Шебеста Л 9,10,11 / Лекция 10-Техногенез

Лекция 10. ЗАО (013400)

Техногенез. Основные понятия и показатели

Представление о техногенезе как об одном из гипергенных процессов эволюции земной коры впервые было введено и обосновано акад. Ферсманом. В своем фундамент. труде «Геохимия» он писал: «Техногенез – совокупность геохимических и минералогических процессов, вызываемых техническою деятельностью человека». С позиций современного уровня знаний под техногенезом следует понимать совокупность геохимических, физико-химических, биохимических процессов, протекающих в биосфере под воздействием инженерно-хозяйственной деятельности человека.

Ноосфера. Часть планеты, охваченная техногенезом, представляет собой особую систему - ноосферу. В.И. Вернадский писал в 1944 г.: "Ноосфера есть новое геохимическое явление на нашей планете. В ней впервые человек становится крупнейшей геологической силой. Он может и должен перестра­ивать своим трудом и мыслью область своей жизни, перестраивать коренным образом по сравнению с тем, что было раньше”.

Термин “ноосфера” введен в науку в 1927 г. французским ученым и философом Е. Леруа, который развивал учение о ноосфере совместно с геологом и палеонтологом Тейяр де Шарденом. Теоретической основой данной концепции послужили лекции В. И. Вернадского о биосфере в Сорбонне в 1922—1923 rr. В.И.Вернадский развил учение о ноосфере. Для него это оболочка Земли - результат закономерного развития биосферы. Переход биосферы в ноосферу открывает новую геологическую эру в истории Земли. В.И. Вернадский на основе принципа Дана обосновал неизбежность перехода биосферы в ноосферу.

Существует принципиальное разли­чие между геохимической деятельно­стью человека и других организмов. Последние влияют на окружающую природу через обмен веществ — фото­синтез, дыхание и т. д. Человек также участвует в подобных процессах, но эта его геохимическая роль невелика. Биомасса населения земного шара не идет ни в какое сравнение с биомас­сой ландшафтов. По ориентировочным подсчетам масса человечества состав­ляет n-10⁸ т, т. е. эквивалентна био­массе тайги на площади 8 000 км². И все же человечество является мощ­ной геохимической силой, преобразую­щей природу.

Эта роль человека связана с его общественной деятельностью. В ноосфере происходит грандиозная миграция атомов, их рассеяние и концентрация. Ежегодно переме­щаются миллиарды тонн горных пород, угля, нефти, руд и стройматериалов. В течение немногих лет рассеиваются месторождения полезных ископаемых, накоплен­ные природой за миллионы лет. С продукцией с/х-ва и промышленности элементы мигрируют по разным регионам, странам и континентам.

Главную роль в биотехносфере играет техногенная миграция. И если подходить строго, то техногенная миграция включает в себя все остальные, а не находится с ними в одном ряду.

И первое, существенное отличие биотехносферы от биосферы – огромное ускорение процессов миграции.

Геохимическая деятельность человека в настоящее время не уступает а, зачастую и превосходит по мощности природные процессы.

С продукцией сельского хозяйства и промышленности атомы мигрируют на огромные расстояния. С экспортом и импортом зерна в мире ежегодно мигри­руют миллионы тонн К, сотни тысяч тонн Р и N, что лишь в 10 — 100 раз меньше ионного стока рек в океан. Н.Ф. Глазовский показал, что вывоз N, Р и К с зерновой продукцией только с территории степной зоны России и Казахста­на соответствует ионному стоку этих элементов в Каспийское море. Масштабы многих процессов техногенеза превышают при­родные: ежегодно из недр извлекается больше металлов, чем выносится с речным стоком: Рb - почти в 70 раз, Сr - в 35, Сu - в 30, Р - в 20, Fе, Мn - в 10, Zn - в 5, Al - в 3 раза и т.д. Только при сжигании угля освобождается больше металлов, чем выносится с речным стоком (V - в 400 раз, Мо - в 35, Сr - в 20 раз и т.д.).

Т.к. добыча и переработка и потребление металлов идут преимущественно на суше, то и наибольший техногенный химический пресс испытывают наземные экосистемы.

Таким образом: Техногенез — совокупность геохимических и геофизических процес­сов, связанных с деятельностью человечества, уже значительно изменил и продолжает изменять геохимическую обстановку в биосфере.

В геохимическом аспекте техногенез включает: 1) извлече­ние химических элементов из природной среды (литосферы, атмо­сферы, гидросферы) и их концентрацию; 2) перераспределение хими­ческих элементов, изменение химического состава соединений, в которые эти элементы входят, а также создание новых химических веществ; 3) рассеяние вовлеченных в техногенез элементов в окру­жающей среде.

Рассеяние элементов представляет часто побочный, непредусмотренный процесс (выбросы техногенных веществ в атмосферу, загрязнение почв и водоемов промыш­ленными стоками, твердыми отходами промышленного производ­ства, выбросы при различного рода аварийных ситуациях и др.). Наряду со стихийным рассеянием существует преднамеренное, за­ранее запланированное рассеяние продуктов техногенеза: внесение химических удобрений, ядохимикатов, орошение сточ­ными водами и компостами с полей орошения и др. Все эти веще­ства кроме непосредственного положительного эффекта, предус­мотренного технологией сельскохозяйственного производства, имеют и побочное как положительное, так и отрицательное дей­ствие.

Отрицательное действие техногенеза объединяется понятием -- загрязнение природной среды.

Термин «загрязнение природной среды» применяется достаточно широко. Под «загрязнением» понимают поступление в окружаю­щую среду продуктов техногенеза, оказывающих вредное воздей­ствие на человека, на биологические компоненты, а также на техни­ческие сооружения (порча зданий, разрушение подводных конст­рукций и т. д.).

Для всех природных и достаточно устойчивых геосистем бывает обычное периодическое колебание концентрации различных веществ -суточных, сезонных, многолетних - с опре­деленными верхними и нижними пороговыми значениями. Переход за пределы пороговых концентраций, обусловленный как природны­ми экстремальными процессами (вулканические извержения, на­воднения, пыльные бури и др.), так и техногенными факторами, приводит к нарушению нормального режима функционирования геосистем. Термин «загрязнение» предлагается сохранить лишь для техногенного привноса веществ.

Техногенные источники загрязнения. По оценкам, ежегодно в мире создается около 20 млрд.т про­мышленных отходов, столько же сельскохозяйственных и до 4 млрд.т бы­товых. В среднем количество мусора ежегодно возрастает на 2 - 3%. Сре­ди источников загрязнения особенно важно учитывать источники промышленных узлов и городов.

Технофильность и другие показатели техногенеза

По мере развития человеческого общества в техногенез вовлекается все боль­шее число химических элементов. В древности использовались лишь 18 эле­ментов, в XVIII в. - 28, в XIX 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, ¹³¹I 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. Большую роль играет и способность элемента к концентрации в земной коре—образованию месторождений. Так, ртуть образует месторождения с большими запасами, и этот редкий металл использовался еще в древности. Но особенно это связано с распространенностью в земной коре, т.е. с кларком. Как бы ни ценилось Аu, его добыча никогда не сравняется с добычей Fe, т.к. кларк Аu 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. Поэтому рацио­нально измерять добычу элементов в единицах кларков.

Характеристикой ин­тенсивности извлечения и использования химических элементов является твхнофильность - 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, Та и Nb, U и Мо, Ti и Zr. Но есть и различия: Сl и F, К и Na, Ca и Mg и др.

Технофильность очень динамична. По А.Е. Ферсману, добыча основных металлов за XIX век увеличилась примерно в 100 раз. К 1934 г. среднее ежегод­ное потребление за 15 — 30 лет увеличилось: Аl, Сu, Мо, W, К, Не — в 200 — 1000 раз; Fe, С, Мn, 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, Мп, Мо, W, Сг, Ni), элементы электротехники и воздухоплавания (Аl, Сu, редкие метал­лы) и элементы сельского хозяйства (N, P, К), - писал Ферсман в 1934 г. Многие выводы ученого подтверждаются и в настоящее время.

Перельманом рассчитана технофильность для середины 60-х годов. С этого времени технофильность большинства элементов росла менее интен­сивно. 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 Сl, В, I, 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. Наиболее высокую глобальную технофильность имеют хлор, углерод, азот; она весьма высока, также у Pb, Sb, Zn, Cr, Cu, Sn, Mo, Hg.

Добыча элементов складывалась стихийно в зависимости от экономичес­ких условий, прогресса техники, находок месторождений и т.д. И все же очевидна регулирующая роль кларка.

Различия в технофильности определяют изменение элементарного состава ландшафтов, накопление в них наиболее технофильных элементов. Впервые на это обратила внимание М.А. Глазовская, отметившая, что для культурных ландшафтов характерно "ожелезнение", возрастание относительной роли Сu (по сравнению с Zn), Ni (относи­тельно Со) и т.д. Человечество "перекачивает" на земную поверхность хими­ческие элементы, сосредоточенные в глубинных мес­торождениях. В результате ландшафт обогащается Pb, Hg, Сu, Zn, Sb и други­ми элементами. Можно рассчитать глобальную технофильность элемента, если взять за основу его мировую добычу, а можно и региональную или даже для одной страны.

Однако показатель Т не полностью отражает степень вовлечения химических элементов в техногенез, т.к. в нем не учитываются поступления в природную среду элементов, добываемых попутно с другими пол.ископ. (нефть, уголь). Кроме того в техногенез вовлекаются элементы из атмосферы, гидросферы и биосферы.

Современные проблемы геохимии техногенеза.

Если мы определяем геохимию как науку, изучающую химизм геологических процессов, законы рассеяния, миграции, трансформации и концентрации химических элементов на Земле, то надо отдать ей и первостепенную роль в познании процессов, протекающих в гидролитосфере, вследствие хозяйственной деятельности человека.

НТР и особенно ее технологический этап, начавшийся во второй половине ХХ-го века привели к резкой интенсификации использования природных ресурсов и, прежде всего энергетических.

Ех: В 1960 г. в СССР было добыто 148 млн.т. нефти и 45 млрд.м³

газа. А в 1986 – соответственно – 615 млн.т. и 686 млрд.м³

Т.е. за 25 лет работы добыча нефти увеличилась в 4 раза, а га-

за в 15. Добыча угля к 1986 году достигла 750 млн.т.

Энергетические проблемы Казавшиеся неистощимыми такие источники энергии, как нефть, газ, уголь, тают буквально на глазах.

Ископаемое топливо при современных объемах энерго­потребления, по разным оценкам, в среднем иссякнет приблизитель­но через 150 лет, в том числе нефть - через 35, газ - через 50, уголь - через 400 лет. Освоение новых месторождений становится все более трудным: за ними приходится идти все дальше на се­вер и восток, устремляться все глубже в недра Земли. Понятно, что стоимость их разработки повышается. Грозит ли людям энергетический голод? Анализ показывает, что катастрофы можно избежать, если не повторять ошибок прошлого и искать альтернативные источники энергии.

Альтернативные источники энергии: солнечная, ветровая, океаническая, геотермальная и др. являются возобновляемыми. Их использование видится многим единственным выходом из надвигаю­щегося энергетического кризиса. Но будущее альтернативных источ­ников пока достаточно туманно. Сегодня крупномасштабное энергосбережение на базе альтернативных источников экономически не оправдывается. Энергозатраты на получение такой энергии часто равны или больше получаемой от этих источников энергии.

При росте промышленного производства в мире множится количество отходов, захоронение или утилизация которых становится первостепенной и неотложной задачей. Известно, что у нас в стране при добыче и переработке минерального и энергетического сырья ежегодно образуется около 8,5 млрд. т отвалов. А в теплоэнергетике ежегодно вырабатывается около 70 млн. т. золы, которая пока используется на 10-15%. Деятельность ТЭС дает еще один вид отходов – дымы, или выбросы, которые наносят гигантский ущерб природе. Кроме этого, выросло количество высокотоксичных отходов химической и атомной промышленности.

Таким образом, изучение химизма разнообразных технологических процессов тоже стало предметом особого внимания геохимии, а весь комплекс геохимических проблем, возникающих в связи с хозяйственной деятельностью может быть объединен понятием геохимия техногенеза.

Все множество проблем этого направления геохимии может быть подразделено на 3 группы:

1. экологическая геохимия - сохранение и улучшение состояния природной среды;

2. технологическая геохимия - повышение эффективности использования природных ресурсов;

3. агрогеохимия - увеличение продуктивности биосферы.

В комплексе проблем экологической геохимии можно выделить наиболее опасные – «болевые точки». При этом надо иметь в виду, что процессы разрушающие природу имеют разный уровень, и для ликвидаций пагубных последствий от глобальных катастроф требуются усилия многих стран или даже всего человечества. Другие процессы, отрицательно влияющие на природу обширных районов Земли, несут угрозу благополучию целых народов.

1. Экологические проблемы глобального масштаба.

Парниковый эффект. Миллиарды тонн углекислого газа ежечасно поступают в атмо­сферу при сжигании дров, угля, нефти, газа. Миллионы тонн метана каждый год выделяются при разработках газа и гниении органических остатков. Кроме того, в атмосфере увеличивается содержание водяного пара. Все вместе эти газы и создают парни­ковый эффект.

Фотосинтез и мировой океан являются буферной системой, потребляющей СО₂. В какой мере они могут компен­сировать избыточное поступление в атмосферу СО₂?

Озоновые дыры. Мы уже говорили, что жизнь сохраняется пото- му, что вокруг планеты образовался озоновый экран, защитивший биосферу от смертоносных ультрафиолетовых лучей. Но в последние десятилетия от­мечено снижение содержания озона в защитном слое.

Разрушение озонового экрана обнаруживалось каждой весной над Антарктидой с 1975 г. Позже над Северным полюсом было также замечено сокращение озонового столба на 10 %, а над Антарктидой - на 40 % (озоновый слой - это количество озона, через которое ультрафиолетовые лучи должны пройти из верхних слоев атмосферы до поверхности Земли в данном пункте). Причины появления «озоновых дыр» объясняют по-раз­ному. Возможно, это связано с естественными циклами в природе, на которые раньше не обращали внимания.

Фреоны (хлорфторуглеводороды) способствуют разрушению озонового слоя. Эти химические вещества, созданные человеком, широко используются в качестве аэрозолей, хладагентов и растворителей. Попадая в стратосферу, хлорфторуглеводороды разрушаются, а атомы хлора, выде­ляющиеся при этом, взаимодействуют с озоном: CI + О₃ → СlO + О₂

Образовавшийся оксид хлора (СlO) взаимодействует с атомами кислорода и восстанавливает хлор: СlO + О -» CI + О₂

Затем возникает цепная реакция разрушения озона.

Кислотные дожди Другим видом загрязнения атмосферы, не признающим государственных границ, являются оксиды серы и азота. Во многих странах (вначале в Скандинавии, а затем в США, Канаде, Северной Европе, Японии и др.) ученые обнаружили, что дождевая вода, казалось бы, самая чистая в природе, содержит большое количество кислот. Оксиды серы и азота в атмосфере - основная причина кислотных дождей. Оксиды серы поступают в воздух при сжигании топлива, содержащих серу, первое место среди которых занимает каменный уголь (до 90 %), на втором месте - нефть, значительно уступает им газ. Оксиды азота NO_x также образуются при сжигании топлива, а дополнительным крупным их источником является автомобильный транспорт.

Естественная дождевая вода имеет слабокислую реакцию (рН<6), так как находится в контакте с СО₂ (естественный компонент атмо­сферы) и растворяет ее, образуя слабую угольную кислоту:

Спектр влияния кислотных дождей очень широк.

Конечно, кислотные дожди отрицательно влияют и на наземные экосистемы. Они - одна из причин деградации лесов.

ЗАГРЯЗНЕНИЕ

Человек, став геологической силой, оказал огромное воздействие на всю окружающую среду и по масштабам своей деятельности превзошел масштабы природного (естественного) преобразования вещества нашей планеты. В XX в. техногенез стал главным геохимическим фактором на поверхности Земли. Ежегодно добывается около 100 млрд. т минерального сырья и каустобиолитов, в процессе горных и строительных работ перемещаются миллиарды тонн горных пород, угля, нефти, руд и стройматериалов. При этом мощность производства удваивается каждые 14-15 лет. В последние десятилетия проблема приобрела качественно новый характер, позволяющий говорить о "глобальном экологическом кризисе".

Но дело не только в количестве извлеченного металла, опустыненных или засоленных земель, вырубленных лесов, сколько в неосознанном нарушении той природной системы, которая сложилась на Земле в течение сотен миллионов лет.

Одним из следствий этого является загрязнение продуктами техно-генной деятельности всей окружающей среды. Именно загрязнение среды - наиболее острая проблема нашего времени.

Загрязнение воды, воздуха, почв, растительности, живых организмов тяжелыми металлами, радионуклидами, различными органическими соединениями, ядохимикатами, диоксинами приобрело глобальный характер. Достаточно сказать, что на Земле почти не осталось чистых рек, загрязнены многие озера, водоемы, подземная вода и воздух на огромных территориях, засолены почвы, опасные радионуклиды и ядохимикаты расползаются по всему миру, угроза нависла нэд океаном.

Среди компонентов окружающей среды совершенно особая роль принадлежит воде в силу особого ее положения на Земле. Химические особенности водной среды контролируют самоорганизацию системы вода – порода и все разнообразие растительных и животных сообществ, формирующихся в конкретном ландшафте. Изменяя водную среду, ее состав и свойства, человек меняет ход всех биогенных процессов нашей планеты. В этой связи нельзя не вспомнить В.И. Вернадского, который писал: «Геохимия вод является одной из жизненно важных геологических проблем, т.к. она изучает воду, а вода определяет основные черты строения биосферы, окружающей нас планетной среды, с которой все живое неразрывно и закономерно связано»

Огромный вред и несчастья принося техногенные или технологические катастрофы, случающиеся или по вине персонала при нарушении технологических режимов или в результате аварий.

• Ех: - пожар на складе токсичных материалов в Базеле – 1986

• 1986 г. – Чернобыль 137Cs , 90Sr.

• 1957 г. – ПО «Маяк»- катастрофа на порядок больше.

Надо отметить, что люди пока не умеют быстро ликвидировать последствия таких катастроф. Разработка методов быстрой очистки территорий и водоемов от токсичных и радиоактивных веществ является важнейшей и труднейшей задачей экологической геохимии.

Весьма сложной проблемой экологической геохимии является вопрос о захоронении радиоактивных отходов, отличающихся длительностью пагубного воздействия на биосферу. До недавнего времени применяли следующую технологию: в боросиликатные стекла и проводили захоронение этих контейнеров в малопроницаемые горные породы. Это в лучшем варианте ….

Но такие контейнеры разрушаются при разогреве (300⁰) и контакте с подземными водами.

Проблемы технологической геохимии.

При добыче минерального сырья одним из главных недостатков является неполное извлечение полезных ископаемых из недр и весьма значительные потери при переработке и обогащении горной массы.

• При переработке железных руд в отвалы уходят Cu, Zn, Co и другие цветные, редкие и благородные металлы.

• Из добываемых Хибинских апатит-нефелиновых руд извлекается только апатит (удобрения), а нефелин (сырье для производства Al) до недавнего времени шел в отвалы.

• Т.е. часто ценность неизвлекаемых компонентов превышает стоимость извлекаемого сырья. Причины:

1. Организационная (ведомственная)

2. Технологическая – отсутствие или очень неэффективная технология извлечения данных компонентов. Это уже вопросы технологической геохимии.

Первым и важным условием глубокой комплексной разработки и переработки минерального сырья является установление форм нахождения и миграции полезных компонентов осваиваемых месторождений полезных ископаемых и создание новых технологий извлечения.

Это и может считаться важнейшей задачей технологической геохимии.

В связи с этой задачей надо иметь в виду еще одну сторону применения технологической геохимии:

Во многих МПИ, эксплуатировавшихся десятилетиями на переработку первоначально шли только богатые руды и извлекалось ограниченное количество полезных компонентов. Все остальное шло в отвалы.

• в начале века рентабельными считались медные руды с содержанием Cu в 4%, а сейчас при открытой добыче (самой дешевой) в дело идут руды с содержанием меди даже в 0,5%. Естественно, что уже извлеченные на поверхность бедные руды старых месторождений сейчас могли бы быть переработаны. И более того, из таких руд можно добывать не только основные компоненты, но и другие элементы спутники, для которых уже есть рентабельные технологии извлечения.

Наличие бедных руд в отвалах (хвостах) рудников, шахт и обогатительных фабрик позволяет считать такие места техногенными комплексными месторождениями полезных ископаемых, доступными для открытой разработки и извлечения из них полезных компонентов с помощью новых технологий. Но не все так просто – Тырныауз.

Еще одна проблема технологической геохимии, перекликающаяся с предыдущей, - использование новых видов минерального сырья, в том числе и отходов промышленности.

• Ех: для нужд алюминиевой промышленности источником глинозема могут стать глиноземистые золы бурых углей, которые сейчас накапливаются миллионами тонн на некоторых тепловых станциях.

У нас в стране существуют 3 крупных буроугольных месторождения, зола углей которых содержит до 35% глинозема. Кроме того, почти все золы бурых, а особенно каменных углей содержат около 10% железа, легированного Mn, Ni, Cr, V и другими редкими элементами. Эти железные частицы легко удаляются из золы путем магнитной сепарации и могут использоваться в качестве сырья при прямом восстановлении железа и для получения порошков для порошковой металлургии.

• Ех: пиритный огарок – до 60% железа.

Есть и другие задачи технологической геохимии.

Агрогеохимия изучает миграцию и распределение химических элементов в агросистемах, включающих горные породы, почвы и культурные фитоценозы. Она исследует физико-химические аспекты плодородия почв, балансы неорганических и органических веществ и оптимальные условия развития культурных растений в различных климатических зонах.

• Кислотность почв СЗ региона (рН < 5 ). Требуется известкование. Для этого можно использовать золу горючих сланцев, которая содержит до 26% Са в виде СаО и кроме того примеси К, Р и других микроэлементов.

Таким образом, среди проблем агрогеохимии центральное место занимает задача повышения плодородия почв.