Под техногенезом понимают преобразование ландшафтов и его компонентов под воздействием хозяйственной деятельности человека с использованием машин, приборов и технологий. Совокупность геохимических и минералогических процессов, вызванных деятельностью человека, образует техногенные геохимические процессы. С техногенезом тесно связана техногенная миграция веществ и элементов, которая протекает в техногенной системе. Техногенная миграция химических элементов – одна из четырех форм их перемещения наряду с механической, физико-химической (водной), биогенной и атмосферной миграцией.
Основу техногенной геохимической миграции заложили в начале XX века В.И. Вернадский и А.Е. Ферсман. Было выявлено, как зависит использование элемента от его положения в периодической системе, размеров атомов и ионов, величины кларков. Часть Земли, охваченную техногенезом, В.И. Вернадский предложил называть ноосферой. Своеобразие ноосферы определяется приоритетом техногенной миграции над другими ее формами, а также постоянным ускорением миграции атомов (за десятки лет рассеиваются по земной поверхности месторождения полезных ископаемых, которые формировались природой миллионы лет, ежегодно из недр извлекается больше металлов, чем выносится речным стоком и т.д.).
Влияние человека на ландшафты проявлялось с доисторических времен, однако наиболее существенные изменения круговорота элементов под влиянием антропогенных факторов стали заметны во второй половине XX века. Изъятие из недр и накопление на земной поверхности большого количества многих веществ обусловило сдвиги некогда достаточно устойчивого равновесия между природными процессами и биологической эволюцией. Дальнейшее развитие общества возможно лишь при должной оптимизации геохимических условий. Зачастую при поиске путей таких изменений техногенные процессы рассматриваются как нежелательные, чуждые природе. В.И. Вернадский показал, что деятельность человека – это факт природного явления, закономерного и обусловленного эволюционным развитием биосферы как среды «жизни и разума». И поэтому многие экологические проблемы могут быть решены путем разумного управления техногенной миграцией.
Все техногенные геохимические процессы, согласно Н. С. Касимову и А. И. Перельману, могут быть условно разделены на две группы:
· унаследованные от биосферы, хотя и претерпевшие изменения;
· чуждые биосфере, не существовавшие в ней ранее.
Как и в природных ландшафтах, на территории городов протекает биологический круговорот, элементы мигрируют в атмосферном воздухе и в водах, концентрируются в почвах и донных отложениях водоемов. Процессы же второй группы протекают в резком противоречии с природными условиями. Характерное для современного природопользования металлическое состояние Fe, Al, Cu, Zn не соответствует физико-химическим условиям земной поверхности, и приходится тратить много энергии, чтобы получать и поддерживать металлы в свободном виде.
Использование минерального сырья и сжигание органического вещества для получения энергии резко усилили выход элементов, содержавшихся в литосфере в неактивном виде, в такое состояние, когда они легко участвуют в процессах обмена между абиотическими и биотическими компонентами экосистем. Элементы, которые наименее распространены в природе и фактически неподвижны из-за низкой растворимости их соединений, являются наиболее токсичными для живых организмов. Поскольку горнодобывающая промышленность и металлургия извлекают именно эти элементы, деятельность человека оказывает самое значительное и все усиливающееся воздействие на естественный круговорот этих элементов и их взаимодействие с живыми организмами (рис. 21.1).
В последние десятилетия все больше производится химических соединений ранее в ландшафтной сфере не существовавших и обладающих свойствами не присущими природным материалам (искусственные полимеры, пластмассы, пестициды и др.). Новым явлением стало получение радиоактивных изотопов, производство атомной энергии. Такие процессы перемещения вещества как экспорт-импорт подчиняются социальным законам. Для анализа подобных процессов и их оптимизации разрабатываются новые научные подходы.
Рис. 21.1. Увеличение мирового производства металлов за период 1930-1990 гг., (n раз) [102].
Классификация техногенных геохимических процессов на урбанизированных территориях. Техногенные геохимические процессы обусловлены хозяйственной деятельностью человека. Они могут иметь механическую, физико-химическую или биогеохимическую природу. Многие процессы возникли только в результате человеческой деятельности (получение металлов в свободном виде; синтез веществ, неизвестных в природе; производство радиоактивных изотопов и т.д.
Техногенные процессы могут быть систематизированы по разным критериям: режимам (постоянные, периодические), модулям нагрузки на среду (слабые, средние, сильные, катастрофические) источникам воздействия (радиоактивные, бытовые, промышленные, добывающие), объемам (малый, средний, высокий) и составу выбросов, стоков (природные, искусственные, смешанные) и др. [41]. В наиболее общем виде поступление техногенных веществ в природную среду и их дальнейшее взаимодействие описывает классификация Н. П. Солнцевой (рис. 21.2).
Техногенные источники в урбанизированных системах. Влияние техногенеза на геохимические процессы в городах в значительной мере определяется количеством источников эмиссии техногенных веществ, их видом, мощностью, а также взаимным расположением. Особенность крупных городов – наложение зон воздействия различных производств и видов хозяйственной деятельности, что приводит к формированию сложных по составу и структуре техногенных геохимических аномалий.
К техногенным источникам в городах относятся промышленные предприятия (стационарные источники), транспорт, коммуникационные системы, коммунальное хозяйство. Техногенные вещества поступают от них в городскую среду в составе потоков трех видов: 1) выбросов в атмосферу от стационарных и передвижных источников, 2) сточных вод, 3) твердых и жидких отходов. Иногда вещества всех этих потоков объединяют под названием «техногенные отходы».
Рис. 21.2. Геохимическая классификация техногенных процессов (по Н. П. Солнцевой)
С выбросами, стоками и отходами в городскую среду поступают ежегодно сотни тысяч тонн техногенных веществ. Основными поставщиками выбросов в атмосферу городов являются промышленные предприятия, энергетические установки и транспорт. Самые распространенные компоненты пылегазовых выбросов – это оксиды углерода, азота, серы, углеводороды, твердые частицы. Оксиды азота поступают в основном от энергоустановок и транспорта, оксиды серы – от сжигания твердого и жидкого топлива. Наибольшее количество оксида углерода и углеводородов выделяется при эксплуатации автомобильного транспорта. Твердые частицы содержатся в выбросах источников всех видов. Кроме того, в атмосферу городов поступают и другие вредные вещества, количество видов которых в настоящее время превышает 500 [95].
Выбросы пыли характерны практически для всех видов промышленной деятельности. Особенно много поступает ее в атмосферу городов от предприятий черной и цветной металлургии, машиностроительных заводов с литейными, кузнечнопрессовыми и механическими цехами, заводов по выпуску строительных материалов. Пыль при этом состоит из мельчайших частиц топлива, металлов, обрабатываемых материалов, обогащенных оксидами Fe, Mg, Mn, а также ряда токсичных металлов: Zn, Pb, W, Sb, Ni, Sn, Ag и др.
Количество пыли, поступающей от энергоустановок, в значительной мере зависит от вида топлива: при сжигании мазута образуется на два порядка меньше твердых частиц, чем при сжигании угля, газа – в десятки раз меньше частиц, чем при сжигании мазута.
Предприятия химии и нефтехимии выбрасывают в атмосферный воздух преимущественно газообразные соединения (оксиды азота, углерода, серы, углеводороды, фенолы и др.), концентрации которых в отходящих газах иногда превышают допустимые нормы для атмосферного воздуха городов в десятки-сотни раз.
Основное количество примесей в атмосферный воздух городов поступает от автомобильного транспорта (в г. Минске – до 80 %). Наиболее опасные компоненты выхлопных газов – это оксиды углерода и азота, недогоревшие углеводороды, пыль от истирания шин содержит Pb, Zn, Cd.
Стоки, поступающие от коммунально-бытовой и производственной деятельности в городах, также содержат значительное количество техногенных веществ. Обогащенные примесями сточные воды с городских территорий попадают в водоемы и водотоки непосредственно или после различного рода очистки. С производственными стоками в канализационную сеть городов поступают нефтепродукты, фенолы, тяжелые металлы, минеральные и органические взвеси. При этом широкие ассоциации тяжелых металлов в сточных водах характерны не только для производств, где они используются в технологическом цикле, но и для многих других производящих предметы первой необходимости (продукты, текстиль и др.). Такие стоки содержат в десятки-сотни раз больше Cu, Cr, Ni, Zn, Pb, Cd по сравнению с природными водами. Особенно обогащены указанными металлами стоки гальванических цехов, где их концентрации могут превышать природные в сотни и тысячи раз. Городские очистные сооружения не обеспечивают полной очистки стоков от металлов, и, как минимум, 4-5 % токсичных соединений поступает в водоемы и водотоки городов [95].
Отходы. Это понятие объединяет преднамеренно собираемые твердые производственные отходы (ТПО) и твердые коммунальные отходы (ТКО), а также осадки сточных вод (ОСВ), образующиеся на очистных сооружениях. В странах с развитой экономикой образуется до 3–5 т промышленных и 300–400 кг коммунальных отходов на человека в год.
Производственные отходы разнообразны как по видам, так и по химическому составу. Наибольшее количество отходов образуются на металлургических комбинатах, горнодобывающих предприятиях, теплоэлектростанциях, работающих на твердом топливе, предприятиях тяжелого машиностроения. Это шлаки, зола, горелая земля, отходы минерального сырья. Такие отходы объемны, однако не содержат токсичных элементов в высоких концентрациях. Так, шлаки металлургии состоят, преимущественно, из оксидов Si, Al, Ca, Mg, Fe, Mn, в них также могут концентрироваться Cr и V; в отходах цветной металлургии – Cu, Zn, Pb.
Наиболее токсичные отходы образуются хоть и в небольших количествах, но повсеместно на машиностроительных предприятиях. Это осадки физико-химической очистки гальванических стоков. В них содержатся в очень высоких концентрациях Cu, Cr, Ni, Zn, Cd, Sn, реже – Ag и Pb. Этими же элементами обогащены шламы от производства красителей, пластмасс, бумажная пыль типографий. Отходы кожевенного производства выделяются высоким содержанием соединений Cr. Коммунально-бытовые отходы и осадки сточных вод по степени концентрации и комплексу химических элементов не уступают промышленным отходам.
Большое число и неравномерность размещения техногенных источников на территории городов обусловливают сложную конфигурацию полей распределения химических элементов в компонентах городской среды.
Техногенные и природно-техногенные системы. Результатом взаимодействия природных и техногенных процессов является формирование природно-техногенных систем. Природно-техногенные системы сочетают в разных соотношениях признаки техногенных и природных систем, важную роль в них играет биологический круговорот элементов (БИК). В техногенных системах преобладают искусственные тела (техногенные грунты, золоотвалы, шламохранилища и др.) со специфическим химическим составом и искусственным рельефом, БИК значительно трансформирован [41].
При изучении природно-техногенных систем большое значение придается определению их геохимической устойчивости. Данное понятие в географической литературе трактуется двояко:
· устойчивость как способность системы противостоять техногенным воздействиям и сохранять нормальное функционирование,
· устойчивость как способность к регенерации после прекращения техногенного воздействия и возвращения из нарушенного к нормальному режиму функционирования [51].
Н.П. Солнцева предложила устойчивость к техногенным нагрузкам называть устойчивостью 1-го рода (противостояние), а способность к восстановлению функционирования – устойчивостью 2-го рода (нормализация). При этом устойчивость ландшафтно-геохимических систем проявляется различно по отношению к разным техногенным воздействиям. Техногенные воздействия могут быть постоянными, иметь периодический характер или осуществляться в аварийном режиме, превышая порог устойчивости 1-го рода данной природной системы или не достигая его. Одним из критериев устойчивости является геохимическая совместимость техногенных воздействий с направленностью природных процессов [64]. Так, направление техногенной трансформации может быть совместимо с природными процессами и усиливать их. Например, воздействие кислых атмосферных осадков на кислые подзолистые почвы вызывает дополнительную мобилизацию элементов, уменьшая устойчивость почв данного типа. Техногенез может быть несовместим с направлением природных процессов. В этом случае компоненты системы, подвергаемой воздействию, обладают буферными свойствами. Например, выпадение кислых осадков на почвы со щелочной реакцией среды (дерново-карбонатные) сопровождается нейтрализацией подкисляющих ионов и не вызывает негативной трансформации почв.
При высоком уровне техногенного воздействия порог устойчивости может быть преодолен, и система подвергнется необратимой трансформации. В качестве примера можно привести формирование засоленных почв в зонах интенсивного техногенного воздействия на территории Беларуси. Близкое от поверхности залегание загрязненных грунтовых вод способствует в сухое теплое время года их подтягиванию к поверхности. При испарении соли, содержащиеся в водах, выпадают в осадок, обогащая горизонты почв водорастворимыми веществами. Наибольший ореол засоленных почв (более 1 тыс. га) сформировался в зоне влияния калийных производств. Степень засоленности возрастает на пониженных участках с близким от поверхности уровнем грунтовых вод. Содержание солей в почве при этом достигает 3–4 % [97]. В силу несовместимости процессов кислого выщелачивания, характерных для природных условий Беларуси, и техногенного соленакопления, происходит периодическое вымывание солей за пределы почвенного профиля, однако ландшафтная система уже не возвращается к своему прежнему состоянию: ухудшаются водно-физические свойства почв, на поверхности почвы формируется соляная корка, меняется растительная ассоциация.
Ответную реакцию природных систем на техногенное воздействие можно прогнозировать, зная параметры воздействия и свойства систем. М.А. Глазовская предложила выделять прогнозные группы природно-техногенных систем со сходным уровнем геохимической устойчивости и сходным характером техногенной геохимической трансформации и называть их “технобиогеомами”, поскольку основной целью прогноза является определение степени и характера воздействия на совокупность живых организмов. Ландшафтно-геохимические системы, объединенные в однотипные технобиогеомы, должны обладать сходным уровнем устойчивости, в том числе очищения от продуктов техногенеза, а также в случае избыточного воздействия иметь сходный характер геохимических аномалий и связанных с ними нарушений в почвах, водах, и соответственно в жизнедеятельности и продуктивности биоценозов [36].
При выполнении мелкомасштабного картографирования технобиогеомов М. А. Глазовская систематизировала факторы, отвечающие за направленность геохимических процессов. Выделены три группы факторов геохимической устойчивости с определенным набором показателей:
1. Факторы, определяющие возможную интенсивность выноса и рассеяния продуктов техногенеза (из атмосферы, почв, вод). Показатели: количество осадков, испаряемость, скорость и направление ветра, суммарный годовой сток, особенности рельефа, литологический состав пород и др.
2. Факторы, определяющие интенсивность метаболизма (разложения) продуктов техногенеза. Показатели: сумма солнечной радиации, величина ультрафиолетовой радиации, сумма t > 100C, количество дней с грозами, ежегодный растительный опад и др.
3. Факторы, определяющие возможность и интенсивность закрепления в ландшафтах продуктов техногенеза или их метаболитов. Показатели: годовое количество и продолжительность туманов, кислотно-щелочные и окислительно-восстановительные условия в почвах и водах, количество органического вещества, сорбционная емкость почв, наличие геохимических барьеров.
При избыточном поступлении продуктов техногенеза в природно-техногенных системах формируются техногенные геохимические аномалии. Под аномалией понимают некоторое пространство, в пределах которого концентрации элементов в природных компонентах (атмосферном воздухе, водах, почвах, растениях) превышают достоверно установленные природные фоновые значения. По охвату территории аномалии могут быть глобальными, региональными или локальными. Глобальная аномалия связана, например, с повышенным содержанием в атмосферном воздухе СО2. Техногенные аномалии регионального масштаба формируются в результате чрезмерного внесения на поля минеральных удобрений, крупных производственных аварий (например, на Чернобыльской атомной электростанции), выпадения атмосферных осадков, загрязненных техногенными соединениями, и др. Л окальные аномалии приурочены к местным техногенным источникам – заводам, электростанциям, накопителям отходов. По среде образования техногенные аномалии делятся на лито- и педогеохимические (в почвах, породах, техногенных грунтах), гидрохимические и гидрогеохимические (в поверхностных и подземных водах, соответственно), атмогеохимические (в атмосферном воздухе, снеге), биогеохимические (в биоте).
Оценка геохимической аномальности техногенно измененного объекта обычно основывается на сопоставлении его химического состава с фоновыми аналогами. Для этого используется показатель коэффициент обогащения (техногенной концентрации)Kc, показывающий, во сколько раз содержание элемента в данном объекте (загрязненной почве, субстрате золоотвала, растительности города и др.) выше его содержания в фоновом природном компоненте (почвах, растениях и др.): Kc = Сi / Сф, где Сi – концентрация элемента в изучаемом компоненте городского ландшафта, Сф – концентрация этого же элемента на фоновой территории, расположенной на достаточном удалении от техногенных источников.
На измененных (загрязненных) техногенезом территориях, как правило, аномальные содержания в компонентах среды характерны для целого ряда химических элементов, который в таких случаях называют ассоциацией элементов-загрязнителей. Интенсивность загрязнения объекта (например, почвы) ассоциацией элементов отражает суммарный показатель загрязнения (Zс):
Zс = ∑ Kc – (n–1),
где Kc – коэффициент техногенной концентрации элементов, величина которых превышает значение 1,5; n – число элементов с Kc > 1,5.
На основе суммарного показателя загрязнения разработана ориентировочная шкала оценки эколого-геохимического состояния почв (табл. 21.1).
Таблица 21.1
