Литогеохимические 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.
Существует несколько подходов к оценке величины техногенной нагрузки, испытываемой природной средой. Например, М.А.Глазовской, Н.С.Касимовым, Т.А.Теплицкой, И.А.Авессаломовой и др. (1995) для сравнения различных продуктов производства по геохимическому воздействию на окружающую среду предлагается использовать суммарный коэффициент ноосферной концентрации Сn
Наиболее высокий характерен для угля. Именно при использовании угля в ландшафты поступает избыточное количество по крайней мере 25 элементов, в том числе углерода, тяжелых металлов, урана. Значительно ниже для других видов горючих ископаемых — нефти и газа, хотя с ними поступает избыточное количество С, N, S, J, Cd, а из инертных газов — Не, Аг.
Для характеристики территориальных особенностей геохимического техно-генного воздействия этими же авторами предложено использовать региональный суммарный коэффициент ноосферной концентрации 
где D — техногенное давление различных продуктов на изучаемой территорий, к— число аномальных элементов.
Различия техногенных воздействий реально проявляются в региональном геохимическом фоне содержания микроэлементов в почвах и подстилающих горных породах. Ф.Я.Сапрыкиным (1984) были рассчитаны коэффициенты ноосферной концентрации Си, Со, Mo, Zn в почвах для территории Черноземной и Нечерноземной зон. Согласно полученным данным, в Донецкой области, где наиболее высокие значения С,„ кларки ноосферной концентрации микроэлементов также имеют самые высокие значения. В других областях Черноземной зоны, где значения Сn в пять и более раз ниже, содержание рассматриваемых микроэлементов уменьшается. В Нечерноземной зоне выделяется повышенным содержанием микроэлементов Московская область, где и значения для данной зоны самые высокие. Наиболее низкие значения в европейской части России имеют Поволжский (Ярославская, Костромская области) и Северо-Западный (Ленинградская область и Карелия) экономические районы. Эти области выделяются и самыми низкими кларками ноосферной концентрации элементов в почвах.
Другой подход оценки литогеохимических полей и аномалий нашел отражение при выполнении многоцелевого геохимического картирования, реализованного в виде атласа геолого-геохимических и эколого-геологических карт масштаба 1:5 000 000 (Э.К.Буренков, М.В.Кочетков и др., 1994-1997). Авторским коллективом создано 12 базовых карт и проведено районирование территории России по степени напряженности экологической обстановки с выделением природно-хозяйственных систем в ранге провинций: Кольская горно-тундрово-таежная горно-рудно-металлургическая; Западно-Сибирская таежно-болотно-мерзлотная нефтегазопромышленная; Центрально-Черноземная степная промышленно-хозяйственная и др.
На локальном уровне объективная картина формирования техногенных геохимических аномалий фиксируется данными натурных исследований в почвах, донных осадках, горных породах. Такие наблюдения выполняются во всевозрастающих объемах в районах действия различных по функциональной направленности техногенных объектов.
В последнее время широкие комплексные работы по оценке геохимической ситуации были выполнены в районах развития крупных городских агломераций. Техногенные ореолы в почвах и горных породах фиксируют интенсивное загрязнение в течение последних 20-50 лет. Минимальное время формирования контрастных педогеохимических аномалий зависит от типа воздействия и составляет в среднем 5-10 лет. Однако для таких элементов, как мышьяк, цинк, это может быть и 1-2 года. Ореолы в почвах более статичны, чем в воздухе, снеге и растениях, так как они способны аккумулировать поллютанты в течение всего периода техногенного воздействия.
* В их число вошли карты: ландшафтная эколого-геохимическая, геохимических аномалий, геохимической специализации структурно-формационных комплексов, эколого-гидрогеологическая, эколого-гидрогеологическая, источников техногенного загрязнения, эколого-радиологическая и оценки экологического состояния геологической среды.
Практически повсеместно фиксируется, что загрязнение почв макро- и микро-элементами приводит к трансформации почвенно-геохимической структуры территории. По данным Н.С.Касымова (1995), резко возрастает радиальная геохимическая дифференциация почвенного профиля вследствие накопления поллютантов в верхней части профиля; в черноземах равномерное распределение металлов сменяется поверхностно-аккумулятивным.
Наиболее высокие уровни суммарного загрязнения почв тяжелыми металлами (Zc от 120 до 1000) установлены для городов с развитой цветной и черной металлургией (Чимкент, Усть-Каменогорск, Мончегорск, Белово, Магнитогорск и др.), где в эпицентрах аномалий содержания металлов в десятки раз выше ПДК. Почвы вокруг перерабатывающих заводов загрязнены углеводами, сероводородом, серой, вокруг машиностроительных и химических предприятий — свинцом, медью, хромом, железом, кожевенных — хромом. В районах действия обогатительных фабрик и металлургических заводов наблюдается образование поясов с повышенными содержаниями микроэлементов в почвах и растениях (табл. 47 и 48).
В отходах промышленности количество высокотоксичных элементов значительно превышает их природные концентрации. Так, с отходами предприятий химической и машиностроительной промышленности в почву и подстилающие их горные породы поступает большое количество кобальта и молибдена, а в районах отстойников текстильной промышленности в приповерхностном слое концентрируется марганец, цинк, никель. На диаграмме (рис. 30) показаны загрязняющие вещества, типичные для различных отраслей промышленности.
Как правило, техногенные литогеохимические поля и аномалии вокруг городов определяются промышленной ориентацией города. Так, по данным биогеохимической индикации для района Братска, характеризующегося развитием производства алюминия и лесохимии, типоморфными элементами являются цинк и свинец, а для Тольятти, в котором высоко развито автомобилестроение, производство азотных и фосфорных удобрений, теплоэнергетика, типичными поллютантами, по данным Н.С.Касимова (1995), являются хром, никель, свинец, медь.
Достаточно типичным для городских почв, а нередко и почвообразующих пород, является их ожелезнение и карбонатизация. Вследствие карбонатизации почв увеличивается их щелочность, идет насыщение поглощенного комплекса основаниями, многие металлы связываются в труднорастворимые формы. При значительном поступлении карбонатной пыли в кислые и нейтральные почвы происходит изменение класса водной миграции ландшафта.
В лесной и лесостепной зонах кислые, кислые глеевые, нейтральные и ней-трально-глеевые классы трансформируются в кальциевые и кальциевые глеевые классы водной миграции. Щелочная техногенная трансформация городских почв ведет к изменению их буферности, увеличению поглотительной способности, уменьшению возможности выноса и миграционной способности многих поллю-тантов и, прежде всего тяжелых металлов.
Сателлитами любого промышленно-городского хозяйства являются хранилища отходов: бытовых, строительных, специфических производственных, являющихся источниками пыли, техногенных газов и токсичных стоков. Состав токсичных стоков зависит от вида хранящихся отходов. Если в хранилищах промышленных отходов просачивающиеся воды содержат те же вещества, что и сами отходы, то из хранилищ бытового мусора в первую очередь вымываются продукты брожения, гниения.
Особую опасность представляют хранилища смешанного типа. В массе таких отходов происходит взаимодействие между веществами, образовавшимися при анаэробном брожении, и токсичными веществами из промышленных отходов, что может привести к растворению последних, например, в результате комплексообразования.
Практически повсеместное развитие на территории России имеют геохимические 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 литосферы, 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 — 2-1200; В — 5-120; Си — 1-300; РЬ — 7-255; Hg — 0,01-1,2; Zn — 501450. В некоторых калийных удобрениях содержание калия достигает 500 мг/кг, тогда как в почвах оно составляет обычно около 1 иногда в этих удобрениях регистрируются повышенные количества изотопа калия.
В случае невысокого внесения удобрений (менее 90-100 кг/га) формирование природно-техногенных нитратных аномалий сдерживается процессом денитрификации. При превышении данного критического порога процессы денитрификации отстают от темпов роста техногенного загрязнения NO3, и это приводит к формированию природно-техногенных нитратных геохимических аномалий.
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. В результате скармливания ботвы сахарной свеклы с полей, обработанных препаратом 2,4Д, произошло отравление скота.
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.
Практически для всех техногенно-развитых территорий в аквальных ландшафтах идет формирование литогеохимических аномалий в донных осадках. Спецификой данных аномалий является тонкодисперсный состав осадков, их повышенная пластичность, иногда желеобразная консистенция, наличие частиц техногенного происхождения, маслянистость, специфический запах (нефтяной, сероводородный, фекальный). Техногенные илы обогащены органическим веществом, карбонатами, оксидами и гидроксидами железа и алюминия, а также повышенными количествами органических загрязняющих веществ — нефтепродуктов, ПХБ и др.
Формирование типоморфных ассоциаций элементов в донных отложениях обусловлено наличием в районе природных и техногенных литогеохимических, гидрогеохимических, аэрогенных аномалий. Так, в районах развития рудных тел и при разработке промышленных залежей состав токсикантов будет характеризоваться составом типоморфной рудной ассоциации элементов. В пределах городских агломераций типоморфные ассоциации элементов обусловливаются специализацией промышленного производства и типом поселения (табл. 49).
Речные наносы мелких фракций, обладая высокой сорбционной способностью, в процессе своего перемещения и отложения в русле реки накапливают весь комплекс химических элементов, присутствующих в воде. Концентрация загрязняющих химических элементов в наносах размером меньше 0,02 мм (глинистые и пылеватые частицы) зачастую превышает их концентрацию в речной воде в 5-10 раз.
Донные отложения вследствие своих высоких сорбционных свойств могут рассматриваться как интегральный индикатор техногенной нагрузки на реку, и их изучению следует отводить важное место в общей системе наблюдений за состоянием водной среды. Они показывают среднее загрязнение за длительный промежуток, так при среднем содержании в 1 л воды 25 мг взвешенного вещества можно считать, что изучение верхних 3-5 см толщи донных отложений дает данные о загрязнении за последние 3-12 мес. Несколько лет назад выявлены «осадочные ловушки», с помощью которых точно определяется исследуемый временной промежуток. В настоящее время на Эльбе в Германии установлено восемь таких ловушек, пробы из которых берутся раз в месяц. Изучение донных отложений требует по сравнению с гидрохимическими и гидробиологическими исследованиями значительно меньших затрат, поскольку нет необходимости в организации ежегодных режимных наблюдений. Например, в Германии при проведении экологического мониторинга для выявления тенденции в изменении загрязнения реки периодичность отбора проб донных отложений составляет 3-5 лет. Результаты исследования речных донных отложений позволяют установить наиболее неблагополучные в логическом отношении участки реки и, в конечном счете, скорректировать состав и объем мониторинга речного бассейна.
Еще одним аспектом воздействия донных осадков на экосистемы и здоровье человека является их способность становиться устойчивыми источниками загрязнения водной среды и почв. Первое пояснения не требует, а второе нуждается в комментарии.
При перенесении донных отложений на почвы, что осуществляется при проведении землечерпательных и дноуглубительных работ в акваториях портов, чистке судоходных каналов, необходимо знать абсолютный потенциал загрязняющих веществ. В основном это зависит от того, какую часть в донных отложениях составляет мелкозернистая фракция.
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.
Так, по данным и др. нерациональная эксплуатация месторождений подземных вод хозяйственно-питьевого водоснабжения усиливает гидродинамические и геохимические взаимодействия водоносных горизонтов и приводит к подтягиванию менее кондиционных вод смежных водоносных горизонтов. Классическим примером в этом отношении является Молдова, где в артезианском бассейне, заполненном фтороносными подземными водами, осуществлялась нерациональная эксплуатация нижнесарматского и верхнемелового водоносных горизонтов и в итоге были сформированы техногенные гидрогеохимические аномалии, что вызвало увеличение количества населения, пораженного флюорозом за счет избыточного накопления фтора в воде. Перемещения водных масс сопровождаются не только привносом новых минеральных веществ, но и нарушают естественное химическое равновесие в системе вода-порода, что инициирует формирование новых геохимических типов подземных вод.
Как уже отмечалось выше, в случае избыточных внесений удобрений, естественные процессы денитрификации не успевают нивелировать техногенный при-внос и происходит возрастающее накопление нитратов в грунтовых водах. Наиболее интенсивно данные процессы наблюдаются в южных засушливых районах, где рост концентрации нитратов в грунтовых водах происходит параллельно росту их минерализации.
Формирование нитратных гидрогеохимических аномалий — явление, характерное для развитых стран (Англия, Нидерланды, Россия, США, и др). При существующих темпах внесения удобрений скорость увеличения нитратов в таких водах составляет 0,1-6,0 мг/л в год. Это способствует росту токсичности грунтовых вод и увеличению эндемических заболеваний. Скорость вертикального движения нитратов в водоносных известняках и песчаниках составляет около 1 м/год, вследствие этого загрязнение напорных вод продуктивных горизонтов артезианских бассейнов нитратами — уже широко распространенное явление (рис.31)
Под воздействием техногенеза региональное экологическое значение в подземных водах приобретают алюминий, железо, марганец, бериллий, ртуть, кадмий и целый ряд других технофильных элементов. Все они увеличивают свою миграционную способность в кислых подземных водах. Поэтому в случае кислых дождей, стоков полигонов твердых бытовых отходов или горно-добывающих предприятий, в подземных водах идет накопление отмеченных элементов, растет количество комплексных их соединений с органическими веществами гумусового ряда.
Помимо отмеченных соединений, не меньшие экологические проблемы создают в сельскохозяйственных регионах пестициды, а в промышленных — диоксины. Последние — кислородные соединения хлор- и бромзамещенных ароматических углеводородов (особенно бензолов и фенолов). Особенность диоксинов состоит в том, что в условиях заполненной сорбционной емкости мелкодисперсных пород верхних водоносных горизонтов диоксины ведут себя как консервативные вещества и их миграция не может сдерживаться геохимическими барьерами.
Современная хозяйственная деятельность обусловливает снижение Eh верхних водоносных горизонтов за счет поступления неокисленных органических соединений с промышленными, сельскохозяйственными и коммунально-бытовыми стоками. В результате Eh подземных вод уменьшается до +250 мВ и менее, создавая условия для миграции и накопления в водах аммония, а также соединений химических элементов с органическими веществами.
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 (R-SH), альдегиды (R-CHO) в различной концентрации (вплоть до 150 млн’1). 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. На рис. 32 представлены отдельные фазы брожения. Удельное выделение газов в хранилищах ФРГ оценивается в 60-180 м3/т мусора.
В хранилищах специальных (промышленных) отходов обычно не протекают микробиологические процессы, так как концентрация ядовитых веществ в отходах далеко превосходит предел их токсичности для микроорганизмов. Выделение газообразных веществ большей частью объясняется перемещением находящихся в хранилище веществ на поверхность складированных материалов.
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 (Ca, 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: — свинцовая энцефалопатия, невропатия, — болезнь Минамата, энцефалопатия, — кадмиевые рениты, нефропатия, кардиомиопатия и др.
Таким образом, в зоне формирования геохимических техногенных аномалий токсиканты включаются в биогеохимический цикл, что ведет к возникновению обширных патогенных для живых организмов провинций, опасных для здоровья людей.
Резюмируя приведенную информацию, можно констатировать, что на современном этапе идет формирование техногенных геохимических полей и аномалий во всех компонентах литосферы; зачастую инициаторами их развития выступают вещества и процессы, не характерные для природной литосферы. Современные техногенные комплексы сильно трансформируют природные геохимические экологические свойства литосферы как биотопа экосистемы. Это негативно воздействует на ее биотическую составляющую, превышая адаптационные возможности организмов и провоцируя развитие патогенных явлений.