлено, что поглощение химических элементов растениями и факторы формирования
химического состава растений при нормальном (фоновом) и аномальном их содержании в
питающей минеральной среде существенно различны. Так, для районов развития
интенсивных аномалий (например, рудных) выделяются четыре основных фактора, под
влиянием которых содержание химических элементов варьирует в сотни и даже тысячи раз:
–
–
–
–
содержание элементов во внешней среде (порода, подземные воды, почва);
формы нахождения элементов в питающей среде, определяющие их доступность растениями;
наличие или отсутствие у различных видов, органов, частей органов растений барьеров (порогов)
поглощения элементов при высоких содержаниях их в питающей среде;
степень контакта корней растений с локальными источниками изучаемого элемента во внешней
среде.
13
Техногенные геохимические поля и
аномалии
• Техногенные геохимические поля и аномалии, в том
числе и литогеохимические, формируются в результате
активной хозяйственной деятельности человека
(химические, металлургические предприятия,
разработка месторождений полезных ископаемых,
транспортные магистрали, сельскохозяйственные
районы и др.) или вследствие техногенных катастроф
(Чернобыльская АЭС, Челябинский комбинат).
• Верхняя часть литосферы – почвы, горные породы,
донные осадки – играет роль аккумулятора,
трансформатора техногенного загрязнения.
14
Схема распределения техногенного
геохимического воздействия
(1 – минимальный уровень, 7 – максимальный)
15
Диаграмма-определитель загрязняющих
веществ, сопутствующих определенным типам
промышленных предприятий
Штриховкой показано присутствие данного
загрязняющего вещества в отходах
определенной промышленности (цифры –
ПДК, мг/л).
Номера колец – отрасли промышленности:
1)
химическая, химико-фармацевтическая,
пластмасс, ядохимикатов,
коксохимическая;
2) лакокрасочная;
3) металлургическая;
4) нефтеперерабатывающая,
нефтехимическая;
5) атомная;
6) электротехническая, радиотехническая,
приборостроительная;
7) гальваническая;
8) пищевая;
9) резинотехническая, синтетического
каучука;
10) деревообрабатывающая, бумажная,
спичечная;
11) машиностроительная, авиационная,
автомобильная;
12) фотоматериалов;
13) текстильная
16
Геохимические аномалии, связанные с
сельскохозяйственным производством
• Практически повсеместное развитие на территории России имеют геохимиче¬кие
аномалии, связанные с сельскохозяйственным производством. Ежегодно в
сельскохозяйственные ландшафты вносится до 600 кг/га элементов в минеральной
форме. Среди веществ, постоянно вносимых в приповерхностную часть лито¬феры,
преобладают соединения бора, марганца, молибдена, меди. Особенно интенсивное
поступление элементов происходит с фосфатными удобрениями, в которых, помимо
кадмия, содержится большое количество и других микроэлементов, мг/кг: As – 21200; В – 5-120; Сu – 1-300; Рb – 7-255; Hg – 0,01-1,2; Zn – 50-1450.
• Большую долю в общем техногенном воздействии в сельскохозяйственных районах,
особенно на орошаемых землях, занятых ценными культурами, составляют
пестициды и дефолианты. Так, в Германии ежегодно расходуется 12 тыс. т различных
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.
• Животноводческие комплексы территориально занимают значительно меньшие
площади. Они состоят из разнородных, но связанных в единое целое частей:
пастбищ, выгонов, ферм, зон утилизации. Вынос элементов в литосферу идет
преимущественно в биогенной, минеральной форме или в виде растворов, и как
следствие, в литосферу в больших количествах поступают углерод, фосфор, азот,
сера, калий, кальций, алюминий, магний.
17
Техногенные гидрогеохимические
аномалии
• Техногенные гидрогеохимические аномалии
формируют преимущественно соединения азота
(в первую очередь, нитраты), алюминия, железа,
марганца, бериллия, кадмия, ртути.
• Отдельные устойчивые загрязнители
представляют собой опасность из-за накопления
их в пищевых цепочках; это может привести к
вредному воздействию на высоких трофических
уровнях. К таким веществам относятся
хлорорганические пестициды,
полихлорбифенилы (ПХВ), некоторые тяжелые
металлы и радионуклиды.
18
Содержание NO3 в подземных напорных
водах европейской части бывшего СССР
Содержание NO3, кг/л:
1 – более 45 (1 ПДК);
2 – 45-22;
3 – 22-9;
4 – менее 9
19
Техногенные атмогеохимические
аномалии
• Техногенные атмогеохимические аномалии формируются в
результате разработки месторождений углеводородного
сырья, утечек из газохранилищ и газопроводов,
образования газов в хранилищах бытовых отходов и др. Как
правило, их формирование идет на локальном уровне.
• Образование газов в хранилищах твердых бытовых отходов
связано с протеканием анаэробных микробиологических
реакций с органическими компонентами бытовых отходов.
Эти газы содержат преимущественно метан, диоксид
углерода и азот, кроме того, образуются дурно пахнущие
газы – сероводород, меркаптаны, альдегиды в различной
концентрации. Газовый состав зависит от длительности
хранения и фазы брожения. Аэробная фаза протекает в
течение нескольких недель, а анаэробное кислое брожение
(гниение) может продолжаться в течение нескольких лет.
20
Изменения состава газов в хранилищах
отходов и на свалках во времени
1 – N2; 2 – O2; 3 – Н2; 4 – С02; 5 – СН4
21
Техногенные биогеохимические
аномалии
•
•
•
•
•
Формирование техногенных биогеохимических аномалий происходит вследствие
активного вовлечения поллютантов в биогеохимический цикл в связи с
интенсивным применением минеральных и органических удобрений, развитием
промышленности.
В настоящее время в наибольшей степени изменены биогеохимические циклы
основных биофильных элементов: азот, фосфор, углерод, калий, кальций, магний.
Так, в степных ландшафтах техногенное подкисление черноземов (кислотные
дожди, внесение удобрений и пр.) приводит к интенсивному выносу оснований (Са,
Mg), эссенциальных элементов (Fe, Си, Zn, Мп, Со и др.), гумуса. Вследствие этого
резко снижается урожайность сельскохозяйственных культур, животные и человек
не получают жизненно важных элементов.
Возникают заболевания – гипомикроэлементозы: обусловленные медью – болезнь
Менкеса с тяжелым поражением центральной нервной системы, цинком –
врожденные пороки развития, марганцем –диабет и др.
Развиваются болезни гипермикроэлементозы при накоплении в приповерхностной
части литосферы токсикантов: Pb – свинцовая энцефалопатия, невропатия, Hg –
болезнь Минамата, энцефалопатия, Cd – кадмиевые рениты, нефропатия,
кардиомиопатия и др.
22
Геохимические неоднородности
литосферы и здоровье человека
• Проявления патологии человека, связанные с
микро- и макроэлементами, крайне
многообразны.
• Зависимость здоровья человека от содержания
микроэлементов послужила основанием для
выделения нового класса болезней –
микроэлементозов, т.е. заболеваний и
синдромов , в этиологии которых главную роль
играет недостаток или избыток в организме
человека элементов или их дисбаланс.
23
Болезни и синдромы
биогеохимической природы
Мономикроэлементозы
Болезни, синдромы
Биогеохимические аномалии
природного происхождения
Алюминиевая болезнь
Арсеноз
Молибденовая подагра
Никелевая экзема и
другие дерматозы;
хронический токсикоз
Избыток алюминия
Избыток мышьяка
Избыток молибдена
Избыток никеля
Сатурнизм (анемии,
кишечные колики,
энцефалопатии)
Избыток свинца
Селеноз (артриты,
алопеция, ломкость
ногтей)
Избыток селена
Флюороз
Хромовый токсикоз
(дерматиты, рак кожи)
Избыток фтора
Избыток хрома
Хромдефицитный
синдром
Цинкдефицитный
синдром
Полимикроэлементозы
Болезни, синдромы
Биогсохимические аномалии природного
происхождения
Анемии
биогеохимической
природы
Недостаток железа, избыток меди, недостаток
меди, недостаток молибдена при избытке
марганца
Асбестоз
Избыток кремния, магния, железа, кальция,
натрия
Зоб эндемический
Недостаток йода, избыток марганца, фтора при
недостатке молибдена, избыток кобальта при
относительном недостатке йода
Кариес зубов
Недостаток фтора, избыток марганца при дисбалансе некоторых других микроэлементов
Мочекаменная болезнь
Избыток кальция, избыток кремния при
недостатке кобальта, молибдена, бора, цинка
Остеохондродистрофия, Избыток стронция и кальция
витамин-Дрезистентный рахит
Недостаток хрома
Селендефицитная
миокардиопатия
Недостаток селена при дисбалансе других
элементов (избыток кобальта)
Недостаток цинка
Уровская (Кашина-Бека)
болезнь
Недостаток кальция при избытке стронция.
Избыток фосфатов при недостатке кальция и
дисбалансе других микроэлементов
24