Виды техногенных аномалий. Выявление техногенных аномалий является одной из важнейших эколого-геохимических задач при оценке состояния окружающей среды. Эти аномалии образуются в компонентах ландшафта в результате поступления различных веществ от техногенных источников и представляют собой некоторый объем, в пределах которого значения аномальных концентраций элементов (С) больше фоновых значений (Сф). Сильные аномалии, контрастность которых составляет десятки и сотни единиц геохимического фона, выявляются и интерпретируются сравнительно просто. Для оценки слабых аномалий используются статистические критерии (правило трех стандартов и др.). Техногенные аномалии искусственных веществ (пестицидов и др.) выделяются в основном по санитарно-гигиеническим, а не геохимическим критериям.
Если техногенная аномалия имеет четкую пространственную и генетическую связь с конкретным источником загрязнения, то такая аномалия называется техногенным ореолом рассеяния. Они фиксируются главным образом в депонирующих средах - почвах, донных отложениях, растениях, снежном покрове. В транзитных средах - воздухе, водах, частично донных отложениях, аномалии именуются техногенными потоками рассеяния.
По распространенности выделяются следующие техногенные аномалии:
глобальные - охватывающие весь земной шар (повышенное содержание СО, в атмосфере, накопление искусственных радионуклидов после ядерных взрывов);
региональные - формирующиеся в отдельных частях континентов, природных зонах и областях в результате применения ядохимикатов, минеральных удобрений, подкисление атмосферных осадков выбросами соединений серы и др.;
локальные - образующиеся в атмосфере, почвах, водах, растениях вокруг местных техногенных источников: заводов, рудников и т.д. Сравнительно локальные источники загрязнения, сливаясь, могут привести к образованию техногенных аномалий регионального масштаба (крупные промышленные города, их агломерации).
По влиянию на окружающую среду техногенные аномалии делятся на три типа (А.И. Перельман).
Полезные аномалии улучшают состояние окружающей среды. Это известкованные кислые почвы, добавки NaJ и КJ к поваренной соли в районах развития эндемического зоба, фторированная питьевая вода, микроудобрения, подкормка домашних животных Со и т.д.
Вредные аномалии ухудшают состояние природной среды в результате появления повышенных концентраций токсичных веществ, отрицательно влияющих на живые организмы. Большинство техногенных аномалий относятся к этому типу.
Нейтральные аномалии не оказывают влияния на качество окружающей среды (золото в банках, железо в городах и др.).
По среде образования техногенные аномалии делятся на:
· литохимические в почвах, породах, строениях),
· гидрогеохимические (в водах),
· атмогеохимические (в атмосфере, снеге),
· биогеохимические (в организмах).
Последние подразделяются на фито-, зоо- и антропогеохимические аномалии.
Как правило, техногенные аномалии образуются в нескольких компонентах ландшафта. По длительности действия источника загрязнения они делятся на:
· кратковременные (аварийные выбросы и т.д.),
· средневременныe (с прекращением воздействия - разработка месторождений полезных ископаемых),
· долговременные стационарные (аномалии заводов, городов, агроландшафтов).
Количественные показатели загрязнения. Понятие аномальности тесно связано с представлениями о геохимическом фоне. При оценке техногенных аномалий фоновые территории выбираются вдали от локальных техногенных источников загрязняющих веществ, как правило, более чем в 30 - 50 км.
Одним из критериев аномальности служит коэффициент техногенной концентрации или аномальности Кс, представляющий собой отношение содержания элемента в рассматриваемом аномальном объекте к его фоновому содержанию в компонентах ландшафта.
Техногенные аномалии обычно имеют полиэлементный состав, в связи с чем Ю.Е. Саетом предложен суммарный показатель загрязнения (Zc), характеризующий степень загрязнения ассоциации элементов относительно фона:
Zc = Σ Кс - (n - 1),
где Кс - коэффициенты техногенной концентрации больше 1 (или 1,5), n - число элементов с Кс > 1 (или 1,5). Суммарные показатели загрязнения рассчитываются для различных компонентов ландшафта - почв, снега, растений, донных отложений. Другие коэффициенты, используемые при ландшафтно-геохимических оценках качества среды, рассматриваются в работах, Н.А. Авессаломовой, Ю.Е. Саета, Б.А. Ревича и др.
.Для оценки воздействия количества поллютантов, поступающих в организм, используются также гигиенические нормативы загрязнения - предельно-допустимые концентрации (ПДК). Это максимальное содержание вредного вещества в природном объекте или продукции (воде, воздухе, почве, пище), за определенный период еще не влияющее на здоровье человека или другие организмы. ПДK устанавливают для отдельных химических элементов и соединений.
Сильная дифференциация природного фона тяжелых металлов затрудняет разработку жестких критериев предельных уровней их содержания в ландшафтах. Н.Г. Зыриным и А.И. Обуховым показано, что основными факторами, влияющими на ПДК тяжелых металлов в почвах, являются их щелочно-кислотные свойства и содержание гумуса, определяющие устойчивость почв к загрязнению этими элементами. Для кадмия и свинца зависимость между рН почв и ПДK почти линейная, т.е. в кислых и щелочных почвах их ПДK могут отличаться почти на порядок. Поэтому ПДK необходимо устанавливать для крупных почвенно-геохимических регионов, для геохимических ассоциаций почв М.А. Глазовской, со сходными щелочно-кислотными и окислительно-восстановительными условиями, обладающими близким уровнем устойчивости к загрязняющим веществам. Средние уровни содержания элементов соответствуют наиболее часто встречающимся околокларковым значениям или намного ниже их. Поэтому при отсутствии детальных исследований фоновой ландшафтно-геохимической структуры территории в качестве ориентировочного показателя можно использовать кларки элементов литосферы.
Загрязняющие вещества по опасности делятся на классы: 1 класс (высоко опасные) - As, Cd, Hg, Se, Рb, F, бенз(а)пирен, Zn; II класс (умеренноопасные) - B, Со, Ni, Мо, Со, Sb, Сr; III класс (мало опасные) - Bа, V. W, Мп, Sr и др. Комплексный и куммулятивный характер действия загрязняющих веществ на живые организмы, полиэлементность техногенных геохимических аномалий требуют разработки более синтетических показателей оценки качества среды.
В практике эколого-геохимических исследований для оценки состояния среды используются ориентировочные оценки опасности загрязнения в аномальных зонах. Для каждого уровня характерны специфические виды заболеваемости населения, особенно детей: 1 уровень – увеличение общей заболеваемости; 2 - увеличение частоты хронических заболеваний органов дыхания, функциональных отклонений (количества лейкоцитов и дp.); 3 - увеличение нарушений репродуктивных функций, иммунной системы и других отдаленных последствий.
Техногенные зоны выщелачивания образуются при выщелачивании металлов из руд, отвалов, хвостохранилищ. Эти вопросы изучает особая прикладная наука - геотехнология, которая во многом основана на данных геохимии. Примерно шестая часть меди в мире добывается методом выщелачивания. Применяется подземное выщелачивание руд урана, молибдена, свинца, цинка, марганца и других элементов. С помощью закачивания в скважины воды извлекают каменную и калийную соли, другие легкорастворимые компоненты. Доказана эффективность микробиологического выщелачивания меди, золота, молибдена. Техногенные зоны выщелачивания образуются также при промывках засоленных почв, орошении лессовых грунтов, других техногенных процессах. Известны зоны сернокислого, кислого и прочего техногенного выщелачивания.
Зоны выщелачивания возникают как в результате целеустремленного технологического воздействия на почвы и горные породы (выщелачивание из руд и др.), так и за счет косвенного, иногда отделенного по времени и месту техногенеза. Такие зоны выщелачивания достигают и региональных масштабов. Типичным примером является усиленная мобилизация тяжелых металлов из почв, увеличение интенсивности их миграции и поставки в подчиненные ландшафты (долины, водоемы) в результате действия кислых дождей, связанных с выбросами соединений серы и азота в промышленных районах Европы и Северной Америки. Дожди с рН < 3,5 выпадают во многих индустриальных районах. По данным ЮНЕП, за последние 20 лет на северо-востоке США и в Скандинавии произошло снижение рН лесных почв на единицу - в среднем от 4,5 - 5,5 до 3,5 - 4,5. Нейтральные и щелочные почвы обладают значительной буферностью к кислым выпадениям, и столь же заметного понижения рН в них не наблюдается.
Загрязнение озер тяжелыми металлами (Hg, Cd, Рb, Сu) за счет кислого выщелачивания из автономных ландшафтов установлено в Адирондакских ropax северо-востока США (Д. Порцелла, Д. Чарльз, Дж. Уайт и др.) и юго-западной Швеции (Г. Халтберг и др.).
Техногенный геохимический барьер - это участок, где происходит резкое уменьшение интенсивности техногенной миграции и, как следствие, концентрирование элементов. Как и в природных ландшафтах, здесь образуются аномалии D1, Е3, А6 и др.. Искусственные барьеры создаются на пути движения техногенных потоков для локализации загрязнения. Например, известковые валы (барьер D2-D3) служат для осаждения металлов из кислых рудничных вод или содержащихся в водах ядохимикатов. Другой формой щелочного барьера является известкование кислых почв, препятствующее выносу многих катионогенных металлов и элементов питания, подвижных в кислой среде. Искусственные сорбционные барьеры в районе Чернобыля сооружались для предотвращения радиоактивного загрязнения гидросети.
Вещества техногенного происхождения могут осаждаться практически на всех видах геохимических барьеров, известных в природе. Важная проблема выявление геохимических барьеров, на которых происходит концентрация искусственных веществ (пестицидов, синтетических органических соединений и др.).
Техногенные барьеры могут быть полезными, нейтральными и вредными. Полезные формируются, например, при закачивании промышленных стоков в водоносные горизонты, при инъекционном закреплении (цементации) грунтов, в результате которого рыхлая масса превращается в твердый монолит, и во многих других процессах. Примером вредного барьера служит вторичное засоление почв в орошаемых районах, когда на испарительных барьерах (FЗ - F4) накапливаются соли и элементы, поступающие с дренажными водами. На техногенных барьерах возможно техногенное минералообразование и рудообразование.
Полезное и вредное действие барьеров относительно. То, что полезно для одного компонента ландшафта, например, создание барьеров на пути миграции загрязняющих веществ в водоемы (сохранение качества вод и условий жизни водных организмов), может быть вредно для загрязняющихся почв и почвенной фауны на участках барьеров.