Geology ---eco_geol

визнані аномальними (і навпаки) оцінити неможливо, застосування методів непараметричної статистики дозволяє отримати статистичні оцінки розподілу з вужчими довірчими межами ніж параметричні. Так, середнє квадратичне відхилення по одній і тій же вибірці з 25 проб, визначене параметричним і непараметричними методами, відрізняються, як правило, в 3-8 разів.

В реальних геологічних об’єктах визначення фону ускладнюється тим що фонове геохімічне поле, зазвичай, є змінним. Ці зміни можуть бути як безперервними (значення параметрів є функцією координат), так і дискретними (розриви суцільності геохімічного поля на бар’єрах). Для виділення аномальних сукупностей в таких умовах застосовують регресійний і факторний аналіз, метод “мобільної” медіани тощо. Так, в ландшафтній геохімії часто розраховують фон за основними елементарними геохімічними ландшафтами (недоліки цього підходу не потребують окремого висвітлення). Дещо інший варіант було запропоновано О.Г.Марченко (1985), за яким, для введення в порогові значення аномалій змінних поправок, що враховували б ландшафтну мінливість геохімічних полів, слід розраховувати регресію вмістів елементів на певні “ландшафтні” головні компоненти. Для реалізації цього підходу організується спеціальна матриця середніх вмістів елементів в характерних ландшафтних умовах.

Як вже відмічалося, аномально високі і аномально низькі вмісти є маловірогідними, тож в момент припинення або ослаблення дії антиентропійних чинників такого потоку розпочинаються самочинні реакції розсіян-

ня і утворюються вторинні (епігенетичні) ореоли розсіяння, тобто обла-

сті підвищених концентрацій елементів які виникли в результаті епігенетичних по відношенню до рудного тіла (збурюючого об’єкта) процесів. На відміну від первинних ореолів концентрація елементів у вторинних ореолах завжди вища за фонову, хоча рівень такого перевищення може бути дуже незначним. Розміри вторинних ореолів звичайно значно більші за розміри збурюючих чинників – вони сягають сотень метрів і навіть кілометрів. Форма знаходження елементів у вторинних ореолах найчастіше є безмінеральною (адсорбція глинами тощо).

Вторинні ореоли класифікують звичайно за компонентами середовища в яких зафіксовані області підвищених концентрацій: літохімічні - в породах, корах вивітрювання і грунтах; гідрогеохімічні - в підземних та поверхневих водах; атмохімічні - в підземній і надземній атмосфері; біогеохімічні – в організмах.

Природні літохімічні аномалії зумовлені геолого-структурними особливостями району, його металогенією, мінеральним складом та петрогеохімічними особливостями порід, а також фізико-хімічними умовами

161

міграції елементів і їх комплексних з’єднань. Крім того, в районах текто- но-магматичної активізації часто спостерігають аномальні вмісти елементів, які є не відповідними літологічному та формаційному складам вивчених геологічних тіл. Такі аномалії є відображенням потужних енергетичних потоків які формують асиметричний розподіл набору елементів у всіх породах в межах свого впливу. І дійсно, підвищені концентрації Bi, As, Sb, Hg, Sn, Be, Li, F тощо, часто є свідченням відкритості геологічної системи. Для позначення простору, у всіх породних відмінах якого спостерігається концентрування однієї і тієї ж групи хімічних елементів, було введене поняття “прозорої геохімічної зони” (В.С.Певзнер та ін., 1997), а відповідні наскрізні елементи часто називають “нехарактерними”, підкреслюючи цим відсутність видимого зв’язку із складом порід і домінуючий вплив хімічного потенціалу цілком рухомих компонентів. При цьому, звичайно, не можна говорити про повну відсутність впливу фонового геохімічного поля, оскільки і потік наскрізних елементів і склад порід зони завжди формуються під впливом геохімічного поля вищого рівня.

Рівні концентрації елементів в центральній частині ореолів розсіяння над родовищами можуть перевищувати фонові у 10-15 і, навіть, у сотні разів. В таких випадках можна говорити про існування екстремальних еколого-геохімічних ситуацій. Типові асоціації хімічних елементів, що концентруються в деяких типах рудних родовищ та їх ореолах розсіяння наведені в табл. 4.5. Переважна більшість цих елементів є сильними токсикантами (табл. 4.6).

Таблиця 4.5. Асоціації хімічних елементів що що концентруються в деяких типах рудних родовищ та їх ореолах розсіяння (за С.В.Григорян, 1987)

162

Літохімічні (як, зрештою, і інші) аномалії можуть проявлятися не лише значною зміною вмістів елементів, але й зміною їх форм знаходження. В ряді випадків саме аномалії такого роду є причиною виникнення екологічних загроз (окислення малорухливих сульфідів металів в зонах окислення сульфідних родовищ до легко розчинних сульфатних сполук тощо).

Міграція вод через рудні тіла, розмив останніх текучими поверхневими і грунтовими водами утворюють гідрогеохімічні аномалії, що містять підвищені концентрації елементів в розчиненому стані. В утворенні гідрогеохімічних ореолів розсіювання в ландшафтній оболонці найактивнішу роль відіграють річкові і ґрунтові води, глибинні води джерел, що промивають родовище, нафтові води в районах нафтових структур, джерела, що виходять на поверхню в районах сучасного вулканізму.

Таблиця 4.6. Токсичність елементів різних геохімічних класів (за В.В.Івановим,

1998 із змінами [50])

Примітки: 1) Sn* - Халькофільні і літофільні в земній корі; Mo" - халькофільні в земній корі; W^ - літофільні в земній корі. 2) nC – Найбільш біологічно активні радіотоксичні нукліди; C – високотоксичними є окремі з’єднання.

Природні гідрогеохімічні ореоли розсіяння часто формуються при випарному концентруванні грунтових вод і розчиненні евапоритів, що обумовлює появу значних кількостей добре розчинних хлоридів і сульфатів натрію та кальцію. До речі, саме з водами суттєво натрового складу пов’язана значна частина гідрогеохімічних аномалій миш’яку та бору. Значну роль відіграють процеси комплексоутворення – зростання концентрацій фульво- і гумінових кислот, а також фтору інтенсифікує розчи-

163

нення твердої фази та більш активне надходження в водне середовище Fe3+, Fe2+, Hg2+, Be2+. вмісти яких, в результаті, можуть суттєво перевищувати ГДК.

Атмохімічні ореоли розсіяння газів ендогенного походження контролюються регіональними і локальними проникними зонами. У складі глибинних флюїдів, як правило, представлені CO2, H2, Ar, He, Hg, Rn, вуглеводні, сірчані сполуки, цианіди, леткі з’єднання важких металів тощо. Парогазові глибинні потоки, що мігрують ослабленими тектонічними зонами, містять значні кількості пари практично всіх елементів. Так, за даними В.В.Виноградова (1997), в одній з тектонічно-активних зон Карелії через перетин 10 см2 за добу з глибинними флюїдами поступило близько 12 мкг свинцю і 250 мкг алюмінію.

За особливостями накопичення хімічних елементів виділяються два види біогеохімічних ореолів: груповий, коли підвищеним вмістом елементу характеризуються всі рослини даної місцевості, і видовий (селективний) - підвищений вміст характерний лише для певного виду рослин. Існування останнього виду ореолів обумовлене суперпозицією впливів наступних чинників: концентрації і форми знаходження елементу в живлячому середовищі (відмінне в різних видів); наявності (відсутності) у виду (або органу) рослин порогів поглинання елементів. Перелічені чинники можуть обумовити 1000-кратну відмінність концентрацій хімічних елементів, навіть без врахування видової спеціалізації, неспівпадіння фаз вегетації тощо.

Пошуки, при яких шляхом визначення вмісту хімічних елементів в ендогенних та екзогенних компонентах ландшафту визначаються первинні ореоли та вторинні ореоли розсіяння, а за ореолами оконтурюються області накопичення елементів (родовища, джерела забруднень тощо) отримали назву геохімічних пошуків. Методи геохімічних пошуків виділяються у відповідності до об’єкту – літохімічні, гідрогеохімічні, атмохімічні та біогеохімічні. Такий поділ зумовлений в першу чергу різною інерційністю та ємністю відповідних компонентів середовища, що відображається, зокрема, і в значних відмінностях методик що застосовуються при опробуванні порід, вод, газів і організмів, а також в різних рівнях фонових концентрацій (табл.4.2-4.3). Побудовані за результатами пошуків карти ізоконцентрат дозволяють виділяти різні типи геохімічних аномалій та фонових ділянок в компонентах середовища. Їх порівняння дає можливість ідентифікувати процеси міграції які призвели до концентрування елементів.

Будь-яка з аномалій в верхній частині літосфери є результатом суперпозиції впливів механічної, фізико-хімічної, біологічної та техногенної міграції. У зв’язку з наявністю тісних зв’язків між міграційними процесами виділення окремих груп процесів міграції - літогеохімічних, гідрогеохіміч-

164

них, газогеохімічних, біогеохімічних, педогеохімічних тощо є недоцільним, воно просто фіксує формування ореолів розсіяння, відповідно, в породі, воді, газовій фазі, живих організмах, грунтах.

Позитивні геохімічні аномалії, як правило, приурочені до геохімічних бар’єрів. За визначенням О.І.Перельмана геохімічний бар’єр є ділянкою, в межах якої на малій відстані відбувається різке зменшення інтенсивності міграції хімічних елементів і, як наслідок, їх концентрація. Головні особливості бар’єру - різка зміна умов і концентрація елементів. Це зона, де одна геохімічна обстановка заміняється іншою: зменшення простору, який зайнятий обстановкою, призводить до переходу кількості в якість, перетворенню обстановки в бар’єр (і навпаки). Розміри бар’єрів можуть бути самими різними - виділяють макро-, мезо- і мікробар’єри. Так, у дельтах зона змішування прісних річкових і солоних морських вод є макробар’єром шириною в сотні і тисячі метрів (при довжині рік і морських акваторій у тисячі кілометрів). Рудні тіла у водоносних горизонтах артезіанських басейнів мають ширину в десятки і сотні метрів при довжині (по падінню) водоносних горизонтів у тисячі і десятки тисяч метрів (мезобар’єри). Рудні прожилки потужністю в декілька сантиметрів і міліметрів відносять до мікробар’єрів.

На геохімічних бар’єрах утворюються рудні тіла більшості родовищ, поняття про бар’єри є однією з методологічних основ вивчення геохімічних аномалій і, відповідно, воно має велике значення для розробки методики геохімічних пошуків. Вивчення бар’єрів також важливе в боротьбі з забрудненням навколишнього середовища, при організації підземного вилуговування руд, закріпленні ґрунтів у будівництві, при вирішенні інших практичних задач.

У земній корі відбувається суміщення і комплексування різноманітних геохімічних процесів, у зв’язку з чим виділяються комплексні бар’єри, які утворюються в результаті накладання двох або декількох взаємозалежних геохімічних процесів. Виділяються також двосторонні бар’єри, що формуються при русі різних елементів до бар’єру з різних сторін. На двосторонньому бар’єрі відбувається осадження різнорідної асоціації хімічних елементів. Вирізняють також латеральні бар’єри, які утворюються при русі вод у субгоризонтальному напрямку, наприклад на межі фацій, і радіальні (вертикальні) бар’єри, що формуються при вертикальній (знизу нагору або зверху вниз) міграції розчинів у зонах розломів, корах вивітрювання тощо. У залежності від засобу масопереносу вирізняють дифузійні та інфільтраційні бар’єри. В. С. Голубєв розробив поняття про рухомий геохімічний бар’єр - бар’єр переміщується повільніше фільтрації води. При такому механізмі у воді перед бар’єром підвищується вміст хімічних елементів.

165

Інтенсивність накопичення елементу (наприклад, рудоутворення) збільшується з ростом контрастності (S) і градієнту бар’єру (G).

де l - ширина бар’єру, а m1 і m2 – значення геохімічних показників до і після бар’єру.

Концентрація елементу на бар’єрі залежить від співвідношення осаджених “рудних” та “нерудних” компонентів. Якщо на бар’єрі осаджується тільки корисний компонент, то весь вільний простір (пори, тріщини тощо) буде заповнений рудними мінералами і руда буде багатою. Навпаки, якщо разом з рудними мінералами осаджуються інші (наприклад, SiO2, CaCO3, CaSO4 тощо), то вони можуть “пригнітити” рудний процес і, незважаючи на високий вміст металу в рудоносному розчині, отримана руда буде бідною.

У основу класифікації геохімічних бар’єрів покладені відмінності в міграції(див. табл. 4.7).

Таблиця 4.7.

Найважливіші природні геохімічні бар’єри

(за О.І.Перельманом [39])

166

Виділяється два основні типи бар’єрів - природні і техногенні, кожен з яких поділяються на 3 підтипи: механічні, фізико-хімічні та біогеохімічні. Найпростішими є механічні бар’єри які є ділянками різкого зниження інтенсивності механічної міграції. До них приурочені різноманітні продукти механічної диференціації осадків. У місцях різкого зменшення інтенсивності фізико-хімічної міграції формуються фізико-хімічні бар’єри. Вони виникають у місцях зміни температури, тиску, окислювальновідновних, лужно-кислотних та інших умов. Біогеохімічні бар’єри пов’язані із зменшенням інтенсивності біогенної міграції (вугільні поклади, торф, концентрації елементів у тілах організмів тощо).

Геохімічні бар’єри характерні як для сингенетичних так і для епігенетичних родовищ, для родовищ що руйнуються та їх ореолів. До таких бар’єрів часто приурочені вторинні геохімічні аномалії, які є важливою прямою пошуковою ознакою родовищ. Водночас геохімічні бар’єри можуть бути причиною виникнення сильно контрастних позірних геохімічних аномалій, які не мають жодного відношення до рудних родовищ.

Геохімічна дірка є поняттям протилежним до геохімічного бар’єру, яке використовується для характеристики зон в яких на короткій відстані різко змінюються гідрогеологічні умови, посилюється рухливість

167

елементів, що призводить до різкого зниження концентрацій - нижче рівня чутливості методів включно.

4.2. Техногенні геохімічні поля і аномалії

Самою складною формою міграції є техногенна, яка пов’язана з суспільними процесами (наприклад, відпрацювання родовищ корисних копалин, експлуатація нафтопроводів, внесення хімічних добрив тощо), визначається соціальними закономірностями, і, водночас, включає усі більш прості форми міграції. Можна говорити, що в районі розташування будь-якого підприємства в результаті зміни енергетики, кругообігу речовин, тощо, формується природно-промисловий комплекс, активним компонентом якого є головна технологічна лінія. Техногенна міграція обумовлює зміни в характері обміну речовиною, енергією та інформацією між абіотичними та біотичними компонентами.

В зонах впливу виробничої діяльності людини представлені процеси техногенної міграції, успадковані від біосфери, але істотно змінені в ноосфері, а також процеси техногенної міграції, невластиві біосфері. Так само, як і в природі, у ноосфері відбувається біологічний кругообіг, хімічні елементи мігрують у водах і атмосфері. Тому і для ноосфери можуть бути встановлені ряди міграції і типоморфні елементи, коефіцієнти біологічного поглинання і ряди поглинання. Такі поняття, як «біомаса», «щорічна продукція», коефіцієнт біологічного накопичення, «дефіцитні» і «надлишкові» елементи можуть застосовуватись і в ноосфері. При цьому агротехніка, селекція, застосування добрив і т.д. дозволяють одержувати більше біомаси, кількість якої досягає такого рівня, який неможливий у природних умовах.

Таким чином, людство намагається посилити утворення живої речовини, тобто корисні відновлювальні процеси (фотосинтез). Але воно посилює і розкладання органічної речовини, тобто протилежні окисні процеси.

У результаті зрошення пустель, осушування боліт, повороту річок, будівництва гідростанцій, використання підземних вод змінюється і кругообіг води. Затрачуючи енергію на опріснення морської води, очищення водопровідної води, зменшення її жорсткості тощо, людство виступає в ролі антиентропійного чинника.

Водночас, для ноосфери характерне грандіозне розсіювання елементів, що концентрувалися природою протягом усієї геологічної історії. Протягом кількох десятиліть виснажуються найбільші родовища заліза, міді, свинцю, цинку тощо (щорічно видобувається понад 100 млрд. тон мінеральної сировини та каустобіолітів). Атоми з них мігрують на тисячі кілометрів, перетинають океани і континенти. Речовина розпорошується, переходить у більш дисперсний, а отже, і більш при-

168

датний для міграції стан при будівництві каналів, доріг, обробці ґрунту тощо - понад 1 км3 на рік. Середній склад ноосфери наведений в табл. 4.8.

Таблиця 4.8.

Середній вміст елементів в ноосфері (у %, за М.Ф.Глазовським, 1987)

Примітка: при розрахунку в склад ноосфери були включені - жива речовина, гідросфера, атмосфера до висоти 80 км і верхня частина літосфери. Укладено за [39].

Окислювання органічних речовин в ноосфері посилюється за рахунок спалювання вугілля, нафти, газу і т.д. Це збільшує вміст SO2 та CO2 в атмосфері, змінює клімат, впливає на карстовий та інші процеси.

У результаті людської діяльності в земній корі відбуваються також хімічні реакції, що знаходяться в різкому протиріччі з природними умовами. Характерний для ноосфери металевий стан заліза, нікелю, хрому, ванадію і багатьох інших елементів не відповідає фізико-хімічним умовам земної кори. Людина тут зменшує ентропію і їй приходиться витрачати багато сил, щоб одержати і утримувати дані елементи у вільному стані. Людство в усе більшій кількості виготовляє хімічні сполуки, які раніше ніколи в біосфері не існували (штучні полімери, пластмаси), і мають властивості, невідомі для природних матеріалів. На сьогодні існують сотні органічних сполук які, нагадуючи природні (а відтак засвоюються організмом), все ж є небіодеградуючими - в організмі немає здатних їх розчепити ферментів. Ступінь впливу штучних хімічних з’єднань на довкілля залежить від їх рухливості і стійкості. Одними з найнебезпечніших є галогенорганічні сполуки (ДДТ, діоксини тощо), які не виводяться з сечею, оскільки більш розчинні в жирах, ніж у воді.

Новим для земної кори є і виробництво атомної енергії, одержання

169

радіоактивних ізотопів. Нарешті, невідповідною біосфері є міграція, що підпорядковується соціальним законам (експорт-імпорт і т.д.). Для характеристики подібних явищ уже недостатні звичайні поняття геохімії і старі методи, необхідні нові поняття і нові підходи до дослідження. Одне з таких понять - технофільність елементів11 - запропоновано О.І.Перельманом. Найбільш технофільним є вуглець (n*1010). Елементи, близькі за хімічними властивостями, часто мають і близьку технофільність: залізо і марганець, алюміній і магній, рубідій і талій, азот і фосфор, молібден і вольфрам, ртуть і сурма, золото і срібло. Але є й істотні розходження, наприклад хлор і фтор. Розходження в технофільності визначають зміну елементного складу культурних ландшафтів, накопичення в них найбільш технофільних елементів. Вперше на це звернула увагу М.А.Глазовська, яка відзначила, що для культурних ландшафтів характерне «озалізнення», зростання відносної ролі міді (у порівнянні з цинком), нікелю (щодо кобальту) і т.д. Людство «перекачує» на земну поверхню зосереджені в глибинних родовищах хімічні елементи.

Відношення технофільності елементу до його біофільності М.А.Глазовська назвала деструкційною активністю елементів техно-

генезу (Д). За його величиною можна порівняти ступінь небезпеки елементів для живих організмів: у ртуті Д≈104…105, у кадмію та фтору - 103, у миш’яку, урану і свинцю - 102 тощо. Кількість елементу яка щорічно виводиться з техногенного потоку в природний називають

(М.Ф.Глазовський) техногенним геохімічним тиском, а його величину на одиницю площі – модулем техногенного геохімічного тиску. На всій поверхні суші найвищі модулі техногенного тиску властиві Na, Cl, Ca, Fe, а найнижчі – Li, Ag, W, Au, Hg, Tl. В басейнах Чорного та Азовського морів техногенний тиск по калію та сірці вищий за річну величину річкового стоку.

Своєрідність енергетичного обміну при техногенній міграції полягає в збільшенні кількості працездатної енергії і зростанні розмаїття її видів. Частина енергії робить роботу, але деяка її частина неминуче знецінюється і виділяється у виді тепла. Це визначає «розігрівання» ноосфери в порівнянні з біосферою. Поки що ефект такого розігрівання невеликий, хоча відомо, що в зимовий час температура повітря на вулицях великих міст на декілька градусів вища, ніж у навколишній сільській місцевості (головна причина - опалення житлових будинків і промислових підприємств).

11 Технофільність – це відношення щорічного видобутку хімічного елементу (в тонах) до його кларку.

170