Техногенные геохимические аномалии

Загрязнение окружающей среды в значительной степени связано с численностью населения, промышленным производством, потреблением топлива. В настоящее время широкое распространение получают техногенные геохимические аномалии. Выделяют следующие группы техногенных геохимических аномалий:

1. 
   Глобальные – например, содержание радионуклидов (в результате ядерных испытаний);
   
2. 
   Макрорегиональные – например, выбросы серы (Европа, Северная Америка, Юго-Восточная Азия); играет роль не только наличие выбросов на данной территории, но и трансграничный перенос;
   
3. 
   Региональные – от конкретных единичных, но очень мощных источников, например, Чернобыль, крупные промышленные города, районы; районы нефтедобычи.
   
4. 
   Локальные – отдельные предприятия, автомагистрали.
   

Геохимическое состояние городской среды наряду с природными условиями определяется количеством техногенных источников, находящихся на территории города, их расположением, мощностью и качественным составом загрязняющих веществ. В крупных промышленных центрах происходит аккумулятивное воздействие на природную среду и человека различных видов производств, транспорта, муниципальных и других отходов. Главные источники загрязнения – неутилизированные промышленные и коммунально-бытовые отходы, содержащие токсичные химические элементы.

Техногенные отходы подразделяются на:

жидкие и твердые отходы (преднамеренно собираемые и депонируемые), стоки (поступают в окружающую среду в виде жидких потоков, содержащих твердые взвешенные частицы),

выбросы (рассеяние в атмосфере загрязняющих веществ в твердой, жидкой и газообразной форме).

Для проведения мониторинга техногенные отходы делятся на:

По степени аномальности относительно кларков литосферы первое место занимают выбросы предприятий (в пыли особенно сильно концентрируются вольфрам, сурьма, свинец, кадмий, никель), немного меньше нагрузка от отходов, третье место занимают стоки.

Среди выбросов:

• 
  27% составляет электроэнергетика,
  
• 
  20% цветная металлургия,
  
• 
  15% черная металлургия.
  

Твердые отходы по отраслям: черная металлургия – Mn, Cr, V (n-10n, сравнимы с кларком); цветная металлургия – Zn, Pb (1000n); Cu, Cr (100n); машиностроение – Cd (1000n); Mn, Cr, W (10-100n); химическая промышленность – Cd, Co (1000n); легкая промышленность – Cr (1000n).

Для оценки источников воздействия важно сначала провести оценку природно-геохимического фона окружающей территории. Такая оценка включает получение детальной информации о региональной литогеохимической и биогеохимической специализации эталонных фоновых участков, расположенных вне влияния промышленного и сельскохозяйственного загрязнения, их радиальной и латеральной структуре.

Загрязнение основных депонирующих сред в городах

Снег как депонирующая среда

Снег обладает высокой сорбционной способностью и осаждает из атмосферы на земную поверхность значительную часть продуктов техногенеза. Изучение химического состава снежного покрова позволяет выявить пространственные ареалы загрязнения и количественно рассчитать реальную поставку загрязняющих веществ в ландшафты в течение периода с устойчивым снежным покровом.

Выделяют пять основных групп поллютантов снежного покрова: 1) макрокомпоненты снеговых вод – пыль, сульфатные и гидрокарбонатные ионы, кальций, фтора, хлор, минеральные формы азота и фосфора и др.; 2) тяжелые металлы и другие микроэлементы, органические соединения; 3) фенолы, формальдегид и др.; 4) полициклические ароматические углеводороды (ПАУ); 5) радионуклиды.

При поступлении больших количеств пыли в окружающую среду часто происходит подщелачивание снеговых вод до 8,5-9,5 (рН), увеличение содержания кальция, магния, гидрокарбонат-ионов. Это связано с цементной, строительной промышленностью, теплоэнергетикой, черной металлургией, производством аммиака. При этом образуется карбонатный геохимический барьер, на нем осаждаются многие тяжелые металлы.

Поставка оксидов серы (тепловые станции на угле, цветная металлургия, коксо- и нефтехимия) ведет, наоборот, к подкислению снеговых вод. Иногда в снежном покрове наблюдается зональность щелочно-кислотных условий.

При подкислении и подщелачивание происходит увеличение минерализации и техногенная трансформация состава вод. Для оценки степени трансформации используется коэффициент К, показывающий возрастание отношения SO₄^2-/Cl^- в снеговой воде к этому же эталонному отношению в морской воде. Значение К > 10 характеризует сильную трансформацию состава вод и степень их сульфатизации.

Среди ПАУ наиболее токсичны 3,4-бензпирен (БП) и 1,12-бензперилен (БПЛ), особенно часто определяемые в объектах окружающей среды. В настоящее время 3,4-бензпирен в 70-80% случаев занимает первое место среди веществ, определяющих высокий уровень загрязнения в городах бывшего СССР. Многие ПАУ канцерогенны, поэтому изучение их распространения имеет еще и медико-гигиеническое значение.

По характеру геохимического изменения естественных и слабо измененных городских почв относительно фоновых почв региона можно судить о степени их техногенной трансформации. Как правило, техногенные ореолы в почвах фиксируют интенсивность загрязнения в течение последних 20-50 лет. Ореолы в почвах более статичны, чем в воздухе, снеге и растениях, т. к. они способны аккумулировать поллютанты в течение всего периода техногенного воздействия.

Загрязняющие вещества в почвах делятся на две группы по своему эффекту. Педогеохимически активные вещества изменяют щелочно-кислотные, окислительно-восстановительные условия в самих почвах. Это в основном нетоксичные и слаботоксичные элементы с высокими кларками – Fe, Ca, Mg, щелочи и минеральные кислоты. Биохимически активные вещества действуют прежде всего на живые организмы. Это обычно типоморфные для каждого вида производства высокотоксичные поллютанты с низкими кларками – Hg, Cd, Pb, Sb, Se.

В городской пыли преобладают макроэлементы – Fe, Ca, Mn. С этим связано ожелезнение и карбонитизация почв. Ожелезнение почти не влияет на щелочно-кислотные и окислительно-восстановительные условия миграции элементов. Карбонитизация ведет к увеличению щелочности, насыщению ППК основаниями, связыванию многих металлов в труднорастворимые карбонаты.

Аномальные зоны тяжелых металлов в почвах – участки наиболее интенсивного воздействия на городскую среду, ни служат индикаторами техногенного загрязнения (промышленность, теплоэнергетика, автотранспорт, муниципальные отходы) и представляют опасность для растений, животных и человека, особенно детей.

Для экологической и санитарно-гигиенической оценки загрязнения почв используются ПДК элементов. Предельно допустимый уровень состояния почв – уровень, при котором начинает изменяться оптимальное количество и качество создаваемого вновь живого вещества, т. е. биологическая продукция.

В полиэлементных очагах загрязнения токсичность отдельных элементов может суммироваться и оказывать синэргетическое воздействие на живые организмы. Одним из простых способов оценки контрастности комплексных техногенных ореолов является расчет суммарных показателей загрязнения.

Наиболее высокие средние уровни суммарного загрязнения почв тяжелыми металлами (Z_C > 120, до 500-1000) установлены для городов с цветной и черной металлургией. Сильные загрязнение также характерно для центров тяжелого машиностроения, приборостроения, нефтехимии.

Распределение подвижных форм элементов во многом определяется ландшафтно-геохимическими условиями. Особенно интенсивны аномалии в почвах автономных ландшафтов и наветренных к техногенным источникам склонов, а также в городских супераквальных ландшафтах побережий рек, озер и водохранилищ, куда загрязняющие вещества поступают со всеми видами стока.

Биогеохимия городской среды

Растения – один из наиболее чутких индикаторов техногенного изменения состояния городской среды. Городские растения испытывают негативное воздействие значительного числа поллютантов: оксидов серы, азота и углерода, тяжелых металлов, соединений фтора и др. Наибольшую опасность представляют выбросы в атмосферу диоксида серы SO₂, содержащегося в продуктах сгорания угля, нефти и мазута, а также HF.

Растительный покров является первым экраном на пути осаждения атмосферных выпадений. Металлосодержащие аэрозоли адсорбируются поверхностью листьев (Pb), механическим путем или в растворенном виде проникают в устьица (Zn, Cd). Аккумуляция металлов растениями зависит от: а) особенностей поверхности растения; б) количества, рН атмосферных осадков, скорости ветра и влажности воздуха, определяющих вынос элементов из растений; в) физических и химических свойств загрязняющих веществ.

Биогеохимическая индикация, в отличие от изучения снежного покрова, дает информацию о загрязнении преимущественно в теплое время – период вегетации растений и активной водной миграции.

Обычно в городах пробы растительного покрова берутся через 500 м, т. е. 9 проб на 1 км², что соответствует примерно 1000 проб на город. Существует два основных подхода биомониторинга состояния города:

1. 
   Активный биомониторинг – использование в качестве депонирующих средств специальных растений, в основном низших растений. Таблетки со сфагнумом, эпифитными лишайниками, табаком кладут в специальные планшеты, расставляют по территории город и наблюдают за ними в течение некоторого времени (концентрации и поставки, т. е. массу за какой-либо период загрязняющих веществ).
   
2. 
   Пассивный биомониторинг – использование тех растений, которые растут на территории города (аналогично использованию снега и почвы).
   

Существует два основных вида соотношения элементов в растениях и содержания элементов в питающей среде: барьерная и безбарьерная (прямая) зависимость. Барьерная зависимость характеризуется наличием барьера поглощения какого-либо элемента растением, который не может быть превышен – при дальнейшем росте концентрации растение гибнет. Такой вид зависимости характерен, например, для U (в то время как сопутствующий урану Ra характеризуется безбарьерной зависимостью). Барьерная зависимость обычно характерна для вегетативных органов растений. Безбарьерная зависимость обычно характерна для невегетативных органов.

Содержание загрязняющих веществ в почвах, растениях и снеге и их распространение зависит от форм нахождения элементов в выбросах. Поэтому в разных случаях лучше использовать анализ разных депонирующих сред.

Геохимия городских ландшафтов

Ландшафтно-геохимический анализ состояния городов

Урбанизированные районы являются самыми техногенными ландшафтами. В СССР первые широкие прикладные геохимические исследования городов были начаты в 1970-х гг. под руководством Ю. Е. Саета (геохимическое обследование Москвы, составление эколого-геохимической карты города).

Судьба загрязняющих веществ в городской среде зависит от внутренних (химических, токсикологических) и внешних (условий миграции, свойств городского ландшафта, систем геохимических барьеров и др.) факторов. Поэтому важным блоком эколого-геохимических оценок городов являются ландшафтно-геохимические исследования, направленные на анализ техногенных потоков загрязняющих веществ в ландшафтах, трансформации природной среды, радиальной и латеральной структур, устойчивости природно-антропогенных ландшафтов к загрязнению.

Экологические блоки любого города, между которыми формируются потоки загрязняющих веществ, условно делятся на три группы: а) источники выбросов, к которым относится промышленный комплекс города, городское жилищно-коммунальное хозяйство и транспорт; б) транзитные среды, непосредственно принимающие выбросы, где происходит транспортировка и частичная трансформация загрязняющих веществ – атмосфера, атмосферные выпадения (дождь, снег, пыль), временные и постоянные водотоки, поверхностные воды и водоемы, грунтовые воды; в) депонирующие среды, в которых накапливаются и преобразуются техногенные веществ – донные отложения, почвы (особенно участки геохимических барьеров), растения, микроорганизмы, городские сооружения, население города, снежный покров.

При экологической оценке городов изучается главным образом не эмиссия загрязняющих веществ от техногенных источников, на оценку которой ориентированы системы ведомственного мониторинга, а имиссия поллютантов, т. е. их реальное распределение в депонирующих природных средах.

Первым этапом эколого-геохимической оценки является инвентаризация источников загрязнения. Составляются “экологические паспорта” на все источники загрязнения. Только на втором этапе анализируются депонирующие среды.

Коэффициент эмиссии:

где Р – количество пыли, тыс. т/год; N – численность населения на данной территории. Также рассчитывается коэффициент E₂ – на единицу площади.

Городские ландшафты относятся к отряду антропогенных селитебных ландшафтов (также могут быть отряды агроландшафтов, биогенных ландшафтов), характеризующимся ведущей ролью техногенной миграции веществ, наличием искусственного рельефа, концентрацией населения.

1. 
   L (менее 0,3 т/чел год – многие крупные и средние города с машиностроительной специализацией);
   
2. 
   M (0,3-1) – крупные города с нефтехимической и химической промышленностью и другие промышленные центры;
   
3. 
   N (1-2) – города черной и цветной металлургией, тяжелым машиностроением, химической промышленностью (Липец, Нижний Тагил, Ангарск);
   
4. 
   Р (2-3) – Новотроицк, Красноперекопск, Череповец, Магнитогорск;
   
5. 
   R (3-5) – Темиртау;
   
6. 
   S (более 5) – Норильск (около 12-13 т/чел год).
   

Также возможно геохимическая классификация элементарных ландшафтов внутри города. По принадлежности к функциональной зоне, загрязнению ландшафтов выделяют пять основных порядков: 1) парково-рекреационный; 2) агротехногенный; 3) селитебный; 4) селитебно-транспортный; 5) промышленный. В первых трех преобладает привнос поллютантов, в последних двух – вынос и частичная аккумуляция.

В пределах порядков по особенностям воздушного привноса и выноса поллютантов, геохимической специализации выбросов и отходов выделяют отделы городских ландшафтов. Для выделения разделов интегральным критерием служат уровни загрязнения отдельных компонентов и степень их опасности для живых организмов в пределах порядком и отделов с использованием четырех градаций поступления пыли и суммарных показателей загрязнения химическими элементами снега, почв и, возможно, растений.

Группы и типы выделяются по особенностям биологического круговорота, классы – по классам водной миграции, роды – по особенностям воздушной и водной миграции, положению в катене, виды – по геохимической специализации литогенного субстрата.

17. Геохимия аквальных ландшафтов. Оценка техногенного загрязнения природных вод.

Промышленная и муниципальная деятельность в городах ведет к значительной техногенной трансформации водного баланса на их территории. Загрязнение природных вод промышленными и коммунальными стоками является одной из основных форм техногенной деформации городской среды.

Три основных направления оценки загрязнения природных вод: 1) определение состава канализационных промышленных и муниципальных вод; 2) изучение стоков с территории города (особенно широко распространены синтетические загрязняющие вещества – фенолы, нефтепродукты и др.); 3) гидрогеохимическая оценка городской среды – изучение состояния конечных звеньев водооборота сточных и поверхностных ливневых вод, а также донных отложений, служащих универсальным индикатором техногенной нагрузки на водосборы в пределах города.

Воды, в которых содержание загрязняющих веществ велико, но допустимое для сбрасывания в водоемы, называются условно чистыми.

Баланс поставки химических веществ в поверхностном стоке крупных городов состоит из следующих компонентов (в сумме 100%):

• 
  фоновый сток;
  
• 
  сток условно чистых промышленных вод (Cu, Sr);
  
• 
  канализационный сток (Sn, Cr, Cd);
  
• 
  ливневой сток – осадки (Pb, Zn, Mo).
  

Изучение донных осадков, как одной из основных депонирующих сред городских ландшафтов связано с тем, что донные осадки отличаются очень низкой динамичностью. Донные осадки - сложная биокосная система, по своим свойствам напоминающая почву (в частности, деление на горизонты). По утверждению Вернадского, “илы – подводные почвы”.

Донные осадки могут быть сульфидными, глеевыми и окислительными. В низовьях многих рек скорость течения замедляется, в донных отложениях образуются глеевые барьеры, накапливаются многие элементы.

Загрязнение донных осадков зависит от:

• 
  литологического состава (L – содержание глинистой фракции);
  
• 
  содержания карбонатов;
  
• 
  содержания органического вещества (О).
  

где X – абсолютное содержание элемента в пробе. По значениям Y можно сравнивать загрязнения в донных осадках, отличающихся по значениям основных параметров.

Важным показателем является протяженность техногенной геохимической аномалии в водоеме. При отсутствии техногенных источников в бассейне, в водоеме нет техногенных аномалий. Наличие промышленных городов в бассейне существенно влияет на содержание различных веществ (например, резко повышается содержание Ag в донных отложениях). Средняя протяженность аномалии составляет 5-10 (до 15 км), далее река “самоочищается”.

Однако, бывает, что загрязнение действует на всем протяжении водотока (например, в районах нефтедобычи). В этих случаях особенно велико загрязнение в дельтах. Таковы дельты Инда, Ганга, Рейна, Дуная, Волги и других рек. Иногда повышенное содержание того или иного элемента в водоеме связано с характером пород, которые дренирует данная река. Например, в Рейне из-за особенностей пород аномалии содержания меди были выражены гораздо ярче, чем в Дунае и Волге, хотя объем загрязнения там был не больше.

В качестве индикаторов загрязнения водоемов часто используют водные растений. Лучше использовать растения, обладающие меньшей вариабельностью, в которых повышение концентрации веществ всегда четко соответствует увеличению загрязнения.

В водоемах также отражено глобальное загрязнение. Так, в определенные годы наблюдались аномалии, связанные с радиоактивными испытаниями 1950-х гг., с аварией на ЧАЭС.

В последнее время в развитых странах мониторинг донных осадков обнаруживает тенденции к снижению загрязнения водоемов. Это результат внедрения экологически чистых технологий. В менее развитых странах загрязнение остается на прежнем уровне или растет, но сниженными темпами.

Очень важно наличие на реках водохранилищ. Водохранилища выполняют очищающую функцию. Каждая плотина является механическим барьером для веществ, перемещающихся со взвесями. Перед плотинами часто бывают аномалии содержания этих веществ. Также часто бывают устьевые аномалии при слиянии рек (из-за падения скорости течения).

Основные типы геохимических аномалий в водоемах:

1. 
   Аномалии, связанные с наличием промышленных центров.
   
2. 
   Устьевые аномалии – связаны с замедлением скоростей течения рек при слиянии (гидродинамический барьер);
   
3. 
   Аномалии приплотинных плесов водохранилищ;
   
4. 
   Аномалии в устьях рек, связанные с замедлением скорости в нижнем течении;
   
5. 
   Аномалии в морских бухтах, на берегах которых расположены крупные города.
   

В дельтах рек обычно происходит переход воды из взвешенного состояния (река) в растворенное (море). Сульфатные формы в морях более подвижны, чем гидрокарбонатные. По этим причинам здесь часто образуются геохимические барьеры. Если реки выносят в основном растворенные вещества, то барьеры растянуты, если преобладают взвешенные – барьеры выражены четко.

В зонах смешения морских и речных вод происходит реакция:

HCO₃ + NaCl  Na(HCO)₃,

образуется сода, в результате резко повышается рН.

В дельтах есть несколько областей концентрации загрязняющих веществ, связанных с местами замедления скоростей течения (при выходе в море, между островами).

Итак, уровень загрязнения в дельтах рек зависит от следующих факторов:

1. 
   Характер источников (в том числе литологических) поступления загрязняющих веществ;
   
2. 
   Наличие водохранилищ;
   
3. 
   Тип отложений в дельте (например, пески и известняки почти не накапливают загрязняющих веществ, в этом случае вещества рассеиваются в море);
   
4. 
   Степень проточности данного водоема дельты;
   
5. 
   Растения, произрастающие в данной части дельты.
   

Около 70% населения Земли живет в зоне 0-100 км от берега, поэтому береговые ландшафты играют колоссальную роль в жизни людей. Сосредоточение промышленности и населения обусловливает сильное воздействие на ландшафты.

В прибрежных зонах в результате глобального потепления происходит подъем уровня моря (скорость 2 мм/год), затопление и разрушение прибрежных территорий. При этом изменяются и геохимические условия.

Изменение уровня мирового океана ученые изучают различными методами. Например, в качестве модели рассматривается изменение уровня Каспия (подъем с 1978 г.), которое происходит со скоростью 13 мм/год, т. е. в режиме реального времени (сохранились террасы 20-40-х; 50-70-х гг., за несколько десятилетий образовывались берега, лагуны и т. д.). Также изменение уровня моря и связанных с ним геохимических условий изучают на ледниках Гренландии и Антарктиды.

Изменение условий морских террас и других элементов береговой линии сходно с моделями курганов (см. вопрос №13). Здесь в результате геоморфологических процессов осадконакопление часто начиналось с нуля.

Геохимические процессы в прибрежных районах, связанные с подъемом уровня моря:

1. 
   Засоление – при наступании моря на сушу происходит образование засоленных почв, солончаков определенной степени минерализации – галогенез. В районах, где на берегу развито сельское хозяйство, засоление приносит большой ущерб.
   
2. 
   Изменение окислительно-восстановительных условий – при заболачивании, маршеобразовании образуются анаэробные условия, происходят сульфидогенез, оглеение.
   
3. 
   Ожелезнение – связано с изменением окислительно-восстановительных условий. В условия образовавшегося кислородного геохимического барьера Fe²⁺ переходит в Fe³⁺ и осаждается.
   
4. 
   Накопление тяжелых металлов – связано с ожелезнением (при ожелезнении образуется сорбционный и сульфидный барьеры).
   
5. 
   Биогенная аккумуляция, гумусонакопление – при наступлении моря на пляжи появляются растения, продуцируется органика.
   

1. 
   Река – море;
   
2. 
   Берег – море;
   
3. 
   Гидрофронты (разделы водных масс);
   
4. 
   Фронты прибрежного апвеллинга;
   
5. 
   Лед – вода;
   
6. 
   Гидротермы (подъем термических вод, образуются кислородный и температурный барьеры, осаждаются Mn, Fe – “черные курильщики” - из-за Mn⁴⁺);
   
7. 
   Океан – атмосфера;
   
8. 
   Слой фотосинтеза;
   
9. 
   Слой O₂ – H₂S (смешение кислородных и сульфидных вод, часто здесь образуются железо-марганцевые конкреции);
   
10. 
    Солевой барьер;
    
11. 
    Окислительно-восстановительный барьер в осадках;
    
12. 
    ГБЗ и образование руд.
    

Агроландшафты – районы площадного (а не точечного, как города) воздействия человека на ландшафт. Наиболее сильное воздействие осуществляется путем химических мелиораций, прежде всего внесения минеральных удобрений:

1. 
   Азотные удобрения – увеличивается содержание азота, однако других вредных веществ азотные удобрения не содержат;
   
2. 
   Фосфорные удобрения – происходит загрязнение окружающей среды фосфором, но фосфор быстро связывается минеральным веществом и слабо мигрирует, идет эвтрофикация водоемов; фосфорные удобрения также содержат Cd, U, Sr, As, редкоземельные элементы (Y, Sc, La). Так, например, в бассейне Рейна, несмотря на сокращение промышленных выбросов Cd, его содержание в почве продолжает увеличиваться из-за фосфорных удобрений.
   
3. 
   Твердые бытовые отходы – осадки иловых вод, поля фильтрации. Это наиболее опасные удобрения, они вызывают загрязнения микроэлементами.