Лекции по геоэкологии
.docxвоздушный – в виде газа или аэрозолей в организм человека;
водный – через подземные воды;
пищевой – через пищевую цепь от загрязненных растений к животным и человеку.
В реальной жизни эти воздействия действуют в основном совместно. Вероятность образования геохимических аномалий в основном контролируются окислительно-востановительными, щелочно-кислотными условиями, содержанием органического вещества, сорбционной емкостью пород, водным режимом и так далее. Многие элементы (катионы) более растворимы в кислой среде, чем в нейтральной или щелочной (Cu, Zn, Ca, Fe2+, Mn, Ni, Co). Элементы, входящие в состав анионов, более подвижны в щелочной среде (Se, Mo, V, Cr, As). Присутствие в почвах фульво кислот в кислотных почвах (ph-<4.5-4.0) является индикатором подвижности многих металлов (Cu, Pb, Zn и другие), М.А.Глазовская, А.И.Перельман, Т.А.Соколова, Н.С.Касымов и другие. Природные литохимические аномалии обусловлены особенностями геологического строения района, его металлогенией, геохимической специализацией горных пород, условиями миграции химических элементов и прочее. В основном эти аномалии связанны с повышенной концентрацией элементов в земной коре – месторождениями, проявлениями, с рудными телами и рудными зонами. Природные гидрохимические аномалии и провинции обусловлены геолого-структурными особенностями района, геохимической специализацией горных пород и проявлены в основном повышенной минерализацией подземных вод. Формируются главным образом сульфатные и хлоридные гидрогеохимические аномалии. Природные атмохимические аномалии обусловлены особенностями строения литосферы, делающих ее проницаемой для мантии: газов, выходящих на поверхность в рифтовых зонах – гигантских расколах литосферы, где образуются патогенные атмогеохимические аномалии. В этих зонах потоки флюидов (В.Л.Сывороткин,1988г.) на два порядка превосходят по интенсивности потоки в других участках литосферы. Выделение газов приводит к появлению в почве и приземной атмосфере атмогеохимических аномалий (ореолов). Это смесь углекислого газа, водорода, метана, алканов, аргона, гелия, ртути, летучих соединений тяжелых металлов, углеводородов, бензапирена, цианидов, радионуклидов. Наиболее опасны для здоровья людей изотопы радона и продукты их распада. Биогеохимические аномалии определяют состояние биоты, являющейся индикатором экологического благополучия территории вследствие миграции элементов в системе: горные породы- подземные воды – газы – почва – биота. На территории СНГ в 70-80е годы ХХ века была составлена карта биохимического районирования (В.В.Ковальский,1982г.). Исследования Н.А.Васюка, В.В.Ковальского, Я.В.Пейве, М.Я.Школьника и других, установили, что поглощение химических элементов растениями и их накопление во флоре существенно различаются при аномальном или фоновом содержании элементов в минеральной среде. Так для районов интенсивных аномалий (например, рудных) М.А.Глазовская выделяет четыре основных фактора, под влиянием которых содержание химических элементов варьирует в сотни и тысячи раз: 1.содержание элементов во внешней среде (порода, почва, вода и прочее); 2.форма нахождения элементов в питающей среде; 3. наличие или отсутствие у различных видов, органов, частей их растений барьеров (порогов) поглощения элементов при их высокой концентрации; 4.степень контакта корней растений с локальными источниками изучаемого элемента. Недостаток или избыток химических элементов в компонентах литосферы приводит к заболеванию биоты (биогеохимические элементы). Районы их распространения – биогеохимические провинции (А.П.Виноградов, 1988г.), а В.В.Ковальский выделил в биосфере региона – биогеохимические почвенно-климатические зоны. Отмечено три равнинных региона: таежно-лесной нечерноземный, лесостепной и степной черноземный, сухостепной полупустынный и пустынный. Все горные территории объединены в четвертую группу. В их пределах обособлены субрегионы биосферы – зональные биогеохимические провинции, пример их в Нечерноземье, где недостаток йода, кобальта, меди, кальция, избыток – марганца, железа, что обусловлено подвижностью их в подзолах. Провинции такого типа в зоне черноземов не встречаются. А зональные(интерзональные) биогеохимические провинции характерны для территории природных ореолов рассеяния химических элементов, где выявлены биогеохимические аномалии преимущественно с избытком в среде одного или несколько химических элементов. Техногенные биохимические поля и аномалии формируются в результате активной деятельности человека (химическая, металлургическая, горнодобывающая промышленность, транспорт, сельское хозяйство и прочее). Литогеохимические аномалии образуются в почвах, горных породах донных осадках. Существуют различные методы оценки техногенной нагрузки на природную среду. М.А.Глазовская, Н.С.Касимов, Т.А.Теплицкая и другие предлагают для этого использовать суммарный коэффициент ноосферной концентрации Cn = ∑C1 / Nn1 + .... + Ci / Nni , где C – содержание компонентов в данном продукте; Nn - кларки элементов в биосфере (ноосфере по Н.С.Касимова), i - число аномальных элементов. Он (Cn) показывает насколько увеличено содержание элементов тех или иных продуктах по сравнению с окружающей средой. Наиболее высокий Cn для каменных углей (при их использовании в ландшафты поступает более 25 элементов, в том числе углерод, тяжелые металлы, уран). Кроме того, промышленность и транспорт поставляют в почву медь, свинец, молибден, цинк, мышьяк, фенолы, бор, никель, ртуть, олово и др. (Ф.Я.Сапрыкин. 1984г.). Другой подход оценки литогеохимических аномалий заключается в составлении различных экологических карт (геохимических аномалий, источников техногенного загрязнения, эколого-геохимических и др) с районированием по степени напряженности экологической обстановки с выделением провинций (например, в России – Западно-Сибирская таежно – болотно – мерзлотная нефте-газопромышленная, Кольская горно-тундрово-таежная горнорудно-металлургическая и др.). Объективная картина формирования техногенных аномалий фиксируется фактическими данными полевых исследований почв, горных пород, донных осадков. Минимальное время для формирования конкретных геохимических аномалий в почве зависит от типа воздействия и составляет 5-10 лет (для Zn, As- 1-2 года). Наиболее высокие уровни суммарного загрязнения почв тяжелыми металлами (Zc больше 120 до 500-1000) установлены для городов СНГ с цветной и черной металлургией (г. Чимкент, Усть-Каменогорск, Мончегорск, Магнитогорск, Белово и др.), где в эпицентрах аномалий содержание металлов в 10ки раз выше ПДК. Почва вокруг перерабатывающих заводов загрязнена углеводородами, H2S, серой, машиностроительных и химических предприятий – свинцом, медью, хлором, железом и так далее. Типичным для городских почв является их ожелезнение и карбонатизация. В лесной и лесостепной зоне (если проходит карбонатизация, то есть увеличивается щелочность почв) кислые, кислые глеевые, нейтральные, нейтрально-глеевые классы почв переходят в кальцевые, кальцево-глеевые классы водной миграции. Большое количество химических аномалий связано с различными отходами производства и потребления, а также с сельскохозяйственным производством. Ежегодно в сельскохозяйственные ландшафты вносится до 600 кг/га элементов в минеральной форме. Преобладают бор, марганец, молибден, медь. Много элементов поступает с фосфатными удобрениями, в них может содержаться: As 2-1200мг/кг; В-5-120; Cu-1-300; Pb 7-255; Hg-0-0.1-1.2; Zn 50-1450мг/кг. А в калийных удобрениях может быть таллий до 500мг/кг. Большое негативное воздействие на почву оказывают различные ядохимикаты. Из животноводческих комплексов в литосферу поступает углерод, фосфор, азот, сера, калий, алюминий, магний. В аквальных ландшафтах происходит формирование геохимических аномалий в донных осадках. Специфика этих аномалий: тонкодисперсный состав осадков, их повышенная пластичность, наличие техногенных частиц, маслянистость, специфический запах (нефтяной, сероводородный, фекальный) или обогащены органическим веществом, карбонатами, оксидами и гидроксидами железа, алюминия и др. Донные осадки отражают наличие гидрогеохимических аномалий в поверхностных водах. Донные осадки могут рассматриваться как интегральный индикатор техногенной нагрузки на реку. Они показывают среднее загрязнение за длительный промежуток. К примеру, если в литре воды содержится в среднем 25мг взвешенных частиц, то изучение первых или верхнего слоя осадков дает данные загрязнений за последние 3-12 месяцев. В настоящее время существуют «осадочные ловушки», с помощью которых точно определяется временной промежуток. Изучение донных осадков требует меньших затрат, чем исследование других объектов. Этому способствует, к примеру, большой интервал времени в отборе проб (в Германии такие пробы берутся раз в 3-5 лет). При исследовани донных осадков необходимо учитывать, что наибольшей адсорбцией обладает глинистая фракция отложений (менее 0,002 мм). При этом используют среднюю фракцию – 0,02мм и техногенное загрязнение реки оценивается по степени насыщенности тяжелыми металлами глинистой фракции (А.О.Щербаков,1999г.). Еще одним аспектом влияния донных осадков на здоровье биоты является их способность становиться устойчивыми к источникам загрязнения вод и почв, последние загрязняются, когда, к примеру, проводят землечерпательные работы на реках, озерах, в портах (так в Гамбурском порту ежегодно вычерпывается до 2млн.т. загрязненных донных отложений). Техногенные гидрохимические аномалии формируют в основном соединения азота (нитраты, нитриты и др.), алюминия, железа, марганца, кадмия, бериллия, ртути, радионуклиды, тяжелые металлы и другие. Нерациональная эксплуатация поземных вод, к примеру, для питья в одном месте приводит к подтоку некондиционных вод из других горизонтов. Так, в Молдове в артезианском бассейне из-за нерационального использования нижнесарматских и верхнемеловых водоносных горизонтов сформировалась природно-техногенная гидрогеохимическая аномалия фтора, что послужило заболеванию флюорозом повышенного количества населения. Внесение удобрений в почвы формирует в грунтовых водах накопление нитратов. Это характерно для развитых стран (Англия, Голландия, Россия и другие). Региональное экологическое значение в подземных водах имеют алюминий, железо, марганец, бериллий, ртуть, кадмий и другие (В.Ф.Протасов,2000г.). В водах хозяйственно-питьевого назначения нормируется до более 1400 органических веществ (Россия). Но чаще всего фиксируют предельные и непредельные углеводороды, и их хлоропроизводные (дихлорметан, дихлорэтан), ароматические углеводороды, и их хлоропроизводные (хлорбензол, хлорфенол и другие). Большую экологическую опасность в водах представляют пестициды и диоксиды, кислородные соединения бром- и хлорзаменяющих ароматических углеводородов (бензолы, фенолы и другие). Диоксиды не сдерживают геохимические барьеры, они свободно мигрируют. Техногенные атмогеохимические аномалии формируются в результате разработок залежей нефти и газа, утечки из газопроводов, из хранилищ бытовых отходов и прочее. Как правило, это явление локальное. К примеру, формирование газов в хранилищах отходов связанно с протеканием анаэробных микробиологических реакций с органикой отходов. Состав газовой смеси: метан,CО2, азот, H 2S, меркаптаны (R-CH), альдегиды (R-CHO) в разной концентрации (до 150 млн-1). Азотная фаза длится несколько недель, а анаэробные кислые брожения (гниение) могут продолжаться несколько лет (выделение газов в хранилищах ФРГ доходит до 60-80м3/т). Формирование техногенных биохимических аномалий происходит вследствие активного вовлечения загрязняющих веществ в биохимические циклы, связанные с применением удобрений, развитием промышленности. В настоящее время изменены биохимические циклы азота, фосфора, углерода, калия, магния (В.Н.Башкин.1991г.). Так, в степных ландшафтах техногенное подкисление почв-черноземов (кислотные осадки, удобрения и другое) приводит к интенсивному выносу оснований (Ca, Mg), эссенциальных элементов (Fe, Cu, Zn, Mn, Co и прочие), гумуса. Снижается урожайность, биота (в том числе и человек) не получают важных элементов, возникают болезни - гипомикроэлементозы: Cu –болезнь Менкеса (поражение нервной системы), Zn – врожденные пороки развития, Mn – диабет и прочие (Т.М.Белякова и др,1991г.). При накопление токсинов (Pb, Hg, Cd, Ni, Rb и другие) развиваются болезни гипермикроэлементозы: Hg- болезнь Минамата, энцефалопатия; Cd –кадмиевые рениты, нефропатия и другие (А.П.Авцын и др. 1983, 1993г.г.). Значит, если геохимические поля характеризуются уровнем содержанием элементов выше или ниже допустимых норм и вызывают патогинез, то это патогенные геохимические аномалии. Для характеристики биогенной миграции химических элементов используют различные показатели: 1. биофильность (Бх) – отношение кларка элемента в живом веществе к его кларку в литосфере (А.И.Перельман,1972г. и другие). 2. коэффициент биологического поглощения – Кd (КБП, Ах) - отношение содержания химического элемента в золе растений к его содержанию в почве или горной породе, характеризует интенсивность поглощения элементов растениями (Б.Б.Полынов, 1944г., А.И.Перельман, 1961г. и другие). К примеру, энергично накопляемые флорой элементы P, S, Cl , йод имеют Ах =n ∙10-n ∙ 100, а с любого захвата элементы Fe, Si, F, Rb, V, Li, Cs имеют Ах = 01n (А.И.Перельман,1978г.). 3.биохимическая активность вида БХА – сумма кларков концентрации (коэффициент Axi) элементов в золе растений (способность вида накапливать микроэлементы, Айвазян,1974г.). 4.Ряд биологического поглощения дает сравнительную характеристику интенсивности биологического поглощения, Б.Б.Полынов,1944г. Выделяют сильно накопляемые – К, Ca, Mg, Na, Sr, B, Zn, Ag (Ах –n-n ∙10), слабо накопляемые, но сильного захвата элементы – Mn, Ba, Cu, Mo, As, Cd, Be, Hg, Se, Ra (Ax – о1n – n); слабого захвата, слабого и очень слабого захвата – Ti, Cr, Pb, Al, B, Zr, (Ax – 01n – 010n) и другие показатели. Токсичность неорганических соединений в порядке убывания: нитраты< <хлориды < бромиды < карбонаты <фториды < гидрооксиды < оксиды. Токсичность солей металлов снижается по ряду Cr, V, Mn, Ni, Cu, Ba, M.Sillampaa, 1982г. В настоящее время приоритетное распространение получили три подхода к нормированию экологически опасных токсинов: 1. санитарно-гигиенический, базируется на нормативных ПДК. Следует отметить их недостатки: - ПДК не учитываются эффекты химического и биологического накопления 3В в экстремально высоких значениях при переходе из среды в среду, а также их накопление в трофических цепях, превращение при миграции в более токсичные формы. Многочисленные зависимости «доза 3В – время – эффект», на основании которых определяется ПДК, близки между собой в диапазоне высоких доз и существенно различают в диапазоне низких доз. ПДК устанавливают в лабораториях путем опытов на мышах и крысах, но они наиболее устойчивы к химическим веществам (А.И.Обухов и другие, 1992г.). 2. Геохимические критерии, здесь чаще всего используют суммарный показатель (Zc) содержания токсинов, так как, геохимические аномалии имеют полиэлементный характер. Он представляет собой сумму коэффициентов концентраций металлов, определяемых при оценке загрязнения, за вычетом числа металлов, уменьшенного на единицу: Zc = ∑ Kc – (n – 1) , где Кс – коэффициент, n- число химических 1 элементов, входящих в изучаемую ассоциацию. Ориентировочная четырех ранговая шкала системы: « почва – человек» (тяжелые металлы, Ю.Е.Сает,1990г.) следующая: -- допустимая степень загрязнения почв, Zc<16 (низкие показатели заболеваемости детей, функциональные отклонения (Фо) минимальны) умеренно опасная степень загрязнения, Zc = 16-32 (повышенный уровень общей заболеваемости населения) -- опасная степень загрязнения почв, Zc =32 – 128 (высокий уровень общей заболеваемости, рост числа часто болеющих детей и прочее) -- чрезвычайно опасная степень загрязнения почв, Zc > 128 (высокий уровень заболеваемости детей, нарушение репродуктивной функции женщин и прочее). Но это все условно. В Германии, к примеру, при оценке степени загрязнения донных осадков тяжелыми металлами, используют «и-гео – классы» «индексации, геоаккумуляции» (Г.Мюллер, 1962г.): J- geon = log 2( Cn / 1.5 ∙ Bn), где Cn – измеренная концентрация в данных отложениях, фракция менее 0,020мм; Вn – геохимическая (фоновая) концентрация элемента n (в справочнике). Умножение её на 1,5 необходимо для учета природных флуктуаций. 3.Биохимические критерии. Используется учение о нижних и верхних пороговых концентрациях, отражающих емкость гомеостатических регуляторов системы (к примеру, популяции). К факторам, влияющих на чувствительность организмов к химическому воздействию, относятся периоды развития организмов, генетические особенности, дефицит питания, индивидуальные привычки и другие (В.В.Ковальский, 1994г.). В.В.Ермаков предложил рассматривать растения как интегральный показатель содержания токсичных элементов в почвах и на основе этого выполнять эколого-биохимическое районирование площади. Пример: 1.концентрации микроэлементов в укосах, пастбищных растениях и растительных кормах (мг/кг сухой массы). Содержание, к примеру, цинка в зонах: бедствия - < 2 или < 500; кризиса – 2 – 10 или 100 – 500; риска – 10 – 20 или 60 – 100; благополучия – 2 – 60. 2. отношение кальция к фосфору в кормах (более 20% территории в неблагополучном состоянии). Ca / P в зонах: бедствия < 0,1 или > 30; кризиса – 0,1 – 0,4 или 10 – 30; риска – 0,4 – 1,0 или 3 – 10; благополучия –1– 3. Вещество литосферы попадает в зону минерального питания растений (В.И.Бгатов и др.) и элементы мигрируют по всем звеньям трофической цепи. Итак, изучение эколого-геохимческих свойств литосферы представляет собой целый комплекс исследований: литогеохимческих, гидрогеохимических, атмогеохимических, ландшафтно-геохимических, биогеохимических, медико-биологических (Л.Б.Антошко,1992г.; Н.Л.Беручашвили,1997г.; Э.К.Буренков и другие,1995г.; Г.А.Гладковская и другие,1994г.; М.А.Глазовская и другие, 1995г.; Б.Б.Прохоров и другие,1996г.; Н.А.Титаева и другие, 1998г. и другие). При этом используются различные методы определения химических элементов в разных средах: атомно-адсорбционные (ААС), атомно-флуоресцентная спектрометрия (АФС), спектрофотометрический (СФ), колориметрический, фотометрический, полярографический, нейтронный, рентгеноспектральный и другие. Для изучения вещественного состава геохимических аномалий проводят эколого-геохимическое картографирование. Густота сети опробования определяется масштабом работ. При мелкомасштабных работах – 1 сборная проба на 100 км2 , среднемасштабные исследования – в среднем 1 проба на 4 км2 и крупномасштабные работы (1:25000 и крупнее) – сеть опробования 500 х 500 м (требования к геолого-экологическим исследованиям и картографированию, Россия,1990г.). По результатам работ составляют эколого-геохимические карты, включающие карты эколого-геохимических условий, эколого-геохимического районирования и эколого-геохимические прогнозные. В итоге исследований состояния литосферы проводится районирование территории по медико-санитарным условиям существования биоты и эколого-геохимическое районирование, с выделением геохимических провинций, аномалий и их районирование по степени экологической безопасности. Намечается перспективное планирование по охране геологической среды в данном аспекте. Геофизическая экофункция литосферы отражает свойства геофизических полей литосферы (как природных, так и техногенных) влиять на состояние биосферы и здоровье человека, то есть создавать нужные для этого энергетические условия .Энергетическое воздействие окружающей среды на биоту реализуется через геофизические поля различной природы (земного, космического и техногенного происхождения). Всякое отклонение от «привычных» условий может привести к негативным последствиям для биоты либо сразу, либо через определенные промежутки времени. Ответная реакция организмов: либо адаптация, либо патологические изменения. Объектом исследований при изучении данной экофункции являются природные и техногенные физические поля (гравитационное, магнитное, тепловое, сейсмическое (поле упругих колебаний), электрическое и радиационное (поле ионизирующих излучений). Предмет исследований – взаимодействие полей с биотой и влияние их на организмы (в том числе, на человека). В настоящее время аномальные проявления природных и техногенных физических полей называют в зависимости от их природы и воздействия на биосферу экологическими и экофизическими аномалиями. Известно, что жизнь на Земле появилась и развивалась в условиях влияния гравитационного, геомагнитного и теплового полей. Считается, что в каждый геологический отрезок времени биосфера существовала при относительно стабильном гравитационном поле, кроме отдельных глобальных катастроф (А.Ф.Черняев,1997г.), которые в целом биосфера пережила, но многие древние цивилизации погибли. Происходили и радикальные изменения геомагнитного поля, даже смена его полярности. Вопрос, что происходило в биосфере при событиях, когда терялся на какое-то время защитный магнитный экран, остается пока не решенным. Данные палеографии, геологии говорят также о том, что на Земле происходили изменения и температурного режима, приводившие к повторяющимся ~ через 200 млн. лет циклам оледенения. Со всеми этими событиями биосфера в ходе эволюции справлялась. Но процессы техногенеза, все увеличивающееся электромагнитное загрязнение среды, особенно в области радио – и более высоких частот застали биосферу почти что «врасплох». Ввиду того, что большинство процессов в живых организмах относятся к электрохимическим и электрофизическим, то оценка экологического поля электромагнитного загрязнения стала актуальной. Естественные и техногенные геофизические поля, накладываясь друг на друга, образуют вблизи земной поверхности (по обе стороны от нее) область избыточного энергетического потенциала – энергосферу, где происходит обмен энергией между живой и неживой природой, между Землей и Космосом. Так как сейчас происходит непрерывная «накачка» техногенезом энергосферы, то здесь происходят труднопрогнозируемые, часто негативные для человека процессы. В структуру геофизической экофункции входят проблемы: экологическое воздействие геофизических полей на природные и природно-антропогенные геосистемы, техногенное физическое загрязнение литосферы и геопатогенные зоны. Гравитационное поле и аномалии. В целом это поле Земли сложной структуры и пространственно изменчиво из-за разнообразной плотностной характеристики вещества планеты и взаимного расположения масс рудных тел. Гравитационное поле (точнее его проявление – ускорение свободного падения) изменяется от 9,78 м/сек2 на экваторе до 9,83 м/сек2 на полюсах. На фоне закономерных изменений силы тяжести выделяются гравитационные аномалии геологической природы до (3-30)∙104 м/сек2 и временные вариации этого поля, вызванные действием Солнца, Луны и др. космических тел («приливы» и «отливы» в литосфере, приливы могут достигать 3,4∙10-4 м/сек2. В настоящее время на изменение силы тяжести на поверхность планеты влияют извлечение из недр больших горных масс, создание обширных водохранилищ, строительство крупных городов и прочее. Наличие гравитации на Земле не только способствует сохранению на планете атмосферы, гидросферы, но и обеспечивает активность геологических и биологических процессов. Гравитационное воздействие при своем увеличении уменьшает двигательную способность организмов, снижает количество выводимой из организма жидкости, содержание азота и калия. В то же время наблюдается увеличение потребления пищи (и энергии). Обратное по знаку изменение гравитационного поля приводит к уменьшению потребления пищи, снижению количества воды в организме, содержание кальция, натрия, фосфора (В.К.Хмельницкий,1997г.). Это в основном в космических полетах (хотя насекомым и другим мелким биообъектам изменение гравитации практически безразлично). На Земле это явление действует с изменением высоты над уровнем моря Геомагнитное поле и аномалии. Это поле в значительной степени зависит от строения и свойств литосферы, поскольку многие его источники находятся в литосфере. Земля большой магнитный диполь, поле которого проявляется далеко от земной поверхности, образуя магнитосферу. Многие горные породы в литосфере, обладая некоторым собственным магнетизмом, получают от геополя индуцированный магнетизм. В породах магнитные минералы такие как: магнетит, титаномагнетит, ильменит, пирротин и другие. На фоне естественного геомагнитного поля – 500 – 618 м Э (1 Эрстед ~ 0,08А/м; нанатесла (НТЛ) -0,01 мЭ) выделяют аномалии до 700 – 1300 мЭ, связанных с наличием больших масс магнитных пород или с космическим воздействием. Магнитное поле Земли имеет вековые вариации и «быстрые» (часы, сутки) вариации – магнитные бури, когда изменение магнитных полей может быть до 10 мЭ (В.Т.Трофимов,2000г.). Эти вариации влияют на организмы. Так «медленные» изменения геомагнитного поля имеют период 8000, 600,60, 22 и 11 лет. К примеру, размеры скелета животных и человека увеличиваются в период уменьшения этого поля. Это было дважды (зафиксировано) – с VI века до н.э. до середины IV тысячелетия до н.э. по настоящее время. Изменение роста человека коррелируется с 60 и 22 – летними циклами. У организмов собственное магнитное поле, вызываемое биотоками, мельчайшими ферромагнитными частицами (у голубей, пчел, моллюсков и у человека обнаружен «органический» магнетит, В.Л.Введенский и другие, 1984г.). Магнитное поле организмов очень мало по сравнению с геомагнитным полем, поэтому уменьшение последнего на 4 – 5 порядков приводит к гибели клеток (поле Земли – 10-4 тл; поле ферромагнитных частиц организма –10-9-10-10 тл). Температурное поле и аномалии. Земля – это гигантская энергетическая машина, в которой различные виды энергии (энергия гравитации, упругая энергия, энергия приливного трения, радиоактивного распада) превращаются в тепловую энергию. Источниками, поддерживающие температурное поле Земли в целом и в пределах верхних ее слоев, являются внешние (солнечная радиация, излучение звезд, энергия метеоритов, гравитационное воздействие Солнца и Луны) и внутренние (планетарные, ядерные реакции внутри Земли, гравитационная дифференция вещества, замедление скорости вращения Земли, приливное трение, тектонические движения и др., Г.А.Череменский,1972г.). Основным внутренним источником тепла являются ядерные реакции. Мощность этого источника составляет около 18,0 ∙ 1020 Дж/год и примерно в 1,5 раза превышает мощность остальных внутренних источников тепловой энергии. Наибольшее количество радиоактивных веществ в литосфере содержат гранитные породы. Для самой верхней части литосферы все большее значение приобретают техногенные источники тепловой энергии, хотя их мощность на несколько порядков меньше мощности природных источников. Но в пределах промышленно-городских агломераций до 72% теплового потока приходится на техногенные источники. Температурные изменения в литосфере все-таки определяются ритмом наиболее мощного источника – солнечной радиации, изменяющейся с вращением Земли вокруг своей оси и обращением ее вокруг Солнца. Различают суточные, годовые и вековые колебания температуры. Периодические колебания температуры у поверхности Земли, определяющие жизнедеятельность биоты, по мере углубления в литосферу затухают по экспонентному закону, сохраняя периодичность. Электрические и электромагнитные поля и аномалии. В литосфере электрические и электромагнитные поля по генезису делятся на естественные и техногенные (искусственные), а так же на внешние и внутренние. Природа их разнообразна. Это естественные поля природных проводников, фильтрационные, термофильтрационные и диффузионные поля, поля теллурических токов и грозовых разрядов. С другой стороны существуют поля техногенного происхождения. Электромагнитное поле (ЭМП) Земли проявляется в виде разнопериодных электромагнитных колебаний (частота от 10-4 до 102 Гц). Амплитуда вариаций ЭМП (магнитотеллурического поля) может достигать 100 -200 мВ/км, при среднем 30 – 40 мВ на км и фоновом уровне 0,1 – 10мВ/км. (М.Н.Бердичевский,1967г.). Эта интенсивность зависит от солнечной активности, географического положения и геологического разреза. Другим источником природных ЭМП являются грозовые разряды. Общее годовое количество гроз на земном шаре около 50 тысяч. Одновременно действует около 2000 гроз. В средних широтах грозовыми являются 30 – 50 суток в год, в тропиках до 75 – 100. В областях высоких широт грозы – редкое явление. Отдельный импульс грозового разряда есть либо регулярный сигнал, либо дуга квази-синусоидальных колебаний с видимой частотой до несколько тысяч герц. Напряженность поля электрической составляющей при грозовом разряде может достигать 200 – 300 мВ/км (А.С.Семенов,1974г.). Все тектонические элементы отображаются в аномалиях электрической составляющей ЭМП. Причем аномалии ЭМП, сопутствующие рудным месторождениям, могут в двое или более превышать фоновый уровень. А.Д.Дмитриев (1994г.) показал в своих исследованиях, что рудные месторождения – это долговременные носители закономерностей состояния геологической среды. Согласно данным геоэлектрики рудные месторождения играют существенную роль в перетоке электромагнитной энергии в системе «литосфера – атмосфера», являются своеобразными «пробками» в перетоке вещества в системе «атмосфера – земная кора» и служат регулятором в сбросе тектонических напряжений путём электромагнитного переизлучения избытка энергии в тропосферу и ионосферу. Поэтому техногенные изъятия концентраций вещества из литосферы означают начало общепланетарной дезорганизации, деградации биосферы. Существенную роль в формировании энергетического пояса вблизи поверхности Земли играет атмосферное электричество: молнии, зарницы («сухие» разряды), огни св. Эльма (стекание земного электричества с вершин гор, с мачт кораблей, с пальцев руки человека и пр.) В случае рассмотрения электростатического поля Земли имеют дело с гигантским конденсатором: обкладки – земная поверхность и ионосфера. Силовые линии поля направлены сверху (положительно заряженные слои ионосферы) вниз ( отрицательно заряженная поверхность Земли). Средняя величина плотности тока около 2,9 ∙ 10-20А/м2. Разность потенциалов до 100в/м, при грозах – до 40кВ/м. В атмосфере всегда существуют ионы (аэроионы). В среднем на 1м2 поверхности планеты примерно 6,7 ∙ 109 элементарных зарядов. Преобладают положительно заряженные ионы. Соотношение между аэронами оценивается по коэффициенту униполярности (А.Л.Чижевский, 1960г.) q = n+/n-. При n+ 800 ион/см3 и n- 700 ион/см3 величина q ~ 1.14. В нормальных условиях в воздухе в 1 см3 около поверхности содержится 1000-1400 аэроионов обоих знаков. В крупных городах увеличивается это содержание до 1100 – 1500 в 1 см3 в основном за счет «тяжелых аэроионов, оказывающих вредное воздействие на биоту. Значительное увеличение числа ионов наблюдается около «электрокурортов» до 1800 – 3700 ион/см3, вблизи водопадов, в зоне морского прибоя – до 50 – 100 тыс. ион/см3. Следует, отметить, что наряду с солнечным и космическим излучением ионизаторами приземного воздуха является радиоактивное излучение почвы и горных пород (гранитоиды, сланцы, руды металлов, радиоактивное сырье). Через горные породы и почву непрерывно по капиллярам просачивается воздух (дыхание Земли), несущий радиоактивные эманации, ювенильные газы, сильно ионизированные. К примеру, содержание радона – 222 в почвенном воздухе ~ на три порядка выше, чем в приземном воздухе. Поэтому у него выше проводимость примерно в 30 раз, чем у атмосферного воздуха. Поле ионизирующего излучения (поле радиоактивности) имеет двойную природу, как было отмечено выше (космос и распад радиоактивных веществ в недрах Земли),при этом выносится радон – 222 и торон (радон -220). Космический фон (около 12% общего уровня радиоактивности) имеет мощность дозы излучения 0,03 – 0,06 мкГр/4 (3 – 6 мкР/4). Грей (Гр) – единица измерения излучения в системе CИ 1Гр = 100 рентген (100Р). В высокогорье этот фон возрастает на 0,015 мкГр/2 (1,5 мкР) на каждый км подъема по вертикали. Нормальный (естественный) фон горных пород составляет по содержанию радиоактивных элементов урана 238 (продуктом распада его является радон -222) и тория – 232 (продукт распада радон 220) не превышает 2,5 г/т (2,5 кларка). Содержание урана в 2% создает радиоактивную аномалию на уровне 100мкГр/4 (10000мкР/4). Радиационный фон в угольных и других (не урановых) шахтах – 0,04 – 0,06 мкГр/4 (27 – 297 мкР/4). Большие аномалии радона наблюдаются в зонах разломов, трещиноватости, выветривания, в сейсмически активных областях. Техногенные физические поля, как правило, являются «плодами» производства, побочными продуктами современных технологий. Литосфера по отношению к этим полям есть среда – носитель и передатчик энергии от источника поля к объекту воздействия. Три вида взаимодействия: - первый из них представляет передачу энергии от источника к среде (литосфера здесь как объект воздействия), второй вид: взаимодействие отдельных компонентов (в том числе и боты и объектов техносферы) между собой. Происходят различные изменения в среде, и накапливается потенциал вторичного воздействия. - третий вид взаимодействия. Передача избыточной энергии к объектам техносферы и биосферы. Наиболее высокие уровни физических полей техногенеза достигаются в промышленно освоенных территориях. Жители здесь становятся узниками сложного лабиринта физических полей, выступающих как экологический фактор. Выделяют следующие виды физических полей: - Акустическое поле (ДБ(А)). фон – 25 -30; создает до 80 – 130, санитарный предел – 45 – 60. - Статическое поле (МПа). 0,1, 0,01 -3,0, 0,2, технический предел 1,8 – 7,5. - Вибрационное поле (ММ/с). 0,02 – 0,5; 0,02 -16,0; 0,12, 0,2 – 0,4. -Электрическое мв/м 5-10 10-300 - 3 - 5 блуждающие токи +ион/ион- 1,5-1,2 1,0-1,5 - - - - Электромагнитное поле (кв/м) 10-6 2,5 – 10,0 5 - - Радиационное поле (М3В/год 0,3 – 2,2 1,6 21 - МГр/год) Влияние геофизических (физических) полей на живые организмы. Как правило, геофизические поля небольшой интенсивности, являются раздражающим фактором. Восприятие человеческим организмом оказывающего на него воздействия начинается сказываться при уровне сигнала любого происхождения в пределах 10-12 до 10-2 вт/м. Энергетическое действие геофизических полей на биоту складывается из двух составляющих: квазипостоянной составляющей с небольшими периодами цикличности и переменной, зависящей от ритмики Вселенной, вращения Земли и пр. В ходе эволюции биосферы все жизненные процессы в ней оказались подчиненные этим ритмам. Временные интервалы этих ритмов разные: от доли секунды до многих лет. Кроме рассмотренных выше магнитного и гравитационного полей по влиянию их на биоту, этот аспект интересен и в области электромагнитного воздействия, в основном прямого экологического фактора, длительное и систематическое действие которого на организмы может привести к серьезным последствиям. Следует иметь в виду, что при «спокойном» Солнце плотность потока излучения 10-20вт/м2, при частоте 200мГц, при вспышках плотность увеличивается до 10-16 на секунды или минуты и до 10-18 на несколько часов. Интересна роль в жизни биоты электростатического поля. Живой организм является все время «приёмником» аэроионов. Пример, под действием потока отрицательных аэронов в оптимальных дозах увеличивается всхожесть семян растений и их рост. А передозировка этих аэроионов действует на растения угнетающе. У человека общее самочувствие, внимание, трудоспособность, работа различных органов и пр. находятся в зависимости от концентрации и полярности аэроионов (В.А.Горобцов,1969г.; Ю.Г.Григорьев,1982г.). К примеру, отрицательные аэроионы (в основном ионы кислорода) благоприятно действуют на организм человека. Воздух, лишенный аэронов обеих полярностей может быть фактором различных заболеваний. В последнее время оживленно обсуждается проблема геопатогенеза, под которым понимается возникновение устойчивых патологических изменений в живых организмах, обусловленное особыми геологическими, геохимическими, геофизическими и другими природными условиями (В.И.Макаров и другие,1995г., А.Д.Жигалин и другие,1996г.). Геопатогенез входит в круг вопросов, касающихся энергетического поля и вещественного взаимодействия литосферы и биосферы. Необходимость научного изучения геопатогенеза возникла в связи с вопросом изучения лозоходства, по-современному биолокации по обнаружению на Земле аномальных зон, отрицательно действующих на организмы. А лозоходство еще в древности было методом поисков подземных вод, различных руд (об аномальных зонах знали еще 8000 лет назад в Древнем Египте, Китае, и в других местах). Но в древней истории связи таких зон со здоровьем организмов не поднимается. Такая проблема стала обсуждаться в середине ХХ века. Наиболее популярной публикацией об этом стала монография австрийской исследовательницы К.Бахлер (1989г., книга «Земная радиация»). Однако природа этих зон до сих никем не раскрыта. Пытаются их ассоциировать с определенными геолого-тектоническими элементами, к примеру, с разломами, куда часто приурочены геохимические, биохимические, термоакустические, геофизические и другие аномалии, действующие как экологический фактор. Геопатогенные зоны делятся на два основных типа: первый связан в основном с нахождением токсичных элементов, выделением радона и других ювенильных газов, распространением патогенных бактерий. Этот сравнительно легко можно изучить. Геопатические зоны второго типа связаны с локальными геофизическими аномалиями, и сложным здесь является установление природы физического поля (или совокупности полей), В.А.Рудник (1999г.) приписывает геопатогенным зонам геологическую природу (в основном, активные разломы). Пример, в г. Санкт-Петербурге выявили повышенную онкозаболеваемость у персонала одного из зданий культурного назначения. Активная зона была приурочена к активному разлому, перекрытому аллювиальным чехлом. Не обнаружено никаких других аномальных полей кроме пульсирующего магнитного поля с высоким временным градиентом , а также активное развитие патогенных бактерий. Некоторые исследователи (А.П.Дубров и др.,1993г.) уводят наблюдателя в мир «чистой» науки, в мир различных «энергетических сеток и узлов» (сети Корри, Хартмана, Швейцера и других) А.Д.Жигалин считает, что ввиду экологического эффекта геопатогенных зон, последняя должна изучаться по трем блокам: энергетическому, структурно энергетическому и энергоинформационному, выявлять прямую связь аномалий геофизических полей с патологией организмов. Нужна сверх чувствительная аппаратура, которая позволит фиксировать геопатогенез также как и экстрасенсы. Для оценки эколого-геофизического состояния литосферы и его изучение во времени В.Т.Трофимов и другие (2000г.) ввели понятие эколого-геофизическая модель литосферы (ЭГФМ) – это общественное представление системы природных природно-техногенных тел и создаваемых ими геофизических полей, оказывающих региональное или локальное экологически значимое воздействие на природные и природно-техногенные экосистемы литосферы, биоту и здоровье человека. ЭФГМ имеет линию параметров. Для ее построения людям нужны следующие сведения: - физическая природа, интенсивность амплитудных и частотных характеристик природных и техногенных геофизических полей, - пространственное положение, размеры, форма и физические свойства объектов, создающих эколого-геофизические аномалии, - экологические последствия воздействия геофизических полей на биоту и человека, - время физического воздействия или периодичность этого воздействия. Построение вероятной ЭФГМ позволяет представить особенности площадного распределения и интенсивности воздействия геофизических полей на экосистему. Эколого-санитарное и медицинское значение такой модели будет особенно велико, если контрастность геофизических аномалий уi будут рассчитаны путем нормирования на среднее предельно допустимые уровни Агд; физических полей на экосистемы и биоту: уi = (Ai -Ai ) / Aпдi , где А и Аi – соответственно рядовое и среднее значения измеренного геофизического параметра. Если нет А пдi , то используют фоновые значения (Афi ). При выполнение специальных полевых исследований, связанных с оценкой геофизической экофункции литосферы, используют геофизические методы, разделяемые на дистанционные, наземные, аквальные, скважинные. Радиационный контроль проводят путем спектрометрической гамма - съемки (аэро, авто - пешеходная). Аппаратура – серийные радиометры для измерения мощности гамма-излучения в диапазоне 0 – 3000 мкр/4 и автоматические концентрометры для определения содержания изотопов урана, калия, тория в пределах аномалий. При изучении строения и оценки геометрических свойств литосферы используют методы электромагнитного зондирования (ЭМЗ) на постоянном и низкочастотном токе (ВЭЗ, ДЭЗ, ВЭЗ - ВП), магнитотеллурические (МТЗ), частотные (ЧЗ) и зондирование методом становления поля (ЗС). Высокочастотное зондирование – радиоволновое (РВЗ) и радиолокационное (ЗЛЗ или георадар). При выделении экологически опасных объектов применяют методы электромагнитного профилирования (ЭМП), метод естественного электрополя (ЕП), методы сопротивлений (ЗП) и вызванной поляризации (ЭП-ВП), индукционные методы, радиоволновое и сверхвысокочастотное профилирование (РВП, РТС, РЛС), метод электромагнитной эмиссии (ЭМ) и другие. Естественное импульсное электромагнитное поле изучают методом регистрации импульсов (ЕКЗМПЗ, ИНЭМП) в диапазонах частот 2; 12,5; 50 кГц. С аномалиями ЕКЭМПЗ коррелируются патологические отклонения здоровья людей (например, нарушение иммунитета). Для мониторинга природных и техногенных ЭМП, оказывающих воздействие на биоту, применяют малогабаритные приборы – индексаторы электромагнитной обстановки (МЧД). Для изучения особенностей электромагнитного поля наблюдают полный вектор напряженности поля (Т), его горизонтальную (Н) и вертикальную (Z) составляющие, а также их относительные приращения (ЛТ, ЛЛ). Применяют кварцевые, протонные, лазерные (квантовые), феррозондовые (погрешности: 0,1 – 1 нТл; до ±2 нТл; до ± 5 нТл) магнитометры, вариометры, индикаторы магнитных бурь и другое. В геоэкологических целях используют данные гравиметрических съемок различных масштабов, от региональных (1:500000 – 1: 200000) до среднемасштабных (1:10000 –1:50000), крупномасштабных (1:50000-1:10 000) и детальных (1:10000-1:1000, В.Т.Трофимов, 2000 г.). Основные измеряемые параметры – ускорение силы тяжести (Вд) и его градиенты по разным направлениям. Приборы - гравиметры различных систем: кварцевые, кварцево-металлические. Точность измерения на суше 0,01 – 0,5МГал, на акваториях в воздухе – 1м Гал. Детальные съемки ведутся более точными гравиметрами, к примеру, ГАГ – 3М (регистрация аномалии силы тяжести на уровне50мкГал). Результаты наблюдений позволяют изучить узколокальные плотностные неоднородности, ослабленные зоны, скопления продуктов загрязнения, т.е. опасные для здоровья организмов объекты. При решении многих задач геологического картографирования используют традиционные сейсмические методы: метод преломления волн (МОВ, разновидности МОВ – метод общей глубинной точки МОГТ и общей глубинной площадки МОГП). На акваториях применяют метод непрерывного профилирования (НСП), а при изучении скважин – метод вертикального непрерывного сейсмического профилирования (ВСП). Используют при близко верхностных исследованиях портативные сейсмостанции с ударным возбуждением упругих волн. При глубинных исследованиях применяют многоканальные цифровые сейсмостанции с компьютерной обработкой данных. Для возбуждения упругих волн используют взрывы и вибраторы, пневмопушки и другие. При изучении массивов горных пород в скважинных и горных выработках используют сейсмоакустические методы. Пример, при низкочастотном акустическом каротаже (АК) возбуждаются упругие колебания с частотой от 0,5 до 10 кГц, в качестве источников применяются электроискровые разрядники, в качестве приёмников – скважинные гидрофоны. Метод акустической эмиссии (АЭ) применяется для прогноза катастрофических изменений напряженного состояния массивов горных пород. Изучение вибрационных полей в экологических целях предполагает получение информации о пространственном распределении, уровне, основных параметрах виброколебаний, также о неблагоприятном или опасном воздействии вибрации на состояние массивов горных пород, инженерные сооружения и биоту. Это приводят при районировании урбанизированных территорий и оценке вибрационной опасности от техногенных источников. Обычно используют портативные приборы, к примеру, шумометры (уровень вибрации в уБ). Для определения величины скорости виброколебаний, их частоты применяется специальная аппаратура: в городских условиях – виброизмерители (магнитоэлектрические сейсмоприемники регистрируют колебания 0,5 – 60 Гц, точность измерений виброскоростей до 1 мкм/с). При исследовании температуры земной поверхности и приповерхностной части литосферы широко используются дистанционные методы – радиотепловые (РТС) и инфракрасные (ИКС, ТАС) съемки, осуществляемые с космических и воздушных носителей. В качестве детекторов теплового поля применяют тепловизоры (инфракрасные частоты от мкм до мм). Тепловые сигналы преобразуются в электрические и передаются на экран телевизора или представляются в цифровом виде. При наземной съемке используют переносные тепловизоры (точность до 0,10). Изучение теплового поля в ИК-диапазоне дает возможность оперативно исследовать источники теплового загрязнения, определять экологически значимые аномалии теплового поля, осуществлять его прогноз. При исследовании температурного поля в скважинах используют специальные электрические термометры сопротивлений или полупроводниковые терморезисторы с точностью измерений до 0,05 – 0,1о. Для повышения точности измерений до 0,01о (В.К.Хмельницкий.1997гю) применяют дифференцированные термометры и грандиентометрические методы. Следует в заключении сказать, что целевые геофизические комплексы для эколого-геофизических исследований должны быть высокопроизводительны, отличаться дешевизной и вместе с тем достаточной информативностью для оценки экологической обстановки или выполнения мониторинга геосистем. Информация, получаемая при таких исследованиях специфическая, часто геофизическая. Поэтому для экологических выводов необходимо использовать в комплексе медико-биологические наблюдения, позволяющие увязать геофизические материалы с состоянием биоты. Задания для самоконтроля: 1. Дать описание литосферы 2. Рассмотреть особенности геофизической функции литосферы 3. Охарактеризовать воздействие человека на литосферу Литература:5,11,12