Литогеохимические поля и 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% ее территории как потенциально экологически безопасную. Согласно В.С.Певзнеру с соавторами (1997), наибольшую угрозу несут образования пермского, мелового и палеогенового возраста, районы
автономной активизации и молодые структуры, прозрачные геохимические зоны , где наряду с ведущими элементами геохимических ассоциаций постоянно наблюдаются элементы и группы элементов, не соответствующие лито-логическому и формационному составам изученных геологических тел. Они были названы «нехарактерными элементами». К нетипичным элементам обычно принадлежат Bi, As, Sb, Hg, Sn, иногда W, Be, Li, F. Их можно рассматривать в качестве прямых свидетелей открытости геологической системы. Существует определенная связь состава «нехарактерных» элементов с типом геохимического поля. Так, литофильный тип сопровождают группы таких «нехарактерных» элементов, как Be, Mo или Li, F, Hg, U (или F, U, Li, Th), халькофильный тип — чаще As, Se, Bi, xa-льколитофильный тип — Se, W, Hg, Pb, халькосидерофильный тип -Mo или Ga, Ge, As, Bi (Hg) и т.п.
* Прозрачные геохимические зоны — зоны и районы, внутри которых весь разрез, независимо от литологического состава и возраста пород, характеризует тенденция к концентрированию одной и той же группы химических элементов. Например, Бельско-Нахимовская зона с тенденцией к концентрации экологически опасных ассоциаций, представленных Bi,W,Be, U; Кажемская зона — Hg, В, Li; Ладожско-Ботническая зона — Pb, W, Си, Мо; Среднерусская зона — Hg, Bi, В и др. (В.С.Певзнер и др., 1997).
В пределах Восточно-Европейской платформы прозрачные геохимические зоны преимущественно совпадают с авлакогенами. На Сибирской платформе такие зоны не имеют четкой приуроченности к древним структурам, но совпадают с глубинными сейсмоактивными зонами и пересекают узел глубинного тепломассопереноса. Для геохимического поля разновозрастных образований Северо-Востока России характерно наличие потенциально-подвижных As, Bi, Pb, Hg, Cd. Сходная картина наблюдается в Забайкалье.
Данные, накопленные в геологической (А.П.Виноградов, В.В.Ковальский, Ю.Н.Ермаков, В.В.Иванов и др), медицинской (А.П.Авцын, М.А.Риш и др.), биологической (G.Grifnth, Е.В.Ротшилд) литературе, говорят о том, что состояние биоса в целом определяет геохимический тип разреза. Так, в пределах развития красноцветных терригенных отложений среднего-верхнего девона, как и подстилающего ордовика Северо-Запада, перьми-триаса Башкирии, девона и перекрывающих ледниковых отложений Беларуси возрастает, по данным Е.К.Мельникова, В.А.Рудника (1997), в 1,5-2,0 раза онкозаболеваемость населения, обусловленная, главным образом, формой нахождения и дисбалансом, а не повышенным содержанием ряда тяжелых элементов, присутствующих в окисной труднорастворимой и не переходящей в водные растворы форме.
Аномалии химических элементов в районах рудных месторождений фиксируют экстремальные эколого-геохимические ситуации, известные в природе. Эколого-геохимические особенности отмеченных районов определяют типоморфные ассоциации элементов. В качестве примера в табл. 45 приведены данные по геохимическим ассоциациям химических элементов, концентрирующихся в некоторых типах рудных месторождений и сопровождающих их ореолах рассеивания. Наглядно видно, что подавляющее большинство из них является сильными токсикантами (табл. 46).
Уровни концентрации элементов в центральной части ореолов месторождений, непосредственно трассирующие рудные тела, в десятки, а иногда и в сотни раз превышают фоновые, в среднем же уровень концентрации химических элементов (выделяемых в контуре с 95%-й вероятностью) превышает, по данным Е.П.Янина (1993), фоновые значения в 10-15 раз. Это позволяет говорить о необходимости проведения эколого-геохимических исследований данных территорий, так как они зачастую используются под сельскохозяйственные угодья либо под жилую застройку.
Гидрогеохимические провинции и аномалии
Природные гидрогеохимические провинции и аномалии обусловлены геоло-го-структурными условиями района, литогеохимической специализацией горных пород, их литолого-минералогическими и физико-химическими особенностями. С.Р.Крайновым, В.П.Закутиным (1994) выполнена геохимико-экологическая оценка подземных вод России по комплексу водоносных горизонтов, артезианских бассейнов и гидрогеологических массивов, воды которых имеют повышенные концентрации нормируемых химических элементов и веществ по отношению к ПДК. Авторы исходили из того, что при превышении концентраций элементов в водах выше ПДК наблюдается рост заболеваемости населения. Поэтому выделенные ими гидрогеохимические провинции можно рассматривать как своеобразные патогенные гидрогеохимические аномалии.
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.
В пределах патогенных гидрогеохимических аномалий состав подземных вод обогащен одним или несколькими элементами. Наиболее часто выводят подземные воды из разряда кондиционных повышенные содержания соединений азота, марганца, железа, стронция, селена, мышьяка, фтора, бериллия, органические вещества (углеводороды и их различные производные). На рис. 26 и 27 показано распространение подземных вод с повышенным содержанием элементов на территории бывшего СССР.
* Гидрогеохимическая провинция — это территория, объединяющая комплекс водоносных горизонтов, артезианских бассейнов или гидрогеологических массивов, подземные воды которых имеют повышенные концентрации нормируемых химических элементов и веществ. Для таких провинций характерны по С.Р.Крайнову: а) высокий уровень фоновых концентраций нормируемых химических элементов (веществ), приближающийся к ПДК или превышающий его; б) высокая частота встречаемости (>50%) в подземных водах их концентраций, превышающих ПДК.
К важнейшим естественно-геохимическим процессам, приводящим к формированию гидрогеохимических аномалий, относятся: увеличение минерализации подземных вод; изменение соотношений между концентрациями компонентов, лимитирующих распределения нормируемых химических элементов; изменение Eh-pH подземных вод; увеличение концентраций компонентов, являющихся лигандами для элементов комплексообразователей. Первый из этих процессов — увеличение минерализации верхних водоносных горизонтов — может происходить за счет двух естественных геохимических процессов: испарительного концентрирования грунтовых вод (что в целом характерно для аридной зоны); растворения и диффузного рассоления минералов галогенных формаций и первичных седиментационных рассолов. Увеличение минерализации подземных вод осуществляется вследствие появления в них хорошо растворимых хлоридных и сульфатных соединений натрия и кальция. Вследствие этого формируются сульфатные и хлоридные гидрогеохимические аномалии: Западно-Сибирская, Прикаспийская, Южно-Забайкальская (см. рис. 26). Но гораздо более широко распространены на территории России напорные сульфатные и хлоридные подземные воды.
В большинстве артезианских бассейнов вертикальная геохимическая зональность подземных вод обусловлена сменой маломинерализованных подземных вод на все более минерализованные, залегающие на различных глубинах, и сменой
геохимичеких типов подземных вод от В Восточно-Европейской, Западно-Сибирской, Восточно-Сибирской провинциях нижележащие сульфатные и хлоридные минерализованные воды самым непосредственным образом влияют на формирование химического состава верхних водоносных горизонтов. В результате увеличиваются концентрации нормируемых элементов, имеющих высокую растворимость своих соединений с катионами и анионами этих вод. К таким элементам в частности относится стронций. Однако его распределение в подземных водах существенно зависит и от его содержания во вмещающих породах. Поэтому гидрохимические стронциевые провинции тяготеют, как правило, только к определенным структурам внутри сульфатных и хлоридных провинций.
Изменение соотношений между натрием и кальцием в подземных водах также играет важную роль в формировании состава вод питьевого назначения. Натриевые соединения многих анионов имеют хорошую растворимость, а их кальциевые соединения чаще труднорастворимые. Соответственно натриевые геохимические зоны подземных вод всегда оказываются благоприятными для накопления в них F, В, As и других анионогенных элементов. Классическим примером в этом отношении является фтор, образующий обширные гидро-
геохимические провинции с высоким его содержанием в подземных водах.
Содержание фтора в маломинерализованных подземных водах лимитируется произведением растворимости поэтому уменьшение концентрации в подземных водах кальция и рост отношения Na/Ca всегда приводит к увеличению в них концентрации фтора. Проблема источника фтора в данном случае не имеет значения, поскольку кларковые концентрации фтора составляют 660 мг/кг, что вполне достаточно, чтобы обеспечить в подземных водах содержания фтора, превышающие ПДК. Подземные воды с минимальными содержаниями кальция и высокими отношениями закономерно и широко распространены в гидрогеологических структурах земной коры России, и поэтому гидрогеохимические провинции фтороносных вод в ней соответственно широко представлены. Примерами фтороносных провинций на территории России являются Московско-Волго-Камская, Западно-Предкавказская, Кулундинская, Якутская, а за пределами России — Молдавская, Причерноморская, Прибалтийская (см. рис. 26).
В последние годы на территории России установлены гидрогеохимические провинции и трещинно-жильных вод с высокими содержаниями мышьяка и бора. Их происхождение преимущественно обусловлено сочетанием двух факторов: формированием подземных вод натриевого состава; повышенными со-держаниями мышьяка и бора во вмещающих породах. Наиболее типичным в этом отношении можно считать Восточно-Предкавказскую гидрогеохимическую провинцию. Высокие (превышающие ПДК) содержания мышьяка и бора в этой провинции приурочены к относительно маломинерализованным (менее 3,0 г/л) пластовым водам НСОз-Na и НСОз-СОг-Ка состава третичных водоносных горизонтов. Имеются и чисто бороносные гидрогеохимические провинции — Предураль-кая и Зауральская, где их формирование идет преимущественно в пределах боро-осных геохимических зон.
При формировании состава околонейтральных подземных вод велика также роль окислительно-восстановительного потенциала (Eh). Оптимальные для водоснабжения кислородсодержащие подземные воды имеют Eh в пределах 350-500 мВ. Данная величина Eh определяет невозможность увеличения в них концентраций железа, марганца, аммония, фосфора, а также многих токсичных соединений тяжелых металлов с неокисленными органическими веществами (метилированная ртуть, свинец, мышьяк и др).
Уменьшение Eh подземных вод ведет к формированию гидрогеохимических аномалий. Типичными в этом отношении являются Среднерусская, Западно-Сибирская, Ангаро-Ленская провинции, объединяющие систему крупных артезианских бассейнов, а систему малых артезианских бассейнов объединяют Дальневосточная и Забайкальская гидрогеохимические провинции (см. рис. 27). Кроме артезианских бассейнов, гидрогеохимические аномалии с повышенными содержаниями приурочены к массивам, сложенным кристаллическими
интрузивными, эффузивными и песчано-сланцевыми породами. Классическими в этом отношении являются гидрогеологические массивы Карелии, Урала, многих регионов Сибири и Дальнего Востока (см. рис. 26).
Особые гидрогеохимические аномалии железо- и марганецсодержащих вод занимают практически всю зону постоянной многолетней мерзлоты, так как меж-мерзлотные и подмерзлотные напорные воды, лишенные кислорода, имеют низкие значения Eh. В них железо и марганец содержатся в концентрациях, значительно превышающих ПДК.
При возрастании окислительно-восстановительного потенциала увеличиваются концентрации других переменно-валентных компонентов: цинка, меди, свинца, селена, кадмия. Первые три элемента из этой группы являются типоморфными для подземных вод районов сульфидных месторождений. Однако их ПДК высокие, и для питьевого водоснабжения они редко представляют опасность. В грунтовых и напорных водах, имеющих высокие значения Eh (свыше +200 мВ), наиболее опасен селен, так как данные воды предрасположены к его накоплению. Селеновые гидрогеохимические аномалии, связанные с возрастанием Eh, имеют место только в районах развития обогащенных селеном пород или селенсодержащих минералов в селеновых металлогенических зонах. На территории России сейчас выделяются Уральская, Тувинская и Алтайская гидрогеохимические провинции с высоким содержанием селена в грунтовых и напорных водах. В сопредельных государствах классическими селеновыми гидрогеохимическими провинциями являются Донецкая, Среднеазиатская и Молдавская (см. рис. 27).
Среди естественных геохимических процессов, приводящих к формированию особых гидрогеохимических провинций, велика роль процессов комплексообразования между органическими и неорганическими веществами. К важнейшим лигандам (молекулам и ионам, связанным с центральным ионом в комплексные соединения), оказывающим влияние на распределение Fe, Hg, Be в нейтральных водах, относятся фульво- и гуминовые кислоты, а также фтор. Благодаря образованию анионов-лигандов и росту их концентраций в подземных водах, происходит интенсификация растворимости твердой фазы и более активное поступление в водную среду Fe3+, Fe2+,Hg2+, Ве2+. Элементы-гидролизаты при образовании устойчивых комплексных соединений труднее подвергаются гидролизу и не осаждаются из околонейтральных подземных вод, а проявляют способность концентрироваться в этих водах при увеличении концентраций анионов-комплексообразователей. Благодаря этому, например, концентрация нейтральных кислородсодержащих подземных водах, содержащих фульвокис-лоты в количестве 5-10 мг/л, намного превышает его ПДК в питьевых водах. Вследствие этого, гидрогеохимические аномалии грунтовых железосодержащих подземных вод занимают практически всю гумидную зону России с максимальным проявлением в Мещере, Карелии, Архангельской области и смежных ей областях Севера европейской части России.
Близкий механизм — образование ртутных и бериллиевых гидрогеохимических аномалий. Однако для природных условий, при относительно низких их кларковых содержаниях, обязательным условием является наличие металлогенических зон, характеризующихся ртутной рудной минерализацией и общей обогащенностью ею пород. Типичной в этом отношении является Алтайская гидрогеохимическая провинция грунтовых вод с повышенным содержанием ртути. Классическими примерами бериллиевых гидрогеохимических зон является Уральская, Забайкальская, Приморская. Специфика формирования гидрогеохимических провинций, имеющих бериллиевую минерализацию, состоит в том, что она сопровождается флюоритовой минерализацией и подземные воды таких металлогенических зон всегда содержат высокие концентрации фтора. Фтор является прекрасным лигандом для бериллия, удерживает его от процесса гидролиза и способствует накоплению в подземных водах. Вследствие этого, гидрогеохимические провинции бериллийсодержащих подземных вод выходят за пределы гумидной зоны и распространяются и на аридную зону.
В районах развития рудных месторождений тип оруденения обусловливает элементный состав подземных вод. В соответствии с этим именно от состава основных ассоциаций типоморфных микроэлементов зависят экстремальные эко-лого-геохимические условия существования биоты в этих районах.
Таким образом, гидрогеохимические провинции — продукт как зональных, так
и региональных (структурно-литологических) факторов. Они могут быть установ-
лены не только на основании экспериментальных исследований, но и прогнозиру-
емы, исходя из гидрогеохимической зональности отдельных структур, горизонтов
и знания современной геохимии элементов в подземных водах. Согласно работам
С.Р.Крайнова и В.М.Швеца (1992), вероятно существование высоких концентра-
ций селена во многих районах распространения подземных вод.
Это означает, что селен, подобно фтору и железу, может вполне дополнить список элементов, осложняющих санитарно-токсикологическую и медико-биологическую ситуацию значительной части Российских регионов.
Атмогеохимические аномалии
Природные атмогеохимические аномалии обусловлены геолого-структурными 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, по В.Л.Сывороткину (1998), потоки в других геоструктурных зонах.
Выделение эндогенных газов в эколого-геохимическом аспекте приводит к из-менению 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.
Изменениями газового состава приземной атмосферы можно объяснить повышенную заболеваемость «пришлого населения», например, в Памирской, Курило-Камчатско-Сахалинской атмогеохимических провинциях. Атмогеохимические аномалии регистрируются и в районах развития локальных проницаемых зон. Они, на-пример, установлены в ряде районов Москвы, Санкт-Петербурга др. Эманационные, в том числе радоновые, атмогеохимические аномалии известны в районе ордовикского глинта в пределах Северо-Запада России, создающие, по В.А.Руднику, условия биологического дискомфорта для жителей Гатчины, Красного Села, Копорья, Пушкино.
Наиболее наглядными индикаторами патогенного влияния зон повышенной проницаемости — зон разломов и подземных водотоков, являются растения и, в первую очередь, древесные формы, развивающиеся на одном и том же месте десятки лет. В районах, имеющих мощный чехол рыхлых отложений, многие зоны разломов отчетливо выделяются на аэровысотных и космических снимках в виде протяженных полос, отражающих смену состава и интенсивности растительного покрова.
Опасность атмогеохимических ореолов заключается не только в прямом воз-действии на человека, но и в проникновении подобных газов и металлсодержащих газообразных флюидов и металлоорганических соединений в подземные воды, растительный покров, в микробиологическую составляющую почв и почвообра-ующих пород. По данным В.В.Виноградова (1997), в зоне активного разлома (Карелия) за 24 ч с площади потока около см2 содержание свинца составило порядка 12 мкг, а алюминия до 250 мкг. По тектоническим нарушениям с парогазовыми глубинными потоками на поверхность поступают не только уже известные глубинные газы, но и ионные парообразные формы практически всех элементов, обладающих еще более проникающим действием и легче усвояемых организмом, чем обычные аэрозоли. Значительное количество частиц с радиусом менее микрона, попадая в легкие, остаются в них. При этом многие вещества, безвредные в аэрозольном состоянии, становятся чрезвычайно опасными.
Биогеохимические провинции и аномалии
Изначально вопросы биогеохимии растений изучались в геологии в связи с ис-пользованием 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 породы-подземные воды-газы-почва-биота».
Исследованиями Н.А.Власюка, В.В.Ковальского, Я.В.Пейве, М.Я.Школьника и других авторов 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) МАГлазовской (1993) 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.
Считается, что ландшафтно-геохимические условия произрастания растений, влияние видовой специализации, фаз вегетации, климатических и погодных условий и другие факторы — менее значительны и определяют пределы колебания содержаний отдельных элементов не более, чем в 10 раз. В целом перечисленные факторы имеют существенное значение для всех типов аномалий, где концентрации химических элементов в компонентах литосферы сопоставимы или превышают их содержания в рудных зонах*.
* В фоновых ландшафтах с относительно низкими содержаниями элементов в питающей мине-рально-органогенной среде дифференцированную роль приобретают ландшафтно-геохимические условия миграции элементов: щелочно-кислотная и окислительно-восстановительная обстановка, степень минерализации и состав вод и связанная с ними биогеохимическая специализация растений по видам, родам и семействам. Оба эти фактора контролируются геохимией элементов, их способностью мигрировать в определенных ландшафтно-геохимических условиях.
Как отмечалось ранее, недостаток, избыток, дисбаланс химических элементов в компонентах литосферы приводит к заболеваниям животных, растений, человека, именуемым в биогеохимии и «биогеохимическими эндемиями», которые по существу являются индикатором негативного воздействия геохимической составляющей литосферы на развитие биоты. Районы их распространения, по А.П.Виноградову (1938), именуются биогеохимическими провинциями (биогеохимические провинции — области на Земле, отличающиеся от соседних по уровню содержания в них химических элементов и вследствие этого вызывающие различную биологическую реакцию со стороны местных флоры и фауны; в крайних случаях в результате резкой недостаточности или избыточности содержания какого-либо химического элемента (или элементов) в пределах данных биогеохимических провинций возникают биогеохимические эндемии — заболевания растений и животных).
Базируясь на идеях биогеохимической гете-рогенности и зональности континентов, В.В.Ковальский (1982) выделил регионы биосферы -биогеохимические почвенно-климатические зоны, в пределах которых зональные признаки разнообразия среды и организмов ограничены по сравнению с экологической системой целой биосферы. Было выделено три равнинных региона: таежно-лесной нечерноземный; лесостепной и степной черноземный; сухостепной полупустынный и пустынный. Все горные территории были объединены в четвертую группу (рис. 28).
В их пределах обособлены субрегионы биосферы- зональные биогеохимические провинции, в которых комбинируются признаки зон по концентрациям, соотношениям химических элементов и биологическим реакциям, и азональные признаки, которые не соответствуют характеристике зон и образуются над рудными телами при рассеянии в них химических элементов, в бессточных бассейнах, в районах вулканизма. В качестве зональных биогеохимических провинций можно привести провинции Нечерноземья, связанные с недостатком йода, кобальта, меди, часто кальция, с избытком марганца, железа, что обусловлено подвижностью форм кальция, меди, кобальта, йода и других химических элементов в подзолах. Провинции данного типа и эндемии не встречаются в зоне черноземов.
Так называемые азональные, или интерзональные, биогеохимические провинции, характерны для территорий образования природных ореолов рассеивания различных химических элементов. В их пределах развиваются природные биогеохимические аномалии. Они связаны преимущественно с избытком в среде и организмах одного химического элемента или их ассоциаций.
Подчеркнем, что биогеохимическое районирование территории России и со-предельных государств, выполненное в Биогеохимической лаборатории АН СССР под руководством В.В.Ковальского, очень информативно, так как базируется на обширных данных по биогеохимии и дифференцированному анализу патологических состояний организмов. Оно, по существу, создает базу для эколого-геологи-ческих оценок.
Для современного этапа исследований биогеохимических провинций характерен, как показал В.В.Ермаков, экологический подход. По биогеохимическим критериям оценивается экологическое состояние территории биогеохимических провинций.
Таким образом, специалистами различных естественно-научных школ четко зафиксированы связи в системах «горные породы-биота», «подземные воды-биота», «почвы-биота», «атмогеохимические аномалии-биота». Назрела необходимость на основании данных о патогенных геохимических аномалиях выделять патогенные экосистемы геохимической специализации (литогеохимического, гидрогеохимического, атмогеохимического либо смешенного типов) с указанием приоритетных токсикантов и характерных реакций биоты.