Геохимические барьеры как показатель загрязнения земельных ресурсов

Строительство плотин в нижних частях рек и возникновение на них механических барьеров препятствуют выносу терригенного материала в моря. Это в свою очередь может приводить к разрушению пляжей. Так как практически все крупные реки северно-западной части бассейна Черного моря перегорожены плотинами, для предотвращения разрыва пляжей в прибрежных ландшафтах этой части моря создаются (с учетом морских течений) специальные железобетонные сооружения, которые не только не предотвращают размыв, но и способствуют восстановлению пляжей. Таким образом, создаются новые механические техногенные барьеры I1.

Осаждение коллоидов из водных потоков на природных механических барьерах I3 не получило широкого распространения, хотя, по мнению ряда исследователей, именно таким путем сформировались мощные толщи лёсса не только в поймах рек, но и в предгорьях. На техногенных барьерах, связанных с барьерами, происходит довольно интенсивное отложение глинистых коллоидных частиц. Особенно широкое развитие этот процесс получил в водохранилищах, созданных в равнинных условиях.

Концентрация животных и растительных организмов, переносимых водными потоками, на механических барьерах I4 относительно невелика. Гораздо больше на механических барьерах отлагается отмерших организмов. Довольно значительное распространение это явление получило в процессе формирования ряда морских пляжей.

Механические барьеры I5 начали развиваться только в последнее время, когда значительная масса твердых техногенных соединений стала попадать в водные потоки. Концентрация таких соединений, не имеющих природных аналогов, происходит как на техногенных, так и на природных механических барьерах. Поскольку размеры и масса отдельных обломков и изделий колеблются в очень больших пределах (от обломков различных механизмов и автомобильных покрышек до пробок от бутылок и синтетических кульков), они осаждаются на различных по значимости барьерах практически по всей протяженности загрязненных постоянных и временных потоков, а также на пляжах. К сожалению, масса веществ, накапливающихся на механических барьерах I5, возрастает, и проблема их ликвидации вскоре может стать одной из основных при решении многих экологических задач.

В качестве примеров техногенных механических барьеров можно привести случаи размыва хвостохранилищ Огневского, Белогорского и Асубулакского рудников. Примерно третья часть хвостов по различным причинам подверглась утечкам и, в конечном счете, снесена малыми реками, дренирующими техногенные отходы, в прибрежную зону водохранилищ. Наиболее высокое загрязнение донных отложений произошло в местах впадения рек Аюды в Бухтарминское, Таинты и Маралушки в Усть-Каменогорское водохранилища.

Ориентировочно можно считать, что суммарное поступление в Усть-Камногорское водохранилище техногенных минеральных образований из Асубулакского и Огневского промузлов составило около 5-7 млн. м3, которые могли содержать не менее 150 тонн тантала, 300 тонн олова, 200 тонн ниобия, 3000 тонн бериллия, 5000 тонн лития, 1500 тонн цезия и 3000 тонн рубидия. Основная масса минеральных образований снесена в водоемы и сорбирована глинами, а более крупная фракция отложена на механических барьерах в створах рек Таинты и Маралушка, где сформированы подводные песчаные косы. В качестве примера можно привести Огневскую косу, которая находится в месте впадания реки Таинты в усть-Каменогорское водохранилище. Образована она за счет размыва и сноса Асубулакских, Таинтинских и огневских хвостов, песков, вскрышных пород, а также аллювиально-деллювиальных отложений с Таинтинско-Таргынско-Асубулакского водозабора площадью более 40 км2. Наносами создана естественная « перемычка» русла реки Иртыш, прослеживающаяся в виде подводной косы до середины реки.

Источником техногенного загрязнения Аюдинского залива Бухтарминского хвостохранилища явились хвосты обогащения, снесенные с Белогорских хвостохранилищ, располагающихся в 28 км в верховьях реки Аюда. Пик загрязнения залива, вероятно, приходился на 50-60-е годы, когда значительная часть хвостов была снесена названной рекой в залив и отложена в виде песчаных намывных пляжей и кос в местах сопряжения уровня вод основного водоема с речным стоком. Песчаные отложения прослеживаются в различных местах на расстоянии 1,5 км приустьевой поймы реки.

Таким образом, все техногенные косы начали формироваться в 50-е годы в основном за счет хвостов обогатительных фабрик. В последующие годы среди наносов Огневской косы превалировали отвальные образования отработки Асубулакских россыпей, а Маралушинской и Аюдинской кос - природные аллювиальные отложения. Дальнейшее формирование кос будет зависеть от уровня затоплений во время половодий и паводков.

Механические барьеры в воздушных потоках

Из воздушных потоков на механических барьерах осаждаются обломки минералов (барьер К1), растворенные газовые смеси и пары (барьер К2), твердые коллоидные частицы (К3), животные и растительные организмы (К4), техногенные соединения (барьер К5). Как правило, эти барьеры относятся к природным.

Осаждение обломков минералов (песка), переносимых в воздушных потоках, часто происходит на мезобарьерах. Одним из примеров такого, но перемещающегося барьера являются дюны. Скорость их передвижения в разных районах обычно колеблется от 18 до 35 метров в год. Обломки минералов переносятся и в агроландшафтах во время сильных пыльных бурь. В этом случае (при достаточном уменьшении силы ветра) началом формирующегося механического барьера могут становиться деревья, кусты и даже телеграфные столбы.

При переносе в воздушных потоках паров воды барьерами обычно служат горные системы. Классическим примером является район города Рио-де-Жанейро, зажатый между горами и Атлантическим океаном. Выпадение на барьере из облаков осадков в виде дождя приводит к экологическим бедствиям. Катастрофические наводнения в этом районе, связанные с продолжительными ливнями, происходят довольно часто.

Широко распространены в природе механические барьеры, на которых отлагаются коллоидные частицы, перемещающиеся в воздушных потоках (К3). Наибольший интерес представляют механические барьеры, образующиеся около предприятий и населенных пунктов. Почвы значительных по размерам заселенных территорий можно рассматривать как крупные техногенные литохимические аномалии, образовавшиеся преимущественно за счет осаждения коллоидных частиц их атмосферного воздуха. Основными источниками этих частиц являются различные промышленные предприятия и транспорт. Этот вид механических барьеров может служить прекрасным показателем антропогенного загрязнения среды.

Довольно часто на таком барьере откладываются и мелкие обломки минералов (совмещаются механические барьеры К1 и К3), но основную часть все же составляют коллоиды (пыль). О громадном значении этого явления можно судить уже по тому, что после пыльных бурь в 1969 году на Дону и Кубани высота валов пыли, отложившейся на механических барьерах в Краснодарском крае, иногда доходила до 5 метров.

Концентрация на механических барьерах К4 относительно крупных организмов происходит совместно с мелкими обломками минералов (барьер К1), а споры и пыльца растений (так же, как и бактерии) часто прекращают миграцию вместе с неорганическими коллоидными частицами. По массе количество веществ, осаждающихся на барьерах К4, чрезвычайно мало. Однако их роль в развитии биосферы значительна.

Осаждение на механических барьерах К5 техногенных соединений, мигрирующих в воздушных потоках, все возрастает (чаще всего в газообразной и коллоидной формах). Как правило, этот процесс приводит к ухудшению состояния среды, окружающей человека.

4. БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ БАРЬЕРЫ

На биогеохимических барьерах происходит резкое уменьшение интенсивности миграции химических элементов под воздействием организмов. Это обуславливается способностью организмов накапливать элементы в процессе жизнедеятельности. Это может быть относительно кратковременное накопление химических элементов растительными и животными организмами; при этом после их отмирания (а жизнь отдельных организмов может продолжаться от часов до столетий) сконцентрировавшиеся элементы практически сразу вовлекаются в процесс миграции и в первую очередь в биологический круговорот.

Возможны и захоронения отмерших организмов. Тогда накопившиеся в них элементы могут быть связаны сотни миллионов лет. В таких случаях они находятся в залежах угля, торфе, органическом веществе, рассеянном в осадочных породах.

При изучении биогеохимических барьеров основное внимание уделяется общим закономерностям процесса накопления химических элементов организмами. Известно, что биомасса растений примерно в 1000 раз больше зоомассы. Соответственно и большая масса веществ накапливается на биогеохимических барьерах, представленных растениями. Однако процесс накопления химических элементов животными организмами (не в последнюю очередь обусловленный накоплением элементов растениями), а особенно его последствия часто имеют особо большое значение для людей. Однако, несмотря на это, особенности таких биогеохимических барьеров к настоящему времени изучены в гораздо меньшей мере. Обусловлено это, не в последнюю очередь, более упрощенной формой контроля процесса накопления элементов у растений, чем у животных.

Значимость проблемы за последние десятилетия резко увеличилась. Без изучения концентраций загрязняющих веществ в организмах практически невозможно оценивать последствия антропогенной деятельности. Ведь само определение загрязнения каким-либо элементом подразумевает причинение вреда живому организму (человеку) вследствие этого, поэтому важным является найти взаимосвязь между загрязнением и накоплением химических элементов. Однако данные о распределении биомассы дают возможность получить представление только об общем количестве веществ, сконцентрированных в настоящее время на непосредственно действующих (еще не захороненных) биогеохимических барьерах. Данные о ежегодной продукции живого вещества в различных ландшафтно-геохимических условиях суши позволяют говорить об общей скорости накопления химических элементов на всех биогеохимических барьерах в определенных ландшафтно-геохимических зонах континентов (таблица 4.1)[1].

Таблица 4.1 - Ежегодная концентрация живого вещества (продукция) на биогеохимических барьерах в различных ландшафтно-геохимических условиях (по данным П. Дювиньо и Р.Дажо)

Ландшафты, в пределах которых дается общая характеристика биогеохимических барьеров	Площадь,% территории суши	Ежегодная продукция живого вещества, т/га
Леса	28	5
Сельскохозяйственные угодья без пастбищ	10	4
Степи, луга и пастбища	17	1,5
Биогенные участки пустынь, техногенные - городов и дорог	36,5	0,2
Абиогенные ледниковые (Антарктика)	8,5	0

Исходя из представленных данных, можно увидеть, что наибольшая масса веществ концентрируется за год на природных биогеохимических барьерах в ландшафтах лесов. С этим явлением может быть связано большое очищающее действие на грунтовые воды (извлечение растворенных веществ) лесных ландшафтов. Ландшафты с сельскохозяйственными культурами могут рассматриваться как зоны развития техногенных биогеохимических барьеров. Одной из отличительных черт является большая (по сравнению с природными барьерами) выборочность концентрации определенных элементов. Она объясняется двумя основными причинами: развитием монокультур и подбором растений (выращиваемых монокультур), концентрирующих преимущественно определенные вещества. Следует также отметить, что общее количество веществ, концентрирующихся на техногенных биогеохимических барьерах, весьма существенно изменяется в зависимости от культивируемых растений. А каждая из рассматриваемых культур содержит ряд веществ в существенно повышенных концентрациях. Концентрация веществ на биогеохимических барьерах в Океане еще более неравномерная. В прибрежных районах и на участках поднятия глубинных вод, обогащенных питательными веществами, она гораздо выше, чем в водах (удаленных от суши) экваториального пояса.

Выделяемую отдельно зоомассу можно рассматривать как своеобразный (подвижный) барьер. Влияние этого геохимического барьера на общую миграцию элементов в биосфере и на их биологический круговорот гораздо меньше, чем барьеров, связанных с растениями. Однако на жизнь людей животные организмы оказывают большое влияние (поскольку относятся к числу основных продуктов питания) и, следовательно, важным является знать взаимосвязь между загрязнением окружающей среды и накоплением элементов в организмах животных.

Если рассматривать животные организмы Океана, то их зоомасса также колеблется в очень широких пределах в зависимости от конкретных условий аквальных ландшафтов и времени года.

Вообще же следует, что если физико-химические и механические барьеры могут служить показателем только количества мигрирующих элементов (показателем загрязнения), то биогеохимические - плюс к этому показателем влияния этих загрязнителей на биосферу. Но, конечно же, найдя четкие взаимосвязи, для облегчения задачи, можно оценивать воздействие на организмы посредством анализа физико-химических и механических барьеров.

Основные факторы концентрации элементов на биогеохимических барьерах

Накопление химических элементов на различных биогеохимических барьерах можно рассматривать как процесс концентрации элементов в различных организмах, животных и растительных. Суммарное количество каждого из этих элементов, составляющих живые организмы, определяется сложным сочетанием целого ряда факторов. Эти факторы несколько условно можно объединить в три большие группы:

внутренние, биогеохимические, определяемые биологическими особенностями конкретного вида организмов;

внешние, ландшафтно-геохимические, определяемые условиями среды обитания (произрастания) организмов;

внутренние, кристаллохимические, определяемые свойствами ионов, входящие в состав растений и животных.

Рассмотрим отдельно эти факторы:

Биогеохимические барьеры. Влияние этих факторов на концентрацию химических элементов в организмах к настоящему времени изучено наиболее полно. Отметим наиболее важные из них:

Для определенных видов растений и животных характерны соответствующие концентрации элементов.

Концентрация большинства элементов различна в разных органах растительных и животных организмов. Иногда в одном и том же животном организме она может изменяться в десятки раз. При этом следует отметить, что определенные компоненты органических тканей могут вызвать образование в живом организме даже минералов с очень высокой концентрацией целого ряда элементов (к примеру, камни в почках - соединения кальция и кремния).

В одном и том же органе живого организма концентрация химических элементов весьма существенно изменяется в зависимости от фазы развития органа и его возраста. Такие изменения наиболее детально изучены для растений в связи с проведением биогеохимических поисков месторождений. Так, например, содержание свинца в васильке в зависимости от фазы развития изменяется в 3-4 раза (таблица 4.2)[1]. Аналогичных данных о животных пока меньше, но достоверно установлено, что, по крайней мере, концентрация элементов в скелетных образованиях изменяется в зависимости от фазы развития (возраста) этих животных. При этом могут изменяться не только концентрации, но и только форма нахождения химических элементов. Многие элементы из растворов и сложных металлоорганических соединений переходят в минеральную форму (обычно в скелетные образования).

Таблица 4.2 - Содержание свинца в васильке в различные фенологические фазы развития (Каратау)

Месторасположение	Фаза развития	Содержание свинца, n ·10-2%
Над рудной зоной	зацветание	-
	цветение	1,9
	отцветание	1
	образование семян	2,4
	созревание семян	3,5
Над безрудным участком	зацветание	0,3
	цветение	0,4
	отцветание	0,3
	образование семян	1
	созревание семян	0,6

Содержание в конкретных видах организмов многих элементов зависит от биологических закономерностей связи между ними в организмах. Изменение концентрации в организмах одного элемента вызывает изменение содержания другого. Как еще одну подобную биологическую связь можно рассматривать соотношение в растениях (изучались полынь и таволга) бериллия и висмута с одной стороны и оксидами калия, натрия и кремния - с другой. Повышение концентрации бериллия и висмута в почвах, а затем в растениях привело к резкому увеличению перечисленных оксидов в золе растений, а соответственно и к общему повышению зональности. При этом содержание в питающей среде K, Na, Si и формы нахождения оставались прежними. В других случаях связь между определенными элементами в организмах вероятнее всего обусловлена химическими (геохимическими) свойствами ионов этих элементов, что можно отнести и к третьей группе факторов. Из многочисленных подтверждений этого следует остановиться на нескольких. Не только при избытке в ландшафте стронция, но и при обязательном недостатке кальция в костях животных организмов (включая человека) происходит резкое, в 5-8 раз, возрастание концентрации стронция [2]. При этом возникает тяжелая, так называемая «уровская болезнь». При сравнении ионных характеристик обоих металлов, можно заметить, что замещаются элементы с близкими показателями и что отнюдь не случайно, ведь это не единичный случай - подобных примеров множество, и ученые-геохимики пытаются найти сейчас этому четкое объяснение.

У многих организмов ярко выражен биологический барьер накопления определенных химических элементов. Те из них, у которых он отсутствуют, при резком повышении содержания химических элементов в питающей среде или в продуктах питания погибают (примером можно привести губительное воздействие ртути на человека).

Ландшафтно-геохимические факторы. Содержание химических элементов в одинаковых частях растения может существенно изменяться с изменением ландшафтно-геохимических условий их произрастания. В основном через растения сказывается влияние ландшафтно-геохимических условий на накопление химических элементов в животных организмах, включая человека. Рассматриваемое влияние наблюдается обычно в результате смены целого комплекса ландшафтно-геохимических условий. Однако специально проводимые исследования позволили установить, что практически все ландшафтно-геохимические особенности миграции химических элементов, учитываемые на всех уровнях классификации ландшафтов, влияют на концентрацию элементов в растениях. При этом они иногда имеют противоположную направленность и тогда может отсутствовать суммарный эффект повышенного (или существенно пониженного) накопления элементов в растениях. Кратко рассмотрим примеры влияния отдельных ландшафтно-геохимических факторов:

изменение состава коренных горных пород приводит к смене ландшафтно-геохимической обстановки и, как правило, к изменению концентрации ряда элементов в растениях.

Важным показателем ландшафтно-геохимической обстановки является рельеф. В определенных условиях этот таксономический показатель оказывает весьма существенное влияние на поглощение ряда металлов растениями. Примером может служить детально изученный район в Центральном Казахстане. Было рассмотрено распределение хрома и меди в зоне баялыча их ландшафтов, отличающихся только по геоморфологическим особенностям. Было замечено, что одновременно с изменением фоновой концентрации Cr и Cu в рассматриваемом случае произошло изменение дисперсии их содержания в растении. Особенно большим стал разброс концентрации Cu в условиях выровненной поверхности, что сразу же сказалось на увеличении его аномального содержания при практически одинаковом фоновом (таблица 4.3).И число подобных примеров чрезвычайно велико.

Таблица 4.3 - Распределение Cr и Cu в зоне баялыча из ландшафтов, отличающихся только по геоморфологическим особенностям (Центральный Казахстан)

Геоморфологическая структура	Элемент	Содержание, n * 10-3 %
		фоновое	аномальное для единичных проб
Выровненная поверхность	Cr	0,002	0,006
Долинообразное понижение		0,001	0,0036
Склон плоскостного смыва	Cu	0,007	0,013
Выровненная поверхность		0,008	0,04

В 1988 году был введен новый уровень в классификации геохимических ландшафтов, учитывающий особенности воздушной миграции элементов [1]. Посредством его можно заметить, что при равных геохимических условиях в ландшафтах, подверженных воздушной эрозии, и в ландшафтах с отложением эолового материала почвы и растения отличаются содержанием целого ряда металлов. Процессы техногенеза лишь способствуют увеличению контрастности этих отличий. Так, в районе Новороссийска в растениях ландшафтов с отложением эолового материала техногенной природы в десятки раз повышается концентрация свинца, цинка и других тяжелых металлов.

Довольно часто в ландшафте происходят изменения, которые обычно не фиксируются непосредственно (например, изменения состава почвенных газов, температуры в определенных фазах развития организма, атмосферного давления и т.п.), но на которые чутко реагируют растения. В результате при прочих одинаковых ландшафтно-геохимических условиях изменяются растительные комплексы и ассоциации. И в этих случаях наблюдаются изменения концентрации ряда элементов и степени их разброса (дисперсии) в одном и том же виде растений (таблица 4.4).

Таблица 4.4 - Распределение ряда металлов в зоне ковыля из ландшафтов, отличающихся только растительными ассоциациями и комплексами (Центральный Казахстан)

Ассоциация, комплекс	Элемент	Число проб	Содержание, %
			фоновое	аномальное для единичных проб
Таволго-полынно-злаковая	Pb	235	0,005	0,023
	Mo		0,0002	0,0017
	Cu		0,01	0,093
	Ba		0,088	0,379
Кустарниково-злаковый	Pb	675	0,005	0,014
	Mo		0,0004	0,0027
	Cu		0,011	0,092
	Ba		0,085	0,184

Кристаллохимические факторы. Приведенный выше материал о биохимических факторах поглощения элементов позволяет считать, что их значительная часть не только попадает в организмы в ионной форме, но и распределяется в них в соответствии с кристаллохимическими особенностями ионов. Было, в частности, замечено, что с увеличением энергетических коэффициентов химических элементов резко уменьшается их относительное биологическое накопление. Это позволило говорить об установлении в общем виде связь между накоплением растительными организмами химических элементов и характеристиками ионов данных элементов. Это, в свою очередь, позволяет говорить о первостепенной роли ионов в питании растений, а также предполагать наличие ряда общих законов миграции химических элементов, как в косной части биосферы, так и в живых организмах. В связи с этим осознается необходимость дальнейшего углубленного изучения особенностей накопления химических элементов живыми организмами (на биогеохимических барьерах) в зависимости от строения атомов и ионов этих элементов.

5. СОЦИАЛЬНЫЕ ГЕОХИМИЧЕСКИЕ БАРЬЕРЫ

В современной геохимии широко используется термин «социальная миграция химических элементов», впервые используемый А.И. Перельманом в монографии «Геохимия» для обозначения миграции элементов, обусловленной деятельностью человека. По аналогии с социальной миграцией вполне обоснованным стало введение понятия «социальный геохимический барьер». Под этим термином объединяются зоны складирования и захоронения отходов - как промышленных, так и бытовых. Для большего понимания этого явления следует отметить общие и отличные черты между социальными и уже рассмотренными природными и техногенными барьерами:

На социальных, как и на всех ранее рассмотренных барьерах, прекращается перемещение целого ряда веществ, участвующих в определенном виде миграции - социальной (техногенной).

Так же, как и на других барьерах, в данном случае прекращают миграцию не все участвующие в ней вещества, а только часть из них (остальные продолжают миграцию, в основном, в виде растворов и переносимых в воздухе коллоидов).

Социальные барьеры создаются искусственно там, где в природе они не возникали, по крайней мере, для всех тех веществ, которые на них концентрируются.

По способу образования (вывоз и складирование) они отличаются от всех ранее рассмотренных техногенных барьеров.

По специфике концентрации веществ (смотри 5.2) и способу образования эти барьеры не имеют аналогов среди природных барьеров.

Концентрирующиеся на них вещества не объединяются ни одним общим физическим или химическим свойством (а это является обязательным условием концентрации веществ на всех, природных и техногенных, барьерах, рассмотренных ранее). Все вещества на техногенных барьерах объединяет только одно социальное условие: ненужность обществу на данном этапе его развития.

Образование рассматриваемых барьеров и состав накапливающихся на них веществ является отражением конкретного развития как определенного сообщества людей, так и всего человечества (на бытовых свалках Средневековья отнюдь не было пластиковых бутылок и консервных банок).

Все эти черты и обуславливают обособление социальных геохимических барьеров. Их же широкое распространение, а главное, все возрастающее негативное воздействие этих барьеров на среду, окружающую человека, и непосредственно на его здоровье (в качестве примера: влияние пылящих золоотвалов Казцинка на здоровье близ проживающего населения подтверждено медицинской статистикой) делают необходимым не только их самостоятельное выделение, но и детальное эколого-геохимическое изучение. К слову, подобные исследования сейчас проводятся, но не в тех масштабах, которые могли бы повлиять на вредное воздействие социальных барьеров на здоровье живых организмов.

Геохимические особенности социальных барьеров

У социальных геохимических барьеров существуют столь отличные от других природных и техногенных барьеров геохимические особенности, что просто необходимо их упомянуть:

Химические элементы (соединения), накапливающиеся на социальных барьерах в повышенных концентрациях, не соответствуют ни одной природной ассоциации, характерной для пород, руд, организмов. Так, практически в одном месте могут быть обнаружены никель и барий, не встречающиеся вместе в минералах, или медь и марганец, также относящиеся к запрещенной ассоциации. Нахождение вместе химических элементов из разных генетических и даже запрещенных ассоциаций объясняется тем, что это ни в коей мере не связано с процессами природной миграции, определяемой внешними и внутренними факторами.

Распределение большинства химических элементов на барьере отличается крайней неравномерностью. Так, уже на первых метрах содержание многих металлов изменяется в сотни и тысячи раз. Это приводит к их мозаичному распределению на территории, что обычно не характерно для биосферы.

На барьерах, занимающих достаточно большую площадь (крупные свалки), неравномерно распределяются отдельные участки с различной геохимической обстановкой. Они отличаются режимом кислорода и серы (наряду с кислородной встречаются глеевая и сероводородная обстановки), щелочно-кислотными условиями. Все это создает условия с непрогнозируемыми процессами миграции химических элементов, как на самом барьере, так и в окружающих его ландшафтах.

Еще одной эколого-геохимической особенностью социальных барьеров является чрезвычайно высокая концентрация элементов в форме самых разнообразных техногенных соединений, не имеющих природных аналогов (различные синтетические материалы и вещества).

Миграция химических элементов от рассматриваемых барьеров идет в основном в виде растворов, а для ряда соединений - и в газообразной форме. Скорость миграции может быть самой различной в зависимости от климата, ландшатно-геохимических (в основном гидрологических и гидрогеологических) и температурных условий. Последние часто определяются различными химическими реакциями (испарение жидкостей и растворение элементов и соединений, к примеру, в дождевых водах) и горением свалок.

Все эти геохимические особенности необходимо учитывать при создании социальных барьеров, но делается это в реальных условиях довольно редко (во всяком случае, в нашей республике).

В качестве вывода можно сказать, что социальные барьеры крайне редко могут послужить показателем загрязнения земельных ресурсов (разве что тех территорий, на которых они расположены), но сами они являются источниками загрязнения окружающей среды.

6. КОМПЛЕКСНЫЕ ГЕОХИМИЧЕСКИЕ БАРЬЕРЫ

Комплексный геохимический барьер - это несколько наложенных друг на друга различных барьеров. Среди природных барьеров комплексные по распространенности занимают одно из первых мест. Так, очень широко распространены, особенно в горных районах, кислородные барьеры, представляющие собой родники с выходом на поверхность глеевых вод. Осаждающиеся из них гидроксиды Fe3+ являются хорошими сорбентами целого ряда металлов, и процесс осаждения этих коллоидов представляет собой начало формирования нового геохимического барьера - сорбционного. Именно по этой причине опробование «ржавой мути», осевшей на дне источников, дает информацию о концентрации металлов в родниковой воде, а следовательно, и о гидрогеохимической обстановке в районе распространения этих глеевых вод.

О массе веществ, концентрирующихся на комплексных геохимических барьерах, о их распространенности в пространстве и во времени можно судить хотя бы потому, что подавляющее большинство месторождений полезных ископаемых образовалось именно на комплексных геохимических барьерах. Как один из примеров этого процесса концентрации элементов рассмотрим современное формирование полиметаллических залежей на дне ряда впадин Красного моря [1].

В местах разгрузки и смешивания практически безметальных сероводородных вод и металлоносных рассолов происходит отложение части сульфидов на сероводородном барьере. На границе бескислородных придонных рассолов с расположенными выше кислородными водами действует кислородный барьер, на котором растворенное закислое железо окисляется и в итоге происходит осаждение коллоидных образований аморфных гидроксидов Fe3+. Они являются хорошими сорбентами и по мере опускания сорбируют из вод целый ряд металлов и в первую очередь имеющую повышенную концентрацию медь (таким образом, видно действие уже третьего геохимического барьера - сорбционного). А осевшие аморфные коллоиды Fe(OH)3 постепенно превращаются в гетит с аномальным содержанием меди.

Необходимо также отметить роль в формировании рудных осадков впадин Красного моря еще одного (уже четвертого) геохимического барьера - термодинамического: с охлаждением горячих рассолов (56°С) связано отложение цинка при распаде его хлоридных комплексов. Кроме этих барьеров несомненное воздействие на концентрацию металлов в осадке оказали сульфатредуцирующие бактерии, то есть имеет место быть действие биогеохимического барьера. Особо следует отметить, что в природных условиях часто появление одного геохимического барьера обуславливает возникновение второго, а их совместное положение - третьего и так далее. Такая геохимическая особенность существует в районах создаваемых техногенных и социальных геохимических барьеров. Ее необходимо учитывать при формировании новых барьеров, однако делается это далеко не всегда. Так, при создании водохранилища обычно учитывается только возникновение механического барьера, на котором задерживается обломочный материал, минералы и тонкая взвесь. Последняя по пути миграции, и особенно при оседании, сорбирует из вод значительное количество определенных химических элементов. Так формируется сорбционный барьер. Водоросли, развивающиеся в образовавшемся у плотины водохранилища, постепенно сносятся течением к плотине. К тому же у плотин происходит задерживание многих планктонных и бентосных организмов. Их усиленному росту обычно способствуют повышенная температура хорошо прогреваемых вод водохранилища и поступление удобрений. В результате у плотины возникает биогеохимический барьер.?Отмершие водоросли оседают на дно и, разлагаясь, поглощают свободный кислород из вод. В результате в донных осадках (а часто и в придонном слое воды) формируется глеевый барьер. При наличии в водах сульфат-иона вероятно образование сероводородного барьера.

Таким образом, через определенный промежуток времени в приплотинной части водохранилищ формируется комплексный барьер, состоящий из механического, сорбционного, биогеохимического и глеевого (или сероводородного).

7. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЙ С ПОМОЩЬЮ ГЕОХИМИЧЕСКИХ БАРЬЕРОВ

Важным и актуальным вопросом в современной геохимии остается использование геохимических барьеров для определения загрязнения окружающей среды. Для этой цели уже определены количественные характеристики геохимических барьеров. Однако основным?препятствием остается трудность определения параметров миграционного потока, а также сложность определения всех параметров, влияющих на образование геохимического барьера. Но когда все величины определены, то геохимический барьер служит наглядным пособием для определения загрязнения окружающей среды.

Геохимические барьеры также могут послужить для определения источника загрязнения. Важным понятием для определения источника загрязнения является понятие межбарьерных геохимических ландшафтов. Они представляют собой совокупности элементарных ландшафтов, характеризующиеся единым основным видом миграции элементов и расположенные между двумя одинаковыми геохимическими барьерами по ходу миграции.

Как пример, рассмотрим межбарьерные ландшафты одной из рек. Их расположение должно быть связано не только с основным видом миграции, но и с одинаковой формой нахождения химических элементов, содержащихся в миграционном потоке и осаждающихся на рассматриваемых барьерах. Если нас интересуют поллютанты, находящиеся в минеральной форме и осаждающиеся на механических барьерах, то межбарьерные ландшафты необходимо выделять между механическими барьерами. Для предварительного выявления источника загрязнения опробование целесообразно осуществлять в этом случае только на механических барьерах. Если повышение концентрации поллютантов обнаружены только на барьере М3, то источник их поступления в реку находится в пределах ландшафта, ограниченного барьерами М2 и М3.

Если поллютанты (например, тяжелые металлы) мигрируют в форме растворов и осаждаются в присутствии H2S, опробование следует производить на сероводородных барьерах в донных отложениях. При обнаружении повышенной концентрации тяжелых металлов только на втором сероводородном барьере (В2), источник загрязнения должен находиться в пределах ландшафта, ограниченного барьерами В1 и В2.

Очень часто поллютанты на одной и той же территории мигрируют в нескольких различных формах. В этом случае для выявления нескольких источников загрязнения на одной и той же территории приходится выделять, как правило, несколько различных межбарьерных ландшафтов. Частично они могут взаимно перекрывать друг друга.

Вообще же, методы использования геохимических барьеров для определения загрязнений еще требуют существенной доработки - одним словом, это широкий фронт работы для исследователей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Понятие геохимических барьеров стало тем связующим звеном, благодаря которому стало возможно соотнести достижения химии и физики с практическим анализом процессов миграции элементов. На данный момент развития геохимии стало возможным прогнозировать появление геохимических барьеров, зная направление и характеристику потока миграции. Это, в свою очередь, дает возможность более осознано подходить к вопросу использования земельных ресурсов - благодаря прогнозированию последствий человеческого влияния на окружающую среду.

С другой стороны, с помощью геохимических барьеров можно определять количественные и качественные характеристики процессов миграции. Зная, в свою очередь, эти данные, возможно определить неучтенные источники загрязнения и более качественно оценить уже известные - и уже исходя из этого, можно сделать более мягким воздействие на окружающую среду.

Можно сказать, что за свою, чуть более чем сорокалетнюю историю, понятие геохимического барьера сыграло (и будет дальше играть) свою роль в экологизации взаимоотношений человека и природы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Алексеенко В.А. «Экологическая геохимия» (учебник для ВУЗов) - М. Логос, 2000г. - 614с.

Перельман А.И. «Геохимия» - М. Высшая школа, 1989г. -527с.

«Экология Восточного Казахстана» - У-Ка. ВКГУ, 2000г. - 67с.

РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

Расчет индекса загрязнения атмосферы

Исходные данные:

Вещество	Концентрация qi примесей вещества в атмосферном воздухе, мг/м3	Значение ПДК (среднесуточная), мг/м3	Класс опасности вещества	Коэффициент Сi
Оксид углерода	2,1	3	4	0,85
Пыль (взвешенные вещества)	1,12	0,15	3	1
Аммиак	0,85	0,04	4	0,85
Медь	0,0008	0,001	2	1,3
Ртуть металлическая	0,0076	0,0003	1	1,5

Индекс загрязнения атмосферы определяется по следующей формуле:

Im = ?( qi · Ai )Ci

где Im - индекс суммарного загрязнения атмосферы;

qi - средняя концентрация i-го вещества за период времени;

Ai - коэффициент опасности i-го вещества, определяемый по формуле

Ai = 1 / ПДКi

Ci - показатель степени, зависящий от класса опасности вещества.

В зависимости от значения индекса загрязнения атмосферы различают степени чистоты атмосферного воздуха:

Степень чистоты воздуха	Индекс загрязнения атмосферы
Чистый	Im < 2
Загрязненный	2 < Im < 5
Грязный	5 < Im < 10
Очень грязный	10 < Im < 20
Чрезвычайно грязный	Im > 20

1. Определяем значение коэффициента опасности вещества для каждого вещества:

Оксид углерода: А = 1 / 3 = 0,33

Пыль: А = 1 / 0,15 = 6,67

Аммиак: А = 1 / 0,04 = 25

Медь: А = 1 / 0,001 = 1000

Ртуть металлическая: А = 1 / 0,0003 = 3333,33

2. Рассчитываем индекс загрязнения атмосферы:

Im = (2,1 · 0,33)0,85 + (1,12 · 6,67)1 + (0,85 · 25)0,85 + (0,0008 · 1000)1,3 + (0,0076 · 3333,33)1,5 =

= 0,73847 + 7,46667 + 13,43554 + 0,74820 + 127,50812 = 147,897

Так как Im(147,897) > 20, то делаем вывод, что воздух чрезвычайно грязный. Основная причина этого более чем 25-кратное превышение ПДК металлической ртути (1 класс опасности), более чем 20-кратное превышение ПДК аммиака (4 класс опасности) и более чем 7-кратное превышение ПДК пыли (взвешенных веществ - 3 класс опасности), а также значительно приближенные к предельно допустимым концентрации оксида углерода и меди.

Расчет индекса загрязнения воды

Исходные данные:

Вещество	Концентрация qi вредного вещества в водном объекте, мг/л	ПДК (для водоемов рыбохозяйственного водопользования), мг/л	Класс опасности вещества	Коэффициент Сi
Цинк	0,015	0,01	3	1
Нитрит - ион	1,12	0,08	2	1,3
Кадмий	0,07	0,005	2	1,3
Медь	0,08	0,001	3	1

Расчет индекса загрязнения воды In проводится по формуле, подобной формуле, используемой для расчета индекса загрязнения атмосферы:

In = ?( qi · Ai )Ci

Различают степени чистоты водного объекта в зависимости от индекса загрязнения воды:

Степень чистоты водного объекта	Индекс загрязнения воды
Чистый	In < 2
Загрязненный	2 < In < 5
Грязный	5 < In < 10
Очень грязный	10 < In < 20
Чрезвычайно грязный	In > 20

1. Определяем значение коэффициента опасности вещества для каждого вещества:

Цинк: А = 1 / 0,01 = 100

Нитрит - ион: А = 1 / 0,08 = 12,5

Кадмий: А = 1 / 0,005 = 200

Медь: А = 1 / 0,001 = 1000

2. Рассчитываем индекс загрязнения водного объекта:

In = (0,015 · 100)1 + (1,12 · 12,5)1,3 + (0,07 · 200)1,3 + (0,08 · 1000)1 = 1,5 + 30,9 + 30,9 + 80 =

= 143,3

Так как In(143,3) > 20, то делаем вывод, что водный объект чрезвычайно грязный. Это обусловлено: 80-кратным превышением ПДК меди (3 класс опасности), 14-кратным превышением ПДК нитрит-ионов и кадмия (2 класс опасности) и 1,5 превышением ПДК цинка (3 класс опасности).

Расчет коэффициента загрязнения почв

Исходные данные:

Вещество	Cu	Pb	Ba	Mn	Ti	V	Be	Zr	Mo	Ni	Co	Cr	Bi	Sb	Cd
Фоновая концентрация	58	22	472	830	4450	82	0,5	158	2	57	18	47	0,5	0,6	0,7
Концентрация вещества в почве, г/т	500	200	4000	400	6000	100	8	120	10	150	12	300	3	0,5	10

Коэффициент концентрации загрязнения почв рассчитывается по формуле:

ККз = Xi / Хф

где Xi - содержание i-го загрязняющего вещества;

Хф - фоновое содержание химических элементов.

Рассчитываем коэффициент концентрации загрязнения почв i-ым элементом:

Медь: ККз = 500 / 58 = 8,62

Свинец: ККз = 200 / 22 = 9,09

Барий: ККз = 4000 / 472 = 8,47

Марганец: ККз = 400 / 830 = 0,48

Титан: ККз = 6000 / 4450 = 1,35

Ванадий: ККз = 1000 / 82 = 1,22

Бериллий: ККз = 8 / 0,5 = 16

Цирконий: ККз = 120 / 158 = 0,76

Молибден: ККз = 10 / 2 = 5

Никель: ККз = 150 / 57 = 2,63

Кобальт: ККз = 12 / 18 = 0,67

Хром: ККз = 300 / 47 = 6,38

Висмут: ККз = 3 / 0,5 = 6

Сурьма: ККз = 0,5 / 0,6 = 0,83

Кадмий: ККз = 10 / 0,7 = 14,29

Размещено на Allbest.ru

...