Технофильность и другие показатели техногенеза

По мере развития человеческого общества в техногенез вовлекается все большее число химических элементов. В древности использовались лишь 18 элементов, В ХVIII в. - 28, в ХIХ в. - 62, в 1915 г.- 71, в настоящее время - все известные на Земле элементы и, кроме того, неизвестные в природных условиях нептуний, плутоний и др. трансураны, а также радиоактивные изотопы известных элементов (⁹⁰Sr, ¹³¹I и др.).

Масштабы ежегодной добычи колеблются от миллиардов тонн для С (уголь, нефть) до десятков тонн для Pt, Th, Ga, In, т.е. различаются в сотни миллионов раз. Эти различия связаны со свойствами элементов (их ценностью для хозяйства), технологией получения, способностью к концентрации в земной коре и с распространенностью в земной коре, т.е. с rларком. Добыча золота никогда не сравнится с добычей железа, т.к. кларк Au – 4,3х10^-7%, а Fe – 4,65%. Si и Ge – химические аналоги, но кларк Si – 29,5%, а Ge – 1,4х10^-4%. Если бы германий был также широко распространен как кремний, то его бы также широко применяли, например, в строительстве: для изготовления кирпича, бетона, цемента и т.д.

Исключительная роль Fе в истории цивилизации объясняется не только его свойствами, но и большим кларком. Характеристикой интенсивности извлечения и использования химических элементов является технофильность - отношение ежегодной добычи или производства элемента в тоннах, к его Кларку в литосфере (А.И. Перельман).

Многие химические элементы-аналоги с разными кларками и размерами добычи обладают одинаковой или близкой технофильностью, т.е. в единицах кларков человечество извлекает их из недр практически пропорционально распространенности в земной коре. Это Cd и Hg, Та и Nb, U и Мо, Тi и Zr. Но есть и различия: Сl и Р, К и Na, Са и Mg и др.

Технофильность очень динамична. По А.Е. Ферсману, добыча основных металлов за XIX век увеличилась примерно в 100 раз. К 1934 г. среднее ежегодное потpeбление за 15 - 30 лет увеличилось: Аl, Сu, Мо, W, К, Не - в 200 – 1000 раз; Fе, С, Мu, Ni - в 50 - 60 раз; Zn, Рb, Na+Cl, S, N, Р, Аu - в 15 -40 раз; Ag, Sn, U, Co, Hg – менее 10 раз.

С середины 60-х годов технофильность большинства элементов росла менее интенсивно. За счет увеличения добычи нефти и газа продолжался, но не столь сильно, как прежде, рост технофильности углерода, производство фосфорных удобрений, доломита, магнезита привело к увеличению технофильности фосфора и магния. Научно-техническая революция, развитие космической техники, электроники и теплоэнергетики в 5 - 10 раз увеличили технофильность редких элементов - Тh, In, Hf, Nb, Zr, Ве, Gа. Выявилась новая тенденция - рост технофильности Cl, В, J, S, а также некоторых щелочных и щелочноземельных металлов - Li, Sr, Ва. В первом случае это связано с производством хлорорганических соединений, серосодержащих газы и сульфидные руды, а во втором - производством ядерного топлива, алюминия, апатитов, фосфорных удобрений и др.

Сопоставление ежегодного мирового производства химических элементов не с кларками, а известными запасами в земной коре показывает долю их извлечения из разведанных месторождений полезных ископаемых. По сравнению с запасами больше всего добывается Аu и углерода нефтей – около 10%, а также Рb, In, Li, Zn, Р, W, Р, S, Сu, Мо, Hg, Sb, Ва и Ag - 1-5%. По сравнению c добычей практически неисчерпаемы ресурсы Н, Na, Са, Si, Br. Чрезвычайно низко по сравнению с запасами (пх10^-5%) производство благородных газов. Как и технофильность, этот показатель меняется во времени из-за колебаний производства и изменения известных запасов каждого элемента.

Добыча элементов складывалась стихийно в зависимости от экономических условий, прогресса техники, находок месторождений и т.д. И все же очевидна регулирующая роль кларка. В будущем зависимость добычи от кларков, вероятно, станет еще более тесной, так как богатые месторождения быстро отрабатываются и со временем, как предполагал Сауков, человечество перейдет к эксплуатации гранитов, базальтов и других горных пород, в которых содержания элементов близки кларкам.

Технофильность можно рассчитывать для отдельной страны, группы стран, всего мира. Ее анализ позволяет прогнозировать использование элементов. Так, технофильность Mg меньше, чем у Са, Ва, Na, CI, Сu, Рb, Zn, Sn, Ni, Мо, Hg. Это указывает на слабое использование Mg человечеством, на то, что в ближайшем 6удущем оно сильно возрастет. И действительно, добыча Mg растет стремительно: если до второй мировой войны добывались лишь тысячи тонн Mg, то в 1957 г. было добыто уже 140 тыс. тонн (без СССР). Различия в технофильности определяют изменение элементарного состава ландшафтов, накопление в них наиболее технофильных элементов. Впервые на это обратила внимание М.А. Глазовская, отметившая, что для культурных ландшафтов характерно "ожелеэнение", возрастание относительной роли Сu (по сравнению с Zn), Ni (относительно Со) и т.д. Человечество "перекачивает" на земную поверхность химические элементы, сосредоточенные в гидротермальных и других глубинных месторождениях. В результате ландшафт обогащается Рb, Hg, Сu, Zn, Sb и другими элементами. По О.П. Добродееву, из недр ежегодно извлекается больше химических элементов, чем вовлекается в биологический круговорот: Cd - более чем в 160 раз, Sb - 150, Hg - 110, Рb - 35, F - 15, U - 6, Sn - 6, Сu - 4, Мо - в 3 раза.

..Помимо технофильности предложены и другие количественные характеристики техногенеза. Так, отношение технофильности элемента (с учетом содержания его в углях) к его биофильности (на суше) М.А. Глазовская назвала дестpукционной активностью элементов техногенеза (Д), которая характеризует степень опасности элементов для живых организмов. Для Hg Д=nх10⁴ – nx10⁵; для Cd – nx10³ и т.д., для многих других элементов Д < 1. Количество элемента, выводимого ежегодно из техногенного потока в природный, Н.Ф. Глазовский назвал техногенным геохимическим давлением, отношение его к единице площади модулем техногенного геохимического давления, измеряемым в т/км². Например, модуль Р в Дальневосточном районе составляет 7,7х10^-3 т/км², в Молдавии, где широко применяются фосфорные удобрения, - 8,2х10^-1 т/км². Модуль К колеблется от 8,2х10^-3 в Западной Сибири до 2,1 т/км² в южных районах России, т.е. в 250 раз. В бассейнах Черного, Азовского и Балтийского морей техногенное давление К и S превышает речной сток этих элементов, на реках других бассейнов отношение обратное, но во всех случаях масштабы техногенного давления и речного стока сопоставимы. Для всей поверхности суши наи6опее велики модули техногенного давления Na, CI, Са, Fe (0,5-1,0), наименьшие - у Li, Ag, W, Аu, Hg, Тi (10^-5 – 10^-7). Предложены также коэффициенты техногенной трансформации - соотношение поступления элемента в техногенный и природный ландшафты (В.П. Учватов), показатель пылевой нагрузки - соотношение количества пыли в техногенном и природном ландшафтах (Е.П. Сорокина и др.), модуль аэральногo поступления - поступление веществ с атмосферными осадками и пылью (П.В. Eлпатьевский и В.С. Аржанова) и др.