Материал составлен при участии Т.А.Барабошкиной.
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, природно-техногенного 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. По сути именно этим определяется и круг решаемых в рамках изучения этой функции литосферы задач (см. табл. 5).
Функциональными территориальными (точнее объемными) единицами эко-лого-геохимических исследований являются геохимические зоны, геохимические провинции и геохимические аномалии , которые могут быть объединены под общим названием «геохимические неоднородности литосферы».
Под геохимическим полем мы понимаем геохимически однородную область, связанную большим пространственным накоплением какой-либо группы или ассоциации элементов.
Такая их иерархия позволяет проводить исследование и описание геохимических свойств литосферы на планетарном (зоны), региональном (провинции) и локальном (аномалии) уровнях. Сказанное в полной мере относится и к биогеохимическим зонам, провинциям и аномалиям, которые приходится изучать при исследовании геохимической экологической функции литосферы.
Геохимические неоднородности литосферы могут быть обусловлены как повышенным, так и пониженным содержанием элементов по сравнению с фоновым. В зависимости от депонирующей среды выделяются следующие геохимические неоднородности: литохимические, обусловленные составом горных пород, почв, донных осадков, техногенных грунтов; гидрохимические — подземных вод; атмо-химические — газовым составом почв, горных пород, подземных вод; сноухимические — снегового покрова; биохимические — биоты.
По генезису среди геохимических неоднородностей литосферы следует выделять:
- природные (естественно-исторические), сформировавшиеся в ходе геологической жизни планеты;
- природно-техногенные (новообразованные), формирование которых произошло в эпоху техногенеза вследствие использования высокоотходных технологий при низком уровне внедрения средозащитных мероприятий.
Если рассматривать их во временном аспекте, то к наиболее стабильным можно отнести природные литогеохимические аномалии, провинции и зоны. Прочие типы геохимических неоднородностей имеют значительные вариации состава во времени, зависящие от комплекса физико-химических, биогеохимических, геодинамических, техногенных условий.
Структура геохимической экологической функции литосферы, вытекающая из этих позиций, показана на рис. 3. Включение в нее биогеохимической составляющей может вызвать возражения. В связи с этим следует напомнить, что биогеохимические функциональные единицы обусловлены геохимическими свойствами литосферы, но носителями элементов являются растения. Поэтому с рассматриваемых нами позиций, включение биогеохимических неоднородностей в структуру эколого-геохимических исследований представляется не только оправданным, но и необходимым.
Выделение в структуре рассматриваемой функции природных и техногенных геохимических неоднородностей связано с различной дифференциацией элементов по профилю в природных и природно-техногенных системах. Это проиллюстрируем примером распределения олова по разрезу (рис. 24) в районе разведки и эксплуатации дальневосточных оловянных месторождений.
Как видно из приводимых эпюр, природная геохимическая аномалия в почвах, сформированная над рудным телом, менее интенсивна, чем природно-техногенная. В природной аномалии 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 (природно-техногенная аномалия) показывает более высокое содержание олова в верхней части разреза по сравнению с природной аномалией, что обусловлено интенсивным поступлением элемента аэральным и аквальным путем с техногенных объектов. Это общая картина для всех природных и природно-техногенных аномалий.
Отмеченные особенности дифференциации элементов в различных генетических типах геохимических неоднородностей следует учитывать для правильной выработки экологической политики в регионах. Так, литогеохимические аномалии техногенного генезиса в отличие от природных имеют приповерхностный характер распределения элементов по профилю и могут быть в значительной степени нивелированы за счет использования различных методов очистки геологической среды от загрязнения.
Подчеркнем, что при эколого-геохимических исследованиях чрезвычайно важным являются выявление и вычленение путей воздействия химических элементов литосферы на биоту и человека, в первую очередь на состояние его здоровья. Обзор публикаций позволяет выделить три основных пути такого воздействия:
- воздушный — через попадание токсикантов в виде газа или аэрозолей в организм человека;
- водный — через подземные воды, употребляемые для питьевого водоснабжения;
- пищевой — через трофическую цепь от загрязненных растений к животным и человеку (рис. 25).
В реальной жизни они чаще всего проявляются совместно или в парных комбинациях, усугубляя негативное воздействие на население, проживающее в зоне воздействия геохимических факторов. При этом следует учитывать, что принятие радикальных природоохранных мер не может основываться только на интегральной оценке загрязнения местности через медико-статистические показатели (заболеваемость, смертность населения и т.д.), а потребует установления среды и источников загрязнения и путей попадания токсикантов в организм человека. Решение этой проблемы — задача довольно сложная и требует разработки определенных методических подходов и очередности анализа всех компонентов литосферы. В основу такого анализа может быть положена схема, изображенная на рис. 25. Она позволяет оценить очередность и последовательность исследования разных путей попадания токсикантов в организм человека и определить связанные с ними компоненты литосферы (депонирующие токсиканты среды). Нетрудно заметить, что на этом рисунке четко обособились изучаемые системы, отличающиеся набором подсистемных элементов, коррелирующих с определенными типами геохимических неоднородностей -литохимическим, гидрохимическим, атмохимическим и биохимическим.
Сноухимические аномалии по существу отражают эколого-геохимическое состояние атмосферы, суммируя воздействие природных атмогеохимических (дыхание Земли), природно-техногенных атмогеохимических (газовые новообразования в горных выработках и пр.) и техногенных факторов (выбросы предприятий и др.) и характеризуют динамику геохимической экологической функции литосферы во времени. Снеговой покров отражает контуры аэрогенного загрязнения на период его образования и позволяет судить о динамике происходящих процессов. В период снеготаяния, находящиеся в нем водорастворимые токсиканты мигрируют в поверхностные воды, донные осадки и почвы. Ареал их распространения значительно превышает контуры сноухимической аномалии. Ориентировочная шкала оценки аэрогенных очагов загрязнения приведена в табл. 44.
Системы литосфера (газы)-биота (человек) и литосфера (подземные воды)-биота (человек) достаточно просты для изучения. Их абиотическая составляющая представлена одним из компонентов литосферы, хорошо изученным и оцениваемым по нормированным количественным показателям (ПДК, ПДС, фон, кларк). Здесь все проблемы в ранжировании этих показателей (критериев оценки) на классы состояний, увязанных с состоянием экосистемы в целом и здоровьем человека.
Система, анализируемая при «пищевом варианте» попадания поллютантов человеку, достаточно сложная и нуждается в ряде пояснений по выделяемым в ее составе элементам. По своей сути она наиболее полно отражает единство геохимической среды и жизни, которое сформировалось в процессе естественно-исторической эволюции экосферы Земли, и через подвижные формы элементов проявляется во всех звеньях цепочки «горные породы-подземные воды-газы-почвы-растения-животные-человек». Здесь минеральное вещество литосферы (горные породы, минералы) выступает в качестве минерального ресурса, депо накопления определенных минералов, необходимых для развития биоты (микроорганизмов, лишайников, растений). Оно включает в себя и элементы, токсичные по отношению к живым организмам. Подземные воды — жизненно важная составляющая компонента литосферы, способствующая вовлечению водорастворимых элементов литосферы в биогеохимические взаимодействия, формированию обменных комплексных соединений, доступных для усвоения растениями.
Особое место на пути поступления вещества литосферы к растениям занимает почва, которую по генезису можно рассматривать как континентальную биогенно-минеральную породу. Благодаря комплексу биогеохимических, физико-химических процессов, в почвенном слое, согласно Б.Б.Полынову (1994), вещество литосферы переходит в более активное состояние в результате резкого увеличения (в десятки тысяч раз) общей активной поверхности тонкодисперсной части почв по сравнению с субстратом, особенно монолитной горной породы. Биогеохимическими агентами преобразования вещества литосферы являются высокомолекулярные органические кислоты (гуминовые и фульвокислоты), биогенная сода, биогенные щелочи, биогенные газы, продукты жизнедеятельности микроорганизмов, низкомолекулярные органические кислоты — муравьиная, уксусная, масляная, молочная, щавелевая, винная и др. Органические кислоты способны к образованию комплексных соединений — хелатов, что повышает возможность организмов усваивать элементы минерального питания, законсервированные в кристаллической решетке.
Благодаря биогеохимическому преобразованию, вещество литосферы в почвенном слое становится доступным для растений и включается в трофическую цепь. Уникальность почвы, как пишет Г.В.Добровольский (1990), состоит в том, что она является:
- продуктом биогеохимического развития литосферы (в силу геохимической открытости системы);
- средой минерального питания растений, литобионтов и областью преобразования физико-химических форм миграции вещества литосферы в биогенную;
- средой, выполняющей роль буфера в системе «литосфера-биота» и «литотех-ническая система-биота».
Таким образом, почва — это зеркальное отображение комплексного воздействия на литосферу биогеохимических, физико-химических, климатических факторов.
Миграционная способность элементов в породах и почвах рассмотрена в трудах М.А.Глазовской (1992), А.И.Перельмана (1978), H.J.M.Bowena (1989) и др.
Остановимся на некоторых моментах, наиболее объективно отражающих связь в системе «литосфера-растения». Согласно статистической обработке экспериментальных данных, подвижность металлов в почвах и их количество в растительной массе находится в тесной связи с содержанием органического углерода, значениями рН и гранулометрическим составом. Менее резко проявляется влияние карбонатов кальция и емкости поглощения, хотя тенденция связи содержания подвижных форм металлов в почве с накоплением их в фитомассе сохраняется. Почва и растительный покров — это тесно взаимосвязанные блоки единой биогеоценотической системы; перераспределение элементов в этой системе наглядно отражают геохимические показатели.
Учитывая тот факт, что приповерхностная часть литосферы является непосредственной областью минерального питания растений, их наиболее целесообразно использовать в качестве биологических датчиков, отражающих эколого-геохимическое благополучие территории. Растительный блок изучается с целью определения количественного состава химических элементов, для контроля интенсивности поступления микроэлементов в трофическую цепь. Микроорганизмы являются биосубстратом, наиболее чутко реагирующим на малейшие изменения геохимической среды, что жизненно важно контролировать в техногенных районах.
*** Зона геохимическая (по А.Е.Ферсману) — широтная климатическая (ландшафтная) зона со всей совокупностью вызванных ею специфических особенностей в миграции элементов почвенного покрова и биосферы.
**** Провинция геохимическая (по А.Е.Ферсману) — геохимически однородная область, характеризующаяся определенными ассоциациями элементов.
***** Геохимические аномалии — участки территории, в пределах которых хотя бы в одном из слагающих его природных тел статистические параметры распределения химических элементов отличаются от геохимического фона. Геохимический фон — средняя величина природной вариации содержаний химических элементов.