Лекция № 14 Тема: показатели техногенеза. Геохимические аномалии

1. Показатели техногенеза.

2. Законы распределения химических элементов в подсистемах ландшафта.

3. Техногенные геохимические аномалии.

4. Количественные показатели загрязнения.

1 Показатели техногенеза

По мере развития человеческого общества в техногенез вовлекается все большее число химических элементов. В древности использовались лишь 18 элементов, в ХVIII в. – 28, в ХIХ в. – 62, в 1915 г. – 71, в настоящее время – все известные на Земле элементы и, кроме того, неизвестные в природных условиях нептуний, плутоний и др. трансураны, а также радиоактивные изотопы известных элементов (⁹⁰Sr,¹³¹J и др.).

Масштабы ежегодной добычи колеблются от миллиардов тонн для С (уголь, нефть) до десятков тонн для Tl, Pt, Th, Ga, In, т.е. различаются в сотни миллионов раз. Эти различия связаны со свойствами элементов (их ценностью для хозяйства), технологией получения, способностью к концентрации в земной коре, но также и c распространенностью в земной коре, т.е. с кларком. Как бы ни ценилось Au, его добыча никогда не сравняется с добычей Fe, т.к. кларк Au 4.3 ∙ 10^-7%, а Fe – 4,65 %. Si и Ge – химические аналоги, но кларк Si – 29,5 %, а Ge – 1,4 ∙ 10^-4%. Если у Ge был бы такой же высокий кларк, то он имел бы такое же широкое применение, как и Si, т.е. шел на изготовление кирпича, бетона, цемента и т.д. Исключительная роль Fe в истории цивилизации объясняется не только его свойствами, но и большим кларком. Характеристикой интенсивности извлечения и использования химических элементов являетсятехнофильность– отношение ежегодной добычи или производства элемента в тоннах к его кларку в литосфере (А.И. Перельман).

Многие химические элементы-аналоги с разными кларками и размерами добычи обладают одинаковой или близкой технофильностью, т.е. в единицах кларков человечество извлекает их из недр практически пропорционально их распространенности в земной коре. Это Cd и Hg, Ta и Nb, U и Mo, Ti и Zr. Но есть и различия: Cl и F, K и Na, Ca и Mg и др.

Технофильность очень динамична. По А.Е. Ферсману, добыча основных металлов за ХIХ век увеличилась примерно в 100 раз. К 1934 г. среднее ежегодное потребление за 15 – 30 лет увеличилось: Al, Cu, Mo, W, K, He – в 200 – 1000 раз; Fe, C, Mu, Ni – в 50 – 60 раз; Zn, Pb, Na+Cl, S, N, P, Au – в 15 – 40 раз; Ag, Sn, U, Co, Hg – менее 10 раз. «Особый рост добычи в последние годы обнаруживают металлы, связанные с металлургией железа (Fe, Mn, Mo, W, Cr, Ni), элементы электротехники и воздухоплавания (Al, Cu, редкие металлы) и элементы сельского хозяйства (N, P, K)», – писал Ферсман в 1934 г. Многие выводы ученого подтверждаются и в настоящее время.

За счет увеличения добычи нефти и газа продолжался, но не столь сильно, как прежде, рост технофильности углерода, производство фосфорных удобрений, доломита, магнезита привело к увеличению технофильности фосфора и магния. Научно-техническая революция, развитие космической техники, электроники и теплоэнергетики в 5 – 10 раз увеличили технофильность редких элементов – Th, In, Hf, Nb, Zr, Be, Ga. Выявилась новая тенденция – рост технофильности Cl, B, J, S, а также некоторых щелочных и щелочноземельных металлов – Li, Sr, Ba. В первом случае это связано с производством хлорорганических соединений, серосодержащих газов и сульфидных руд, а во втором – производством ядерного топлива, алюминия, апатитов, фосфорных удобрений и др.

Сопоставление ежегодного мирового производства химических элементов не с кларками, а известными запасами в земной коре показывает долю их извлечения из разведанных месторождений полезных ископаемых. По сравнению с запасами больше всего добывается Au и углерода нефтей – около 10 %, а также Pb, In, Li, Zn, F, W, P, S, Cu, Mo, Hg, Sb, Ba и Ag – 1 – 5 %. В десятых долях процента извлекаются из запасов Cr, C, Ni, Fe, J, U, Al, Mn, B. Невелика доля извлечения K, Ti, Cl, Mg и Zr – 0,0n – 0,000n. По сравнению с добычей практически неисчерпаемы ресурсы H, Na, Ca, Si, Br. Чрезвычайно низко по сравнению с запасами (n ∙ 10^-5 %) производство благородных газов. Как и технофильность, этот показатель меняется во времени из-за колебаний производства и изменения известных запасов каждого элемента.

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, как предполагал А.А. Сауков, 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. Ее анализ позволяет прогнозировать использование элементов.

Помимо технофильности предложены и другие количественные характеристики техногенеза. Так, отношение технофильности элемента (с учетом содержания его в углях) к его биофильности (на суше) М.А. Глазовская назвала деструкционной активностью элементов техногенеза (Д), которая характеризует степень опасности элементов для живых организмов. Для Hg Д = n ∙10⁴– n ∙ 10⁵, для Cd и F – n ∙ 10³, для Sb, As, U, Pb – n ∙ 10², для Se, Be, Sn – n ∙ 10, для многих других элементов Д < 1.

Количество элемента, выводимое ежегодно из техногенного потока в природный, Н.Ф. Глазовский назвал техногенным геохимическим давлением, отношение его к единице площади –модулем техногенного геохимического давления, измеряемым в т/км². Например, модуль Р в Дальневосточном районе составляет 7,7 ∙ 10^-3т/км², в Молдавии, где широко применяются фосфорные удобрения, – 8,2 ∙ 10^-1т/км². Модуль К колеблется от 8,2 ∙ 10^-3в Западной Сибири до 2,1 т/км²в южных районах России, т.е. в 250 раз. В бассейнах Черного, Азовского и Балтийского морей техногенное давление К и S превышает речной сток этих элементов, на реках других бассейнов отношение обратное, но во всех случаях масштабы техногенного давления и речного стока сопоставимы. Для всей поверхности суши наиболее велики модули техногенного давления Na, Cl, Ca, Fe (0,5-1,0), наименьшие – у Li, Ag, W, Au, Hg, Tl (10^-5– 10^-7).

Предложены также коэффициенты техногенной трансформации– соотношение поступления элемента в техногенный и природный ландшафты (В.П. Учватов),показатель пылевой нагрузки– соотношение количества пыли в техногенном и природном ландшафтах (Е.П. Сорокина и др.),модуль аэрального поступления– поступление веществ с атмосферными осадками и пылью (П.В. Елпатьевский и В.С. Аржанова) и др.