Геохимия Л13

Геохимия лекция 13
Техногенная миграция, формы ее проявления. Понятие технофильности элементов.
Техногенные геохимические аномалии и их влияние на окружающую среду
ТЕХНОГЕННАЯ МИГРАЦИИ
Т е х н о г е н е з – так А.Е. Ферсман назвал геохимическую деятельность
человечества. Ученый анализировал это явление с общих методологических позиций
геохимии, выяснял, как зависит использование элементов от их положения в
периодической системе, размеров атомов и ионов, кларков.
Та часть планеты, которая охвачена техногенезом, представляет собой особую
систему – ноосферу. Ноосфере свойственны и механическая, и физико-химическая, и
биогенная миграция, но не они определяют ее своеобразие: главную роль играет
техногенная миграция. В первобытном обществе ее эффект был незначительным, но уже в
государствах античного мира техногенез стал главным геохимическим фактором. Поэтому
этап геологической истории, начавшийся около 8000 лет назад, предложено назвать
технозоем. В ХХ в техногенез стал главным геохимическим фактором.
Формы проявления техногенной миграции:
- преобразование ландшафтов Земли (была изменена природа долин Нила, Тигра и
Евфрата, Хуанхэ, в современном мире Суэцкий и панамский каналы, плотины
гидроэлектростанций, возведение новых островов в океане, современные города
полностью меняют свою территорию и схему перераспределения элементов...).
- строительство дорог (меняют природные потоки миграции элементов за счет
изменения гидродинамических режимов рек, ручьев, региональных и локальных водных
стоков, а также перемещение значительных масс грунтов и материалов, изменение
рельефа местности)
-добыча полезных ископаемых, в том числе нефти и газа (горнодобывающими
предприятиями на поверхность выносятся массы химических элементов, идет обогащение
породы одними элементами и обеднение другими)
- захоронение отходов производства (в наше время это значительный поток
элементов)
- товарные потоки природных и синтетических материалов и др.
Техногенез существенно меняет облик Земли. Неприятным последствием является
загрязнение окружающей среды. Поэтому в последнее время интерес к геохимии
техногенеза возрастает.
Д в е г р у п п ы п р о ц е с с о в т е х н о г е н е з а . Первая группа процессов
унаследована от биосферы, к ней относятся биологический круговорот, круговорот воды,
рассеяние элементов при отработке месторождений, распыление вещества и многие
другие. При их изучении можно использовать понятия и методы, разработанные для
анализа природных процессов. Техногенная миграция второй группы находится в резком
противоречии с природными условиями. Так, например, характерное для ноосферы
металлическое состояние Fe, Ni, Сг, V и многих других элементов не соответствует
физико-химическим условиям земной коры. Для характеристики процессов второй
группы, существующий понятийный аппарат геохимии недостаточен. Необходимы новые
подходы к исследованию.
И с п о л ь з о в а н и е х и м и ч е с к и х э л е м е н т о в . В 1915г В.И. Вернадский
подсчитал, что в античную эпоху использовалось лишь 19 элементов, в XVIII в. – 28, в
XIX – 50, а в начале ХХ в. – 60. Теперь используются все 89 химических элементов,
известных в земной коре. Началось также искусственное получение и частичное
использование отсутствующих элементов – Pu, 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.),
в ХХ в. началось использование изотопов.
Технофильность химических элементов
Количество добываемых элементов далеко неодинаково. Так, мировая ежегодная
добыча С измеряется миллиардами тонн, Fe - сотнями миллионов, Сu – миллионами, Hg –
тысячами, Pt – десятками тонн. Эти различия обусловлены многими причинами.
Несомненно, имеют значение свойства элементов, их распространенность в природе и
технология получения. Например, Al и Ti практически не использовались до ХХ в., так
как 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 еще в древности. У In кларк выше, чем у Hg, но он рассеян, и его
практическое применение началось лишь в ХХ в.
Наиболее важный фактор - распространенность элементов. Действительно, как бы
Аu ни было ценно для человечества, его добыча никогда не сравняется с добычей Fe, так
как кларк Аu 4,3 10-7, а Fe – 4,65, то есть разница в 10 миллионов раз. Другой пример Si и
Ge – химические аналоги, Ge похож на Si. Но Si – второй по распространенности 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.
Исключительная роль Fe связана не только с его свойствами, но и с большим
кларком. Поэтому добычу элемента рационально измерять в единицах кларков.(возможно
имеется ввиду тонн в год на единицу кларка)? Посмотреть в справочнике.
Эту величину А.И. Перельман назвал технофильностью (Т). Она равна отношению
ежегодной добычи элемента (D) (тонн в год) к его кларку в земной коре (К). Рассмотрим
химически родственные элементы – Fe, Мn и Cu, Ag. Они добываются в разных
количествах, их кларки различны. Расчеты технофильности дают следующие величины (D
– по Б. Мейсону, К – по А.П. Виноградову):
ТFe = 66107, ТMn =6107, ТCu =1,1109 , ТAg =1,1109
Следовательно, в единицах кларков человечество извлекает из недр Fe и Mn, Cu и
Ag с равной интенсивностью, пропорционально их распространенности в земной коре.
Технофильность их одинакова (рисунок 15).
Многие химические элементы-аналоги с разными кларками и размерами добычи
обладают одинаковой или близкой технофильностью: Cd и Hg, Та и Nb, U и Мо, Ti и Zr и
т. д. Но есть и различия: Сl и F, К и Na, Са и Mg и др.
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.
Технофильность можно рассчитывать для отдельной страны, группы стран, всего
мира. Естественно, что она очень динамична. За прошлый век в мире добыто 71% Аu, 87
% Cu, 86 % Fe, 90 % угля, 99 % нефти и бокситов и 100 % U от добытого за весь
исторический период.
Самым технофильным элементом является С (уголь и нефть и др.) у которого Т =
1,1 1011. Уголь и нефть в основном используются как источники энергии. Применение их
в химической промышленности по массе невелико.
Наименее технофильны Y, Ga, Cs, Th. Их низкая технофильность, вероятно,
явление временное, и они будут использоваться так же, как и другие химически сходные
элементы.
Рисунок 15 – Технофильность элементов по А.И. Перельману
Анализ технофильности позволяет прогнозировать добычу элементов. Например,
Mg по технофильности сильно отстает от других щелочноземельных элементов – Са, Ва,
его технофильность меньше, чем у Na, Cl, Pb, Cu, Zn, Sn, Ni, Мо, Hg и т. д. Это
свидетельствует о слабом использовании Мg и в ближайшем будущем оно, вероятно,
сильно возрастет. Технофильность элементов колеблется в миллионы раз – от 1,11011 у С
до 1 103 у Y, в то время как контрасты кларков составляют- миллиарды (n101 – n10-10 и
менее). Следовательно, техногенез ведет 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, F – 15, U – 6, Sn – 5, Cu – 4, Мо – в 3 раза.
Количество элемента, выводимого ежегодно из техногенного потока в природный,
назвали техногенным геохимическим давлением, отношение его к единице площади модулем техногенного геохимического давления (Р), измеряемым в т/км2. Например,
модуль Р на территории России колеблется более чем в 200 раз – от 8,210-3 в Западной
Сибири до 2,1 т/км2 в южных районах России, где широко применяются удобрения в
сельском хозяйстве (7,610-1 т/км2 в Дальневосточных районах). В бассейнах Черного,
Азовского и Балтийского морей техногенное давление К (калий) и S превышает речной
сток этих элементов. Для всей поверхности суши наиболее велики модули техногенного
давления у Na, Cl, Са, Fe (0,5 - 1,0), наименьшие - у Li, Ag, W, Au, Hg, Tl (10-5 - 10-6).
Техногенные геохимические аномалии и их влияние на окружающую среду
Т е х н о г е н н ы е г е о х и м и ч е с к и е а н о м а л и и по масштабу проявления
разделяются на глобальные, региональные, локальные.
Глобальные аномалии охватывают весь земной шар (это повышенное содержание
СО2 в атмосфере в результате сжигания угля и нефти, накопление 90Sr после ядерных
взрывов и др.).
Региональные аномалии распространяются на материки, страны, зоны, области,
провинции (возникают за счет применения минеральных удобрений, ядохимикатов и др.).
Локальные аномалии связаны с конкретным рудником, заводом, городом и (это
повышенное содержание металлов в почвах и водах вокруг металлургических комбинатов
и др.). Их радиус не превышает десятков километров.
По месту проявления техногенные аномалии делятся на литохимические (в почвах,
породах, строениях), гидрогеохимические (в водах), атмогеохимические (в атмосфере) и
биогеохимические.
Совокупность техногенных аномалий от локального источника (завода, рудника,
города, дороги и т.д.) именуется техногенным ореолом и потоком рассеяния, которые, как
правило, включают в себя все виды аномалий.
По влиянию на окружающую среду техногенные аномалии делятся на полезные,
вредные и нейтральные.
Полезные аномалии улучшают окружающую среду. К ним относятся повышенное
содержание Са в районах известкования кислых почв, добавка NaI и КI к поваренной соли
в районах развития эндемического зоба, фторирование питьевой воды в городах с
распространением кариеса, применение Мо, В, Zn и других микроудобрений, подкормки
домашних животных Со и т.д.
Вредные аномалии ухудшают (загрязняют) окружающую среду.
Нейтральные аномалии не оказывают влияния на качество окружающей среды.
Разновидностью техногенных геохимических аномалий являются т е х н о г е н н ы е
зоны выщелачивания.
Техногенные зоны выщелачивания – это зоны сернокислого, кислого и прочего
промышленного выщелачивания. Выщелачивание приобрело большое значение при
добыче металлов. Применяется выщелачивание под землей (подземное выщелачивание),
из руды, извлеченной на поверхность, из отвалов, хвостов (кучное выщелачивание).
Вопросы выщелачивания изучает особая прикладная наука - геотехнология, которая во
многом основана на данных геохимии. Геотехнологии эффективны при добыче Cu, Au,
Мо, Pb, Zn, Мn, Ni и других элементов. С помощью закачивания в скважины воды
извлекают каменную и калийную соли, другие легкорастворимые компоненты. Доказана
эффективность микробиологического выщелачивания Cu, Au, Мо и других металлов.
Техногенные зоны выщелачивания образуются при орошении лессовых грунтов,
при промывках засоленных почв, при многих других техногенных процессах.
Техногенез в наше время начинает заметно влиять на климат планеты.
Э н е р г е т и к а т е х н о г е н е з а и п р о б л е м а и з м е н е н и я к л и м а т а . Часть
используемой в ноосфере энергии производит работу, другая часть выделяется в виде
тепла. Пока эффект техногенного разогрева невелик – в 25 тыс. раз меньше солнечной
радиации. Однако в крупных городах техногенное тепло уже достигает 5 % от солнечного
излучения. Главная причина - отопление жилых домов и промышленных предприятий. По
некоторым данным увеличение производства энергии от 5 до 10% в год приведет к тому,
что через 100 – 200 лет техногенное тепло приведет к ощутимым изменениям климата.
Постоянное потребление угля и нефти ежегодно добавляет в атмосферу до 9109т
СО2 (710-5%). При таких темпах через 50 лет содержание СО2 может удвоится и
температура земной поверхности за счет парникового эффекта может повыситься на 4 - 60
С. К техногенным парниковым газам относятся также метан, закись азота, фреоны, озон и
др. В результате парникового эффекта возможно частичное таяние льдов Антарктики и
Арктики, затопление приморских низменностей.
С другой стороны, 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 глобального похолодания.
Нежелательные
и
непредвиденные
последствия
х о з я й с т в е н н о й д е я т е л ь н о с т и позволяют говорить о «глобальном экологическом
кризисе». В настоящее время, антропогенные пустыни занимают 5% суши, антропогенный
бедленд (плохая земля) – 3, города и промышленные зоны – 2 %, а биологический
круговорот атомов нарушен на 60% биологически продуктивной поверхности материков.
В ы р у б к а л е с о в по аэрокосмическим данным ежегодно составляет от 7 до 20
млн. га. Тропические леса вырублены уже на 50% площади, леса умеренного пояса – на 30
– 40 %. Предполагается, что при современных темпах вырубки тропические и
субтропические леса исчезнут за 20-30 лет. Это нарушит глобальный круговорот воды,
О2 и СО2, резко усилит эрозию почв, запыление атмосферы. Количественный
геохимический прогноз здесь затруднен, но отрицательные последствия вырубки лесов
несомненны.
З а г р я з н е н и е с р е д ы - это изменение состава воздуха и воды в промышленных
центрах и крупных городах, рост заболеваемости раком легких и других заболеваний
составляет отрицательные следствия техногенеза. Загрязнение среды быстро
увеличивается. Серьезную опасность представляют ядерные взрывы и аварии на АЭС,
техногенные аномалии Hg, Cd, Pb, Cu, Sn, V, Cr, Мо и других тяжелых металлов.
Сернокислотные, суперфосфатные, медеплавильные заводы, котельные ГРЭС, ТЭЦ,
бытовые топки выбрасывают в воздух много SO2, который, окисляясь и растворяясь в
атмосферных осадках, дает серную кислоту. «Кислые дожди» увеличивают число
легочных заболеваний, осложняют земледелие, приводят к вымиранию рыбы в водоемах,
где рН понижается до 4. Полагают, что в среднем около 30 – 50 % SO4 атмосферных
осадков имеет техногенное происхождение.
Серьезную проблему представляет и загрязнение среды различными
органическими соединениями, которые включают канцерогены и мутагены. Например,
некоторые полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), которые поступают из
нефти, углей, горючих газов и образуют техногенные аномалии вокруг промышленных
предприятий, нефтяных промыслов, угольных шахт, автодорог и т.д. Опасны также
ядохимикаты, такие как ДДТ и диоксин, широко применявшийся в качестве гербицидов.
Важное значение приобрела техногенная миграция радионуклидов, которая особенно
опасна в связи с ядерными взрывами в атмосфере и под землей, авариями на АЭС и др.
Однако эти проблемы могут быть решены и решаются, если на них вовремя
обратить внимание. Например, в канадской провинции Онтарио из-за кислых дождей,
поступающих из США, стали безжизненными 148 озер. Но после того, как в США были
приняты законы об уменьшении промвыбросов в атмосферу, большинство озер
восстановились.
Г е о х и м и ч е с к и й м о н и т о р и н г – система геохимических наблюдений,
оценки и прогноза изменений окружающей среды. Методы геохимического мониторинга
разнообразны: это анализ снега, верхового торфа, волос, использование искусственных
сорбентов для определения в почвах и водах тяжелых металлов, аэрокосмические съемки,
а так же ландшафтно-геохимическое картирование. Геохимический мониторинг
проводится во многих странах. Одна из проблем геохимического мониторинга —
определение того содержания элементов в окружающей среде, которое было до
техногенного загрязнения, т. е. установление «фона». Только на этой основе можно
оценить степень техногенного загрязнения.
Один из вопросов, которые рассматривает геохимия техносферы Комплексное использование сырья, проблема отходов
. В настоящее время только 10 % сырья, извлекаемого из недр, становится готовой
продукцией, а 90% составляют отходы, загрязняющие среду. При добыче некоторых
полезных ископаемых используется лишь 1% массы руды, а 99% идет в отвалы. Идеалом
производства является безотходная технология, при которой утилизируются все
компоненты сырья.
Всеобщее внедрение безотходной технологии дело будущего, а пока задача состоит
в наиболее полном использовании сырья. Нередко из руд извлекается только один – два
полезных компонента, а остальные (в том числе многие микроэлементы) не используются.
Вместе с тем они представляют часто не меньшую ценность, чем главные компоненты. На
передовых предприятиях из руд извлекается свыше 10 элементов (на Лениногорском
комбинате в Рудном Алтае – 11 из 13, содержащихся в свинцово-цинковых рудах).
Отвалы рудников и хвосты обогатительных фабрик также рассматривают в
качестве техногенных рудных месторождений в связи с понижением со временем
кондиций руд. Ежегодно в мире создается около 20 млрд. т промышленных отходов
столько же сельскохозяйственных и до 4 млрд. т. бытовых. В среднем количество мусора
ежегодно возрастает на 2 - 3 % (в США – на 5). Многие отходы содержат ценные
компоненты. Из бытового мусора получают удобрение, жидкое топливо для автомашин,
возможно получение Ag, Cu, Sn, Cd, Zn и т.д.
Здоровье человека и ноосфера (геохимический аспект).
Применительно к человеку можно говорить об оптимизации среды - наилучшем
содержании химических элементов в продуктах питания, водах, воздухе, которое
полностью обеспечивает его потребности. В будущем жители горных долин будут
потреблять столько же I, сколько жители морских побережий, что улучшит работу
щитовидной железы и исключит эндемический зоб.
Практические пути решения проблемы оптимизации среды разнообразны и многое
уже делается. Зная геохимические особенности ландшафтов появляется возможность
использовать их благоприятные и исключить неблагоприятные условия. Вырисовывается
перспектива улучшения качества овощей и фруктов при помощи подкормки их
микроэлементами. Специальная подкормка позволит успешно бороться с атеросклерозом
и другими болезнями.
Важно установить влияние на здоровье человека отклонений от среднего
содержания химического элемента, которые не достигают уровня, вызывающего явные
симптомы болезни.
Добавка в продукты питания недостающих в данном регионе элементов – еще один
существенный поток техногенной миграции, который существенно перераспределяет
элементы на поверхности Земли.
Создавая оптимальный геохимический режим ландшафта, общество получает
мощный фактор улучшения условий своего существования.