- - Воронежский государственный университет

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
К У Р С
Л Е К Ц И Й
ДЛЯ ПОДГОТОВКИ
К ГОСУДАРСТВЕННОМУ ЭКЗАМЕНУ
ПО ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ГЕОЛОГИИ
Учебное пособие
Издательско-полиграфический центр
Воронежского государственного университета
2010
Утверждено ученым советом геологического факультета Воронежского государственного университета 19 ноября 2009 г., протокол № 3
Составители: А.А. Валяльщиков, В.В. Ильяш, И.И. Косинова, К.Ю. Силкин,
В.С. Стародубцев
Рецензент кандидат геолого-минералогических наук, доцент Ю.Н. Стрик
Учебное пособие подготовлено на кафедре экологической геологии геологического факультета Воронежского государственного университета.
Рекомендуется студентам-экогеологам при подготовке к сдаче госэкзамена, а
также аспирантам и всем читателям, изучающим экологическую геологию.
Для специальности 020306 – Экологическая геология
Учебное издание
КУРС ЛЕКЦИЙ
ДЛЯ ПОДГОТОВКИ
К ГОСУДАРСТВЕННОМУ ЭКЗАМЕНУ
ПО ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ГЕОЛОГИИ
Учебное пособие
Составители:
Валяльщиков Алексей Александрович,
Ильяш Валерий Владимирович,
Косинова Ирина Ивановна,
Силкин Константин Юрьевич,
Стародубцев Виктор Сергеевич
Подписано в печать 09.03.2010. Формат 60×84/16. Усл. печ. л. 8,2.
Тираж 150 экз. Заказ 255.
Издательско-полиграфический центр
Воронежского государственного университета.
394000, г. Воронеж, пл. им. Ленина, 10. Тел. (факс) +7 (4732) 598-026
http://www.ppc.vsu.ru; e-mail: pp_center@ppc.vsu.ru
Отпечатано в типографии Издательско-полиграфического центра
Воронежского государственного университета.
394000, г. Воронеж, ул. Пушкинская, 3
СОДЕРЖАНИЕ
СОДЕРЖАНИЕ .................................................................................................... 3
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ГЕОЛОГИЯ. А.А. Валяльщиков ..................................... 6
Лекция 1. Геоэкология и экологическая геология: иерархическое
соподчинение .................................................................................................... 6
Лекция 2. Эколого-геологические условия ............................................. 7
Лекция 3. Системы эколого-геологических оценок территорий .......... 7
Лекция 4. Суммарный показатель загрязнения как критерий экологогеологических оценок........................................................................................... 9
Лекция 5. Понятие экологических функций литосферы...................... 10
Лекция 6. Ресурсная экологическая функция литосферы.................... 12
Лекция 7. Подземные воды как экологический ресурс литосферы .... 14
Лекция 8. Ресурсы геологического пространства и размещение
отходов жизнедеятельности человеческого общества .................................... 16
Лекция 9. Геодинамическая экологическая функция литосферы....... 18
Лекция 10. Геохимическая экологическая функция литосферы ......... 19
Лекция 11. Геофизическая экологическая функция литосферы.......... 21
Лекция 12. Эколого-геологические системы, их свойства и пути
развития
.................................................................................................. 22
Лекция 13. Типы эколого-геологических систем по глубине
воздействия
.................................................................................................. 23
Лекция 14. Эколого-геологические системы селитебного класса....... 24
Лекция 15. Эколого-геологические системы промышленного класса . 25
Лекция 16. Эколого-геологические системы сельскохозяйственного
и лесотехнического типа .................................................................................... 26
Лекция 17. Эколого-геологические системы водохозяйственного типа 27
Лекция 18. Эколого-геологические системы горнодобывающего
класса
.................................................................................................. 28
Лекция 19. Основные типы эколого-геологических карт..................... 28
Лекция 20. Особенности построения эколого-геологических карт..... 30
Список литературы................................................................................... 32
МЕТОДЫ ЭКОЛОГО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ.
И.И. Косинова .................................................................................................. 34
Лекция 1. Прединвестиционная экспертиза и маршрутные
обследования при ЭГИ ....................................................................................... 34
Лекция 2. Общая структура эколого-геологических исследований ... 34
Лекция 3. Иерархическая классификация ЭГИ..................................... 36
Лекция 4. Методика отбора снеговых отложений при ЭГИ................ 38
Лекция 5. Методика отбора почвенных отложений при ЭГИ............. 39
Лекция 6. Методические подходы при химическом анализе
почвенных отложений ........................................................................................ 40
3
Лекция 7. Методика отбора поверхностных вод и донных
отложений при ЭГИ. ........................................................................................... 40
Лекция 8. Биотические методы при эколого-геологических оценках 41
Лекция 9. Методы полевых тератологических наблюдений ............... 43
Лекция 10. Тематические критерии при оценке
эколого-геологических обстановок................................................................... 44
Лекция 11. Методы расчета фоновых значений при ЭГИ.................... 45
Лекция 12. Методика построения оценочных
эколого-геологических карт............................................................................... 46
Лекция 13. Методы эколого-геологического районирования
территорий
.................................................................................................. 48
Лекция 14. Методика дистанционных эколого-геологических
исследований .................................................................................................. 50
Лекция 15. Методы стационарного ЭГМ ............................................... 51
Лекция 16. Эколого-геофизический мониторинг .................................. 53
Лекция 17. Комплексирование эколого-геофизических и экологогеохимических исследований ............................................................................ 54
Лекция 18. Методы расчета ЗСО водозаборов ...................................... 56
Лекция 19. Эколого-геологический мониторинг полигонов ТБО....... 58
Лекция 20. Эмиссионный спектральный анализ ................................... 60
Лекция 21. Атомно-абсорбционный анализ........................................... 61
Лекция 22. Рентгенорадиометрический анализ..................................... 61
Лекция 23. Химические методы при эколого-геологических
исследованиях .................................................................................................. 62
Лекция 24. Статистические методы обработки
эколого-геологической информации................................................................. 63
Список литературы................................................................................... 65
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ГЕОХИМИЯ. В.В. Ильяш .............................................. 68
Лекция 1. Предмет экологической геохимии, основные задачи и
проблемы, разделы.............................................................................................. 68
Лекция 2. Экологическое значение химических элементов и оценка
их воздействия на биосферу .............................................................................. 70
Лекция 3. Общие закономерности поведения и распространения
химических элементов в природе...................................................................... 72
Лекция 4. Физико-химическое отличие химических биогенных
структур от абиогенных .................................................................................... 75
Лекция 5. Значение жизни в геохимических циклах Земли ................ 76
Лекция 6. Эколого-геохимическая характеристика S-элементов ....... 78
Лекция 7. Эколого-геохимическая характеристика D-элементов....... 80
Лекция 8. Эколого-геохимическая характеристика P-элементов ....... 82
Лекция 9. Физико-химические барьеры, их экологическая сущность83
Лекция 10. Механические барьеры, их экологическая сущность ....... 85
4
Лекция 11. Биогеохимические барьеры, их экологическая сущность.87
Лекция 12. Преобладающие особенности поведения химических
элементов в зоне гипергенеза ............................................................................ 88
Лекция 13. Техногенное рассеивание и концентрирование
элементов
.................................................................................................. 90
Лекция 14. Геохимия природных вод, их классификации и
антропогенные изменения.................................................................................. 92
Лекция 15. Геохимия атмосферы и антропогенные изменения........... 98
Лекция 16. Геохимические ландшафты и их классификация ............101
Лекция 17. Параметры геохимического поля ......................................102
Лекция 18. Эколого-геохимические аспекты токсичности
элементов
................................................................................................104
Лекция 19. Эколого-геохимическое нормирование ............................106
Лекция 20. Принципы и методология оценок химического
загрязнения компонентов окружающей среды ..............................................111
Список литературы.................................................................................113
ЭКОЛОГИЯ ЧЕЛОВЕКА. К.Ю. Силкин........................................................114
Лекция 1. Повреждающие факторы антропогенной среды,
оказывающие влияние на здоровье человека.................................................114
Лекция 2. Понятие адаптации человека к окружающей среде..........116
Лекция 3. Понятие о ксенобиотиках ....................................................119
Лекция 4. Определение антропоэкологического утомления .............122
Лекция 5. Микроэлементы, их значение для организма человека в
современных экологических условиях ...........................................................125
Лекция 6. Микроэлементозы.................................................................128
Список литературы.................................................................................130
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ГЕОДИНАМИКА. В.С. Стародубцев .........................132
Лекция 1. Экологическая геодинамика: объект и предмет
исследований ................................................................................................132
Лекция 2. Задачи экологической геодинамики ...................................133
Лекция 3. Основные законы экологической геодинамики ................135
Лекция 4. Оценка эколого-геологических условий ............................136
Список литературы.................................................................................139
5
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ГЕОЛОГИЯ
Лекция 1. Геоэкология и экологическая геология:
иерархическое соподчинение
Концентрированное техногенное воздействие, обрушившееся на компоненты природной среды в XX веке, привело к явно выраженному деформированию ее структуры и свойств. Как результат данного процесса, в 90-х
годах 20-го столетия начали формироваться экологические направления в
функциональных областях знания. Сформировалось новое направление в
геологии – экологическая геология, изучающая верхние горизонты литосферы как один из основных абиотических компонентов экосистем высокого уровня организации. В Московском университете на рубеже веков создан
ряд фундаментальных монографий, посвященных концептуальным положениям экологической геологии.
Впервые термин «экологическая геология» прозвучал в 1984 г. в изложении Е.А. Козловского, А.И. Жамойды, В.Б. Кушева. Авторы определяли новое направление в геологии, имеющее природоохранный характер, основанное на комплексных исследованиях геологических процессов, имеющих биогенную и техногенную природу. Собственное видение «экологической геологии» в 1992 г. было предложено Н.И. Плотниковым, А.А. Карцевым и И.И. Рогинцем как «комплексное и очень сложное содержание науки,
которая охватывает геологические аспекты существования биосферы и человека в частности». Развитие и совершенствование основных терминов и
понятий экологической геологии, начиная с 1994 г., осуществлялось
В.Т. Трофимовым и Д.Г. Зилингом.
Согласно Н.Ф. Реймерсу, экология, в целом, представляет собой направление, включающее в качестве составных частей биоэкологию, геоэкологию, социоэкологию, прикладную экологию. В данной иерархии экологическая геология является частью геоэкологии и представляет собой науку,
изучающую экологические функции литосферы.
В трактовке В.Т. Трофимова и Д.Г. Зилинга геоэкология изучает состав, структуру, закономерности функционирования и эволюцию естественных и антропогенно измененных экосистем высокого уровня организации. Экологическая геология занимает более низкую иерархическую ступень по сравнению с геоэкологией, является составной частью, разделом
геоэкологии. На ее долю приходится изучение экологических функций
только одной абиотической геосферной оболочки Земли литосферы. Этим и
определяется ее соотношение с геоэкологией, претендующей на изучение
всех абиотических геосферных оболочек Земли и экосистем высокого уровня организации.
6
Лекция 2. Эколого-геологические условия
Под эколого-геологическими условиями (обстановкой) следует понимать совокупность конкретных экологических свойств (функций) литосферы, отражающих современное или палеосостояние условий жизнедеятельности живых организмов в данном объеме литосферы, либо на определенном ее участке, как среде их обитания. Эколого-геологические условия территории изменяются во времени и пространстве. Причем они определяют
условия жизнедеятельности как организмов-геобионтов (обитающих в грунтах и горных породах), так и поверхностных экосистем.
Эколого-геологические условия территории могут определяться как
всеми экологическими функциями, так и какой-либо одной, доминирующей
по интенсивности или масштабу, например геодинамической. В таком случае говорят об эколого-геологических условиях, особенности которых обусловлены геодинамическими характеристиками литосферы, или используют более короткое словосочетание – эколого-геодинамические условия. При
доминировании геохимической функции говорят об эколого-геологических
условиях, которые обусловлены геохимическими особенностями литосферы, или об эколого-геохимических условиях.
Изменяясь во времени эколого-геологические условия проходят ряд
этапов, которые называют состоянием эколого-геологической обстановки
(условий).
В.Т.Трофимов предложил следующее определение – состояние эколого-геологической обстановки (условий) – временное ее состояние, оцениваемое спецификой проявления одного, нескольких или совокупностью
экологических свойств (функций) литосферы в данный момент времени,
определяющих степень (уровень) благоприятности и возможности проживания живых организмов.
Лекция 3. Системы эколого-геологических оценок территорий
Для количественной оценки эколого-геологического состояния литосферы и ее отдельных компонентов используются прямые критерии. Все
многообразие этих критериев целесообразно объединены в группы, отвечающие основным экологическим функциям литосферы: ресурсную, геодинамическую, геохимическую и геофизическую. Все они базируются на определенных критериях оценки (ПДК, ПДУ, ПДН, запасах тех или иных
элементов и т.п.). В случаях, когда таковые отсутствуют, определение степени изменения проводится от кларков или фоновых значений, фиксируемых на участках с техногенно ненарушенным, природным состоянием анализируемых компонентов литосферы.
7
Ресурсная группа включает в себя критерии оценки, позволяющие установить уровень сработки экологически значимых минеральных, органоминеральных, органических и водных ресурсов литосферы либо временную
обеспеченность ими человеческого сообщества.
Проблема формирования критериев оценки минеральных ресурсов
открыта, требует разработки. Показателей, оценивающих содержание биофильных макро- и микроэлементов в приповерхностной части литосферы,
практически не существует.
Рассматривая ресурсную экологическую функцию литосферы с позиции минеральных ресурсов, необходимых для развития человеческого общества, широко используют показатель истощения минерального ресурса
(МР). Он рассчитывается по соотношению минерального ресурса (разведанные и готовые к эксплуатации полезные ископаемые) к общему числу
населения на конкретный момент времени. Может также рассчитываться
для различных геологических и административных объектов.
Критерием оценки ресурсов подземных вод является сработка уровня
Согласно государственным методикам, в районах работ водозаборов и дренажных сооружений допустимыми являются изменения уровней до 20 %
мощности водоносного горизонта.
Проблема определения критериев эколого-ресурсной оценки какойлибо территории находится в начальной стадии разработки, опирается почти исключительно на знания о разведанных ресурсах того или иного вида
минерального сырья и требует своего решения.
Геодинамическая группа критериев. Критерии этой группы представляют собой комплекс показателей, оценивающих эколого-геологическое состояние рельефа территории, преобразующегося под воздействием природных и техногенных процессов. Выделяют: площадные критерии (по расчету
коэффициента нарушенности площадей, в %); энергетические (по объемам
и скоростям перемещения горных пород); динамические (скорость нарастания негативных нарушений).
Широко используется оценка состояния литосферы по степени проявленности геологических и инженерно-геологических процессов и явлений,
изложенная во многих методических рекомендациях и инструкциях.
Геохимическая группа критериев. Эта группа критериев используется
для оценки химического, бактериологического, механического загрязнения
компонентов литосферы и позволяет определять уровень их техногенного
загрязнения и интенсивность природных геохимических аномалий
Для химического загрязнения оценка уровня загрязнения осуществляется через ПДК или коэффициент суммарной загрязненности; для бактериологического — через колититр; для механического – через ПДК для
взвесей. В тех случаях, когда на загрязнитель отсутствует ПДК, определе8
ние степени загрязнения проводится от фоновых значений или кларков,
фиксируемых на незагрязненных территориях. При этом необходим дифференцированный подход к токсикантам с учетом класса их опасности.
Геофизическая группа критериев. Практически для всех геофизических полей можно говорить только о пороговых значениях прямых критериев оценки, выраженных через ПДУ (предельно допустимые уровни). Они
отражают гигиеническое нормирование биологического воздействия электрических и электромагнитных полей, неблагоприятно влияющих на человеческий организм.
Выделяются следующие предельные значения напряженности электромагнитного поля для населения (в кВ/м): в пределах жилой застройки –
0,5; на пересечении ЛЭП с автодорогами – 1,0. ПДУ напряженности электромагнитного поля для населенных мест с учетом диапазона радиоволн составляют (в В/м): длинных (частота – 0,3–300,0 кГц, длина – 10–1 км) – 20;
средних (частота – 0,3–3,0 мГц, длина – 1,0–0,1 км) – 10; коротких (частота – 3–30 мГц, длина – 100–10 м) 4; ультракоротких (частота – 30–300 мГц,
длина 10,0–1,0 м) – 2. Для магнитных полей – по данным зарубежных исследователей – допустимая напряженность магнитного поля, в котором может находиться человек, не должна превышать 50 000 нТл, т. е. напряженности геомагнитного поля Земли.
Оценка действия ионизирующей радиации на живые организмы оценивается поглощенной дозой либо эффективной эквивалентной дозой. Законодательством РФ установлено пороговое значение среднегодовой эффективной эквивалентной дозы облучения в 1 мЗв (0,1 бэр), которому соответствует плотность радиоактивного загрязнения почв и пород Cs-137 в
1 Ки/км2.
Для вибрационных полей положение с критериями оценки их воздействия на биоту еще более сложное, так как резонансные частоты отдельных
частей тела человека отличаются между собой на 10–20 Гц и, кроме того,
зависят от виброперемещения (мм), частоты (Гц) и виброускорения (см/с2).
Все эти характеристики должны входить в состав критериев оценки. По
мнению Г.С. Вахромеева, неблагоприятное воздействие на человека оказывает вибрация с частотами 1–30 Гц.
Лекция 4. Суммарный показатель загрязнения как критерий
эколого-геологических оценок
Наиболее разработанными являются показатели, характеризующие
геохимическую функцию литосферы. К ним относятся суммарный показатель концентрации (СПК) и суммарный показатель загрязнения (ZC). Первый характеризует имеющуюся аномалию через отнесение ее к фоновым
значениям показателей, второй – к предельно-допустимым. Как правило,
9
СПК рассчитывается для почв и горных пород, ZC – для поверхностных и
подземных вод.
I. Суммарный показатель концентраций определяется по следующей
формуле
СПК = ∑ K K − (n − 1) ,
где КК – коэффициент концентрации по каждому элементу, превышающему
фоновые значения, рассчитываемый по формуле:
KK =
Ci
,
CФ
где Сi – концентрация элемента в анализируемой пробе (мг/кг); СФ – фоновые концентрации данного элемента для анализируемой территории (мг/кг);
n – число анализируемых элементов.
II. Суммарный показатель загрязнения (ZС) рассчитывается путем
нормирования соединения элементов в пробе относительно предельнодопустимых концентраций.
Z C = ∑ K K − (n − 1) ,
где КК – коэффициент концентрации по каждому элементу, превышающему
ПДК, рассчитывается по формуле:
KK =
Ci
,
C ПДК
где Сi – концентрации элемента в анализируемой пробе (мг/дм3, мг/кг);
СПДК – нормируемая предельно допустимая концентрация данного элемента
(мг/дм3, мг/кг); n – количество анализируемых элементов.
Лекция 5. Понятие экологических функций литосферы
Под экологическими функциями литосферы понимается все многообразие функций, определяющих и отражающих роль и значение литосферы,
включая подземные воды, нефть, газы, геофизические поля и протекающие
в ней геологические процессы, в жизнеобеспечении биоты и, главным образом, человеческого сообщества.
Согласно учению об экологических функциях литосферы (ЭФЛ), разработанному В.Т. Трофимовым и Д.Г. Зилингом, выделяется ресурсная,
геодинамическая, геофизическая и геохимическая экологическая функция.
Ресурсная ЭФЛ: реализуется в виде «минеральных, органических, органоминеральных ресурсов литосферы, а также ее геологического пространства для жизни и деятельности биоты как в качестве биоценоза, так и
10
человеческого сообщества как социальной структуры». Влияние ресурсов
литосферы на экосистемы проявляется по следующим направлениям:
1. Ресурсы, необходимые для жизни биоты. Они включают биофильные элементы, необходимые для жизни живой клетки; кудюриты – минеральные вещества, непосредственно используемые в трофических цепях;
поваренную соль и минеральную составляющую подземных вод.
2. Минеральные ресурсы, необходимые для жизни и деятельности человеческого общества, обеспечивают:
• развитие технического прогресса. В настоящее время объем ежегодной добычи полезных ископаемых составляет около 18 млрд т. Они
включают элементы практически всей системы Менделеева. Наличие полезных ископаемых является залогом материального благополучия общества, формирует геополитику основных государственных блоков, является
причиной военных конфликтов;
• ресурс геологического пространства представляет собой «пространство, необходимое для расселения и существования биоты, в том числе для
жизни и деятельности человека».
Геодинамическая ЭФЛ: «представляет способность литосферы влиять
на состояние биоты, безопасность и комфортность проживания человека
через природные и техногенные геологические процессы и явления». Возникновение данных процессов связано с внешними относительно планеты
космическими воздействиями, напряжениями в геофизических полях Земли,
тектоническими процессами и деятельностью человека. Согласно В.Т. Трофимову изучение геодинамической ЭФЛ возможно двумя путями:
1. Выявление экологических последствий проявленности отдельных
геодинамических процессов. Как правило, подобный анализ проводится относительно человека. Здесь наличие оползневых, эрозионных, карстовых и
др. процессов рассматривается не с позиции их влияния на инженерные сооружения, а с точки зрения комфортности среды обитания человека.
2. Изучение воздействия современных геодинамических аномальных
зон литосферы на состояние биоты. Наличие таких зон характеризуется активной динамикой энергетических показателей, перемещением вещества в
различных фазовых состояниях. Как правило, подобные условия обуславливают деградационные процессы в биосфере.
Геохимическая ЭФЛ определяет способность природных и искусственных геохимических обстановок влиять на состояние экосистем различных уровней организации.
В зависимости от вмещающей среды природные и искусственные
геохимические неоднородности подразделяются на лито-, гидро-, атмо-,
сноу-, биогеохимические. Данные неоднородности представляют собой поле химических элементов, закономерно распределяющихся в почвах, горных породах, подземных водах, газовой составляющей приповерхностной
части литосферы, снеге, биоте.
11
Положительным отличием геохимической ЭФЛ является наличие отлаженной системы санитарно-гигиенических оценок состояния живых организмов относительно концентраций различных веществ и соединений. В
качестве количественных показателей оценок используются предельнодопустимые значения концентраций элементов (ПДК), фоновые значения,
суммарные показатели загрязнения (ZС), суммарные показатели концентраций (СПК).
Геофизическая ЭФЛ представляет собой способность геофизических
полей естественной и искусственной природы оказывать влияние на состояние биоты, человека и комфортность среды его обитания. В процессе
эволюции Земли интенсивность геофизических полей периодически изменялись. Подобное энергетическое воздействие определяло наполнение циклов обмена вещества и энергии на планете. Каждому циклу соответствовал
собственный этап развития жизни на Земле. Историческое время жизни человечества также характеризуется определенным «рисунком» энергетических полей космической, геофизической и биологической природы. Фоновые значения естественных геофизических полей не оказывают негативных
воздействий на экосистемы. Аномальные же энергетические проявления естественных и, в особенности, техногенных полей нередко носят катастрофический характер. В этой связи объектом изучения геофизической экологической функции литосферы являются аномальные геофизические поля
естественной и искусственной природы, способные воздействовать на состояние биоты и человека. Основным отличием этих аномалий является отсутствие их визуального наблюдения, что усиливает степень опасности их
проявления. Трудностью эколого-геофизических исследований является отсутствие разработанных количественных критериев оценки такого влияния.
Практически только радиационное загрязнение имеет четкую шкалу оценок, причем только относительно здоровья человека.
Следует отметить нередкое взаимное наложение геофизических, геохимических и геодинамических аномалий, что усиливает их негативное
воздействие на биоту и человека.
Лекция 6. Ресурсная экологическая функция литосферы
Ресурсная функция верхних горизонтов литосферы заключается в ее
потенциальной способности обеспечения потребностей экосистем абиотическими ресурсами, в том числе и потребностей человека (Королев, 1996;
Трофимов, Зилинг, 2000, 2002). Ресурсная функция является базовой в системе «литосфера–биота», так как с ней связаны не только условия жизни и
эволюции биоты, но и сама возможность ее существования. Данная функция определяет роль ресурсов (минеральных, органических и органо-минеральных) для жизни и деятельности биоты как в качестве биогеоценоза, так
12
и социальной структуры. По мнению В.Т. Трофимова и др. (2000), она
включает следующие аспекты: ресурсы, необходимые для жизни и деятельности биоты, ресурсы, необходимые для жизни и деятельности человеческого общества, ресурсы, как геологическое пространство, необходимое для
расселения и существования биоты, в том числе и человеческого общества.
Первые два аспекта связаны с минерально-сырьевыми ресурсами, а последний – с экологической емкостью геологического пространства, в пределах
которого происходит жизнедеятельность организма.
Ресурсная экологическая функция литосферы занимает лидирующее
положение по отношению к геодинамической, геохимической и геофизической функциям, т. к. определяет возможность существования экосистемы в
пределах данной территории. Что касается человеческого сообщества, то
ресурсная функция литосферы наиболее тесно связана с его социальноэкономическими проблемами.
Одной из основных проблем, рассматриваемых в рамках ресурсной
экологической функции, являются представления об истощаемости минерально-сырьевых ресурсов и экологической емкости геологического пространства. Наличие на территории России больших запасов данных ресурсов провоцирует их нерациональное использование – при добычи нефти
сжигается попутный газ; чистейшие подземные воды используются в промышленности и для полива сельхозугодий; огромные территории, вследствие захламления бытовыми отходами и строительными мусором, выводятся
из разряда пригодных под строительство и т. д. В последнее время наметилась тенденция изменения данной ситуации, однако идеология проводимых
решений носит, главным образом, экономическую или социально-экономическую направленность.
Как уже отмечалось, ресурсы литосферы, необходимые для жизни биоты, включая человека как биологический вид, представлены четырьмя составляющими: горными породами, включающими в себя элементы биофильного ряда; кудюритами; поваренной солью (NaCl); подземными водами.
Биофильные элементы литосферы – растворимые элементы, жизненно необходимые организмам и называемые биогенными элементами, среди
которых выделяют:
• макробиогенные (элементы и их соединения, требующиеся биоте в
больших количествах) – такие, как углерод, кислород, азот, водород, кальций, фосфор, сера;
• микробиогенные (требующиеся в малых количествах) – это Fe, I, F,
Cu, Se и ряд других, которые обеспечивают функционирование организма
на клеточном уровне.
Минеральные биогенные комплексы-кудюриты – источники минерального сырья, являющиеся стимуляторами роста растений и животных, отличающиеся высокими сорбционными и ионообменными способностями. Они
13
широко используются животными, а в некоторых районах земли и людьми.
Так, в лечебных целях и в виде минеральных добавок используются уголь,
глины, выветрелые сланцы, туфы и т. п. Наукой данное явление достаточно
не изучено.
Поваренная соль является минералом жизненно необходимым для
жизни и деятельности людей и животных. Ее присутствие в организме контролирует целый ряд физиологических процессов, она обладает бактерицидным и консервирующими свойствами. С ресурсных позиций это минеральное образование является исключением из общего правила, так как в
определенном объеме относится к категории возобновляемого ресурса. Поваренную соль получают либо из рассолов в зоне соляных залежей, либо
собирают в местах естественного выпаривания соленой морской воды. Запасы поваренной достаточно велики.
Согласно представлениям В.Т. Трофимова, вторым аспектом проявления ресурсной функции являются минеральные ресурсы, необходимые для
жизни и деятельности человеческого общества, представленные совокупностью выявленных в недрах скоплений различных полезных ископаемых,
в которых химические элементы находятся в резко повышенной концентрации, обеспечивающей возможность их промышленного использования. Выделено пять основных категорий минеральных ресурсов: топливноэнергетические, черные и легирующие металлы, цветные металлы, неметаллические полезные ископаемые, подземные воды. Особо выделяют категорию подземных вод, особенности которых будут рассмотрены далее.
Лекция 7. Подземные воды как экологический ресурс
литосферы
Подземные воды являются ценнейшим ресурсом, они значительно
превосходят по качеству поверхностные воды, лучше защищены от загрязнения, содержат микро- и макроэлементы, необходимые для организма человека, не требуют дорогостоящей очистки, чем и определяется их значимость как важнейшего источника обеспечения водой человека как биологического вида.
Подземные воды являются основным источником питьевого водоснабжения населения большинства европейских стран. В целом же на планете большинство регионов испытывают острый дефицит в пресной воде,
не говоря уже о качественных подземных водах.
В России обеспеченность ресурсами подземных вод по регионам неодинакова. Дефицит подземных вод ощущается на юге европейской территории, южном Поволжье, в районах близкого залегания кристаллического
фундамента.
Если рассматривать Черноземье, то и здесь картина неодинакова. Например, Липецкая и Тамбовская области обладают прогнозными и разве14
данными ресурсами, троекратно превышающими современное водопотребление. Воронежская, Курская, Белгородская области отличаются в худшую
сторону – в ряде крупных городов, в том числе и в Воронеже, в некоторых
сельских районах отмечается нехватка качественной питьевой воды.
Дефицит в питьевой воде обусловлен следующими факторами: отсутствием достаточных ресурсов подземных вод в связи с природными причинами; интенсивной эксплуатацией и сработкой основных водоносных горизонтов; техногенным загрязнением водоносных горизонтов, используемых
для питьевого водоснабжения.
Природными причинами являются широкое развитее безводных
толщ, наличие многолетнемерзлых пород, высокая минерализация, незначительная мощность осадочного чехла и т. д.
В Воронежской области подземные воды не соответствуют требованиям СанПиН из-за повышенных концентраций соединений азота, железа,
марганца, высоко общей жесткости.
Источниками загрязнения на территории области являются животноводческие и птицеводческие комплексы, поля фильтрации сахарных заводов, молокозаводы, отстойники сточных вод, полигоны ТБО, места складирования промышленных отходов, нефтебазы, шламо-золонакопители. С каждым из потенциальных источников связан специфический перечень загрязняющих компонентов.
На большей части территории области первые от поверхности водоносные горизонты относятся к категории незащищенных. Подтверждением тому
являются факты миграции загрязняющих веществ на расстояние 10–20 км от
источника загрязнения по определенным линейным направлениям.
Санитарно-техническое состояние водозаборных сооружений является одним из факторов загрязнения подземных вод. Обследованием сельских
водозаборов и скважин установлено, что большинство из них не оборудованы приборами учёта, не имеют обустроенной в соответствии с санитарными нормами зоны строгой санитарной охраны.
Все вышеуказанные факторы являются причиной повсеместного загрязнения подземных вод, наиболее распространенной формой которого является нитратное загрязнение.
В крупных промрайонах, наряду с источниками нитратного загрязнения, связанными, в основном, с сельхозпредприятиями, существуют промышленные предприятия, воздействие которых на геологическую среду, и в
частности на подземные воды, не менее интенсивно, чем сельскохозяйственная деятельность. Например, в Липецке в районе ОАО «НЛМК» подземные
воды неоген-четвертичного водоносного комплекса загрязнены железом,
марганцем, фенолами, азотом аммонийным, цианидами и роданидами.
Разработка месторождений полезных ископаемых открытым способом сопровождается откачкой дренажных вод, что приводит к истощению
15
эксплуатационных запасов подземных вод. Наиболее крупные воронкидепрессии формируются в тех случаях, когда в обводнении горных выработок участвуют водоносные горизонты, имеющие региональное распространение (например, вокруг месторождения КМА).
Таким образом, ситуация с питьевыми подземными водами достаточно серьезная, а в ряде регионов критическая.
Поэтому для улучшения обеспечения населения питьевой водой и повышения качества потребляемых подземных вод необходимо проведение
обязательной экологической оценки при планировании тех или иных мероприятий и проектных решений.
Лекция 8. Ресурсы геологического пространства
и размещение отходов жизнедеятельности
человеческого общества
Человечество ежегодно производит миллионы тонн бытовых и промышленных отходов, проблема выбора территории под их складирование и
захоронение является очень актуальной.
Различная степень токсичности и состав отходов предопределяют
большое разнообразие способов захоронения: от простого складирования
бытовых до глубинного захоронения высокотоксичных и радиоактивных
отходов. Соответственно, предъявляются разные требования к территории
планируемого полигона отходов.
При выборе места под их строительство учитываются следующие
факторы: экономический, социальный, геологический и экологический. Все
эти факторы по-своему влияют на сокращение площадей, пригодных под
размещение тех или иных отходов. Экономический – учитывает материальные затраты на строительство полигона, его дальнейшую эксплуатацию,
стоимость транспортировки отходов. Социальный фактор определяет значимость территории, например, с точки зрения историко-культурного наследия, ценности как рекреационной зоны или плодородных сельхозугодий.
С течением времени значимость социальных факторов может существенно
меняться. Геологический – учитывает особенности строения приповерхностной части литосферы в связи с видом захораниваемых отходов; значимость данного фактора возрастает с увеличением глубины полигона и токсичности захораниваемых отходов. К сожалению, в настоящее время экологические факторы играют подчиненную роль при выборе участка строительства полигона, уступая техническим аспектам. По мнению Трофимова
В.Т., «идеальным является использование всех возможностей по изоляции
отходов, что зачастую оказывается экономически невыполнимым, поэтому
в реальном случае должно приниматься компромиссное решение между
“наиболее экономичным” и “наиболее экологичным” вариантами размеще16
ния отходов, на основе комплексного анализа всех вышеперечисленных
факторов».
Отходы, складируемые на полигонах, существенно отличаются по составу и объемам. Как известно, самые крупные производители отходов –
города, причем чем экономиически развитие город, тем больше образуется
отходов в пересчете на душу населения, в ряде стран этот показатель близок
к 1 тонне на человека в год. Бытовые отходы малоопасные в исходном состоянии, под воздействием давления, высокой температуры в ходе не предсказуемых физико-химических и биохимических процессов способны преобразовываться в токсичные для биоты химические соединения.
Промышленные отходы, как и ТБО, разнообразны по химическому
составу. Среди промышленных отходов значительную часть составляют
токсичные, в частности, отходы химического, радиохимического и атомноэнергетического производства, требующие особо тщательной изоляции от
биосферы; ресурсы геологического пространства под размещение таких
объектов особенно ограничены.
Добыча твердых полезных ископаемых вызывает как нарушение сложившихся гидродинамических, геохимических условий, так и перемещение,
складирование огромных масс горных пород, содержащих многие токсичные химические элементы и соединения. Примерами могут служить терриконы угольных шахт, отвалы вблизи карьеров и т. д.
При оценке качества ресурса геологического пространства следует
учитывать, что в толще бытовых отходов образуется высокоминерализованный фильтрат. Эколого-геологические исследования, проводившиеся в
районе полигона ТБО, вблизи г. Воронежа, показали, что концентрации ряда компонентов в фильтрате достигает 50–80 ПДК от местных фоновых значений. Растекание фильтрата приводит к загрязнению верховодки, далее
неоком-аптского водоносного горизонта.
Требования к местам размещения полигонов твердых бытовых отходов с оценкой ресурса геологического пространства территорий регламентированы рядом нормативных и директивных документов. В качестве запрещающих факторов регламентированы особые гидрогеологические условия, уклоны местности, склонные к пучению грунты, наличие провалов и
закарстованных массивов, качество земельного ресурса.
Рекомендуется под территории полигонов выбирать участки с глинистыми или тяжело суглинистыми грунтами и грунтовыми водами, расположенными на глубине более 2 м. Запрещается использовать участки с выходом грунтовых вод в виде ключей и затопляемые паводковыми водами территории, а также располагать полигоны ТБО в районах геологических разломов.
Еще более жесткие требования предъявляются к геологическому пространству при захоронении радиоактивных отходов.
Более подробно требования к размещению полигонов рассмотрены в
учебнике «Экологическая геология».
17
Лекция 9. Геодинамическая экологическая функция литосферы
Геодинамическая ЭФЛ: «представляет способность литосферы влиять
на состояние биоты, безопасность и комфортность проживания человека
через природные и техногенные геологические процессы и явления». Возникновение данных процессов связано с внешними относительно планеты
космическими воздействиями, напряжениями в геофизических полях Земли, тектоническими процессами и деятельностью человека.
Отличием природных геодинамических процессов является их пульсационный характер, что значительно влияет на биосферу планеты. Так активизация тектонической и вулканической деятельности приводит к повсеместному нарушению ареалов распространения многих экосистем, а нередко и их полному уничтожению. Пики солнечной активности приводят к активизации всех процессов в геосферах планеты. причем всплеск биологической жизни сопровождается увеличением количества катастрофических
геодинамических проявлений. С подобными этапами жизни Земли связаны
основные эволюционные изменения в ее биосфере.
Таким образом, объектом изучения геодинамической ЭФЛ являются,
как и в геологии, геодинамические процессы, зоны и аномалии. Однако в
качестве предмета выступает комплекс знаний о их влиянии на биоту, человека, среду его обитания.
Согласно В.Т. Трофимову изучение геодинамической ЭФЛ возможно
двумя путями:
1. Выявление экологических последствий проявленности отдельных
геодинамических процессов. Как правило, подобный анализ проводится относительно человека. Здесь наличие оползневых, эрозионных, карстовых и
др. процессов рассматривается не с позиции их влияния на инженерные сооружения, а с точки зрения комфортности среды обитания человека.
2. Изучение воздействия современных геодинамических аномальных
зон литосферы на состояние биоты. Наличие таких зон характеризуется активной динамикой энергетических показателей, перемещением вещества в
различных фазовых состояниях. Как правило, подобные условия обуславливают деградационные процессы в биосфере.
В отличие от других экологических функций, геодинамическая может
воздействовать на биоту как напрямую, так и косвенно через геохимическую, геофизическую, ресурсную функции.
С экологических позиций пока нет общепринятой классификации
геодинамических процессов. В.Т. Трофимовым предложено выделение трех
типов геодинамических процессов, отличающихся по характеру воздействия на экосистему:
• катастрофические – оказывающие преимущественно разрушительное воздействие (наводнения, землетрясения, цунами, потоки вулканических лав и пепла, обвалы, оползни, сели, лавины, подвижки ледников);
18
опасные – оказывающие парализующее или истощающее воздействие (дефляция почвы, овражная эрозия, заиление водохранилищ и др.);
• неблагоприятные – способные вызвать природно-технические катастрофы (карст, термокарст, термоэрозия, солифлюкция и др.).
По площади проявления геодинамические процессы предлагается
подразделять на планетарные, региональные и локальные. Соответственно,
элементами неоднородности на выделенных уровнях являются:
• материки и океаны;
• складчатые области, щиты и платформы, сейсмодислокации, вулканические пояса;
• особенности геологического строения и свойства пород.
•
Лекция 10. Геохимическая экологическая функция литосферы
Геохимическая ЭФЛ определяет способность природных и искусственных геохимических полей влиять на состояние экосистем различных
уровней организации. Объектом исследований являются химический состав
компонентов литосферы и формируемые ими поля природного, природнотехногенного или техногенного происхождения.
Функциональными территориальными единицами эколого-геохимических исследований являются геохимические зоны, геохимические провинции и геохимические аномалии, которые могут быть объединены под
общим названием «геохимические неоднородности литосферы».
Положительным отличием геохимической ЭФЛ является наличие отлаженной системы санитарно-гигиенических оценок состояния живых организмов относительно концентраций различных веществ и соединений.
Нормативными документами на государственном уровне утверждены предельно (или ориентировочно) допустимые концентрации элементов в компонентах природной среды. Следует отметить, что для ряда элементов и
свойств регламентируется как верхний, так и нижний предел концентрации.
Следовательно, геохимические неоднородности литосферы могут быть обусловлены как повышенным, так и пониженным содержанием элементов.
При проведении эколого-геохимических исследований в качестве количественных показателей оценок используются предельно-допустимые
значения концентраций элементов (ПДК), фоновые значения, суммарные
показатели загрязнения (ZC), суммарные показатели концентраций (СПК).
В зависимости от вмещающей среды природные и искусственные
геохимические неоднородности подразделяются на лито-, гидро-, атмо-,
сноу-, биогеохимические. Данные неоднородности представляют собой поле химических элементов, закономерно распределяющихся в почвах, горных породах, подземных водах, газовой составляющей приповерхностной
части литосферы, снеге, биоте. Естественная геохимическая неоднород19
ность отличается определенной стабильностью, в то время как искусственные характеризуются значительной динамикой в пространстве, времени,
количественных показателях. Отличием последних является их ксенобиотическая природа, чуждая современным экосистемам. Отсутствие анализаторных и адаптационных систем в биоте и у человека приводит к развитию
патологий и общей деградации.
Природные геохимические неоднородности обусловлены геологоструктурными особенностями района, литолого-минералогическими особенностями, физико-химическими условиями миграции элементов и их комплексных соединений. Что касается Воронежской области, то достаточно
крупную по площади геохимическую аномалию можно выделить в центральной её части в пределах сводовой части ВКМ. Близость к поверхности
пород кристаллического фундамента (40–100 м) обуславливает наличие высоких концентраций Ti, Zr, Y, Li, V, Sr, Mo, Cr, Ni, Co, Cu, Pb, Zn в подземных водах, в осадочном чехле, в том числе и в его приповерхностной части.
Кроме того, вследствие буро-взрывных работ при разработке гранитов на
Шкурлатовском карьере тоны пыли, содержащие широкий спектр элементов и соединений, разносятся ветром по округе, усугубляя достаточно напряженную экологическую обстановку в районе.
Для территории города Воронежа характерна гидрогеохимическая
аномалия, связанная с присутствием в подземных водах значимых концентраций железа и марганца. По сей день ведутся дискуссии по поводу источников данных элементов.
Атмогеохимические аномалии обусловлены геолого-структурными
особенностями литосферы, обусловливающими ее проницаемость, связаны
с выходом на поверхность Земли растворенных во внешнем ядре газов.
Представлены они, как правило, многокомпонентной смесью из углекислого газа, водорода, метана, алканов, летучих соединений тяжелых металлов и
других соединений, подчас в весьма заметных концентрациях.
Атмогеохимические аномалии на территории области могут быть выделены в зоне Богатовского разлома (Лосевско-Мамонская шовная зона),
где отмечаются концентрации радона в подземных водах до 8454,5 Бк/дм3.
Изучение биогеохимических аномалий базируется на положении, что
поглощение химических элементов растениями и факторы формирования
химического состава растений при нормальном и аномальном их содержании в питающей минеральной среде существенно различны. Как известно,
дисбаланс химических элементов в компонентах литосферы приводит к заболеваниям животных, растений, человека, именуемым в биогеохимиии
«биогеохимическими эндемиями», которые по существу являются индикатором негативного воздействия геохимической составляющей литосферы
на развитие биоты. Районы их распространения именуются биогеохимическими провинциями.
20
Лекция 11. Геофизическая экологическая функция литосферы
Геофизическая ЭФЛ представляет собой способность геофизических
полей естественной и искусственной природы оказывать влияние на состояние биоты, человека и комфортность среды его обитания.
Перечень геофизических полей включает поля следующих видов: гравитационное, магнитное, электрического тока, температурное, сейсмическое, радиационное. К числу наиболее действенных с экологических позиций следует относить гравитационное, температурное, геомагнитное, электрическое и радиационное поля.
В процессе эволюции Земли направление и интенсивность геофизических полей периодически изменялись. Подобное энергетическое воздействие определяло наполнение циклов обмена вещества и энергии на планете.
Каждому циклу соответствовал собственный этап развития жизни на Земле.
Историческое время жизни человечества также характеризуется определенным «рисунком» энергетических полей космической, геофизической и биологической природы.
Фоновые значения естественных геофизических полей не оказывают
негативных воздействий на экосистемы. Аномальные же энергетические
проявления естественных и, в особенности, техногенных полей нередко носят катастрофический характер. В этой связи объектом изучения геофизической экологической функции литосферы являются аномальные геофизические поля естественной и искусственной природы, способные воздействовать на состояние биоты и человека. Основным отличием этих аномалий
является отсутствие их визуального наблюдения, что усиливает степень
опасности их проявления. Предметом исследований геофизической ЭФЛ
является комплекс знаний об особенностях проявленности геофизических
аномалий в литосфере и их влиянии на биоту и человека.
В связи с тем, что любой живой организм является биофизическим
объектом, он имеет собственную энергетическую структуру. Она хорошо
сбалансирована относительно внешних энергетических потоков. Поэтому
человек, живые организмы и растения максимально адаптированы к своим
региональным условиям. При резком изменении этих условий необходим
адаптационный период перестройки. Несомненно, он касается вещественной части существования: пищи, воды. Но нередко ощущение дискомфорта
возникает в результате изменения внешней энергетической составляющей,
что ведет к перестройке внутренней биофизической структуры. В этой связи наличие геофизических аномалий в ряде случаев представляет собой
«энергетический молот», сокрушающий живые организмы. Так, магнитные
поля являются сильными раздражителями (R.O. Becker, A.A. Marino, 1982),
электрические и вибрационные формируют дисбаланс в нервной и опорнодвигательной системах, обладают психофизическим эффектом. Действие
ионизирующей радиации, в зависимости от степени ее проявления, разру21
шает клетку, ведет к летальным исходам. Следует отметить нередкое взаимное наложение геофизических, геохимических и геодинамических аномалий, что усиливает их негативное воздействие на биоту и человека.
Изучение геофизической ЭФЛ характеризуется медико-биологической ориентированностью исследований, что дифференцирует их от чисто
геофизических методов изучения участков литосферы различных уровней
организации.
Трудностью эколого-геофизических исследований является отсутствие разработанных количественных критериев оценки такого влияния.
Практически только радиационное загрязнение имеет четкую шкалу оценок, причем только относительно здоровья человека. Магнитные, электрические, вибрационные и другие аномалии требуют развития методики их
эколого-геологического изучения и оценки.
Лекция 12. Эколого-геологические системы, их свойства
и пути развития
Под эколого-геологической системой понимается «система, в которой
подсистемные элементы (источники воздействия, геологический компонент
природной среды, экологическая мишень) тесно связаны причинноследственными прямыми и обратными связями».
В зависимости от решаемых задач выделяется четыре типа таких систем:
• природная эколого-геологическая система реальная: изучается в
пределах естественных, не нарушенных техногенной деятельностью, территорий;
• природная эколого-геологическая система идеальная: плод виртуальных построений, осуществляемых в виде прогнозов состояния природной системы в процессе возможных путей ее развития;
• природно-техническая эколого-геологическая система идеальная:
представляет собой вариант развития реальной природной ЭГС под воздействием практически-хозяйственной деятельности человека;
• природно-техническая эколого-геологическая система реальная
есть тип техногенно-трансформированных ЭГС.
Основное внимание экологов-геологов направлено на изучение именно данных систем, так как необходима разработка оперативных методов
управления их состоянием.
Эколого-геологические системы (ЭГС) обладают рядом общих и специфических свойств:
1. Они открыты и обмениваются веществом-энергией с окружающей
средой.
2. Обладают определенным динамическим, химическим и физическим уровнями устойчивости против внешних воздействий.
22
3. Природные и техногенные элементы ЭГС взаимно коррелируются
в структурном, генетическом, функциональном и экологическом планах.
4. Эколого-геологические системы способны к развитию. Они являются элементом давления жизни, т. е. соотношения между потенциалом
размножения и средой, препятствующей реализации потенций беспрепятственного размножения.
5. Обладают эмерджентными свойствами.
При исследовании эколого-геологических систем используются биои антропоцентрический подходы. Первый демонстрирует универсальный
подход, который выводит в качестве основного объекта целеполагания исследований всю биоту. При антропоцентрическом изучении экологогеологических систем имеем дело с частным случаем, когда в центр внимания выводится человек и условия комфортности его обитания как экологической системы. В подобных случаях ЭГС представляют собой структуры,
включающие в качестве взаимодействующих элементов приповерхностную
часть литосферы, техносферу и человека.
Развитие эколого-геологических систем может осуществляться тремя
путями:
• при снижении техногенной нагрузки может происходить обратный переход в естественное состояние;
• управляемое преобразование эколого-геологических систем, которое
подразумевает разумное вмешательство человека, исключающее «жесткое» управление природными процессами;
• разрушение системы, возникающее при преодолении пороговых критических состояний, приводящее в некоторых случаях к возникновению новой системы.
Лекция 13. Типы эколого-геологических систем по глубине
воздействия
Под эколого-геологической системой понимается «система, в которой
подсистемные элементы тесно связаны причинно-следственными прямыми
и обратными связями».
Выделяют три зоны распространения эколого-геологических систем по
степени взаимодействия человека с приповерхностной частью литосферы:
1. Зона максимального воздействия. Пространственно она располагается в пределах активной зоны (до 20–30 м). Включает техногенные объекты и сооружения, почвы, подпочвенные четвертичные отложения, поверхностные, грунтовые и подземные воды. Причем следует отметить, что почвы в пределах зоны максимального взаимодействия рассматриваются как
специфическая органо-минеральная порода, представляющая собой первый
от поверхности геохимический барьер. Качественные и количественные ха23
рактеристики данного барьера определяют условия миграции загрязняющих
элементов в компонентах приповерхностной части литосферы. Экогеосистемы данного уровня взаимодействий характеризуются максимальной деструкцией экологических свойств, повсеместно распространены в пределах
заселенных территорий.
В горнодобывающих районах глубина распространения зоны максимального взаимодействия увеличивается до сотен метров. Карьеры и шахты
формируют обширные как в плане, так и по глубине зоны максимальной
трансформации литосферы.
Данная зона является основным объектом исследований экологической геологии.
2. Средняя зона взаимодействий располагается до глубины 2–3 км, в
горнодобывающих районах – до 7–8 км; представляет собой коренные породы, заключенные в них подземные воды, газы и органику, находящиеся в
пределах зоны реального воздействия крупных наземных и подземных сооружений. К данной зоне приурочены районы шахт по добыче полезных
ископаемых, захоронений токсичных отходов. Экогеосистемы среднего
уровня взаимодействия локальны в разрезе, результаты их проявления на
поверхности имеют в основном геодинамический характер.
3. Нижняя зона пространственно сопряжена с глубинными породами.
Ее воздействие на биоту проявляется путем проявления глубинных геотектонических процессов, таких как разломная тектоника, сейсмичность, вулканизм. Она приурочена к покровно-складчатым областям. Степень проявления нижней зоны на поверхности нередко имеет катастрофический характер. Экологическое влияние активных разломов проявляется в насыщении
приповерхностных отложений глубинными газами. Токсические эманации
оксидов и диоксидов серы, азота, аммиака, радона и др. не только влияют
на экосистемы планеты, но и оказывают неблагоприятное воздействие на ее
основной слой. В настоящее время возбужденная сейсмичность возможна и
в областях платформ.
Лекция 14. Эколого-геологические системы селитебного
класса
Селитебный класс является исторически первичным. В истории человечества его распространение определялось жизненным пространством, т. е.
территорией, необходимой для удовлетворения всех нужд одного человека.
В США при оценке жизненного пространства для общего поддержания качества жизни и отдыха отведено 1 га/чел. Обеспечение необходимого количества промышленного продукта возможно при дополнительной площади 1
га/чел. В настоящее время на 1 человека на Земле приходится 1,5 га жизненного пространства. В пределах крупных поселений людей техногенные
24
преобразования литосферы проявляются в виде снивелированного рельефа,
деградированных почв, сработанных и загрязненных водоносных горизонтов, замусоривания речных долин. Естественное напряженное состояние
грунтов активной зоны деформировано в значительной степени статистическими и динамическими нагрузками. Транспорт и энергетические коммуникации продуцируют техногенные электромагнитные, вибрационные и шумовые ноля. Специфическим высокотоксичным системообразующим фактором является складирование отходов жизнедеятельности человека. Тепловые и геофизические аномалии в приповерхностной части литосферы
проявлены значительно. Наличие комплекса измененных экологических
свойств литосферы определяет состояние городских экосистем. Их видовой
состав значительно ограничен, относительно природных. Селитебному
классу соответствует селективное видовое культивирование биосферы. Так,
в городах широко высаживаются тополя, каштаны, иные деревья, имеющие
декоративное подчиненное значение. Роль энергии, которая фиксируется
растениями селитебных ЭГС, незначительна.
Для населения городов общее состояние компонентов природной среды, включая литосферу, формирует условия экологического риска и кризиса. Это проявляется в значительных уровнях заболеваемости органов дыхания, желудочно-кишечного тракта, онкологическими заболеваниями.
Лекция 15. Эколого-геологические системы промышленного
класса
Промышленный класс природно-техногенных экогеосистем нередко
пространственно совпадает с селитебным. Системы данного класса отличаются высокой долей техногенно преобразованных экологических свойств
литосферы. Им соответствует значительное механическое, химическое и
физическое преобразование всех компонентов: минеральной, водной, газовой и органической. Для данных ЭГС характерно формирование индустриального микрорельефа и микроклимата. Здесь проявляется интенсивное загрязнение атмосферы в виде смогов, инверсий загрязнений, образования тепловых подушек в атмосфере над предприятиями. Наиболее широко относительно всех классов представлен спектр загрязняющих элементов с преобладанием ингредиентов ведущих классов опасности. Регулирование поверхностного стока путем строительства водохранилищ приводит к деградации и отмиранию рек, интенсивному их загрязнению, подтоплению территорий. Экогеологические системы данного класса характеризуются максимальной количественной и качественной деградацией почв. Хроническое
ухудшение свойств почв, разрушение их структуры происходит как в результате прямого загрязнения, так и при их консервировании при повсеместном асфальтировании. Значительное негативное воздействие на экологи25
ческие свойства литосферы оказывают отстойники и накопители вредных
отходов. Технологические циклы последних, как правило, открыты, интенсивно взаимодействуют с грунтами, поверхностными и подземными водами. Подземные захоронения радиоактивных и иных высокотоксичных отходов, связанных с промышленной деятельностью человека, образуют объекты повышенной экологической опасности до глубины 2–3 км.
Высокий уровень техногенного преобразования всех компонентов
приповерхностной части литосферы формирует в целом негативную эколого-геологическую обстановку ЭГС промышленного класса. В результате
отмечается снижение продуктивности экосистем, возникают мутационные
процессы в биосфере. Формируется стойкое ухудшение условий среды обитания высших экосистем.
Лекция 16. Эколого-геологические системы
сельскохозяйственного и лесотехнического типа
Агротехнический класс ЭГС характеризуется собственным набором
преобразования литосферы. Среди них образовавшиеся в результате сельхозработ деградированные почвы. Отмечается процесс повсеместного снижения гумусности и общего плодородия почв. В результате применения отсталых технологий происходит загрязнение почв, развитие неблагоприятных геодинамических процессов: эрозии, суффозии, смыва и т. п. Иногда
происходит значимое перераспределение почв в пределах территорий.
Помимо деградированных почв, агротехнические ЭГС в виде системообразующего фактора содержат рекультивированные почвы. Это почвы с
восстановленным плодородием.
Экологическая функция рассматриваемого класса ЭГС реализуется в
преобладании агроценозов и агробиогеоценозов. Первые представляют собой искусственные экосистемы. Их существование поддерживается комплексом агрохимических мероприятий, таких как вспашка, внесение удобрений и т. д. Агроценозы представляют собой продукты деятельности
крупных хозяйств. Aгробиогеоценозы являются неустойчивыми экосистемами с искусственно обедненными видами естественных биотических сообществ. И те и другие не могут длительно существовать без постоянной
поддержки человека.
Лесотехнический класс экогеосистем играет одну из ведущих ролей в
существовании биосферы. В процессе фотосинтеза в клетках зеленых растений вырабатываются органические вещества и происходит сопутствующее выделение кислорода в атмосферу. Системообразующими факторами,
несущими негативную экологическую нагрузку, являются выведение и
уничтожение лесов в результате естественных и техногенных причин. Процесс лесовоспроизводства представляет собой смену отмирающей лесной
26
растительности, а также появление и развитие леса в местах предварительного его уничтожения. Проявляется лесовозобновление как в виде создания
новых массивов, так и в высадке полос лесных насаждений. Научнообоснованная и грамотно внедренная схема лесовозобновления нивелирует
эрозионные, оползневые, осыпные и многие другие процессы. Фитосфера
способствует формированию благоприятного состояния экогеологических
систем.
Лекция 17. Эколого-геологические системы
водохозяйственного типа
Водохозяйственный класс эколого-геологических систем формируется в результате двух противоположно направленных техногенных воздействий. С одной стороны – строительство и эксплуатация водозаборных и дренажных сооружений. В зависимости от их масштаба формируются депрессионные воронки радиусом от метров до десятков километров. Происходит
сработка, а в некоторых случаях уничтожение водоносных горизонтов.
Эксплуатация водозаборных скважин также способствует увеличению скорости миграции растворенных компонентов. Нередко это приводит к значительному росту гидрохимических и гидрогеохимических аномалий. В границах самой депрессионной воронки образуется зона осушенных почв и
грунтов, что неблагоприятно воздействует на корневую систему растительности, особенно древесной.
Эколого-геологические системы водохозяйственного класса формируются также при строительстве искусственных водоемов, создании оросительных систем и техногенных водотоков. Классическим примером является Воронежское водохранилище. Оно уникально, так как полностью находится в пределах крупной городской агломерации г. Воронежа. Образовавшаяся эколого-геологическая система характеризуется целым комплексом
измененных экологических свойств приповерхностной части литосферы. Ее
мощность соответствует зоне максимального воздействия и для города Воронежа составляет около 50 м. Здесь отмечается загрязнение поверхностной
и подземной гидросферы марганцем, железом, нефтепродуктами, ионами
аммония; формируются патогенные аномалии в донных отложениях; активно проходят процессы абразии берегов, их подтопление, развитие оползневых процессов; широко представлена патогенная микрофлора. В качестве
положительных свойств образовавшейся ЭГС следует отметить, что водохранилище стало источником питьевого водоснабжения.
27
Лекция 18. Эколого-геологические системы
горнодобывающего класса
Горнодобывающий класс природно-технических экогеосистем характеризуется максимально проявленными негативными эколого-геологическими условиями. Характерным системообразующим фактором является
глубинное (до 8 км) механическое, химическое и физическое преобразование литосферы. При добыче полезных ископаемых происходит перемещение объемов вещества, сопоставимое с крупнейшими геологическими процессами. Важным системообразующим фактором является перераспределение глубинного минерального вещества между лито-, гидро- и атмосферами. При открытой добыче полезных ископаемых глубинные породы в виде
буровзрывной пыли покрывают пространства в радиусе до 50 км и более.
Вскрышные породы складируются на поверхности, формируя качественно
новый техногенный рельеф. Последний образует новые площади водосбора,
значительно отличающиеся от первоначальных. Системообразующим фактором ЭГС также являются измененные гидродинамические условия, сопровождающиеся образованием крупных депрессионных воронок. В результате происходит отмирание малых рек, загрязнение и обмеление более
крупных. Отличительным признаком данных ЭГС является образование
техногенных поверхностных водотоков, формирующихся из дренажных вод
карьеров и осветленных вод хвостохранилищ. Системообразующим фактором ЭГС горнодобывающего класса есть отчуждение крупных территорий
почв как под карьеры, так и под отвалы. В некоторых случаях производится
снятие плодородного слоя и его селективное складирование. Однако почвы
в отвалах быстро выветриваются и теряют свои уникальные свойства. Нередко производится бессистемное отвалообразование почв совместно с
вскрышными породами, что приводит к полной потере данного природного
ресурса.
Таким образом, экогеосистемы горнодобывающего класса являются
примером коренной переработки естественных природных условий. Трансформированная литосфера определяет угнетение жизнедеятельности экосистем всех уровней.
Лекция 19. Основные типы эколого-геологических карт
В сравнении с геологическими картами, эколого-геологические обладают своими специфическими особенностями. В учебном пособии
В.Т. Трофимова «Эколого-геологические карты» проведен анализ имеющихся геологических карт экологической направленности, выделены их
общие признаки, по которым проведена классификация карт.
Предлагается по содержанию делить карты на четыре типа: 1) карты
эколого-геологических условий (обстановок); 2) карты эколого-геологиче28
ского районирования; 3) карты эколого-геологические прогнозные; 4) карты
эколого-геологические рекомендательные.
Первый тип карт − карты эколого-геологических условий − отражает
комплекс параметров или отдельные характеристики литосферы, которые
характеризуют возможность воздействия компонентов литосферы на биоту
(человека, фауну, флору, экосистему в целом). Это может быть, например,
загрязненность подземных вод нитратами, развитие экзогенных геодинамических процессов, изменчивость радиационного поля. Эта качественная
информация дополняется сведениями об эндемичных заболеваниях населения, параметрах деградации экосистем и ее биотических компонентов. На
этих картах все необходимые данные отображаются послойно; суммарная
их оценка по степени благоприятности проживания населения или экологического состояния экосистемы не дается.
На картах эколого-геологических условий, синтетических по содержанию, отображают всю совокупность необходимых параметров современной эколого-геологической ситуации. Такие карты являются основной разновидностью карт, комплексно характеризующих эколого-геологическую
обстановку любой территории.
Второй тип карт − карты эколого-геологического районирования. Это
оценочные карты, на которых в тех или иных категориях дается оценка современного состояния эколого-геологических условий, как правило, способом ранжирования их на классы состояний. Карты эколого-геологического
районирования по содержанию могут быть синтетическими и аналитическими.
Карты третьего типа − карты эколого-геологические прогнозные –
отображают пространственно-временной прогноз изменения эколого-геологических условий как в ходе естественной динамики природной среды, так
и в ходе хозяйственного освоения территории. На картах этого типа отражается как комплексный прогноз, так и изменение одного фактора под воздействием определенного вида. Первому случаю отвечает синтетическая,
второму − аналитическая эколого-геологическая прогнозная карта.
Карты эколого-геологические рекомендательные базируются на эколого-геологической и социально-экономической информации. На этих картах в графической форме могут быть отображены рекомендации по широкому кругу вопросов − от рекомендаций по рациональному с экологических
и геологических позиций, использованию территорий до регламентации хозяйственной деятельности и защиты объектов био- и социосферы.
По характеру передаваемой информации на два вида: аналитические – оценивающие ограниченное число показателей эколого-геологических условий, и синтетические – отображающие весь их комплекс, в совокупности определяющий эколого-геологическую обстановку.
По масштабу эколого-геологические карты подразделены В.Т. Трофимовым и Д.Г. Зилингом на обзорные (масштаб мельче 1:1000000−
29
1:500000), среднемасштабные (1:200000−1:50000) и крупномасштабные
(1:25000 и крупнее).
Обзорные и мелкомасштабные эколого-геологические карты имеют
главным образом научное и учебное значение. Среднемасштабные карты
являются основными по масштабу картами, используются непосредственно
при проектировании объектов. Крупномасштабные карты в большинстве
случаев составляются как карты специальные, используются непосредственно при проектировании объектов и экологически ориентированных мероприятиях.
По характеру обновления передаваемого материала авторы выделяют
два типа эколого-геологических карт: карты с фиксированным содержанием
информации и карты с перманентно дополняемой (пополняемой) информацией.
Подавляющая часть эколого-геологических карт, уже составленных и
которые будут составляться и издаваться, относится к первой категории.
Наличие и анализ дежурных эколого-геологических карт позволят получать оперативные и достоверные данные о динамике изменений и уже
сформировавшейся измененности эколого-геологической обстановки. На
этой основе можно будет более обоснованно осуществлять мероприятия по
рациональному, экологически ориентированному использованию территории, а в случае необходимости − управление ею с помощью ограничительных или защитных мероприятий.
Лекция 20. Особенности построения эколого-геологических
карт
В.Т. Трофимовым, Д.Г. Зилингом и Н.С. Красиловой были разработаны и предложены концептуальные основы эколого-геологического картографирования, которые можно рассматривать в качестве методической базы. Цитируя авторов, они включают следующие позиции:
• ранжирование состояния эколого-геологических условий литосферы в целом или ее компонентов должно производиться на согласованное
число классов;
• критериями выделения классов состояния эколого-геологических
условий литосферы и связанных с ними зон экологического состояния экосистем на картах служат ряд показателей, которые разделяются на тематические, пространственные и динамические;
• выделение классов состояния эколого-геологических условий литосферы и зон состояния экосистемы может и должно осуществляться на
основе небольшого числа наиболее представительных показателей, но обязательно с использованием и взаимным учетом тематических, пространственных и динамических критериев оценки;
30
основные требования к геологической основе эколого-геологической карты − отображение на ней показателей, на базе которых возможна
площадная оценка экологического состояния картируемого объема литосферы и разработка прогнозных оценок;
• классификация эколого-геологических карт по содержанию и масштабу должна учитывать все их многообразие и обеспечивать возможность
учета эколого-геологической обстановки при реальном проектировании
экологически ориентированных мероприятий;
• характеристика состояния эколого-геологических условий литосферы или их оценка в тех или иных категориях должны отображаться на
эколого-геологических картах всех типов фоновой цветовой закраской;
• выбор способов отображения на карте интегральной оценки состояния эколого-геологических условий литосферы может проводиться на
основе «суммирования» оценок различных экологических свойств отдельных компонентов литосферы разными способами.
Большинство исследователей придерживаются мнения, что на современном этапе оптимальна четырехранговая структура, предусматривающая
выделение следующих классов: удовлетворительного (благоприятного) состояния, условно удовлетворительного (относительно неблагоприятного)
состояния, неудовлетворительного (весьма неблагоприятного) состояния и
класса катастрофического состояния эколого-геологических условий литосферы. Их характеристика представляется следующей:
а) класс удовлетворительного (благоприятного) состояния экологогеологических условий коррелируется с зоной экологической нормы экосистемы, по Б.В. Виноградову. Значения прямых критериев оценки экологогеологического состояния литосферы ниже ПДК или фоновых (за исключением природных аномалий);
б) класс условно удовлетворительного (относительно неблагоприятного) состояния эколого-геологических условий коррелируется с зоной
экологического риска. Территории требуют разумного хозяйственного использования, планирования и проведения мероприятий по их улучшению.
Значения прямых критериев оценки эколого-геологического состояния литосферы незначительно (до 5 раз) превышают ПДК или фон (кроме природных аномалий);
в) класс неудовлетворительного (весьма неблагоприятного) состояния эколого-геологических условий коррелируется с зоной экологического
кризиса. Необходимо выборочное хозяйственное использование территорий, планирование и оперативное проведение их глубокого улучшения.
Значения прямых критериев оценки эколого-геологического состояния литосферы в 5–10 раз превышают ПДК и фон;
г) класс катастрофического состояния эколого-геологических условий коррелируется с зоной экологического бедствия. Значения прямых кри•
31
териев оценки эколого-геологического состояния литосферы в десятки раз
превышают ПДК и фон.
При использовании предложенного подхода самым важным и принципиальным является даже не столько число выделенных классов состояний эколого-геологических условий, а обязательное сопоставление состояния экосистемы и ее абиотической составляющей (в данном случае литосферы) с ее компонентами. Только тогда обеспечивается экологогеологическая оценка состояния объекта исследований.
Список литературы
Основная литература
1. Косинова И.И. Методы эколого-геохимических, эколого-геофизических исследований и рационального недропользования : учеб. пособие /
И.И. Косинова, В.А. Богословский, В.А. Бударина. – Воронеж : Воронеж.
ун-т, 2004. – 281 с.
2. Косинова И.И. Практикум по экологической геологии / И.И. Косинова. – Воронеж, 1998. – 255 с.
3. Косинова И.И. Теоретические основы крупномасштабных экогеологических исследований / И.И. Косинова. – Воронеж : б. и., 1998. – 255 с.
4. Методические указания по проведению лабораторных работ по курсу «Введение в геоинформационные системы». – Запорожье : ЗГУ, 2000. –
24 с.
5. Трофимов В.Т. Экологическая геология / В.Т. Трофимов, Д.Г. Зилинг. – М. : Геоинформ-марк, 2002. – 415 с.
Дополнительная литература
1. ArcView GIS. Руководство пользователя.
2. Артамонов В.И. Растения и чистота природной среды / В.И. Артамонов. – М. : Наука, 1980. – 173 с.
3. Биоиндикация загрязнений наземных экосистем / под. ред. Р. Шуберта, – М. : Мир, 1988. – 348 с.
4. Бойченко Е.А. Содержание и роль элементов в жизни растений /
Е.А. Бойченко, А.П. Виноградова. – М. : Наука, 1990. – 97 с.
5. Вахромеев Г.С. Экологическая геофизика : учеб. пособие для вузов
/ Г.С. Вахромеев. – Иркутск : Изд-во ИрГГУ, 1995. – 216 с.
6. Вернадский В.И. Биосфера и ноосфера / В.И. Вернадский. – М. :
Наука, 1988. – 520 с.
7. Гальперин А.М. Техногенные массивы и охрана окружающей среды / А.М. Гальперин, В. Ферстер, Х.-Ю. Шеф. – М. : Изд-во МГУ, 1997. –
534 с.
8. Ковальский В.В. Геохимическая экология / В.В. Ковальский. – М. :
Наука, 1994. – 280 с.
32
9. Косинова И.И. Практикум к учебно-полевой практике по экологической геологии / И.И. Косинова, Т.А. Барабошкина; [под. ред. В.Т. Трофимова]. – Воронеж, 2006. – 64 с.
10. Питьева К.Е. Гидрогеоэкологические исследования в районах
нефтяных и газовых месторождений / К.Е. Питьева. – М. : Недра, 1999. –
225 с.
11. Толок А.В. Введение в геоинформационные системы : учебное
пособие / А.В. Толок, В.Н. Щепилов. – Запорожье, ЗГУ, 2000.
12. Требования к эколого-геологическим исследованиям и картографированию: Масштаба 1:50000, 1:25000. – М. : ВСЕГИНГЕО, 1990. – 127 с.
13. Трофимов В.Т. Инженерная геология и экологическая геология:
теоретическо-методические основы и взаимоотношение / В.Т. Трофимов,
Д.Г. Зилинг. – М. : Изд-во МГУ, 1999. – 120 с.
14. Трофимов В.Т. Критерий устойчивости как основа построения оценочно-прогнозных карт / В.Т. Трофимов, Н.С. Красилова // Новые идеи в инженерной геологии: тр. науч. конф., 17–18 сент. 1996. – М., 1996. – С. 85–86.
15. Хмелевской В.К. Геофизические методы исследования земной
коры / В.К. Хмелевской. – Дубна : Международный ун-т природы общества
и человека, 1999. – Кн. 2. : Региональная, разведочная, инженерная и экологическая геофизика : учеб. пособие. – 184 с.
16. Экзарьян В.Н. Геоэкология и охрана окружающей среды /
В.Н. Экзарьян. – М. : Экология, 1997. – 786 с.
17. Экологические функции литосферы / В.Т. Трофимов. – М. : Изд-во
МГУ, 2000. – 432 с.
18. Эколого-геологические карты. Теоретические основы и методика
составления : учебное пособие / В.Т. Трофимов, Д.Г. Зилинг, М.А. Харькина [и др.]; [ под ред. В.Т. Трофимова]. – М. : Высш. шк., 2007. – 407 с.
33
МЕТОДЫ ЭКОЛОГО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Лекция 1. Прединвестиционная экспертиза и маршрутные
обследования при ЭГИ
Крупномасштабные экогеологические исследования – строго целевые,
что предполагает оценку и районирование экогеологической ситуации для
разработки территориальных и отраслевых схем развития, размещения новых производств, районных планировок, разработки приоритетных направлений природоохранной деятельности.
Настоящая методика оценки их состояния основана на комплексном
использовании экспертной оценки и типологическом экогеологическом
районировании территории по количественным признакам.
Выбор системообразующих элементов исследований производится на
основании экспертной оценки территории, которая осуществляется на предынвестиционной стадии. Рассматривается краткая природно-хозяйственная характеристика, обобщается имеющаяся информация по экологическому состоянию элементов геологической среды. Изучаются сведения о существующих и проектируемых источниках воздействия на нее, учитываются
данные об особенностях технологических процессов, осуществляемых в
пределах исследуемых участков. Анализируется имеющаяся информация об
экологических проблемах, возможных аварийных ситуациях. Производится
оценка существующих профилактических и инженерных схем природоохранных мероприятий. В результате обобщения природных данных составляется экспертное заключение о структуре сбора исходной информации, включающей конкретные атрибутные и внешние факторы экологогеологических систем.
Большое значение при ЭГИ имеют маршрутные исследования территории. Они позволяют визуально выявить имеющиеся источники воздействия на компоненты природной среды, оценить с применением экспресс методов анализа степень ее преобразования. Значительный объем информации
можно получить в результате бесед с местным населением. Это ретроспективное описание территории (20–40 лет назад), характеристика уровня техногенного воздействия, эффективность работы муниципальных коммуникаций, оценка качества среды обитания под воздействием антропогенных
факторов и т. п.
Лекция 2. Общая структура эколого-геологических
исследований
Под эколого-геологическими исследованиями (ЭГИ) предлагается понимать систему комплексного изучения литосферы как основного абиоти34
ческого компонента существования биоты. В этой связи при ЭГИ используются базовые методы геологии и сопредельных наук. Экологогеологические исследования (ЭГИ) включают в себя комплекс общегеологческих, биологических и медицинских методов изучения среды. Общая
структура ЭГИ включает несколько этапов:
1. Подготовительный этап, в течение которого производится сбор
имеющихся данных, характеризующих состояние исследуемых экологогеологических систем. Полученная информация систематизируется в виде
специальных карт, отражающих ландшафтное, литохимическое, функциональное и др. типы районирования территории. Данные карты являются основой разработки сети дальнейших ЭГИ, наполнением их последующих
этапов.
2. Полевые работы представляют собой комплекс натурных исследований состояния компонентов литосферы и биоты. При ЭГИ применяется
комплексирование геологических, биологических, медико-статистических и
др. методов. Они включают маршрутное обследование, геоботанические,
горнопроходческие работы, опытно-фильтрационные, геофизические наблюдения и т. п. Среди полевых основными являются горнопроходческие.
Они объединяют комплекс горных работ по изучению геологического разреза и сопутствующей ему экологической информации.
Виды горнопроходческих выработок:
Закопушки – проходятся в приповерхностных горизонтах. Глубина –
первые десятки сантиметров. Метод закопушек широко используется при
ЭГИ, так как уровни эколого-литогеохимических аномалий достаточно часто фиксируются с поверхности.
Шурфы (до нескольких м) – более глубокие горные выработки. Их
основная задача – возможность отбора проб по разрезу зоны аэрации, а
также определение свойств пород в ненарушенном сложении. В этом случае
определение необходимых параметров проводят либо в днище, либо в стенке шурфа. При превышении глубины в 1 м стенки шурфа в обязательном
порядке крепятся. Крепления осуществляются наиболее часто путем обшивания стенок досками. При ЭГИ из шурфов пробоотбор осуществляется для
определения кислотно-щелочных и окислительно-восстановительных параметров системы, влажности пород, наличия загрязняющих компонентов,
пористости и т. п. Визуальные наблюдения в шурфах позволяют фиксировать некоторые виды загрязнений, в частности – нефтепродуктами.
Скважины. Они применяются для решения ряда ЭГ задач:
• фиксирование загрязнения по глубине;
• определение структуры, физико-механических свойств, влажности
пород и т. п.
Гидрогеологические скважины. Очень широко используются при
ЭГИ, т. к. миграция загрязняющих элементов в основном происходит в подземных потоках. В этой связи наблюдаются уровни и направления движе35
ния подземных вод. В зависимости от строения зоны аэрации и водовмещающих пород применяются следующие фильтры:
• Сетчатые. Закладываются в песчаные породы. Представляют собой
кокон из металлической сетки, препятствующий проникновению песчаных
и илистых частиц в откачиваемую воду.
• Щелевой. Применяется в полускальных породах. Представляет собой трубу с щелевидными прорезями, через которые происходит подъем
воды на поверхность.
• Устройство скважин без обсадки ствола. Применяется в полускальных и скальных породах. Верхняя часть скважины, прорезающая рыхлые породы, обсажена металлической трубой, а нижняя часть представляет
собой ствол в естественной породе.
Время и объемы полевых работ определяются наблюдаемым компонентом природной среды и задачами эколого-геологических исследований.
3. Аналитические исследования в рамках ЭГИ выполняются на базе
утвержденных методик с учетом классов опасности вредных веществ, фиксируемых во всех компонентах биогеохимического цикла. Обязательным
условием проведения аналитических исследований является наличие аккредитованных лабораторий, аттестованных на проведение конкретных видов
анализов.
4. Камеральная обработка материалов осуществляется с применением широкого спектра методов систематизации и обработки результатов полевых и лабораторных исследований. Заключается в проведении специальных расчетов, графических построений, математическом и картографическом моделировании.
Лекция 3. Иерархическая классификация ЭГИ
Эколого-геологические исследования представляют собой комплекс
геономических, биологических и медицинских методов, применяемых для
оценки влияния геологических факторов на состояние биоты.
Иерархическая классификация эколого-геологических исследований
континентальной части литосферы основана на соподчинении объектов
изучения, масштабов ЭГИ, комплекса и методов решения задачи. В связи с
тем, что угроза жизни и деятельности биоты формируется на техногенно
преобразованных территориях, основной акцент в иерархии сделан на особенности ЭГИ природно-техногенных эколого-геологических систем. Объектами изучения на различных уровнях ЭГИ являются участки литосферы,
взаимодействующие с соответствующими им проявлениями биоты.
Планетарный уровень организации ЭГИ своим объектом изучения
имеет экогеосферу, представляющую собой совокупность эколого-геологических обстановок.
36
Элементами неоднородности на данном уровне являются материки,
океаны и тропосфера. Первые отличаются строением типа земной коры, весом гидросоставляющей, видом проявления природных и техногенных процессов и явлений. Эколого-геологические исследования на данном уровне
могут быть связаны с изучением планетарных геологических задач существования биосферы.
Глобальный уровень организации эколого-геологических исследований своим объектом изучения имеет складчатые области и платформу. Настоящая схема иерархии рассматривает особенности ЭГИ в пределах континентов как зон максимальной техногенной деятельности человека. Основной
задачей данных исследований является анализ экологических функций литосферы континентов, влияющих на жизнедеятельность крупнейших экосистем. Масштабы глобальных ЭГИ составляют – 1:2 000 000, 1:2 500 000.
Особенностями планетарного и глобального уровней экогеологических исследований является акцент изучения естественных процессов.
На региональном уровне ЭГИ производится изучение экогеоблоков.
Элементами неоднородности являются экогеорегионы, в пределах которых
плотность техногенеза возрастает. Экогеологическим исследованиям подлежат регионы крупнейших мегаполисов, территориально-промышленных
и агропромышленных комплексов. В связи с этим основной задачей ЭГИ
регионального уровня является обеспечение оптимальных условий существования биоты и человека, в частности с региональными участками литосферы. Региональные ЭГИ проводятся в масштабе от 1:1 000 000 до
1:500 000.
Областной уровень организации ЭГИ изучает экогеорегионы с позиции выделения экогеообластей. Масштаб исследований 1:100 000 –
1:200000. По функциональной ориентации выделяются селитебные, промышленные, лесотехнические, агротехнические, водохозяйственные и смешанные ЭГ области.
Районный уровень организации ЭГИ объектом изучения имеет неоднородности, которыми являются экогеорайоны. Масштаб исследований –
1:50 000. Задачей данных ЭГИ является районирование территории по степени благоприятности для жизнедеятельности человека. Начиная с крупномасштабных исследований данного уровня, эколого-геологические исследования преимущественно должны основываться на количественных критериях оценки. Они еще частично наследуют методы исследований среднего масштаба, однако ведущими становятся гидрогеологические, инженерногеологические, геофизические, геокриологические, геоботанические, инженерно-экологические и т. д. Широко применяются социологические, экономические методы и экогеомониторинг.
Наиболее крупномасштабный уровень ЭГИ элементами неоднородности соответственно имеет экогеоплощади и экогеоучастки. Их масштабы
37
соответственно: 1:25 000 – 1:10 000 и 1:5 000 – 1:500. Задачей ЭГИ данных
уровней является геологическое обоснование экологических мероприятий
для выработки управленческих решений по оптимальному функционированию экогеоэлементов отдельных объектов и их частей, в частности в рамках
биотопов.
Лекция 4. Методика отбора снеговых отложений при ЭГИ
Химический состав снеговых отложений отражает многие процессы,
идущие в эколого-геологических системах. Так, свежевыпавший снег, также как и дождевые осадки, аккумулирует загрязняющие вещества, находящиеся в атмосфере. Рассчитывая долю ингредиента, поступающего в экосистему из атмо-, гидро- и литосфер, можно выделить ведущий источник загрязнения, выделить зоны экологического риска и сориентировать комплекс
первоочередных природоохранных мероприятий. Анализ ранее выпавших
снеговых отложений весьма эффективен при обозначении и картировании
источников загрязнения и зоны их влияния. Для таких целей весьма эффективной является рН-съемка, которая может проводиться как в полевых, так
и в лабораторных условиях. Наиболее оптимальной при снеговой съемке
является симметричная сеть опробования, шаг которой определяется масштабом проводимых исследований. Однако в реальных условиях наиболее
часто применяется метод ключевых участков либо радиальная сеть, ориентированная относительно основного источника. Конфигурация сети опробования определяется структурой техносферы. Их сгущение производится в
местах крупных предприятий, транспортных развязок, накопителей и полигонов отходов и т. п. Сеть снеговой съемки должна максимально совпадать
с сетью почвенного отбора, что позволяет коррелировать взаимосвязи состояния данных компонентов природной среды. Время отбора снега определяется поставленной задачей. Так, анализ загрязнения атмосферы на конкретный момент времени проводится путем изучения химического состава
свежевыпавшего снега. Полную информацию о рассеивании вредных веществ в пространстве получают путем анализа всего выпавшего в течение
холодного времени снежного покрова, отбираемого на рубеже зимы и весны (февраль-март). Проба включает весь разрез снеговых отложений из
шурфа, сечение которого определяется его мощностью и весом пробы. Объем пробы на техногенно нагруженных территориях составляет 3 кг, в пределах фоновых участков – до 30 кг. Пробы отбираются в пластиковые мешки либо посуду. После оттаивания снеговой воды ее чистый верхний слой
фильтруется и анализируется по схемам сокращенного химического анализа. Определение рН в лабораторных условиях производится в первой порции оттаявшей воды.
38
Лекция 5. Методика отбора почвенных отложений при ЭГИ
Опробование почвенного покрова должно максимально соответствовать отбору снеговых отложений. При применении геометрической сети
плотность опробования при крупномасштабных ЭГИ составляет 1 проба на
0,5–1 км2. Они отбираются с глубины 0,1 м, 0,2 м методом конверта (рис. 1).
Радиальная сеть опробования предполагает сгущение точек отбора непосредственно в 100–150-метровой зоне влияния источника и последующее их
разряжение при выходе из зоны его влияния. Расстояние между точками
меняется от 50 до 200 м соответственно.
Для изучения вертикальной изменчивости загрязнения, пробы отбираются на всю глубину почвенных горизонтов, что составляет 1–1,5 м. Разрез
почвенных отложений дифференцируется по механическому и химическому
составу. Горизонт А представляет собой верхнюю часть почвенных отложений. Его мощность варьирует от 0,2 до 0,4 м.
Это максимально трансформированный слой, что связано с его
непосредственным контактом с
поверхностью. Горизонт А опробуется при экологических
оценках на следующие компоненты:
• ртуть, мышьяк, кадмий,
цинк, свинец, медь, хром (валоРис. 1. Отбор проб почв методом конверта
вая и подвижная форма);
• нефтепродукты;
• бенз(а)пирен;
• радионуклиды.
Горизонт В наиболее стабилен, отражает особенности химического и
механического состава почв данного участка.
Горизонт С – контакт почв и материнских пород. В химическом составе появляются элементы, характерные для подстилающей основы. Анализируется данный горизонт для определения естественных экологических
условий территории.
Частота отбора определяется строением анализируемой толщи, причем следует отдельно учитывать каждую визуальную дифференцируемую
разность. В полевых условиях производится первичная обработка материала. Вес каждой пробы должен быть не менее 0,5 кг. Пробы просушиваются
до воздушно-сухого состояния, перетираются, пропускаются через сито
диаметром 1 мм, квартуются и подвергаются необходимым аналитическим
исследованиям.
39
Лекция 6. Методические подходы при химическом анализе
почвенных отложений
Полученная в результате полевых работ информация обрабатывается
путем применения физических, химических и компьютерных методов.
Существует несколько форм анализа элементов в почвах и грунтах:
1. Валовая форма. Характеризует суммарное количество химических
элементов, находящихся в твердой составляющей. Определение этой формы содержание элементов производится на ранних этапах ЭГИ, когда необходимо получить полную информацию о химическом составе почв и грунтов. В этом случае применяются симметричные сети опробования. В качестве метода анализа наиболее широко применяется полуколичественный
спектрально-эмиссионный анализ. Полученная информация обрабатывается
и оформляется в виде карт.
2. Воднорастворимая форма определяется для анализа возможности
миграции вещества в виде раствора как в геологической среде, так и по
трофическим цепям. Для определения готовится водная вытяжка из грунта
(1 часть грунта и 5 частей дистиллированной воды). После встряхивания
данной смеси все вещество, способное перейти в раствор при комнатной
температуре, переходит в растворенную форму. Водная вытяжка анализируется, прогнозируется перемещение вещества в раствор. Растворенная
форма составляет от 0,001 до 0,1 от валовой формы вещества.
3. Подвижная форма вещества. Определяется путем кипячения почв
и грунтов с добавкой кислотного буфера. В этом случае в раствор переводятся все элементы, способные принять растворимую форму. В естественных условиях подобные повышения температур и уровень кислотности
встречается в достаточно редких случаях. В качестве примера можно назвать шлакопереработку на предприятиях черной металлургии. Здесь шлаки
выливаются на рельеф при температуре около 700 градусов. Кислотная обстановка создается соединениями серы и серной кислоты.
При экологических оценках по существующим нормативам определяются
валовая и подвижная формы вещества. Подобный подход не отражает реального движения элементов в системе и проникновения их в организмы,
однако он создает запас экологической прочности системы.
Лекция 7. Методика отбора поверхностных вод и донных
отложений при ЭГИ
Сеть поверхностных водотоков опробуется с частотой, определяемой
плотностью техногенной нагрузки. При крупномасштабных экологогеологических исследованиях пробы в среднем отбираются через 1 км. Однако в пределах городских агломераций их плотность увеличивается до
40
0,3 км. Особое внимание при пробоотборе следует обращать на такие элементы техносферы, как ливневые и промышленные сбросы сточных вод,
огородничество в поймах, расположение площадок выпаса скота, стоянок
автотранспорта и т. д. При обнаружении подобных обстоятельств следует
отобрать пробы воды выше и ниже объекта воздействия. В местах впадения
более мелких водотоков в основной следует отбирать пробы в обеих реках
до и ниже места их слияния. Наиболее информативным временем пробоотбора является летняя межень. Максимальные уровни загрязнения фиксируются в паводковый период. В реках пробоотбор производится в стрежневой
части, в искусственных водоемах и водохранилищах – по поперечному
профилю. Застойный режим, образующийся в периферийной части последних, способствует образованию зон высокой степени загрязнения. В подобном случае отбирают не менее 3 проб, из которых две характеризуют прибрежную зону, а одна – стрежневую.
Пробы воды отбираются в стеклянную или пластиковую посуду, которая предварительно промывается отбираемой водой. Объем пробы определяется видами аналитических исследований, изменяется от 1,5 до 3 дм3.
Если химический анализ не может быть выполнен в течение 24 часов, пробы консервируются.
Схема опробования донных отложений привязана к схеме пробоотбора поверхностных вод. Однако при наличии сброса сточных вод отбор донных отложений следует проводить по оси выброса. Отбор осуществляется
специальным проотборником. Общий вес пробы 0,5–1 кг. Донные отложения помещаются в пластиковые пакеты, нумеруются. После просушивания
до воздушно-сухого состояния они перетираются, просеиваются через сито
диаметром 0,5 мм (при дисперсных грунтах) либо диаметром 1 мм (при
тонкозернистом песчано-глинистом грунте). Полученная проба квартуется
и поступает на анализ.
Лекция 8. Биотические методы при эколого-геологических
оценках
Биотические методы включают биолого-медицинские, ботанические,
биохимические, зоологические методы исследований эколого-геологических систем. Медико-санитарные показатели отображают уровень здоровья
человека. Они подразделяются на собственно медицинские и биосубстратные. Медицинские численно могут быть выражены через количество общей
заболеваемости на 1000 человек в течение года, показателям детской заболеваемости, по количеству летальных исходов на определенный отрезок
времени и т. п. Причем, в зависимости от формирующейся эколого-геологической ситуации, рассматриваются различные группы населения:
41
На прединвестиционной стадии эколого-геологических исследований может быть использован метод изучения состояния здоровья репрезентативной группы населения, который дает усредненную информацию медико-экологической ситуации исследуемой территории.
• Оптимальным при исследовании эколого-геологических систем
промышленного и горнодобывающего классов является изучение качественных и количественных критериев профессиональных заболеваний. В
районах развития тяжелой индустрии профессиональным заболеванием является онкопатия. На территориях, характеризующихся чрезвычайной экологической ситуацией, где произошли глубокие необратимые изменения
окружающей среды и отмечается значительное нарушение природного равновесия, применим метод учета летальных исходов.
Наиболее информативным и оптимальным является анализ изучения
состояния здоровья детского контингента. Данный метод дает комплексную
информацию по экологическому состоянию района исследований. В основу
выбора данной группы населения легли следующие причины. Во-первых,
дети «привязаны» к определенной территории, во-вторых, они лишены
профессиональных воздействий, в-третьих, в значительной степени находятся под влиянием факторов внешней среды, реагируют на изменение социальной сферы и экологическую обстановку.
Анализ состояния здоровья населения должен проводиться с учетом
генетических, социальных, экономических факторов, с учетом окружающей
техноструктуры. Доля влияния литосферы на биоту на настоящий момент
не выявлена. Согласно данным Всемирной организации здравоохранения
только на химическую экопатологию приходится 20 % заболеваний, связанных с загрязнением окружающей среды. Иные виды экологических воздействий не фиксируются.
Биосубстратные методы позволяют получить информацию о содержании различных веществ в субстратах человеческого организма, покровных оболочках, продуктах физиологической деятельности. Так, широко используются анализы волос и ногтей, что позволяет косвенно определить
влияния ресурсной и геохимической экологической функции литосферы на
организм.
Ботанические критерии определяют степень деградации отдельных
видов растительности либо растительного покрова в целом. Комплекс данных критериев отражает состояние растительности как биотической основы
экологической пирамиды. При ЭГИ широко используются тератологические и нозологические методы оценок.
Биохимические критерии отображают степень концентрирования различных веществ и соединений в элементах биосистем. Аномальные значения
определяются путем соотнесения полученных концентраций к фоновым значениям элементов либо к их предельно-допустимым концентрациям. Так, ко•
42
эффициент концентрации тяжелых металлов в биоматериале определяется
по следующей формуле:
KK =
C1
,
C2
где С1 – содержание элемента в растениях (мг/кг); С2 – фоновые концентрации вредных веществ (мг/кг).
Зоологические критерии используются при наличии показателей состояния животного мира. К количественным показателям относятся: число
заболевших животных на 100 голов, общая численность, падеж и т. п. Тератологические зоологические показатели анализируются при изучении водной формы. Несомненно, что данная информация должна использоваться
при эколого-геологических исследованиях, однако ее интерпретация требует привлечения соответствующих специалистов.
Лекция 9. Методы полевых тератологических наблюдений
Тератологические методы основаны на изучении коэффициента симметрии листа травянистой растительности. В естественных условиях, с благоприятными для растительности показателями среды, листовая поверхность имеет симметричную относительно оси форму. Наличие негативных
факторов воздействия формирует различную степень асимметрии. В качестве количественного критерия, способного отобразить данный процесс,
предлагается коэффициент симметрии (КС), который равен:
KС =
S1
× 100 % ,
S2
где S1 – площадь большей относительно оси поверхности листа (см2); S2 –
площадь меньшей относительно оси поверхности листа (см2).
Определение состояния литосферы по морфологическим показателям
является экспресс-методом, который достаточно прост, не требует больших
временных и материальных затрат. Для эколого-тератологических исследований
морфологических показателей растений, в частности, метода оценки состояния
литосферы по коэффициенту симметрии листовой пластинки, целесообразно
использовать одуванчик лекарственный и подорожник ланцетолистный. Эти
растения широко распространены, типичны для зоны Центрального Черноземья, доступны для сбора, цитогенетически изучены, поэтому могут служить
тест-объектами для мониторинга состояния среды. Использование одуванчика и подорожника (многолетние травянистые) имеет ряд преимуществ.
Они, в отличие от древесных растений, имеют короткий (1 год) период
созревания. Более быстрая смена поколений позволяет наблюдать изменения их характеристик, определять устойчивость или нестабильность
43
показателей и возможность адаптации к условиям среды. В отличие от однолетних травянистых растений, одуванчик и подорожник могут накапливать
определенные дозы загрязнителей среды – мутагенов (ионизирующей радиации, тяжелых металлов). Как многолетники они могут накапливать некоторые
концентрации данных веществ и являться растениями-биоиндикаторами. Влияние тяжелых металлов на зеленые растения велико, поскольку они оседают
на поверхности почвы и имеют тенденцию накапливаться в ее верхних
слоях. Являясь устойчивыми к выщелачиванию и распаду, тяжелые металлы
всасываются через корневую систему растений и способны в них аккумулироваться. Выхлопные газы автотранспорта, содержащие свинец, оседают на листьях растений. При выпадении атмосферных осадков часть загрязняющих веществ с листьев смывается в почву, а часть усваивается растением, затем
с растительным опадом поступает в почву. В итоге эти вещества поступают
через корневую систему в растения.
Для проведения наблюдений отбирается с одной площадки не менее
20 листов подорожника, на которых с помощью палетки проводятся необходимые замеры. Площадки наблюдений должны иметь равные показатели
влажности и освещенности. Привлечение травянистой растительности позволяет выявить наиболее значимые корреляционные взаимосвязи, характерные для геохимических процессов. Для образцов, отобранных с площадки, высчитывается среднее значение КС, листовой покров сжигается и подвергается спектральному анализу.
Лекция 10. Тематические критерии при оценке экологогеологических обстановок
Пространственные критерии могут быть использованы при наличии
любой тематической информации. Они рассчитываются по формуле:
KИ =
S1
× 100 % ,
S2
где КИ – коэффициент изменения территории по одному либо группе критериев (%); S1 – площадь участков, отличающихся от естественных значений
по величине характеризующих показателей (км2); S2 – общая площадь участков исследуемой территории (км2).
Для расчета пространственных показателей исследуемую территорию
разбивают на сеть квадратов, размер которых зависит от масштаба ЭГИ.
Так, при масштабе 1:25 000 – сторона квадрата 0,5 × 0,5 км, при 1:100 000 –
2 × 2 км, при 1:200 000 – 4 × 4 км. В каждом квадрате рассчитывается Ки,
далее методом интерполяции строится карта динамики территории по любой из групп показателей.
44
Динамические критерии используются при необходимости анализа скорости нарастания негативных изменений природной среды. В подобных случаях рассчитываются коэффициенты, показывающие их приращение на исследуемых участках в единицу времени. В качестве анализируемых параметров могут использоваться следующие: увеличение площади разрушенных экосистем, уменьшение годичной растительной продукции, увеличение площади
сбитых пастбищ, увеличение площади эродированных земель, увеличение
площади засоленных почв, увеличение площади подвижных песков и т. п.
Рассматриваемый подход к эколого-геологическим исследованиям
предполагает соотнесение состояния биоты и компонентов литосферы. Наложение этих двух блоков информации позволяет вычленить участки, где
состояние биоты обусловлено влиянием литосферных факторов. Остальные
участки, в пределах которых будет фиксироваться деградация биоты на общем фоне благоприятного состояния почв, горных пород, донных отложений, подземных вод, геополей, геологических процессов и явлений, должны
рассматриваться специалистами иных направлений. Подобный подход является новым направлением в экологическом картировании и позволяет вычленить участки, являющиеся объектами изучения экологической геологии.
В их пределах необходимо проведение детальных ЭГИ, создание систем
эколого-геологического мониторинга, построение постоянно действующих
моделей эколого-геологических систем.
Лекция 11. Методы расчета фоновых значений при ЭГИ
Фоновыми называются естественные показатели системы, характерные для ее ненарушенного состояния. Фоновые значения формируются исторически, в результате воздействия климатических, географических и геологических факторов. Они являются основой для сравнения при оценках любой территории.
Получить фоновые значения для расчетов можно несколькими методами:
1. Использование литературных и фондовых данных на момент,
предшествующий техногенному освоению исследуемой территории.
2. Региональные фоновые значения, характерные для конкретного
региона, определяются в заповедных, удаленных от техногенного воздействия, местах.
3. Расчетные и графические методы получения фоновых значений.
Широко применяется определение фоновых концентраций элементов в подземных водах методом гистограмм. Загрязнение подземных вод оценивается путем сравнивания их фонового состояния с существующими геохимическими параметрами. В процессе применения метода гистограмм в качестве фоновых концентраций принимаются наиболее распространенные, т. е.
45
% встречаемости
те значения парамет40
ров, которые наиболее
35
часто встречаются в
30
выборке. Они счита25
ются типичными для
20
изучаемой территории.
15
Гистограмма представ10
ляет собой метод гра5
фического отображе0
ния плотности распре0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
деления случайной веКонцентрация NO3, мг/л
личины р(х). Она фиксирует вероятность поРис. 2. Гистограмма концентраций нитратов в подземных водах горнодобывающего района
падания случайной величины х в заданный
интервал. Гистограмма строится по выбранному для анализа компоненту.
Выборка предварительно делится на группы с близкими значениями показателей. Например: от 0 до 100 мг/л, от 100 до 200 мг/л и т. п. Далее рассчитывается процент встречаемости каждой группы, что отображается на графике. Ведущая группа может дополнительно дробиться для выделения значений показателей, представленных максимально. Штриховкой показывается интервал максимально встречающихся концентраций данного компонента, который считается фоновым значением концентраций (рис. 2).
4. При отсутствии перечисленных способов получения фоновых значений они рассчитываются по минимальным значениям концентраций токсичных химических элементов, встречаемых на участке обследования.
Лекция 12. Методика построения оценочных экологогеологических карт
Оценочные эколого-геологические карты характеризуются широким
многообразием по виду оцениваемого компонента ЭГС. Методом картографических построений может оцениваться как состояние отдельных показателей экологических функций литосферы, так и их комплекс. В связи с поставленной задачей в основу их составления ложатся различные категории
оценок.
Проблема формирования критериев эколого-ресурсной оценки находится в стадии разработки. Показателей, оценивающих содержание биофильных макро- и микроэлементов в приповерхностной части литосферы,
практически не существует. Среди них можно отметить элементы группы
дефицита. Так, в пределах отдельных участков имеется четкая информация
о недостатке фтора, йода, железа и др. В этих случаях оценки проводятся в
46
сравнении с кларковыми или фоновыми значениями элементов. Рассматривая ресурсную экологическую функцию литосферы с позиции минеральных
ресурсов, необходимых для развития человеческого общества, широко используют показатель истощения минерального ресурса (Мр). Он рассчитывается по соотношению минерального ресурса (разведанные и готовые к
эксплуатации полезные ископаемые) к общему числу населения на конкретный момент времени.
При составлении оценочных эколого-геохимических карт применяются
методики ЦРГЦ и В.Т. Трофимова, которые базируются на суммарном показателе загрязнения и суммарном показателе концентраций. При оценке
учитываются показатели фоновых концентраций, ПДК элементов, при биогеохимических оценках – коэффициент концентраций. Причем для гидро- и
биосфер количественные показатели критериев оценок дифференцируются
в зависимости от класса опасности загрязняющего элемента.
Оценочные эколого-геодинамические карты характеризуются набором оценочных критериев, отличающихся для отдельных абиотических
сред и ситуаций. Широко используется комплекс показателей, оценивающих эколого-геологическое состояние рельефа территории, преобразующегося под воздействием природных и техногенных процессов. Выделяют:
площадные критерии (по расчету коэффициента нарушенности площадей,
в %); энергетические (по объемам и скоростям перемещения горных пород);
динамические (скорость нарастания негативных нарушений). Достаточно
широко используется карта оценки пораженности территории экзогенными
и инженерно-геологическими процессами. Данная картографическая модель позволяет выделить зоны, характеризующиеся различной плотностью
проявления процессов, дает качественную и количественную оценку эколого-геодинамической обстановки. Карта строится на основе матричного деления исследуемой территории с расчетом коэффициентов пораженности
для каждого элемента матрицы. Эколого-гидрогеодинамические карты позволяют дать оценку эффективности эксплуатации водоносных горизонтов.
Глубина залегания водоносного горизонта является важным показателем
его качества и возможности самовосполнения. При работе водозаборных
сооружений образуются депрессионные воронки, представляющие собой
некий объем геологического пространства, осушенный при добыче подземных вод.
Эколого-гидрогеодинамическая оценка основана на критерии глубины развития депрессионной воронки. Методика оценки уровня сработки
водоносного горизонта основана на следующих критериях:
1. Допустимая сработка уровня – при глубине депрессионной воронки < 40 % мощности водоносного горизонта;
2. Состояние экологического риска – при глубине депрессионной воронки, составляющей 40 % < h < 60 % мощности водоносного горизонта;
47
3. Сработка уничтожения водоносного горизонта – при глубине воронки > 60 % его мощности.
Для построения оценочных эколого-геофизических карт могут быть
предложены легенды, основанные на оценке экологического воздействия
природных геофизических и техногенных физических полей на биоту и живые организмы. При этом в качестве критериев эколого-геофизического состояния изучаемой территории (литосферного пространства) можно использовать как экологически значимые уровни физического воздействия, так
и нормированные аномалии (экологически значимые контрастности аномалий) природных геофизических и техногенных физических полей.
Экологически значимые уровни физического воздействия наиболее
четко можно определить для техногенных физических полей. Так, например, для человека они могут быть установлены в соответствии с имеющимися санитарными нормами, определяющими безопасность проживания
людей на конкретной территории. Для экосистем они определяются в соответствии с экологическими и биофизическими оценками состояния фито- и
биоценозов в зависимости от интенсивности и продолжительности физического воздействия. В том случае, если необходимо оценить уровень синергетического воздействия различных физических полей на экосистемы и живые
организмы, можно использовать подход, позволяющий определить суммарную контрастность техногенных аномалий, приведенных к фону.
Экологически значимые контрастности аномалий природных и техногенных физических полей могут быть рассчитаны на основе использования сведений об экологически безопасных (нормальных) значениях измеряемых физических полей (экологически нормального фона) AН. В легенде
указываются четыре класса эколого-геофизического состояния литосферы:
«удовлетворительное», «условно удовлетворительное», «неудовлетворительное», «катастрофическое».
Лекция 13. Методы эколого-геологического районирования
территорий
Карты эколого-геологического районирования представляют собой
вид оценочных карт. Здесь объектом эколого-геологического картографирования являются сложные образования, включающие приповерхностную
часть литосферы, элементы техносферы, биосферы, их свойства и системы
наблюдения. Структура картографирования представляет собой последовательное вовлечение в процесс все более сложных отношений между эколого-геологическими объектами естественной и искусственной природы, их
характеристиками. На первом уровне районирования систематизируются
первичные наблюдения, осуществляемые на начальной стадии ЭГИ. Основным родом карт на данном уровне являются карты фактического материала.
48
Второй уровень, предполагающий усложнение информации, осуществляется путем сравнения оценки состояния эколого-геологических систем. Процесс обобщения всего объема информации воплощается в виде создания
карты эколого-геологического районирования путем совмещения и «просвечивания» всех построенных карт. Наиболее эффективным при этом является использование программно-технологических средств электронной
картографии, а также интегрированного анализа данных на базе геоинформационных систем. Подобные картографические работы также можно осуществлять и на бумажных носителях.
Карта строится в семафорном варианте: состояние экологического
бедствия фиксируется коричневым цветом, состояние экологического кризиса показывается красным цветом, экологического риска – желтым, экологической нормы – зеленым. Легенда, как логическая классификационная
основа эколого-геологической карты, фиксирует ее объект, предмет и определяет семантику. Оценка состояния рассматриваемых эколого-геологических систем базируется на медико-санитарных параметрах. В этой связи наличие хотя бы одного фактора, характеризующегося кризисными значениями либо значениями экологического бедствия, определяет территорию в целом в разряд соответствующих градаций оценки.
Таким образом, при построении карты вначале выделяют зоны экологического бедствия, кризиса и риска. Участки, отнесенные к экологической
норме, характеризуются значениями факторов, максимально приближенных
к природным, обеспечивающим равновесие между живой и неживой природой. В окончательном виде зональность определяется по ведущему фактору: во-первых, наличием фактологических пространств с максимальным
уровнем негативного воздействия (зоны бедствия и кризиса); во-вторых – с
минимальным уровнем (зоны экологической нормы) и, в-третьих, – промежуточные – зоны экологического риска.
Цифровой язык ЭГК предполагает использование цифровых и буквенных изображений. Римскими цифрами указывается зона (I – экологического бедствия, II – экологического кризиса, III – экологического риска,
IV – экологической нормы), греческими – наличие сопутствующих факторов. Ведущие факторы определяют оценку состояния ЭГС, а сопутствующие являются дополнительной информацией. Буквенные значения, определяющие качественную характеристику критериев оценки, ставятся после
цифровых обозначений. Так, индекс II ГИ 3ДВ должен быть прочтен следующим образом: территория оценивается как находящаяся в состоянии
экологического кризиса. Ведущими критериями оценки являются максимальное загрязнение почв (Г) и максимальный модуль техногенной нагрузки (И). Дополнительно (3) ЭГС испытывает вредное воздействие эрозионных процессов (Д), фиксируется загрязнение биоты (В). По этим показателям
она может быть отнесена к категории экологического риска. Численные зна49
чения параметров, соответствующие выделенным таксономическим единицам, приводятся в условных обозначениях.
Карты эколого-геологического районирования являются базовыми
для последующих прогнозов и рекомендаций. Для повышения их эффективности они должны быть выведены в виде картографических постоянно
действующих моделей.
Лекция 14. Методика дистанционных эколого-геологических
исследований
Эколого-геологический мониторинг первых трех иерархических уровней ЭГИ базируется на данных аэрокосмических наблюдений. В 2001 г. закончился 15-летний полет пилотируемой орбитальной станции «Мир»,
осуществившей большой объем наблюдений. В настоящее время запущен
проект «Ураган», использующий космическую цифровую фотографию. Высокая оперативность съемки при использовании данной техники дает возможность изучать быстро протекающие процессы, включая природные и
техногенные катастрофы. Базовую информацию для современного мониторинга эколого-геологических систем представляют наблюдения и съемки,
выполненные В.В. Рюминым, Г.М. Гречко, В.В. Коваленком, А.С. Иванниковым, В.П. Савиных в 1974–1979 гг. Современные наблюдения включают
четыре блока: водное хозяйство, лесная служба, геология и экология. Проводится мониторинг природных эколого-геологических систем, позволяющий фиксировать аномальные проявления экологических функций литосферы. Среди них:
• геофизические – извержения вулканов и землетрясения;
• геодинамические – гравитационные селевые лавины, эрозия, абразия и т. п.;
• ресурсные – торфяные пожары, разливы нефти, выходы подземных
вод и т. п.;
• детально рассматриваются возможности возникновения, проявления и последствия техногенных катастроф. Состояние биосферы отслеживается по ряду показателей: миграция, степень деградации, влияние человека на иные экосистемы и т. д.
Так, наблюдения за извержением вулкана Этна на острове Сицилия в
июле 2001 г. позволило установить, что основным очагом является не главный кратер, а боковой источник. Снимки разломной тектоники склонов о.
Сарез в 2001 г. позволили сделать вывод о его устойчивости. Данное озеро
возникло в 1911 г. при обвале горных пород и подпруживании р. Мургаб.
В настоящее время в озере накопилось более 15 км3 воды. Оно представляет
собой природный объект, который при прорыве может привести к серьезной экологической катастрофе. Космический эколого-геологический мони50
торинг данного объекта позволяет прогнозировать развитие ситуации. Важным элементом исследований являются наблюдения за пульсирующими
ледниками. Наиболее показательным примером возможностей дистанционного ЭГМ является периодическая съемка района месторождения углеводородного сырья в Прикаспии. Здесь прогнозируется катастрофическая ситуация, что подтверждается недавней гибелью десятков тысяч тюленей в Каспийском море. При добыче нефти в Казахстане, в течение долгих лет, образовались разливы водно-нефтяных озер. Их размеры изменяются от нескольких сотен метров до 2–3 км. Стекая в Каспийское море, они становятся источником его катастрофического загрязнения.
Большое значение приобретает применение космометодов при съемках промышленных районов России в зимнее время. Четко фиксируются
ореолы загрязнения, как от отдельных труб, карьеров, так и от всей промзоны в целом. Эффективными являются также наблюдения смогов над крупными городами и федеральными дорожными магистралями. Высокая степень разрешаемости космоснимков (до 5 м), их оперативность делает данный метод ЭГМ одним из наиболее эффективных. Однако высокая стоимость работ не позволяет всем заинтересованным лицам пользоваться его
результатами.
Лекция 15. Методы стационарного ЭГМ
Экогеомониторинг территории экогеорайонов осуществляется по
трехмерной сети наблюдений, учитывающей пространственно-временные
координаты локальных точек. Каждая из них характеризуется некоторыми
параметрами: х, у, t.
Оптимальная и рациональная сеть включает системы стационарных и
мобильных наблюдений.
Стационарная сеть наблюдений представляет собой постоянные в
пространстве и времени локальные наблюдения. Их основной задачей является долговременное прослеживание экогеоситуации по ключевым участкам и на границах зон экогеологической оценки территории. Данная сеть
стационарных наблюдений включает:
• площадки экогеомониторинга;
• наблюдательные створы;
• отдельные точки наблюдений.
Площадки комплексного ЭГМ располагаются в местах проявления
неоднородности экогеосистем, характеризующихся длительно выраженными во времени либо катастрофическими негативными экогеологическими
ситуациями. Они представляют собой участки площадью 5 × 5 метров, в
пределах которых размещаются элементы наблюдений: площадка почв,
гидрогеологическая скважина, элементы растительности, емкость для сбора
51
атмосферных осадков, прибор для определения направления ветра. Наблюдаются: литосфера, почвы, растительность и подземные воды, атмосфера.
Фиксируются деградационные процессы в биосфере, осуществляется систематический контроль состояния здоровья населения. Состояние фоновых
территорий также наблюдается с помощью стационарных площадок ЭГМ.
Лесной массив
Ве
кт
ор
ор
кт
Ве
ЭГ
М
Источник загрязнения
ЭГ
М
Ре
ка
Населённый пункт
Рис. 3. Векторная система ЭГМ
Вторым конструктивным элементом стационарной сети ЭГМ являются наблюдательные створы. Они представляют собой отдельное линейное
пересечение геологической среды, выполненное в вертикальной плоскости.
Такие наблюдения, в частности, проводятся в скважинах, наблюдающих литосферу, грунтовые и подземные воды. Согласно Ю.М. Зинюкову, данная
система получила название векторной (рис. 3).
По основному вектору А располагаются точки наблюдений, фиксирующих максимальное воздействие источника 1 на подземные и поверхностные воды. Вектор В в данной ситуации объединяет наблюдения за распространением загрязнения вдоль потока подземных вод, определяет влияние розы ветров на миграцию загрязняющих элементов по поверхности.
Отдельные точки стационарных наблюдений предлагается располагать на контакте зон оценки экогеологического состояния территории. В зависимости от существующей проблемы в стационарных точках могут осуществляться наблюдения по любому необходимому параметру природного
и техногенного характера.
52
Основной задачей стационарной сети ЭГМ является локализация
процесса в пространстве, обеспечение достоверной и оперативной информации о состоянии эколого-геологических систем в необходимом объеме.
Лекция 16. Эколого-геофизический мониторинг
Эколого-геологический мониторинг, направленный на изучение аномалий природных и техногенных геофизических полей, оказывающих экологически значимое воздействие на состояние фитоценозов, биоты и здоровье человека, можно назвать эколого-геофизическим мониторингом
(ЭГФМ). Организация системы ЭГФМ подразумевает многоуровневое комплексирование геофизических методов различной технологической основы – дистанционных (аэрокосмических), наземных, водных и скважинных.
Такого рода комплексирование позволяет охватить весь круг задач общего
мониторинга и предусмотреть проведение специального мониторинга с определенными конкретными целями или на ключевых участках по более детальной, в сравнении с общим мониторингом, программе.
Дистанционные технологии ЭГФМ позволяют изучать особенности
изменения природных геофизических полей крупных регионов под влиянием антропогенного воздействия, выявлять экологически значимые аномалии этих полей, обусловленные отдельными промышленными и сельскохозяйственными предприятиями, выявлять опасные источники физического
загрязнения.
Наземные и водные технологии ЭГФМ включают комплексные режимные наблюдения на эталонных или ключевых участках территорий, на
акваториях рек и озер, выполняемые в региональных или детальных масштабах. Целью наземного ЭГФМ является изучение воздействия аномалий
природных и техногенных геофизических полей на состояние биоты и здоровье людей.
Подземные технологии ЭГФМ используют комплексные геофизические наблюдения в скважинах, шахтах и других горных выработках. Эти
технологии позволяют решать широкий круг эколого-геофизических задач:
дозиметрический контроль подземных разработок радиоактивного минерального сырья, мониторинг экологически опасного напряженно-деформированного состояния горных массивов, аномально высоких пластовых давлений, радонового загрязнения горных выработок; выявление опасных температурных, вибрационных, акустических, электромагнитных аномалий,
вызывающих негативные последствия для работающих в горных выработках людей.
Технология режимных наблюдений при проведении ЭГФМ предполагает использование традиционной аппаратурной и приборной базы инженерно-гидрогеологической и экологической геофизики с добавлением специальных приборов для регистрации природных и техногенных геофизиче53
ских полей. Важнейшей задачей эколого-геофизического мониторинга является контроль геофизических параметров окружающей среды, непосредственно влияющими на человеческий организм (например, температура, барическое давление, сейсмичность и т. д.).
Конфигурация наблюдательной сети при проведении специального
мониторинга должна максимально отвечать целевым установкам и обеспечивать полноту сбора информации. Желательно, чтобы наблюдательная
сеть, организованная для проведения специального мониторинга, входила
как составная часть в сеть общего мониторинга при параллельном осуществлении мониторинга обоих рангов. Используются следующие схемы проведения наблюдений:
• непрерывные или равномерно распределенные во времени измерения, служащие для оценки характера протекания процессов, плавно меняющихся в течение продолжительных отрезков времени;
• измерения, проводимые в некоторые выбранные моменты времени. Обычно это сезонные наблюдения, фиксирующие изменения экологической обстановки в связи со сменой времен года, или циклы наблюдений, согласующиеся, например, с некоторыми природными процессами или с технологическими особенностями производства;
• нерегулярные измерения. Время их проведения заранее не фиксируется, а определяется сообразно решаемым задачам или обстановке; такой
режим проведения геофизических измерений характерен по большей части
для специального мониторинга. Его цель – выявление закономерностей
протекания вполне определенных процессов и явлений или изучение обстановки на ограниченных по площади участках или на конкретных природных и технических объектах;
• измерения, проводимые в чрезвычайных случаях и имеющие целью
установления закономерностей во взаимодействии компонентов природных
и природно-технических систем в неординарных условиях.
Лекция 17. Комплексирование эколого-геофизических и
эколого-геохимических исследований
Совместное применение геохимических и геофизических методов позволяет повысить информативность эколого-геологических исследований,
существенно сократить время и объем их проведения, снизить стоимость
наблюдений. Геофизические и геохимические исследования могут выполняться с поверхности земли, в пределах акваторий поверхностных водоемов
и в скважинах. Примером подобных комплексных наземных и аквальных
геофизических и геохимических исследований являются наблюдения вблизи бассейнов-отстойников очистных сооружений.
Целью проводимых исследований является изучение условий загрязнения подземных и поверхностных вод, прослеживание лент тока загряз54
ненных вод в толще водопроводящих аллювиальных отложений и определение мест их разгрузки в русле реки, прогноз их влияния на водные экосистемы.
При значительных утечках сточных вод из бассейнов-отстойников
поток их будет искажать природное поле фильтрации грунтовых вод, для
которых река является естественной дреной, и формировать водотоки,
транспортирующие загрязненную воду от бассейнов очистных сооружений
к месту их разгрузки в русло реки. В зонах разгрузки будут наблюдаться устойчивые техногенные аномалии геохимических полей.
Определение участков разгрузки и трассирование лент тока загрязненных подземных вод осуществляется комплексом аквальных и наземных
геофизических методов. Геохимическая «заверка» геофизических аномалий
выполняется с помощью отбора проб для последующего лабораторного
анализа. Использование метода ЕП, с целью выявления участков разгрузки
загрязненных подземных вод, сводится к выявлению аномалий потенциала
естественного электрического поля, формирующихся при фильтрации воды
через проницаемые участки в дне реки. Величина электрического фильтрационного потенциала в проницаемой среде определяется характером смещения подвижной части двойного электрического слоя на контакте твердой
и жидкой фаз. При этом в направлении движения фильтрационного потока
происходит вынос положительных ионов, тогда как отрицательные ионы
остаются, удерживаемые положительными ионами твердой фазы. Таким
образом, места водопритоков (разгрузки) отображаются положительными
аномалиями потенциала естественного электрического поля.
Применение резистивиметрии и термометрии для выявления участков
разгрузки загрязненных вод основано на отличии их удельного электрического сопротивления и температуры от аналогичных параметров речной воды. Загрязненные воды очистных сооружений, как правило, имеют более
высокую по сравнению с речной водой минерализацию и температуру (в
летнее время). В этой связи места их разгрузки отображаются уменьшением
удельного электрического сопротивления и увеличением температуры воды
по сравнению с фоновыми значениями этих параметров.
Повышенная минерализация загрязненных подземных вод приводит к
уменьшению удельного электрического сопротивления водопроводящих
пород. Поэтому ленты тока из очистных сооружений могут выделяться в
виде аномалий пониженных значений кажущегося сопротивления на графиках электропрофилирования, выполняемого вдоль поймы реки вкрест предполагаемому направлению фильтрации.
55
Лекция 18. Методы расчета ЗСО водозаборов
Зоны санитарной охраны (ЗСО) организуются на всех водопроводах,
вне зависимости от ведомственной принадлежности, подающих воду как из
поверхностных, так и из подземных источников.
Основной целью создания и обеспечения режима в ЗСО является санитарная охрана от загрязнения источников водоснабжения и водопроводных сооружений, а также территорий, на которых они расположены. ЗСО
организуются в составе трех поясов: первый пояс (строгого режима) включает территорию расположения водозаборов, площадок всех водопроводных сооружений и водопроводящего канала. Его назначение – защита места
водозабора и водозаборных сооружений от случайного или умышленного
загрязнения и повреждения. Второй и третий пояса (пояса ограничений)
включают территорию, предназначенную для предупреждения загрязнения
воды источников водоснабжения.
Санитарная охрана водоводов обеспечивается санитарно-защитной
полосой.
В каждом из трех поясов, а также в пределах санитарно-защитной полосы, соответственно их назначению, устанавливается специальный режим
и определяется комплекс мероприятий, направленных на предупреждение
ухудшения качества воды.
Организации ЗСО должна предшествовать разработка ее проекта, в
который включается:
а) определение границ зоны и составляющих ее поясов;
б) план мероприятий по улучшению санитарного состояния территории ЗСО и предупреждению загрязнения источника;
в) правила и режим хозяйственного использования территорий трех
поясов ЗСО.
Определение границ ЗСО и разработка комплекса необходимых организационных, технических, гигиенических и противоэпидемических мероприятий находятся в зависимости от вида источников водоснабжения (подземных или поверхностных), проектируемых или используемых для питьевого водоснабжения, от степени их естественной защищенности и возможного микробного или химического загрязнения.
Факторы, определяющие ЗСО
Дальность распространения загрязнения зависит от:
• вида источника водоснабжения (поверхностный или подземный);
• характера загрязнения (микробное или химическое);
• степени естественной защищенности от поверхностного загрязнения (для подземного источника);
• гидрогеологических или гидрологических условий.
При определении размеров поясов ЗСО необходимо учитывать время
выживаемости микроорганизмов (2-й пояс), а для химического загрязне56
ния – дальность распространения, принимая стабильным его состав в водной среде (3-й пояс).
Другие факторы, ограничивающие возможность распространения
микроорганизмов (адсорбция, температура воды и др.), а также способность
химических загрязнений к трансформации и снижение их концентрации под
влиянием физико-химических процессов, протекающих в источниках водоснабжения (сорбция, выпадение в осадок и др.), могут учитываться, если
закономерности этих процессов достаточно изучены.
Границы первого пояса ЗСО. Водозаборы подземных вод должны
располагаться вне территории промышленных предприятий и жилой застройки. Расположение на территории промышленного предприятия или
жилой застройки возможно при надлежащем обосновании. Граница первого
пояса устанавливается на расстоянии не менее 30 м от водозабора – при использовании защищенных подземных вод и на расстоянии не менее 50 м –
при использовании недостаточно защищенных подземных вод.
Граница второго пояса ЗСО определяется гидродинамическими расчетами, исходя из условий, что микробное загрязнение, поступающее в водоносный пласт за пределами второго пояса, не достигает водозабора.
Основными параметрами, определяющими расстояние от границ второго пояса ЗСО до водозабора, является время продвижения микробного загрязнения с потоком подземных вод к водозабору (ТМ). При определении
границ второго пояса ТМ принимается по табл. 1.
Таблица 1
Время Тм расчет границ 2-го пояса ЗСО
ТМ (в сутках)
№
Гидрогеологические условия
В пределах В пределах
I и II кли- III климаматических тического
районов
района*
1 Недостаточно защищенные подземные воды
(грунтовые воды, а также напорные и безнапорные межпластовые воды, имеющие непосредственную гидравлическую связь с открытым водоемом)
400
400
2 Защищенные подземные воды (напорные и
безнапорные межпластовые воды, не имеющие непосредственной гидравлической связи
с открытым водоемом)
200
100
* Климатические районы в соответствии с действующими СНиП
57
Граница третьего пояса ЗСО, предназначенного для защиты водоносного пласта от химических загрязнений, также определяется гидродинамическими расчетами. При этом следует исходить из того, что время движения химического загрязнения к водозабору должно быть больше расчетного ТХ.
ТХ принимается как срок эксплуатации водозабора (обычный срок
эксплуатации водозабора – 25–50 лет).
Если запасы подземных вод обеспечивают неограниченный срок эксплуатации водозабора, третий пояс должен обеспечить соответственно более длительное сохранение качества подземных вод.
Лекция 19. Эколого-геологический мониторинг полигонов ТБО
Ре
ка
0,
5
км
Проблема отходов в настоящее время является весьма актуальной.
Один человек производит в день 1,2 кг отходов, но с учётом торговых операций этот объем увелиN
чивается до 8 кг. В Моск№1
W
E
ве в настоящее время
S
функционирует 111 полигонов, а в Воронеже – 2
(в селе Малышево – в отработанных карьерах семилукских глин, в Тамбовском карьере песка – в
Полигон
северном районе). Оба
ТБО
полигона расположены в
пределах первой надпойменной террасы р. Дон. В
№2
Воронежской области зафиксировано 230 полигонов ТБО. В основном система заполнения связана с
отработанными карьерами. Положительным асСтационарные площадки ЭГМ
пектом является миниСтационарные точки
мальное развеивание манаблюдений за состоянием почв
териала полигона, а негаТочки наблюдений за
тивным – максимальное
состоянием поверхностных вод
Векторный мониторинг
воздействие на подземные
состояния подземных вод
воды. Санкционированные
Рис. 4. Система эколого-геологического мониторинга
места складирования отв районе полигонов отходов ТБО
ходов, оснащенные специ58
альной инженерной защитной системой, называются полигонами, несанкционированные – свалками.
При выпадении атмосферных осадков происходит их инфильтрация
через тело свалки с формированием токсичного инфильтрата. Его минерализация достигает 20 г/л. Инфильтрат собирается в специальные пруды, где
происходят процессы испарения, разложения и осаждения вредных веществ. Негативной особенностью полигонов ТБО является их способность к
самовозгоранию. При этом растительная органика разлагается с выделением воды и углекислого газа, животная органика – воды и метана. Обе реакции экзотермические, температура максимально повышается до 70°.
Эколого-геологический мониторинг в районах полигонов ТБО имеет
комплексный характер. Он включает ряд стационарных систем наблюдений
(рис. 4).
1. Стационарные площадки ЭГМ. Первая располагается выше полигона по потоку подземных вод, на территориях не испытывающих его воздействия. В связи с тем, что радиус развевания достигает 1 км, площадка
размещается на расстоянии более 1 километра с учётом розы ветров. Вторая
площадка ЭГМ располагается в санитарно-защитной зоне (СЗО) полигона.
Она имеет радиус от 500 м до 1 км в зависимости от величины полигона.
Задачей этой площадки является наблюдение за всеми компонентами системы в зоне максимального воздействия полигона. Стационарные площадки
имеют размер 5×5 м, огораживаются забором. Включают площадку для отбора почв, растительности, гидрогеологическую скважину, ёмкость для
сбора атмосферных осадков, прибор для определения направления ветра.
2. Гидрогеологические наблюдательные створы. Располагаются по
направлениям течения потока подземных вод. Так как разгрузка потока
происходит в пониженные формы рельефа (долины рек, озёра, овраги), то
створы скважин проходятся от полигонов по направлению к местам разгрузки подземных вод.
3. Стационарные точки наблюдения за почвенными отложениями.
Точки пробоотбора распределяются по радиальной сети. Первая точка на
створе находится в непосредственной близости от полигона, вторая и третья
– в санитарно-защитной зоне, последующие – в пятидесяти и ста метрах от
контура СЗО. В точках наблюдения производится пробоотбор почв и замер
температуры. Параллельно отбираются пробы растительности на биохимический анализ. В связи с тем, что полигоны выделяют большое количество
газов, мониторинг включает системы наблюдения за содержанием СОx и
CH4. Эти газы относятся к системе биогазов. Во многих странах они используются в качестве энергетического топлива.
Периодичность пробоотбора при мониторинге связана с уровнем возникающих аномалий. По существующим нормативным документам пробоотбор почв и растительности осуществляется 1 раз в год, подземных вод –
ежемесячно, газовой составляющей также ежемесячно.
59
После заполнения полигона он рекультивируется путём отсыпки песчаных отложений и почв. Наиболее толерантными видами растительности
на загрязненных территориях являются топинамбур (земляная груша) и
мать-и-мачеха.
Лекция 20. Эмиссионный спектральный анализ
Одним из наиболее распространенных методов анализа при геохимических исследованиях является эмиссионный спектральный анализ. Он может быть использован для определения содержания элементов в коренных
породах, рыхлых отложениях, золе растений, сухих остатках водных проб и
отдельных минералах. Основой анализа является возможность измерения
длины волны и интенсивности излучения, испускаемого атомами, молекулами и ионами вещества в источнике света. Содержание отдельных элементов определяется сравнением интенсивности линий в спектре.
Широкое применение спектрального метода при эколого-геохимических исследованиях обусловлено рядом его преимуществ. С его помощью
можно одновременно опробовать в исследуемых объектах свыше 70 элементов. Сам анализ не требует проведения сложных операций по предварительной обработке проб, отличается простотой выполнения и соответственно высокой производительностью (пока недоступной при других методах
анализа). Чувствительность метода высока (10–3–10–4 %). Спектрограммы,
получаемые на фотопластинках, позволяют достаточно объективно оценивать содержание элементов; кроме того, они могут использоваться для проверки результатов анализа и дополнительного определения тех элементов,
которые при первичном анализе не учитывались.
К недостаткам анализа относится возможное наложение линий на
спектрограммах, затрудняющее определение. При больших содержаниях
элементов (свыше 1 %) спектральный анализ часто уступает по точности
другим методам. При расчетах невозможно учесть влияние на результат
анализа общего химического состава проб и формы нахождения определяемого элемента.
Спектральный анализ подразделяется на два вида: полуколичественный (приближенно-количественный) и количественный. Первый по сравнению со вторым дает менее точное определение содержания исследуемых
элементов, но производительность его выше.
При проведении спектрального анализа пробы необходимо вводить в
зону дугового разряда, при этом их можно помещать в канал угольного
электрода, наносить на поверхность подвижного электрода, вводить в разряд воздушной струей.
Наиболее простым и распространенным является первый способ. Нанесение пробы на подвижный электрод позволяет повысить относительную
60
чувствительность определения германия, галлия, индия до десятитысячных
долей процента. Введение проб в разряд воздушной струей повышает производительность работ и увеличивает чувствительность определения легколетучих элементов, при этом уменьшается чувствительность определения
труднолетучих элементов.
Лекция 21. Атомно-абсорбционный анализ
Метод атомно-абсорбционной спектрометрии при эколого-геохимических поисках стал применяться сравнительно недавно. Однако его применение непрерывно расширяется. Особая ценность метода для геохимических поисков состоит в том, что из одного раствора после разложения образца можно определить содержание около 40 химических элементов. Для
анализа образец переводят в раствор, который содержит элементы, подлежащие обнаружению. Затем раствор помещают в камеру атомно-абсорбционного спектрофотометра, где раствор диспергируется и испаряется с
помощью пламени. Пламя имеет температуру, достаточную для перевода
большей части раствора в атомарное состояние (около 2000° С). Пар, содержащий определяемый элемент, освещается источником света, обычно
лампой с катодом того элемента, который подлежит обнаружению. По измеренной энергии, дошедшей до детектора, можно количественно установить содержание этого элемента в паре.
Атомно-абсорбционная спектрофотомерия относится к типичным методам определения «следовых» количеств элементов в равно обратных природных объектах – почвах, породах, золе растений, в природных водах.
Перспективным следует считать применение дли анализов геохимических проб и беспламенной атомно-абсорбционной спектрофотомерии,
используемой пока только для определении содержания ртути с чувствительностью 10–5–10–6 %.
Лекция 22. Рентгенорадиометрический анализ
Рассматриваемый метод анализа эколого-геохимических проб сравнительно широко стал использоваться только в последние годы. Он основан
на облучении минералов и пород гамма-квантами и измерении вторичного
излучения элементов. Обычно облучение производится изотопными источниками или портативными рентгеновскими трубками. Рентгеноспектральный анализ успешно применяется для проведения силикатного анализа горных пород, при котором используются квантометры типа КРФ-18, ARL7200, PW-1600 и др. Для проведения экспрессных анализов ряда элементов
(от Na до Ва и от Hf до U) применяются отечественные приборы типа
БАРС, с помощью которых одновременно, без перестройки можно опреде61
лять 2–4 элемента, а также «Минерал», «Поиск», БРА. Прибор «Феррит»
позволяет с высокой точностью устанавливать в полевых условиях содержание элементов группы железа. Возможно появление в ближайшие годы
приборов, аналогичных описанным, но более совершенных.
Лекция 23. Химические методы при эколого-геологических
исследованиях
В тех случаях, когда содержание определяемых элементов велико и
точность спектрального анализа не удовлетворяет предъявляемым требованиям, используются массовые и колориметрические методы химического
анализа. Большее распространение, чем массовые, имеют колориметрические методы. Они основаны на способности многих элементов, находящихся в специальном растворе, поглощать или рассеивать свет с определенной длиной волны. Если такое поглощение или рассеяние света связано количественно с содержанием металла, этот эффект используется для
определения его содержания.
Преимуществами колориметрических методов являются простота
анализа (для овладения этим методом достаточно небольшой стажировки) и
портативность оборудования, а существенным недостатком – невозможность одновременного определения группы элементов.
Хроматография на бумаге основана на различной скорости движения
по фильтровальной бумаге ионов, находящихся в растворе. При определенных условиях они располагаются в виде ряда полос в зависимости от силы их
сцепления с целлюлозной бумагой. Бумагу обрабатывают специальными
растворами, образующими окрашенные соединения с определенными ионами – так называемые хроматограммы. Элемент идентифицируют по цвету и
относительному положению на хроматограмме. Содержание элемента устанавливают по интенсивности окраски и ширине полосы. Недостатками метода являются не всегда высокая точность анализа и необходимость поддержания в лаборатории строго заданных температуры и влажности воздуха.
Полярографический метод определения содержания элементов – единственный электрический метод, сравнительно широко применяющийся при
анализе эколого-геохимических проб. Он отличается высокой точностью по
сравнению с другими методами при обнаружении малых содержаний элементов в природных водах. Но для проведения полярографических анализов необходимы хорошо оборудованная лаборатория, дорогостоящее сложное оборудование и высокая квалификация исполнителей.
Флуоресцентный (люминесцентный) анализ применяется при эколого-геохимических исследованиях в основном для установления содержания
урана. Пробы с повышенным содержанием урана после сплавления с соответствующими флюсами под воздействием ультрафиолетового излучения
62
проявляют люминесценцию. При определенных условиях интенсивность
свечения пропорциональна содержанию урана в пробе. Уровень интенсивности свечения устанавливается визуально (при сравнении с эталоном) и с
помощью фотоэлектрических устройств. Описанный метод анализа является одним из наиболее простых и точных методов обнаружения низких содержаний урана
Анализ гидрогеохимических проб требует учета специфических особенностей поведения элементов в водных растворах. Анализ водных проб включает обнаружение газов, макро- и микрокомпонентов, образующих истинные
и коллоидные растворы. В зависимости от поставленной задачи и условий
выполнения анализы вод делятся на полевые (сокращенные) и полные.
При полевых анализах необходимо определить химический тип вод.
Для этого достаточно иметь сведения о физических свойствах исследуемой
воды, щелочности (рН) и содержании основных макрокомпонентов, к которым относятся СО2, (свободный), H2S, O2, НСО3–, Сl–, S042–, NO3–. NH4+, К+,
Na+ Са2+, Mg2+, Fe2+ Fe3+. Для определения макрокомпонентов изготовляют
специальные полевые гидрохимические лаборатории. Значения рН и Eh устанавливают потенциометрически с помощью переносного рН-метрмилливольтметра. Для определения рН часто в полевых условиях используют индикаторную универсальную бумагу.
Важнейшей задачей при проведении геохимических поисков является
установление в водах содержания металлов, которое обычно составляет тысячные и десятитысячные доли миллиграмма на литр. Применение наиболее простых колориметрических методов ограничено необходимостью определения большого числа элементов. В связи с этим основным методом
идентификации металлов в водах является спектральный анализ сухого остатка водной пробы.
Лекция 24. Статистические методы обработки экологогеологической информации
Выбор методов зависит от мощности статистической выборки.
При малой мощности выборки n ≤ 10, где n – число измерений, рассчитываются:
• среднее арифметическое значение, которое принимается за истинное значение измеряемой величины:
X cp
1 n
= ∑ Xi ,
n i =1
где Хi – i-тое значение измеряемой величины;
• среднеквадратичная ошибка, характеризующая среднее отклонение измеряемой величины от среднеарифметического значения:
63
1 n
∑ X i − X cp
n i =1
(
δ =
)
2
;
полная ошибка измерений, характеризующая суммарную случайную ошибку и ошибку, вносимую измерительным прибором:
•
Δ cp = Δ 2 + δ 2 ,
где Δ – предел точности измерительного прибора;
• относительная ошибка, позволяющая сравнивать точность измерений величин с различной размерностью:
ξ=
Δ полн
∗ 100 % .
Х ср
Поскольку закон распределения случайной величины не известен, то
оценку доверительной вероятности измерений можно осуществить по формуле:
m
,
n
РΔ =
где m – число измерений, попадающих в интервал ± δ.
При большой мощности статистической выборки n ≥ 50 необходимо
построить закон распределения случайной величины, который является статистической моделью, изучаемого экологического процесса. Для этого статистический ряд необходимо разбить на N градаций. Число градаций не
должно быть слишком большим, чтобы можно было проследить внутреннюю структуру изучаемого процесса, и не слишком малым, чтобы в процессе усреднения не потерять информацию о сути процесса. Существует лишь
2 очевидных правила выбора шага дискретизации процесса (ширины градации). Ее размер не может быть меньше в пределах точности прибора, и в
каждую градацию должно попадать не менее 3 измерений случайной экологической величины.
Закон распределения случайной экологической величины отражает
взаимосвязь между выбранными градациями случайной величины и повторяемостью этих градаций. Повторяемость каждой градации рассчитывается
по формуле:
Pi =
Ki
,
n
где Кi – число измерений, попадающих в i-тую градацию.
Закон распределения строится в виде гистограммы, где ширина столбика равна размеру выбранной градации (шагу дискретизации), а высота
столбика – повторяемости градации.
64
По закону распределения случайной величины можно рассчитать ряд
статистических характеристик, отражающих суть изучаемого экологического процесса. Эти характеристики называются моментами распределения.
• момент первого порядка – математическое ожидание случайной
величины, характеризующее ее наиболее вероятное ожидаемое значение:
N
⟨ x⟩ = ∑ X i Pi ;
i =1
момент второго порядка – дисперсия случайной величины, характеризующая ее разброс относительно математического ожидания:
•
N
D = ∑ ( xi − ⟨ x⟩ ) Pi ;
2
i =1
•
стандартная или среднеквадратичная ошибка:
δ = D;
момент третьего порядка – коэффициент асимметрии, характеризующий сдвиг наиболее вероятного состояния экологического процесса в
область больших концентрации S > 0 либо в область меньших концентраций S < 0:
•
S=
1
N
∑ ( xi − ⟨ x⟩ )
δ3
3
i =1
Pi ;
момент четвертого порядка, характеризующий стационарную повторяемость измеряемой величины относительно математического ожидания:
•
⎡1
Ý =⎢ 4
⎣δ
N
∑ ( xi − ⟨ x⟩ )
i =1
−3
4
⎤
Pi ⎥ ,
⎦
если Э > 0, то повторяемость среднего возрастает и значительные отклонения мало вероятны, если Э < 0, то экологическая система имеет значительный естественный разброс параметров либо наблюдается постоянный приток загрязняющих веществ.
Список литературы
Основная литература
1. Косинова И.И. Методика эколого-геохимических, эколого-геофизических исследований и рационального недропользования : учеб. пособие /
И.И. Косинова, В.А. Богословский, В.А. Бударина. – Воронеж : Изд-во Воронеж. гос. ун-та, 2004. – 281 с.
65
2. Косинова И.И. Теоретические основы крупномасштабных экологогеологических исследований / И.И. Косинова. – Воронеж : ВГУ, 1998. –
255 с.
3. Косинова И.И. Эколого-геологический мониторинг техногенно нагруженных территорий / И.И. Косинова, В.В. Ильяш, А.Е. Косинов. – Воронеж : Воронеж. гос. ун-т, 2006. – 104 с.
4. Трансформация экологических функций литосферы в эпоху техногенеза / В.Т. Трофимов [и др.]; [под ред. В.Т. Трофимова]. – М. : Ноосфера,
2006. – 720 с.
5. Трофимов В.Т. Экологическая геология : учеб. / В.Т. Трофимов,
Д.Г. Зилинг. – М. : МГУ, 2002. – 415 с.
6. Экологические функции литосферы / В.Т. Трофимов [и др.]; [под
ред. В.Т. Трофимова]. – М. : Изд-во МГУ, 2000. – 432 с.
Дополнительная литература
1. Алексеев Ю.В. Тяжелые металлы в почве и растениях / Ю.В. Алексеев. – М. : Агропромиздат, 1987. – 140 с.
2. Артамонов В.И. Растения и чистота природной среды / В.И. Артамонов. – М. : Наука, 1980. – 173 с.
3. Барабошкина Т.А. Диагностика и картографирование геологических факторов экологического риска // Управление рисками чрезвычайных
ситуаций. Центр стратегических исследований гражданской защиты МЧС
России / Т.А. Барабошкина; [под ред. Ю.Л. Воробьева]. – М. : Круг, 2001. –
87 с.
4. Барабошкина Т.А. Методические аспекты эколого-геохимических
исследований // Ломоносовские чтения 2000 / Т.А. Барабошкина, В.В. Ермаков, С.А. Рустембекова. – М. : МГУ, 2000. – С. 54–59.
5. Бойченко Е.А. Содержание и роль элементов в жизни растений /
Е.А. Бойченко, А.П. Виноградова. – М. : Наука, 1990. – 97 с.
6. Бочаров В.Л. Некоторые приемы статистической обработки материалов при экологических исследованиях // Вестн. Воронеж. гос. ун-та.
Сер.: Геология / В.Л. Бочаров, Ю.В. Иванов, В.А. Бурляев. – Воронеж: Воронеж. гос. универ., 1998. – Вып. 6. – С. 168–173.
7. Вахромеев Г.С. Экологическая геофизика : учеб. пособие для вузов / Г.С. Вахромеев. – Иркутск : Изд-во ИрГГУ, 1995. – 216 с.
8. Вернадский В.И. Биосфера и ноосфера / В.И. Вернадский. – М. :
Наука, 1988. – 520 с.
9. Викторов Д.П. Малый практикум по физиологии растений / Д.П. Викторов. – М. : Высш. шк., 1969. – 120 с.
10. Гальперин А.М. Техногенные массивы и охрана окружающей
среды / А.М. Гальперин, В. Ферстер, Х.-Ю. Шеф. – М. : Изд-во МГУ,
1997. – 534 с.
66
11. Клейн Р.М. Методы исследования растений / Р.М. Клейн,
Д.Т. Клейн. – М. : Колос, 1974. – 526 с.
12. Ковальский В.В. Геохимическая экология / В.В. Ковальский. –
М. : Наука, 1994. – 280 с.
13. Концепция геологического образования в России: материалы совместного заседания коллегии Минобразования России и МПР России. –
М. : б.и., 2000. – 135 с.
14. Косинова И.И. Геоэкологические последствия открытой разработки месторождений КМА / И.И. Косинова // Вестник Воронеж. гос. ун-та.
Сер.: Геология. – Воронеж: Воронеж. гос. ун-т, 1996. – Вып. 1. – С. 176–179.
15. Мэннинг У. Дж. Биомониторинг загрязнения атмосферы с помощью растений / У.Дж. Мэннинг, У.А. Федер. – М. : Гидрометеоиздат, 1978. –
143 с.
16. Новиков Ю.В. Экололгия, окружающая среда и человек : учеб.
пособие для вузов / Ю.В. Новиков. – М. : б.и., 1998. – 320 с.
17. Перельман А.И. Геохимия ландшафтов / А.И. Перельман. – М. :
Недра, 1978. – 342 с.
18. Питьева К.Е. Гидрогеоэкологические исследования в районах
нефтяных и газовых месторождений / К.Е. Питьева. – М. : Недра, 1999. –
225 с.
19. Теория и методология экологической геологии / под. ред. В.Т. Трофимова. – М. : Изд-во МГУ, 1997. – 368 с.
20. Требования к эколого-геологическим исследованиям и картографированию: масштаба 1:50 000, 1: 25 000. – М. : Изд-во ВСЕГИНГЕО, 1990. –
127 с.
67
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ГЕОХИМИЯ
Лекция 1. Предмет экологической геохимии, основные задачи и
проблемы, разделы
Каждая наука изучает свой структурный уровень организации Бытия,
естественные науки – природные системы. Геохимия изучает поведение
атомов, ионов и молекул в различных природных объектах, в отличие
от химии, которая изучает то же, но в лабораторных условиях. Химиков интересуют химические свойства веществ, геохимиков помимо этого еще и
способность их мигрировать в различных природных средах, способность
концентрироваться или рассеиваться в зависимости от количественного соотношения веществ, соотношения так называемых внутренних и внешних
факторов миграции. Экологическую геохимию следует рассматривать как
прикладную геохимию, изучающую миграцию химических элементов в биосфере или ландшафтной оболочке. Ее рассматривают так же, как часть
экологической геологии. При этом соотношение их такое же, как геологии и
геохимии с той лишь разницей, что приставка «экологическая» ограничивает объекты этих наук биосферой.
В современном понятии экология – это наука, изучающая условия существования животных и растительных организмов, взаимосвязи между
этими организмами, а также между ними и средой их обитания. Условия
существования организмов можно рассматривать с многих и чрезвычайно
различных позиций. Одним из важнейших показателей не только комфортности существования, но даже выживания является характеристика среды
проживания животных или произрастания растений. Если мы начнем производить оценку среды с точки зрения химического состава, да еще и на
атомно-ионном уровне и с учетом форм нахождения химических элементов, – это будет геохимическая оценка условий существования организмов.
Ее проведение – одна из основных задач, стоящих перед экологической геохимией. Такую оценку можно проводить, подходя с глобальных позиций.
При этом она должна быть сделана исходя из особенностей распределения,
миграции, концентрации и форм нахождения химических элементов в биосфере в целом. Первая часть оценки необходима для установления самых
общих геохимических критериев существования живых организмов. Таким
образом, будут определены первые геохимические реперы для оценки возможности развития жизни, подобной той, которая есть на Земле.
И вот здесь мы подходим ко второй части этой оценки – космической
оценке геохимических параметров возможности появления (а в первом
приближении к комфортности) жизни (аналогичной той, что развилась на
Земле) на других космических объектах. Эта часть глобальной оценки геохимических параметров существования жизни на Земле только в настоящее
68
время начинает иметь практическое значение. По мере обживания космического пространства она будет резко возрастать.
Оценка геохимических условий существования организмов проводится и при более крупномасштабных исследованиях. В этих случаях определяются геохимические условия жизни организмов в отдельных частях биосферы. В качестве таких частей целесообразнее всего брать геохимические
ландшафты или их определенные совокупности, составленные с учетом параметров миграции элементов. Опыт работы показал, что объединение геохимических ландшафтов удобно проводить по определенным таксономическим уровням. В случае необходимости могут оцениваться геохимические
параметры условий существования организмов в отдельных частях геохимических ландшафтов, например в почвах, подземных водах и т. д. При
крупномасштабных исследованиях появляются более благоприятные предпосылки для выяснения геохимических условий существования организмов
определенных видов или их сообществ. Однако следует подчеркнуть, что в
случае устоявшихся природных систем (а это большинство биогенных ландшафтов) нельзя говорить об экологических условиях только для одних видов, не касаясь других. Слишком велика взаимосвязь между ними, и изменения условий существования одних из них сказываются на существовании
других. Таким образом, мы переходим к взаимосвязи между организмами.
Она, как и условия существования организмов, также может оцениваться с
разных сторон, вплоть до психологической и социологической. В экологической геохимии взаимосвязь между организмами рассматривается как
миграция химических элементов, находящихся в довольно сложной биогенной форме. Часто разделяют внутривидовую и межвидовую связи. Прослеживать их можно, начиная от возникновения (рождения) организма и кончая его смертью и разложением. Чрезвычайно большое внимание в экологической геохимии уделяется рассмотрению взаимосвязи между организмами и средой их обитания, включая отдельные циклы биологического круговорота элементов. Эти процессы также разбираются с позиции миграции
химических элементов, но сами элементы в данном случае могут находиться в различных формах, что придает особую сложность их перемещению и
концентрации.
Важным разделом экологической геохимии является биогеохимия. В
ней рассматривается химический состав различных организмов и его изменения, связанные с меняющимися условиями существования этих организмов. Изучению указанной проблемы большое внимание уделял В.И. Вернадский. Все изложенное показывает, что экологическая геохимия, являясь
в первую очередь геохимией биосферы, формируется «на стыке, целого ряда наук. Их уровень развития во многом определяет развитие отдельных
направлений этой новой и чрезвычайно важной для выживания человечества науки.
69
В курсе экологической геохимии, изучаемом студентами, обучающимися по специальности «Экологическая геология», рассматриваются следующие основные разделы этой дисциплины:
• законы распространения химических элементов в биосфере и отдельных ее подсистемах;
• формирование ноосферы и особенности рассеивания и концентрации химических элементов в связи с этим;
• методология эколого-геохимической оценки состояния окружающей среды.
Суть основных проблем экологической геохимии в тех вопросах, которые интересуют геохимиков-экологов и объектах, которые они исследуют:
• выявление геохимических аномалий, влияние их на биосферу, биогеохимическое районирование территорий;
• геохимия техногенных процессов и влияние их на ОС, роль антропогенных воздействий на биогеохимические циклы элементов;
• геохимия загрязнений при добыче и переработке горнорудного
сырья;
• виды загрязнения урбанизированных территорий;
• геохимия радионуклидов;
• геохимические проблемы захоронения радиоактивных отходов;
• основы методов эколого-геохимической съемки и картирования;
• балансовые эколого-геохимические модели и прогнозы состояния
окружающей среды.
Вот такой достаточно обширный круг задач и проблем, которые стоят
перед этой наукой. Однако, главная наиболее актуальная задача экологической геохимии в настоящее время – это изучение видов и интенсивности
химического загрязнения под воздействием антропогенного фактора.
Лекция 2. Экологическое значение химических элементов и
оценка их воздействия на биосферу
Для существования живых организмов необходима вещественная основа, которая соткана из многих элементов, играющих в ней различную
роль. Например, кальций, магний, кремний входят в состав скелетной ткани, эти же элементы используются для построения защитных панцирей, раковин. Мягкие же ткани в основном построены из множества видов полимерных молекул углерода с добавочными радикалами из водорода, азота,
кислорода, фосфора, серы, железа, калия. Все они дают так называемое органическое вещество, состоящее из биофильных элементов. Ряд элементов
играют функциональные роли, участвуя в обмене веществ и информацией с
окружающей средой. Мы пока не все знаем о назначении многих химических элементов, входящих в состав организмов. Но замечаем, что как избы70
ток одних, так и недостаток других вызывает болезни и даже гибель организмов. На современном уровне развития экологической науки первостепенной задачей ее как раз и является изучение вопросов химического баланса живых организмов и ОС.
При всё возрастающей скорости перехода биосферы в ноосферу проблемы комплексной объективной оценки состояния окружающей среды и
разработки научно обоснованного прогноза изменений, происходящих под
воздействием антропогенной деятельности, становятся все более актуальными. Это в первую очередь обусловлено непрерывно возрастающим загрязнением биосферы сопровождающим различные техногенные процессы.
Без объективной комплексной оценки невозможно и принятие научно обоснованных решений, связанных с охраной окружающей среды и рациональным использованием природных ресурсов. Следовательно, первым шагом
для разумного ведения хозяйства, согласующегося с конкретными природными условиями и эколого-геохимической обстановкой, сложившейся под
воздействием предыдущей антропогенной деятельности, должна быть оценка
существующего в настоящее время состояния окружающей среды в интересующем нас районе.
В зависимости от размеров изучаемого района выбирается масштаб
исследований для такой оценки. Сама эколого-геохимическая оценка состояния окружающей среды может отражать тенденцию развития рассматриваемых процессов, быть качественной и количественной. Весь опыт работ, проводимых в этом направлении, позволяет считать, что оценка состояния окружающей среды (а точнее, биосферы) должна производиться
поэтапно в определенной последовательности.
Исследования целесообразно начать с установления тенденции развития конкретных процессов и их качественной оценки, а затем перейти к количественной оценке. После количественной оценки общего состояния окружающей среды изучаемого региона можно приступать к эколого-геохимической оценке последствий конкретных природных и техногенных процессов. Эта работа также может быть подразделена на качественную (ее следует
проводить раньше) и количественную – завершающую. Оценить влияние
деятельности конкретных загрязнителей, даже если это крупные территориально-промьшшенные комплексы, на биосферу в целом практически невозможно. Биосфера слишком велика, и происходящие в ней техногенные изменения являются следствием деятельности всего человечества на разных участках нашей планеты. В связи с этим изучать последствия деятельности конкретных загрязнителей следует в геохимических ландшафтах, составляющих
биосферу и являющихся (как и она) биокосными системами.
Необходимо еще раз особо отметить, что вся биосфера, представляя
собой громадную природную биокосную систему, не является чем-то неизменно постоянным. Это убедительно доказывается данными палеонтоло71
гии, исторической геологии и геохимии. Во многом изменения, происходящие в биосфере, связаны с эволюцией земной коры. За время развития нашей планеты увеличилась мощность гранитного слоя, уменьшился суммарный объем вулканогенных образований, возросла роль континентального
осадконакопления и т. д. Изменились даже концентрации определенных
элементов на отдельных участках земной коры, т. е. можно говорить об изменениях направленности процесса «концентрация–рассеяние». Наибольшая информация об этом получена при изучении глобальных процессов
минералообразования и истории формирования многих месторождений полезных ископаемых.
В целом можно говорить, что в истории развития Земли происходили
весьма существенные изменения концентраций многих химических элементов, находящихся в форме водных растворов, газовых смесей, в минеральной форме. Иногда этими изменениями были охвачены лишь отдельные,
довольно большие участки планеты, в других случаях – вся ее поверхность.
Все это изменяло и общую экологическую обстановку.
Резкое увеличение эколого-геохимической значимости техногенных
процессов позволяет сравнивать деятельность людей с глобальными геологическими явлениями. При этом многие организмы не успевают адаптироваться к новым условиям. Тогда начинаются процессы мутации и вымирания отдельных видов.
Лекция 3. Общие закономерности поведения
и распространения химических элементов в природе
С точки зрения системного подхода любой природный объект представляет собой иерархию соподчиненных структур, качественно различающихся между собой на разных уровнях организации материи. Например,
атом и молекула, минерал и горная порода, планета и планетная система,
галактика и метагалактика. Под химическим элементом в настоящее время
понимают нейтральные по заряду атомы, имеющие ядро с определенным
для того или иного элемента количеством протонов, общий положительный
заряд которых компенсируется таким же количеством по числу электронов,
имеющих отрицательный заряд, равный по силе заряду протонов. Любой такой атом по своим химическим свойствам идентичен любому иному, имеющему такую же структуру. В атомах большинства элементов могут быть еще
и нейтральные по заряду частицы, имеющие массу и размеры близкие к протону. Существуют виды атомов одного и того же элемента (изотопы), различающиеся массой за счет разного количества в них нейтронов. При этом они
мало будут отличаться между собой химическими свойствами, но в виду
разной массы за счет разного количества нейтронов в некоторых природных условиях будут разделяться – фракционировать (например, изотопы
кислорода, водорода, углерода и т. п.).
72
Под общими закономерностями распространения химических элементов понимается их количественное относительное соотношение в природных системах или объектах. Выяснилось, что наряду с различиями этих соотношений элементов в разных объектах Вселенной имеется и много общего. Например, наиболее легкие и простые по строению элементы, занимающие первые клетки таблицы Менделеева, в целом в Космосе самые распространенные. Это связано, во-первых, с их генезисом – с тем, что они первыми рождаются в термоядерном горниле звезд, а другие элементы являются уже производными; во-вторых, с тем, что относительная простота их
структуры делает их более прочными. Тяжелые элементы конца таблицы
переполнены нуклонами и электронами, следовательно, и антагонизмом
связей, поэтому период их жизни невелик (ядерный распад). Это общий
принцип, который соблюдается во всех системах, даже в социальных. Обширные империи сколачивались огнем и мечом, но чаще всего оказывались
менее долговечными, чем составляющие ее этнические социумы. Например,
Российская империя как системная структура дважды рухнула только в
XX веке, но ее этносы вновь и вновь складывались в общественно-экономические образования.
Третьим фактором различной устойчивости элементов является их
подчиненность так называемым магическим числам, и прежде всего правилу четности. На логарифмическом графике распространенности элементов
будут две кривые: нижняя с нечетными элементами и верхняя с четными.
Магические четные числа, как в отношении количества электронов,
так и нуклонов есть не что иное, как отражение завершенности структуры,
ее совершенства, отвечающее наиболее выгодному энергетическому состоянию с минимумом внутренней свободной энергии. Завершенные электронные оболочки имеют два, восемь, восемнадцать, тридцать два электрона. Внешние оболочки инертных газов последней группы таблицы имеют
два и восемь электронов на внешней орбите, а также завершенные электронные внутренние оболочки. Они химически безразличны к другим веществам. А вот щелочные элементы первой группы настолько неуравновешенны, что легко вступают в химические связи с другими элементами и
даже в такой не очень агрессивной среде, как вода, разрывают весьма прочные связи между ее ионами. Элементы, которые легко расстаются со своими внешними электронами (потому что их меньше половины до насыщения), известны нам как активные металлы, и они образуют положительно
заряженные катионы в ионных соединениях. Они занимают левую половину таблицы.
Элементы, которым лишь чуть-чуть не хватает электронов до насыщения, более охотно принимают электроны. Они также химически активны
и даже агрессивны по отношению к металлам, отбирая у них внешние электроны (кислород, фтор, сера, хлор). Таким образом, металлические свойства
73
до середины периода падают, а неметаллические, наоборот, растут от середины к концу периода и таким образом проявляется своего рода зеркальная
симметрия химических свойств элементов в таблице Менделеева.
Разные изотопы одного и того же элемента очень резко отличаются
между собой распространенностью, часто на порядок, а то и больше. Здесь
также действуют магические числа, отвечающие заполненности ядерных
оболочек нуклонами. Такие ядра отличаются наибольшим дефектом (дефицитом массы), т. е прочностью ядерных связей, поэтому они и доминируют
количественно. Всем им также отвечает четное число как протонов, так и
нейтронов (правило Оддо-Гаркинса) Например, один из самых распространенных элементов и изотоп кислорода имеет восемь протонов и восемь
нейтронов. Наиболее значимые магические числа ядер 2, 8, 20, 50, 82, 126.
Тем не менее наиболее резкий пик распространенности по отношению к
своим соседям на верхней кривой имеет изотоп железа с массовым числом
56 (26 протонов и 30 нейтронов, числа не магические, но четные). Железо,
как и его сородичи – никель, хром – обладают очень большим дефицитом
массы, т. е. большой прочностью связей нуклонов, потому все это семейство очень распространено в природе. Например, в целом по земному шару,
да и в большей части метеоритов железо находится на первом месте по количеству и лишь в каменных может уступать кислороду. Железа в них так
много, что оно может давать избыточную фазу в виде самородного металла
в чистом виде или в смеси с никелем и хромом.
Такие же элементы, как литий, бериллий, бор, в целом в природе дефицитны, хотя и занимают начальные места в таблице Менделеева.
Есть еще одна эмпирическая зависимость распространенности изотопов относительно кратности числа 4 при делении на него массового числа.
Изотопы типа 4п будут на первом месте, а также типа четно-четные относительно Z и N.
Если же рассматривать конкретные объекты в природе, то здесь могут
свои особенности и свои соотношения элементов, которые обусловлены так
называемой геохимической зональностью, т. е. закономерным распределением элементов в пространстве и времени по причинам, связанных как с внутренними, так и внешними факторами миграции. Чаще всего это различная
плотность или растворимость, летучесть соединений, в силу чего внутри
природного объекта такие элементы будут разделены. Примером такой зональности является в целом наша планета, разделенная на ряд оболочек
именно по плотности вещества или в целом вся наша солнечная система.
Разная масса объектов может быть также причиной различий их химического состава. Земля имеет в дефиците водород и гелий, потому что
масса Земли недостаточна для удержания этих сверхлегких и подвижных
газов.
74
Лекция 4. Физико-химическое отличие химических биогенных
структур от абиогенных
Многие органические соединения представляют собой смесь двух так
называемых оптических изомеров – веществ, имеющих совершенно одинаковые химические свойства, но различающихся так называемой оптической
активностью. Они по-разному отклоняют луч поляризованного света, проходящий через их кристаллы или растворы, и в соответствии с направлением этого отклонения называются право- или левовращающими; свойством
этим обладают лишь чистые изомеры, смеси же их оптически неактивны.
Явление это связывают с наличием в молекуле таких веществ так называемого асимметричного атома углерода, к четырем валентностям которого
могут в разном порядке присоединяться четыре соответствующих радикала.
Так вот, эти химически идентичные вещества, как выяснил еще в 1848 г.
Л. Пастер, вовсе не являются одинаковыми для живых существ: плесневый
гриб пенициллиум, развиваясь в среде из виноградной кислоты, «поедает»
лишь ее правовращающий изомер, а в среде из молочной кислоты – левовращающий. На этом, кстати, основан один из методов разделения оптических изомеров. Человек легко определяет на вкус изомеры молочной кислоты. Вот, наверное, почему всякого рода искусственные пищевые добавки
чуждые, а потому, может быть, и в самом деле вредные для организма.
Сейчас известно, что все белки на нашей планете построены только
из левовращающих аминокислот, а нуклеиновые кислоты – из правовращающих сахаров; это свойство, называемое хиральной чистотой, считается
одной из фундаментальных характеристик живого. А поскольку при любом
абиогенном синтезе (например, в аппарате Миллера) образующиеся аминокислоты будут состоять из приблизительно равных (по теории вероятностей) долей право- и левовращающих изомеров, то в дальнейшем – при синтезе из этого «сырья» белков – перед нами встанет задача: как химическими
методами разделить смесь веществ, которые по определению химически
идентичны? (Не зря оптической активностью обладают лишь природные
сахара – и ни один из синтетических, а упомянутые выше полипептиды из
метеоритного вещества также состоят из равных долей право- и левовращающих аминокислот.)
Между тем даже успешный синтез «живых» макромолекул (до которого еще, что называется, «семь верст – и все лесом») сам по себе проблемы
не решает. Для того, чтобы макромолекулы заработали, они должны быть
организованы в клетку. Известна такая аналогия: вероятность случайного
возникновения такой клетки (осмысленной аминокислотно-нуклеотидной
последовательности) соответствует вероятности того, что несколько килограммов типографского шрифта, будучи сброшены с крыши небоскреба,
сложатся в 105-ю страницу романа «Война и мир». Абиогенез (в его классическом виде) как раз и предполагал такое «сбрасывание шрифта». 10100
75
раз – столько понадобится, пока тот не сложится в требуемую страницу.
Сейчас всем понятно, что это просто несерьезно: потребное для этого время
(его вполне можно рассчитать) на много порядков превосходит время существования всей нашей Вселенной (не более 20 млрд лет). Получается, что,
по крайней мере, в рамках чисто химического подхода проблема зарождения жизни принципиально неразрешима. Но следует подчеркнуть также, что
это справедливо лишь с позиции классической равновесной термодинамики.
Лекция 5. Значение жизни в геохимических циклах Земли
На процесс возникновения жизни можно посмотреть и с несколько
иной позиции, не биохимической, а геохимической, как это делает, например, А.С. Раутиан (1995). С общепланетной точки зрения жизнь можно рассматривать как способ упорядочения и стабилизации геохимических круговоротов; откуда же берется сам геохимический круговорот и зачем он нужен?
Реальный прорыв в проблеме возникновения жизни и понимании ее
геохимической роли обозначился лишь в последние 20–25 лет, и связан он
был с приложением к данной проблеме теории самоорганизующихся систем.
Самоорганизующейся называют такую систему, которая обладает способностью корректировать свое поведение на основе предшествующего опыта (сам
термин был введен в 1947 г. одним из создателей кибернетики физиологом
У. Эшби). Следует сразу оговорить, что при этом было строго показано, что
рассмотрение процессов развития (в том числе – биологических систем из
добиологических) принципиально невозможно в рамках классической термодинамики. Создатель альтернативной, неравновесной, термодинамики
И. Пригожин произвел научную революцию тех же примерно масштабов,
что в свое время Ньютон или Эйнштейн, и революция эта еще отнюдь не завершена. Автор биогеохимической модели наш современник физикохимик
Эйген выдвинул концепцию образования упорядоченных макромолекул из
неупорядоченного вещества на основе матричной репродукции и естественного отбора. Он начинает с того, что дарвиновский принцип естественного
отбора (ЕО) – единственный понятный нам способ создания новой информации (это физическая величина, отражающая меру упорядоченности системы).
Если имеется система самовоспроизводящихся единиц, которые строятся из
материала, поступающего в ограниченном количестве из единого источника,
то в ней с неизбежностью возникает конкуренция и, как ее следствие, ЕО.
Эволюционное поведение, управляемое ЕО, основано на «самовоспроизведении с информационным шумом» (в случае эволюции биологических видов
роль «шума» выполняют мутации). Наличия этих двух физических свойств
достаточно, чтобы стало принципиально возможным возникновение системы
с прогрессирующей степенью сложности.
76
Основоположник кибернетики Дж. фон Нейман (1960), решавший
проблему самовоспроизведения автоматов, выяснил, что способность к самовоспроизведению принципиально зависит от сложности организации. На
низшем уровне сложность является вырождающейся, т. е. каждый автомат
способен воспроизводить лишь менее сложные автоматы. Существует, однако, вполне определенный критический уровень сложности, начиная с которого эта склонность к вырождению перерастает в другое: «Сложность,
точно так же, как и структура организмов (любой системы), ниже некого
минимального уровня является вырождающейся, а выше этого уровня становится самоподдерживающейся или даже может расти».
Открытый космос холоден (лишь на 4° теплее абсолютного нуля) потому, что концентрация вещества в нем ничтожно мала (3·10–31 г/см3), и
звездам просто нечего нагревать; по этой же самой причине, кстати сказать,
Вселенная прозрачна, и мы видим небесные светила. В то же время любая
планета, будучи непрозрачной, аккумулирует часть энергии, излучаемой
центральным светилом, и нагревается, и тогда между нагретой планетой и
холодным космосом возникает температурный градиент ТГ. Если планета
обладает при этом достаточно подвижной газообразной и/или жидкой оболочкой (атмосферой и/или гидросферой), то ТГ с неизбежностью порождает
в ней – просто за счет конвекции – физико-химический круговорот, направленный на выравнивание ТГ. В этот круговорот с неизбежностью вовлекается и твердая оболочка планеты (в случае Земли – кора выветривания), в
результате чего возникает глобальный геохимический цикл – предтеча биосферы.
Итак, движущей силой геохимических круговоротов является энергия
центрального светила – звезды… Поэтому элементарные геохимические
циклы на планетах (т. е. прообразы экосистем) существуют в условиях периодического падения поступающей в них энергии – в те моменты, когда
они в результате вращения планеты оказываются на ее теневой стороне, где
ТГ меньше. Эта ситуация неизбежно должна порождать отбор круговоротов
на стабильность, т. е. на их способность поддерживать собственную структуру. Наиболее же стабильными окажутся те круговороты, что «научатся»
запасать энергию во время световой фазы цикла с тем, чтобы расходовать
ее во время теневой. Другим стремлением отбора круговоротов, очевидно,
должен быть выбор тех, которые обеспечивают увеличение скорости оборота вовлеченного в них вещества, при этом повышается скорость выравнивания ТГ; здесь выигрывать будут те из геохимических циклов, что обзаведутся наиболее эффективными катализаторами. В конкретных условиях
Земли такого рода преимущества возникают при участии высокомолекулярных соединений углерода в форме живых организмов.
Итак, жизнь в форме химической активности означенных соединений
оказывается стабилизатором и катализатором уже существующих на плане77
те геохимических циклов (включая глобальный). Циклы при этом «крутятся» за счет внешнего источника энергии. Это уже знакомая нам автокаталитическая система, которая, соответственно, обладает потенциальной способностью к саморазвитию, и прежде всего – к совершенствованию самих
катализаторов-интермедиатов. Отсюда становится понятным вроде как парадоксальный вывод, к которому независимо друг от друга приходили такие исследователи, как Дж. Бернал (1969) и М.М. Камшилов (1972): «Жизнь
как явление должна предшествовать появлению живых существ». Вот, наверное, почему никто не может сказать, что первично утка или яйцо? Однако становится понятна и причина прогрессирующей эволюции биосферы.
Остывание планеты с ее поверхности, коль на ней уже возникла жизнь, неизбежно должно приводить к усложнению ее форм, способных не только
сохранять геохимические циклы, но и ускорять их. И мы действительно видим, что человек как никто другой способен к максимальному ускорению
этих циклов. Другое дело, что мы интуитивно опасаемся, что маятник может качнуться в другую сторону, если перейти пик этого ускорения, не случайно и возникла такая наука, как экологическая геохимия.
Лекция 6. Эколого-геохимическая характеристика
S-элементов
Периодический закон в системе химических элементов Д.И. Менделеева проявляется в их физических и химических свойствах. А связано это с
особенностями электронной структуры атомов. Элементы типа s, p, d сильно различаются между собой химическими свойствами, что обусловлено
характером и последовательностью заполнения уровней и подуровней электронных оболочек. Все они занимают строго определенное положение в
таблице Менделеева. Каждый последующий элемент в таблице Менделеева
имеет на один протон больше, соответственно, и на один электрон больше.
Атом имеет структуру, подобную структуре небесных или планетарных
систем, в которых есть центр притяжения и есть объекты притяжения. Устойчивость системы обусловлена равенством центростремительных и центробежных сил. В атоме имеется ядро, которое является центром притяжения, и есть электроны – объекты притяжения.
Химические свойства элементов определяются количеством электронов на внешней орбите. В принципе, есть три крайних типа элементов, отличающихся химическими свойствами: металлы, неметаллы и инертные
элементы. Это стало понятно человеку из опыта еще задолго до создания
системы элементов.
Это деление и закономерность изменений свойств элементов наиболее легко воспринимается при сравнении наиболее простых второго и
третьего рядов таблицы Менделеева. Слева направо в них от элемента к
78
элементу уменьшаются металлические свойства и соответственно возрастают неметаллические. И в этом же направлении во внешнем слое растет
количество электронов от одного в первой группе и до 8 в восьмой. Металлы отличаются способностью отдавать свои внешние электроны, которых у
них мало – им их и не жалко, а вот неметаллы – они, уже имея больше,
предпочитают прихватить чужие электроны. Химические свойства металлов и неметаллов также зависят от способности или отдавать или принимать электроны, т. е. или окисляться или восстанавливаться.
Физические свойства металлов связаны не только со строением их
атомов, но и со строением кристаллов, в которых внешние электроны атомов узлов кристаллической решетки образуют как бы внешний общий слой,
в котором электроны не имеют жесткой привязки к конкретным ядрам, поэтому в металлах возможен свободный ток электронов. Этот слой слабо поглощает фотоны, поэтому металлы отличаются сильным блеском, высокой
отражательной способностью. Металлы по сравнению с неметаллами отличаются большей вязкостью, а следовательно, большей пластичностью, ковкостью.
Системность и периодичность таблицы Менделеева в том, что по мере увеличения заряда ядер и заполнения электронных оболочек периодически повторяются свойства элементов, но как бы на новом более высоком
энергетическом уровне, что отражают группы элементов. Чем ниже в группе элемент, тем больше в нем электронных слоев, тем слабее силы связи
электронов внешнего слоя с ядром. Отсюда и металлические свойства ниже
стоящих в группе элементов возрастают по сравнению с вышестоящими.
Сравните основную подгруппу четвертого ряда. Например, углерод, располагаясь во втором ряду, – типичный неметалл, но олово и свинец – типичные металлы. В пятой группе примерно также обстоит дело, если сравнить
фосфор как неметалл и сурьму с висмутом как металлы.
А вот в шестой и седьмой в основных подгруппах металлов нет, там
до устойчивости внешнего слоя не хватает лишь самую малость – один-два
электрона.
И, наконец, инертные элементы на всех оболочках имеют устойчивую
конфигурацию электронов – парную: 2, 8, 18, 32. При этом внешние слои
имеют заполненную оболочку из 8 электронов. Так что принцип парности в
природе соблюдается на всех уровнях, это залог устойчивости системы.
Все элементы, в которых внешние электроны принадлежат s-орбитам
при заполненности внутренних оболочек относятся к семейству s-элементов. S-элементы – это все металлы главных подгрупп первой и второй групп
– щелочные и щелочноземельные. Они как металлы наиболее активны, при
реакции с водой дают щелочи или основания.
Первый ряд таблицы начинается водородом с одним электроном и
электронной формулой 1s1, заканчивается гелием с заполненным слоем 1s2.
79
Эти два элемента, имея весьма простую структуру с одной лишь электронной оболочкой, являются прочными образованиями. Гелий при этом характеризуется заполненной оболочкой, а поэтому инертный, в отличие от водорода. Эти два элементы являются наиболее распространенными во вселенной, и они выполняют роль основного строительного материала в ней.
При этом чтобы получить из них другие элементы, требуется огромная
энергия, возможная лишь в недрах Солнца и звезд.
Лекция 7. Эколого-геохимическая характеристика
D-элементов
Кроме основных подгрупп в таблице Менделеева имеются и побочные, последние включают так называемые d-элементы, а это уже связано с
более тонкими особенностями строения атомов, а точнее, их электронных
оболочек.
Равенство центробежных и центростремительных сил в атоме можно
описать математически с помощью формул квантовой механики, в основе
которой лежит представление о двойственной природе физических объектов – корпускулярной и волновой. Относительную энергию электронов в
атоме и их пространственное положение относительно ядра можно описать
с помощью четырех так называемых квантовых чисел n, l m, ms. Квантованность означает дискретность. Все квантовые числа отличаются между собой
количественно на целые числа, и между тем выводятся одно из другого.
Они отражают удаленность электронного слоя (орбиты) от ядра – главное
квантовое число n. Форму или степень вытянутости этой орбиты отражает квантовое число l. Магнитное квантовое число m показывает ориентировку орбиты электрона. Чтобы не путаться, их также обозначают буквами, например K, L, M, N, O, P, Q соответствуют значениям n от 1 до 7, от
минимального до максимального количества электронных оболочек: s, p, d,
f – это буквенные обозначения, которые соответствуют второму орбитальному квантовому числу. Параметр L численно принимает значение 0, 1, 2, 3,
что соответствует 4 типам вытянутости орбиты. Каждое последующее в
этом ряду обозначений показывает увеличение вытянутости орбиты и связано с п общей формулой от 0 до п – 1.
Орбитальное квантовое число l – называется побочным квантовым
числом. Оно отображает электронные структуры вместе с главным квантовым числом. В сумме они соответствуют количеству энергии, которой обладает электрон. Чем дальше электрон от ядра, тем больше у него энергии.
При этом второе квантовое число соответствует энергетическому подуровню, для первой орбиты п = 1 может быть лишь один подуровень s = 0 (0,
1 – 1=0). Поэтому эта орбита сфера, вытянутость ее нулевая. Второй орбита
может иметь уже два подуровня 2s, 2p. Для третьей три: 3s, 3p, 3d, но максимальное число подуровней 4. Наименьшая энергия у электрона первого
80
от ядра К-слоя п = 1 и с s-подуровнем равна 0 (с круговой орбитой, точнее –
сферой (1 + 0 = 1) и максимальна у электрона 7-го слоя с f-подуровнем
(7 + 3 = 10).
Чем больше значение l, тем больше вытянута орбита электрона.
Магнитное квантовое число m отражает ориентировку орбиты электрона, а численное значение его – возможное количество таких ориентировок в пределах данного энергетического подуровня изменяется в свою очередь в зависимости от l и численно принимает значения: 0; –l; +l (возможное число ориентировок в общем случае равно m = 2l+1). Поэтому для sорбитали магнитное число равно нулю (в сфере нет других вариантов ориентировок) а вот для р-подуровня (1) таких вариантов уже три (0, +1, –1).
Для d-подуровня (2) количество m равно пяти, а для f – семи (–3, –2, –1, 0,
+1, +2 , +3). Траектория движения электрона в атоме – это его орбиталь,
описываемая тремя квантовыми числами. Она имеет определенное расстояние от ядра (первое квантовое число), степень вытянутости (второе число) и
ориентировку – магнитное число.
Четвертое квантовое число отражает направление вращения электрона вокруг собственной оси и называется спином. Так как может быть
лишь два варианта такого вращения по часовой или против часовой, то этот
спиновый момент вращения измеряется числами –0,5 или +0,5. На каждой
орбитали не может быть боле двух электронов (согласно запрету Паули), да
и то они должны отличаться спинами.
При большем удалении в пределах орбиты начинает сказываться эффект ослабления энергии связи внешних электронов с ядром за счет сил отталкивания электронов внутренних оболочек – эффект экранирования, который зависит от значения побочного квантового числа. На одной и той же
орбите меньше экранируются электроны более низкого подуровня, которые
сильнее проникают во внутренние зоны атома и потому сильнее притягиваются ядром, поэтому у них меньше свободной энергии.
Электроны при строительстве атома нового элемента последовательно заполняют энергетические уровни и подуровни от более низких к более
высоким. Но в сложных многоэлектронных атомах из-за эффекта экранирования не всегда сохраняется порядок заполнения электронами уровней и
подуровней в той последовательности, в которой они обозначены. Энергетически иногда оказывается выгоднее сначала наполнить электронами такие подуровни на более высокой (внешней) орбите (максимум заполнения
описывается простой формулой 2п2) а после их заполнения вновь возвращаться к заполнению внутреннего слоя. При этом выгодным оказывается
сначала заполнять s-подуровень внешнего слоя и лишь потом d-подуровни
в новых элементах. Математически это просто и наглядно описывается с
помощью тех же квантовых чисел. Например, суммарная энергия электрона
3d равняется 3+2=5 (d=2), а электрона 4s=4+0=4 (первое правило Клечковского). Следовательно, состояние электрона 4s выгоднее, чем состояние 3d.
81
Если подсчитать сумму энергии уровня и подуровня в разных их комбинациях, можно выстроить ряд последовательности заполнения электронных оболочек. В нем окажется, что состояние 4s более выгодно, чем 3d, 5s
более выгодно, чем 4d, а 6s выгоднее даже, чем состояние 4f, а 7s, чем 5f.
При равных же значениях энергии предпочтительнее более низкая орбита,
т. е. надо ориентироваться на главное квантовое число, и это второе правило Клечковского. (4f = 5, d = 7) Как видим, именно подуровень d на всех
орбитах уступает s-подуровню даже, если последний принадлежит более
высокой орбите. Поэтому элементы с таким типом заполнения электронных слоев с не полностью заполненными d-подуровнями называются переходными d-элементами. В результате последовательности такого заполнения d-элементы получают внешнюю орбиту с одним или двумя
s-электронами и приобретают металлические свойства. Но при этом предшествующая оболочка на d-подуровне оказывается незавершенной и заполняется последовательно от элемента к элементу в ряду до полного насыщения. А далее, снова в первую очередь, заполняется s-подуровень более высокого уровня до двух электронов, а потом уж появляются электроны на d подуровне предшествующей оболочки.
В таблице Менделеева эти металлы выделены в пределах побочных
групп. Они близки между собой в пределах одной подгруппы, у них не
только однотипно построен внешний слой, но и предыдущий. Вот почему
золото, серебро, медь химически достаточно близки между собой, легко образуют твердые растворы. Они хотя и располагаются в первой группе, но
это вовсе не щелочи. То же самое относится и к элементам группы железа,
группы платины. Атомы 10 элементов побочных групп четвертого периода,
начиная со скандия и кончая цинком, относятся к переходным –d-элементам, хотя и имеют внешние s-электроны. Но при переходе к каждому
последующему, начиная со скандия, новый электрон появляется не во
внешнем 4-м слое, а в третьем, заполняя при этом d-подуровень. Все 10
элементов имеют при этом по 2 электрона на подуровне s, поэтому свойства
их меняются не сильно с увеличением номера. А элементы группы железа и
вообще близки между собой. То же самое, 10 элементов 5-го периода – от
иттрия до кадмия – принадлежат к тем же переходным d-элементам.
Лишь после заполнения 5s-подуровня у них начинает заполняться внутренний 4-й слой на d-подуровне.
Лекция 8. Эколого-геохимическая характеристика
P-элементов
Элементы р-семейства занимают среднюю часть таблицы Менделеева, начинаются с бора, т. е. с третьей группы, и это все элементы главных подгрупп с III по VII группу, у которых электроны внешнего слоя рас82
положены на р-подуровне. Р-элементы, начиная с III группы верхних рядов,
имеют как бы переходные свойства между металлами и далее представляют
типичные неметаллы (C, N, O, F, P, S, Cl и т. д.) В нижних рядах с увеличением заряда ядра и усложнением строения электронных оболочек в этих
элементах усиливаются металлические свойства, но оксиды их проявляют
при этом амфотерные свойства (дают соли как с кислотами, так и с основаниями.) В минеральном царстве эти элементы могут также выполнять двойственную функцию или анионов или катионов. Они характерны для комплексных радикалов, где играют роль как центрального иона, так и лигандов. Известны классы достаточно широко распространенных минералов,
получивших название по центральным ионам в комплексах: бораты, арсенаты, фосфаты, селенаты. В этом и есть геохимическое значение охарактеризованных семейств элементов.
Таким образом, подводя итоги по данному вопросу, можно сделать
вывод, что строение электронных оболочек определяет все свойства химических элементов: s-элементы – очень активные щелочные и щелочноземельные элементы, разлагающие воду с выделением водорода. Все переходные d-элементы, хотя и металлы, так как в отличие от первых, менее охотно отдают электроны и вытесняются водородом из первичных минералов, последние, таким образом, гидролизуясь, замещаются глинистыми
минералами. P-элементы занимают среднюю часть таблицы, располагаясь
между типичными металлами и инертными элементами. Металличность в
них ослабевает в направлении слева направо и снизу вверх.
Лекция 9. Физико-химические барьеры, их экологическая
сущность
Геохимические барьеры – это участки геологической среды или
ландшафта, где резко меняются условия миграции, что приводит к накоплению определенных форм вещества, в зависимости от внутренних и внешних
факторов миграции. Существуют два потока веществ, мигрирующих в форме растворов: истинных и коллоидных. При изучении таких барьеров различают внутренний и внешний факторы миграции. Первый связан со свойствами мигрантов, а второй обусловлен свойствами среды миграции. Однако следует иметь в виду условность такого деления, так как их влияние обоюдное. Окружающая среда – это также мир химических элементов и их соединений. На поведение элементов в потоке водных растворов оказывает
влияние множество факторов, но лучше всего химиками изучено влияние
кислотно-щелочного и окислительно-восстановительного потенциалов рН и
Еh. Они отражают свойства воды как основного природного растворителя и
окислителя. Однако надо иметь, что природная вода – это не стерильные
химические растворы лабораторий, это среда обитания множества живых
83
организмов, и прежде всего микроорганизмов, число особей которых составляет миллионы в одном см3 воды. И именно они, часто в большей мере,
определяют ее свойства, чем сами химические компоненты.
Перельманом выделено восемь основных видов физико-химических
барьеров:
• окислительные,
• восстановительные,
• сульфатно-карбонатный, • щелочной,
• кислый,
• испарительный,
• сорбционный,
• термодинамический.
Окислительные и восстановительные виды подразделяются на подвиды по типоморфным элементам.
Окислительные барьеры. Окисление – главный геохимический процесс в условиях дневной поверхности, где доминирует свободный кислород
как основной природный окислитель, поэтому эти барьеры более правильно
называть кислородными. Большинство элементов в соединении с кислородом устойчивы и образуют преимущественно механические формы (минералы, породы и их обломки). В составе же комплексных ионных соединений
они, наоборот, хорошо растворимые и потому подвижные, легко преодолевающие кислородные барьеры. Поэтому лишь 5 элементов могут выпадать в
осадок из растворов на окислительных барьерах – Fe, Mn, Со, S, Se. При этом
первые три из кислых, нейтральных, слабощелочных растворов; из сильно
щелочных – только марганец, а сера и селен – только из сероводородных вод,
независимо от значения рН, но при участии сульфатредуцирующих бактерий. Эпигенетические серные месторождения такого типа возникают на территории распространения нефтегазовых или гипсоносных формаций (западные области Украины, Ферганская долина, Шор-Су), Мексиканский залив.
Окислительные барьеры легко диагностируются по яркой красной окраске
гидроксидов трехвалентного железа. Их осадки образуются на кислородном
барьере при высачивании грунтовых вод в пределах кислых болотистых участков долин, наблюдаются по периферии болот. Трубчатой формы гидроксиды железа образуются вокруг корневищ растений в разрезах луговых почв,
где возникают железистые стяжения, бобовины. Они известны и в лесных
почвах Западной Европы под названием «роренштейны». Красноцветные
толщи песков встречаются в разрезах разного возраста, особенно характерны
для неогена, перми, триаса, верхнего девона – геологических эпох, отличающихся засушливым и жарким климатом с недостатком влаги, необходимой
для перевода железа в растворимые формы.
Восстановительные барьеры. Восстановительные процессы в сравнении с окислительными в верхней части земной коры хотя и подчиненные,
но для образования руд металлов и каустобиолитов имеют большое значение. Возникают локально в почвах и водоносных горизонтах на участках
гниения органики. Выделяют два подвида барьеров сероводородный и глее84
вый (без сероводорода и кислорода). Первый – сульфидный – образуется
при слиянии сероводородных вод с глеевыми или кислородными. При этом
в осадке образуются сульфиды порядка пятнадцати элементов. Особое значение имеют для образования урановых и медных руд (медистые песчаники
в красноцветных толщах).
На глеевом барьере при смешении сероводородных и глеевых вод накапливаются лишь медь, уран, молибден, а при слиянии глеевых сильнощелочных (содовые) и кислородных вод накапливается более широкий спектр
металлов: медь, уран, молибден, серебро, хром, мышьяк и ванадий. Визуально восстановительные от окислительных барьеров отличаются серой, зеленой и голубоватой окраской за счет соединений двухвалентного железа.
Щелочной барьер образуется при слиянии щелочных вод с более
кислыми. Имеет очень важное значение для формирования месторождений
разных металлов, так как большинство из последних легко растворимы в
кислых водах, а в щелочных выпадают в осадок. Исключением являются
лишь редкометалльные и редкоземельные элементы, фтор, бор, алюминий,
кремний, которые больше растворимы в щелочных условиях.
Кислый барьер означает смену щелочных условий кислыми. Значение для концентрации металлов невелико по той причине, что в таких условиях большинство из них хорошо растворяются в природных водах. Но на
этом барьере могут накапливаться редкометалльные и редкоземельные элементы, фтор, бор, алюминий.
Сульфатно-карбонатный барьер формируется при встрече глубинных хлоридных вод с карбонатными и сульфатными породами или водами.
В результате обменных реакций возникают эпигенетические жилы карбонатов, сульфатов кальция, бария, стронция.
Испарительный барьер образуется при увеличении концентрации
рассола при испарении растворителя. Так образуются галогенные месторождения в солеродных водоемах, формируются бескорневые аномалии многих металлов при капиллярном подъеме грунтовых вод в засушливых районах степей и пустынь.
Термодинамические барьеры – это барьеры, связанные с резкими
изменениями температуры и давления растворов. Имеют значение для образования всех магматических и постмагматических, метаморфогенных и
метаморфизованных горных пород и руд.
Лекция 10. Механические барьеры, их экологическая сущность
Механические барьеры широко распространены как в природе, так и в
искусственных условиях. На них образуются различные отложения терригенных осадков: грубообломочные, пески, глины. Осаждение происходит
при уменьшении энергии среды транспортировки механического материала
85
или возникновения механического препятствия – пороги, изгибы рек, острова, косы. Это также различного рода инженерные сооружения, предназначенные для накопления воды или препятствующие ее току: водохранилища, дамбы, плотины, отвалы горных пород, насыпи.
Как правило, природные концентрации химических элементов на механических барьерах не представляют опасности для живых организмов,
так как находятся в форме труднорастворимых минералов, обломков пород.
Техногенные барьеры в основном связаны с гидротехническими сооружениями. На континентах это чаще всего плотины, перегораживающие реки.
Поскольку они преграждают путь как мелким, так и крупным обломкам, то
дифференциация веществ на этих техногенных барьерах гораздо меньше,
чем на природных. Промышленных скоплений каких-либо химических элементов на техногенных барьерах пока не выявлено. При большой скорости
отложения обломочного материала происходит быстрое заполнение водохранилищ терригенным материалом, поэтому теряет смысл построение
плотин в горных районах.
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 северо-западной части бассейна Черного моря перегорожены плотинами, для предотвращения размыва пляжей в прибрежных ландшафтах этой части моря создаются (с учетом морских течений) специальные железобетонные сооружения, которые не только предотвращают размыв, но и способствуют восстановлению пляжей. Таким образом, создаются новые механические техногенные барьеры.
Осаждение коллоидов из водных потоков на природных механических барьерах 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 плотинами, происходит довольно интенсивное отложение глинистых коллоидных частиц. Особенно широкое развитие этот процесс получил в водохранилищах, созданных в равнинных условиях.
Концентрация соединений, не имеющих природных аналогов, происходит как на техногенных, так и на природных механических барьерах. Поскольку размеры и масса отдельных обломков различны (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 таких предметов возрастает, и проблема их ликвидации вскоре может стать одной из основных при решении многих экологических задач.
86
Лекция 11. Биогеохимические барьеры, их экологическая
сущность
В живых организмах особое значение имеют биофильные элементы
(макрокомпоненты), содержание которых составляет в среднем более
0,01 % (кислорода – 70 %, углерода – 18 %, водорода – 10,5 %, кальция –
0,5 %, калия – 0,1 %, азота более – 0,3 %, кремния – 0,2 %, магния – 0,04 %,
фосфора – 0,07 %, серы – 0,05 %, натрия – 0,02 %, хлора – 0,02 %, железа –
0,01 %). Содержание других элементов меньше (микроэлементы), но роль
некоторых из них функционально важная, и содержание некоторых из них
будет выше средних значений для микроэлементов. Определенные виды
растений имеют «пристрастие» к некоторым микроэлементам. Береза,
ягель, кукуруза концентрируют золото. Такие виды их получают даже собственное название по таким элементам. Существует, например, цинковая
(галмейная) флора. Из всех металлов кальция в живых организмах более
всего (скелет, зубы).
Если сравнить элементный состав живых организмов с кларками земной коры или горных пород, легко увидеть, что соотношение элементов в
организмах иное, что качественно отличает косную и живую материю. Установлено, что организмы избирательно концентрируют в себе необходимые им элементы, часто совершенно не сообразуясь с пропорциями их в
окружающей среде.
Биогеохимические барьеры имеют разные масштабы. Глобальным является в целом вся биосфера, растительный покров. Отдельные индивиды
растений могут создавать единичные барьеры. К локальным биогенным
барьерам, например, относятся колонии сульфатредуцирующих бактерий.
Последние в породах и водах, богатых органикой, разлагают сульфаты и
органическое вещество. Кислород из сульфатных радикалов идет для окислительных процессов (дыхание, окисление органики), а сера восстанавливается до сероводорода или до самородного состояния, образуется также и
углекислота. Продуктами такой жизнедеятельности являются так называемые лебедениты, сульфидно-карбонатные породы, часто обнаруживаемые
на контакте углеродистых сланцев и магнетитовых кварцитов толщ раннепротерозойского возраста. В них обнаруживаются микроскопические сфероидные углеродистые образования, которые могли принадлежать этим
организмам. Микробиологи выделили многочисленные группы современных сульфатредуцирующих бактерий и в засоленных почвах, и в илах солевых озер и морей, в водоносных горизонтах нефтегазовых и угольных месторождений. Перельман подчеркивал огромное значение их деятельности
при образовании сульфидных экзогенных месторождений Средней Азии.
При повышенной концентрации химических веществ в почвах, атмосфере, природных водах растения обычно в своем зольном остатке обнаруживают также аномальные концентрации этих элементов. Это используется
87
при биогеохимических методах поисков месторождений или оценке загрязнения территорий. Однако растения, произрастая на геохимических аномалиях при значительных превышениях ПДК, могут испытывать определенный прессинг от избытка элементов, что отражается на внешнем облике,
фенологических фазах развития. Это явление получило название тератологических изменений и используется в качестве индикаторного признака
экологического неблагополучия.
Лекция 12. Преобладающие особенности поведения
химических элементов в зоне гипергенеза
Зона гипергенеза отвечает приповерхностной части земной коры, а
еще более точно – зоне сочленения литосферы, гидросферы и атмосферы, в
пределах которой, собственно, и сформировалась биосфера в условиях относительно низких температур, низкого давления, наличия свободной воды,
кислорода, что необходимо для существования сложных белковых молекул,
составляющих основу жизни. Эти условия и характеризуют геохимические
особенности зоны гипергенеза, интенсивность и направленность химических (биохимических) реакций, характера их продуктов. Окисление, гидролиз и гидратация – вот главные типы химических реакций здесь. Исходным
продуктом для них являются все типы горных пород, обнажающихся на поверхности равно как магматические, так метаморфические и осадочные. И
чем больше отличаются минеральные ассоциации пород по условиям образования от условий гипергенных, тем существеннее их изменения, как следствие приспособления к изменившимся условиям ОС в полном соответствии с принципом противодействия Ле Шателье.
Вода, гравитация, организмы, сезонные и суточные колебания температур, кислород, углекислота, солнечная радиация – вот основные факторы
химического преобразования исходных пород в зоне гипергенеза.
Совместное действие этих факторов приводит к механическому и химическому разрушению горных пород, составляющих их минералов, к разделению (дифференциации) как реликтового (остаточного), так и новообразованных продуктов. Это может происходить на месте залегания пород, и
тогда образуется элювий или кора выветривания. При удалении продуктов
выветривания и на пути миграции их к промежуточным и конечным базисам эрозии возникает целый каскад генетических типов отложений: делювий, пролювий, аллювий. Все минералы исходных пород имеют разную гипергенную устойчивость, обратную кристаллизационному ряду Боуэна. Поэтому легче всего разрушаются темноцветные минералы, содержащие железо и основания, а из лейкократовых – основные кальциевые плагиоклазы.
Кварц, мусковит, микроклин и некоторые акцессорные минералы оказываются наиболее устойчивыми и образуют механическую компоненту оста88
точных продуктов выветривания, дальнейшая миграция которых и осаждение на механических барьерах приводит к накоплению песков. При этом
минеральный состав песков будет различным в зависимости от скорости
денудации и захоронения осадков. В мобильных геоструктурах и горных
областях формируются плохо сортированные полимиктовые пески, а в равнинных платформенных – олигомиктовые и мономиктовые пески, в которых доля кремнезема может доходить до 90 %. В них, как и в элювии, могут
накапливаться устойчивые акцессорные минералы, такие как циркон, монацит, рутил, ильменит, касситерит, золото, алмаз, платиноиды, давая месторождения россыпей элювиальные, аллювиальные и морские.
Алюмосиликаты и темноцветные минералы при химическом выветривании гидролизуются. При этом в них происходит замещение металлов
ионами воды. Водород, вытесняя металлы из решеток первичных минералов, превращает их в глинистые минералы, например в каолинит, в котором
из металлов сохраняется лишь алюминий. Так образуются элювиальные
глинистые продукты выветривания, которые, по сути, являются кислотной
частью продуктов гидролиза. Гидроксил ион мигрирует за пределы коры
выветривания и, достигая конечного базиса эрозии, повышает щелочность
морских и океанических вод. Щелочи и щелочноземельные элементы, образуя подвижные, легкорастворимые соединения, также мигрируют к конечному базису эрозии, поддерживая его солевой баланс. Новообразованные
малоподвижные гидроокислы железа, алюминия, отчасти кремнезема могут
входить в состав глин элювия. В условиях латеритного выветривания образуется латерит или боксит, породы, сложенные из устойчивых полуторных
окислов железа, алюминия и кремния. Присутствие в составе новообразованных минералов ионов воды или ее молекул, окисных форм железа является наиболее характерной особенностью гипергенных минералов.
Кроме того, если для большинства магматических пород характерно
доминирование натрия над калием, то для гипергенных наблюдается обратное соотношение щелочей за счет того, что ион калия имея больший радиус, легче сорбируется глинами.
Щелочноземельные элементы в значительной массе рассеиваются в растворенном виде в природных водах или концентрируются в виде карбонатов в
известняках, доломитах, используются организмами для построения скелета
или раковин. То же самое относится и к растворимой части кремнезема.
Для зоны гипергенеза характерна так называемая минерализация органики с рассеванием углерода в глинистых, карбонатных породах или образование месторождений горючих ископаемых битумного и каустобиолитового ряда.
Итак, главный результат гипергенеза в отношении химических элементов – это разделение, дифференциация, их во времени и пространстве по
плотности и растворимости с образованием новых генетических типов по89
род: элювиальных, эоловых, гидрогенных. При достаточном геологическом
времени формируются коры выветривания в пределах водоразделов на континентах. При денудации последних происходят переотложения продуктов
выветривания в пониженных частях суши и в прилегающих морях. Здесь
накапливаются наиболее подвижные продукты разрушения первичных горных пород.
Гипергенные процессы и их продукты представляют собой первичную основу для существования живых организмов. Последние, с одной стороны, приспосабливаются к этим процессам, черпая в них энергию и вещество, а с другой стороны – по законам обратной связи трансформируют эту
среду, приспосабливая ее для себя. Так образуются биокосные системы, такие как почва, болота, водоемы. Именно в гипергенных условиях формируются геохимические циклы элементов, поддерживающих стабильность и
жизнь всей планеты в целом, а также и человека.
Лекция 13. Техногенное рассеивание и концентрирование
элементов
С точки зрения экологической геохимии, с двадцатого века изменяются условия миграции (внешние факторы). Появляются новые, техногенные источники интенсивного вовлечения химических элементов в геохимический цикл миграции; во многом изменились и сами малые циклы миграции; широкое распространение получила не просто техногенная миграция,
а, как выделил из нее А.И. Перельман – миграция социальная, вообще не
имеющая природных аналогов. Часть этих изменений носит глобальный
(биосферный) характер, часть – региональный или местный.
К глобальным изменениям относят увеличение в биосфере концентрации углекислого газа; уменьшение мощности озонового слоя, вплоть до
образования «дыр»; начинающееся повышение температуры в биосфере; ее
металлизацию и т. п. К региональным и местным изменениям – резкое увеличение в атмосфере определенных регионов содержания пыли, оксидов
серы; повышение концентрации ряда соединений в почвах сельскохозяйственных ландшафтов и т. п. В целом же, как уже отмечалось, идет рост площадей, занимаемых техногенными ландшафтами, за счет биогенных и даже
абиогенных ландшафтов. Все эти изменения в биосфере, связанные с первыми периодами формирования ноосферы, внесли свои коррективы в ранее
существовавший процесс природной миграции. Таким образом, миграция
химических элементов в биосфере (и в ее биогенных, а также техногенных
ландшафтах) идет под воздействием как природных, так и антропогенных
факторов. При этом роль последних постоянно возрастает.
Относительно условно массу химических элементов, миграция которых в перечисленных формах нахождения связана с начавшимся формирова90
нием ноосферы, можно разделить на две группы. К первой относится масса
элементов (их соединений), поступление и миграция которых обусловлены
работой промышленных предприятий и транспорта, а ко второй – непосредственно сельскохозяйственным производством. Это связано с тем, что вещества, относимые к первой группе, поступают в биосферу преимущественно в
местах большого скопления жителей (в населенных пунктах), а вещества
второй группы оказывают большое влияние на качество продуктов питания.
Такое разделение удобно и для последующей выработки конкретных рекомендаций по улучшению состояния среды, окружающей человека.
Значительная часть поступающих в атмосферу твердых коллоидных
частиц изначально содержит тяжелые металлы, способствуя отмечаемой
многими исследователями металлизации биосферы. От металлургических
предприятий таким путем поступают в значительных количествах Fe, Mn,
Со, As, РЬ, Zn, W, Cu, Cd и др.
В результате осаждения промышленных аэрозолей состав образующихся крупных техногенных аномалий идентичен. При этом во многих лито- и биогеохимических аномалиях коэффициент аномальности ряда
элементов, находящихся в наибольших концентрациях и относимых к так
называемым приоритетным загрязняющим веществам, может быть в 1000
раз выше, чем у других элементов, составляющих эти же аномалии. Крупные лито- и биогeoхимические аномалии, образующиеся за счет осаждения
техногенных аэрозолей, часто встречаются вблизи относительно не больших селитебных ландшафтов (регионального и местного значения), а также
у рудников и обогатительных фабрик.
Чем больше разноименно заряженных частиц находится в определенной части атмосферы (над отдельным предприятием, городом), тем чаще
они сталкиваются, соединяются и оседают (Б.А. Алексеенко, 1994). Расчеты
показывают, что скорость оседания коллоидных частиц в воздухе в 600 раз
больше, чем в воде.
Итак, чем больше разнообразных предприятий – источников разнозаряженных аэрозолей находится рядом, тем меньше становится дальность
переноса частиц аэрозолей. В данном случае, с одной стороны, уменьшаются глобальные (с точки зрения пространственного распространения) последствия атмосферного переноса коллоидов техногенной природы, а с другой стороны, на относительно небольшой территории (обычно с максимальной плотностью населения, среди которого дети с еще только формирующимся организмом) оседает максимум загрязняющих веществ в коллоидной форме. В результате резко возрастает их токсичное воздействие.
Это при учете большого количества крупных промышленных центров
в различных частях биосферы позволяет относить последствия рассматриваемого переноса к глобальным явлениям в биосфере. Здесь уместно отметить, что отрицательные последствия концентрации веществ из аэрозолей
91
не всегда пропорциональны массе последних. Миллиграммы аэрозолей Рb,
находящиеся в атмосфере городов и попавшие через легкие в организм человека, гораздо опаснее килограммов природных глинистых частиц, переносимых в виде аэрозолей.
В результате осаждения большого количества аэрозолей в черте городов, в их почвах и растениях, повышены концентрации многих химических
элементов, и в первую очередь металлов. Почвы значительных по размерам
селитебных ландшафтов можно рассматривать как крупные техногенные
литохимические аномалии, образовавшиеся преимущественно за счет осаждения коллоидных частиц из атмосферного воздуха. Основными источниками этих частиц являются различные промышленные предприятия и
транспорт.
Изучение таких аномалий показало, что, несмотря на различные климатические и ландшафтно-геохимические условия, а также на преобладание
в городах различных предприятий, элементный состав всех изучаемых аномалий практически одинаков: Pb, Zn, Cu, Мо, Со, Cr, Ba, Ni, Mn, Y, Ga, Ti,
Sr. Однако значения коэффициентов аномальности этих элементов могут
существенно отличаться.
Лекция 14. Геохимия природных вод, их классификации
и антропогенные изменения
Природная вода – это не химическое вещество, а особое биокосное
тело, обладающее свойствами самых разных растворов. Температура –
важнейший параметр природных вод, который во многом определяет состав
водных растворов, условия миграции и формы нахождения элементов, скорость химических реакций. Четко выделяется группа холодных и слаботермальных вод, в которых возможна энергичная бактериальная деятельность.
Несколько условно 40 °С считается ее верхней границей. Эта так называемая «характерная температура Менделеева», при достижении которой
происходит резкое изменение ряда физических свойств вод, и в частности
ее электропроводности; и это же значение также, сверху ограничивает зону
гипергенеза. Выше 40° начинается область гидротермальных процессов, которая разделяется на несколько температурных интервалов. Важным рубежом служит критическая температура, выше которой невозможна жидкая
вода (несмотря на высокое давление). Для чистой воды это 374,1°, для
сильноминерализованных вод до 450°. При более высоких температурах
существуют надкритические растворы, т. е. газовые растворы, в которых
мигрируют многие элементы. Особенно характерны летучие хлориды и
фториды металлов. При высоких давлениях сильно сжатый водяной пар ведет себя аналогично жидкой воде, молекулы Н2О в нем ассоциированы. Такие газово-жидкие растворы именуют флюидами. Они играют важную роль
в формировании многих магматических и постмагматических пород и руд.
92
Л.Н. Овчинников и В.А. Масалович выделили семь особых температурных точек воды, отвечающих ее структурным превращениям: 4, 40, 85,
165, 225, 340 и выше 400 град. Учитывая эти и другие построения, можно
по температуре выделить четыре группы вод:
1) холодные и слаботермальные воды верхней части земной коры
(до 40°),
2) горячие и умеренно перегретые (40–200°),
3) сильно перегретые (200–375°),
4) флюидные (выше 375 °С).
Состояние наших знаний позволяет разработать геохимическую классификацию природных вод только для первой группы.
Все воды в природе содержат растворенные газы, ионы, недиссоциированные молекулы, многие – коллоидные частицы. При геохимической
классификации необходимо четко определить таксономическое значение
каждого компонента вод. Задача эта решалась по-разному. В.И. Вернадский
считал воду особым минералом и выделил 485 ее видов, отмечал, что общее
их число превышает 1500. Все воды этот ученый разделил на три подгруппы по фазовому состоянию: твердую воду (льды), газообразную (надземные
и подземные пары) и жидкую. В жидкой воде были выделены классы пресных, соленых и рассольных вод. Вернадский считал, что классификация
должна учитывать не только геохимические особенности вод, но и физикогеологические параметры, характер водовместилищ. На этом основании он
выделял царства, подцарства и семейства вод. Так, подгруппа жидкой воды
включает царства поверхностных, подземных и глубинных вод. Семейства
выделяются по формам нахождения вод в земной коре: семейства озерных,
болотных, речных, пластовых и других вод. Это все обыденные понятия,
выработанные жизнью, подчеркивал ученый. Большое значение он придавал газовому составу вод, выделял кислородные, углекислые, азотные, метановые сероводородные и водородные воды (таксономическое значение
газов выше ионов). Для каждого вида вод Вернадский приводил химический элементарный состав в порядке убывания содержания элементов. Данная классификация по сути ландшафтная, так как она учитывает не только
геохимические особенности вод, но и физико-географические и геологические условия их распространения и залегания. По широте охвата и глубине
анализа классификация Вернадского намного опередила свое время и сыграла выдающуюся роль в развитии геохимии. Она не потеряла научного
значения и в настоящее время.
Возможна в принципе и чисто геохимическая классификация вод.
Развивая идеи Вернадского о роли растворенных газов, А.М. Овчинников
разработал «гидрогеохимическую систему природных вод», в которой выделены воды с газами окислительной обстановки (N2, O2, СO2), воды с газами
восстановительной обстановки (СН4, H2S), воды с газами метаморфической
93
обстановки (СO2 и др.). Дальнейшую систематику он проводит по соотношению катионов (Na+, К+, Са+2).
В гидрогеохимии нашла широкое признание классификация Перельмана, которая включает 6 таксонов: группа, тип, класс, семейство,
род и вид.
В первом таксоне две температурные группы: холодные и горячие до
умеренно перегретых (40–200°), каждая из групп разделяются на три типа
по окислительно-восстановительным условиям: окислительные, глеевые,
сероводородные. В свою очередь типы делятся по рН на 4 класса: сильнокислые (менее 3), слабокислые (3,5–6), нейтральные и слабощелочные (6,5–
8.5), сильнощелочные.
Семейств по общей минерализации природных вод пять:
1. Ультрапресные воды (< 0,1 г/л) широко распространены в природе,
к ним относятся многие атмосферные осадки, поверхностные и грунтовые
воды материков в районах влажного климата. Эти воды не насыщены практически всеми минеральными соединениями, поэтому из них не осаждаются соли. Наоборот, они обладают большой растворяющей способностью.
2. Пресные воды (0,1–1 г/л) характерны для большинства рек и озер
влажного климата, многих грунтовых, пластовых и трещинных вод. Эти воды составляют главную базу питьевого и технического водоснабжения.
3. Солоноватые воды (1–3 г/л) широко распространены в степях, пустынях и сухих саваннах, в артезианских бассейнах. Они насыщены СаСО3,
МgСО3, и частично CaSO4. Поэтому растворяющая способность вод ослаблена, при небольшом повышении концентрации из них осаждаются труднорастворимые соли, которые обусловливают карбонатизацию и огипсование
почв и пород.
4. Соленые воды (3–36 г/л). К ним относятся океанические, многие
поверхностные и подземные воды материков. Это самые распространенные
воды нашей планеты.
5. Рассолы (> 36 г/л). Они характерны для некоторых соленых озер,
глубоких горизонтов пластовых вод, глубоких трещинных вод изверженных
пород. Преобладают хлоридные рассолы. Е.В. Пиннекер делит рассолы на
слабые (36–150 г/л), крепкие (150–320 г/л), весьма крепкие (320–500 г/л) и
предельно насыщенные (> 500 г/л).
По содержанию органического растворенного вещества выделяется
4 рода вод:
1. Воды, богатые РОВ гумусового ряда, в соединении с которыми
мигрируют и многие рудные элементы.
2. Воды, богатые РОВ нефтяного ряда, особенно характерные для
глубоких подземных вод нефтегазовых месторождений. Среднее содержание Сорг здесь, по В. М. Швецу, колеблется от 35 до 800 мг/л (максимум
4500 мг/л). В составе РОВ преобладают низкомолекулярные жирные кисло94
ты, обнаружены также нафтеновые кислоты, бензол, толуол, фенолы, спирты, сложные эфиры. Есть и вещества гумусового ряда.
3. Воды, бедные РОВ. К ним относятся воды некоторых горных рек,
изверженных пород, аридных районов, высокогорных озер и т. д.
4. Воды, промежуточные по содержанию РОВ, к которым относятся
океанические и многие другие воды.
Виды природных вод делятся уже по ионному составу:
Почти все химические элементы мигрируют в ионной форме, но систематическое значение имеют только ведущие ионы, т. е. ионы элементов с
высокими кларками – О, Са, Mg, Na, К, Cl, S и др. Редкие элементы из-за
низкого кларка содержатся в водах в ничтожных количествах – часто менее
n·10–5 г/л (до n·10–14 г/л у Ra). Это исключает существенное влияние их ионов на геохимические свойства вод, т. е. на способность вод определять условия миграции элементов.
Ионный состав вод определяет их важные геохимические особенности, использование в народном хозяйстве и медицине – пригодность для водоснабжения, орошения, лечения болезней и т. д. Поэтому определение в
водах шести главных ионов выполняется при любых исследованиях вод.
Объем информации по данному вопросу огромен. Это, естественно, вызвало необходимость классифицировать воды по ионному составу, по преобладанию тех или иных ведущих ионов (при этом учитывают не массовые, а
эквивалентные количества ионов).
В зоне гипергенеза в водах наиболее распространены шесть ионов –
три катиона (Са2+, Mg2+, Na+) и три аниона (НСОЗ–, SO42–, Cl–). Реже ведущее значение приобретают карбонат-ион (СО3–), гидросульфид-ион (HS–),
сульфид-ион (S2–). В гидротермах возрастает роль и других ионов, например фтор-иона (F–). Исключительно велико значение Н+. и ОН–-ионов, по
содержанию которых выделяются крупные таксоны – классы вод.
Большинство ионов металлов в водах представлены гидроксокомплексами, полимерными ионами и комплексными соединениями с анионами. Например, U6+ в растворах образует сложный катион уранил UO22+,
который нередко дает гидроксокомплексы или входит в состав комплексных анионов. Поэтому в водах в зависимости от их свойств могут присутствовать UO22+, UO2(ОН)+, UO2(СОЗ)2+(Н2О)22–, UO2(CO3)34– и другие ионы, а
также недиссоциированные молекулы UO2(ОН)2. Комплексные ионы очень
характерны и для термальных вод.
Анализ газово-жидких включений, изучение состава гидротермальных минералов, термодинамические расчеты свидетельствуют о большом
разнообразии ионов гидротерм, например для Сu свинца, молибдена. Распространены молибден-урановые комплексы. В.Л. Барсуков показал, что в
переносе олова большое значение имеют фторгидроксильные комплексы
типа Sn(F, OH)62–.
95
Среди ведущих ионов в гидротермах большое значение придается
хлор-иону (Cl–), многие гидротермы имеют хлоридный состав. Этот ион образует растворимые комплексы типа MeCl+ с большинством металлов.
В связи с широким распространением в водах комплексных ионов
обычная форма выражения химических анализов вод в виде простых ионов,
как правило, не отражает реального ионного состава вод.
Большинство авторов выделяют по анионному составу гuдрокарбонатные (карбонатные), сульфатные и хлоридные виды воды. Дальнейшее
деление проводится по катионам и соотношениям ионов. Число видов вод
как наиболее мелкой таксономической единицы велико. Возможно, что рационально выделять виды по анионам, подвиды – по катионам, разности –
по их соотношению и т. д. Все классификации вод по ионному составу относятся к холодным и слабонагретым водам. В горячих и перегретых водах
состав ведущих ионов существенно меняется, в них большое значение приобретают анионы кремневой, фтористоводородной и других кислот.
Ионный состав вод при всем его большом научном и практическом
значении все же часто не определяет геохимическое своеобразие вод. Во
многих случаях его роль отступает на задний план, так как в водах химические элементы находятся как в ионной, так и вне ионной форме. Именно
поэтому свойства ионов не могут объяснить все особенности водной миграции. Для объяснения специфики некоторых вод, например богатых РОВ,
они вообще неприменимы. Использование в подобных случаях данных о
шестикомпонентном составе, понятия ион-радиусах и других характеристиках ионов в качестве главных характеристик вод методологически несостоятельно.
Также одной из наиболее принятых в гидрохимии классификаций
природных вод по концентрации основных компонентов является классификация О.А. Алёкина, сочетающая принцип деления по преобладающим
ионам с количественным соотношением между ними (рис. 5). Все природные воды делятся по преобладающему аниону на три класса: гидрокарбонатные, сульфатные и хлоридные. Каждый класс по преобладающему катиону, в свою очередь, разделен на три группы: кальциевую, магниевую и
натриевую. В пределах каждой группы, исходя из соотношения между ионами в эквивалентах, выделено четыре типа вод:
I. HCO3 > Ca2+ + Mg2+.
II. HCO3 < Ca2+ + Mg2+ < HCO3– + S042–.
III. НСО3 + SO42– < Ca2+ +Mg2+ + или Cl– > Na+.
IV. НСО3=0.
Тип I – воды в основном слабоминерализованные, образующиеся в результате выщелачивания изверженных пород или ионно-обменных
процессов.
Тип II – воды смешанного происхождения, формирующиеся в результате
взаимодействия вод как с осадочными породами, так и с продук96
тами выветривания изверженных пород. Это преимущественно
воды рек, озер и подземные воды малой минерализации.
Тип III – воды, химический состав которых сформировался под влиянием
процессов метаморфизации. Это сильноминерализованные подземные воды, а также воды океанов, морей и минеральных озер.
Тип IV – кислые воды, характеризующиеся отсутствием НСО3. Это болотные, шахтные и вулканические воды.
Природные воды
К
Л
Гидрокарбонатные (C)
Г
Ca
А
У
Na
Ca
Т
I
III
II
I
III
II
I
III
II
С
Ы
Сульфатные (S)
Р
Mg
С
П
П
Mg
И
IV III
II
Хлоридные (Cl)
Na
П
IV III
II
Ы
Ca
Mg
IV III
II
IV III
II
Na
Ы
I
III
II
I
III
II
Рис. 5. Классификация природных вод
Всего по данной классификации выделяется 27 видов природных вод,
которые обозначаются для краткости символами. Класс обозначается символом, выведенным из названия аниона (С – гидрокарбонатный, S – сульфатный, Сl – хлоридный), группа – химическим символом (Са, Mg, Na),
тип – римской цифрой. Например, CII Ca – гидрокарбонатная кальциевая,
второго типа.
Природные воды имеют огромное экологическое значение для всех
без исключения биологических видов, даже для тех, которые приспособлены жить в пустыне. Для водных организмов, а их на нашей планете великое
множество, вода – просто среда обитания с определенным веками сложившимся равновесным химическим составом. Диапазон допустимых изменений этого состава удивительно узок, делая это равновесие весьма хрупким.
Вот почему вызывает законное беспокойство у экологов тот огромный поток разнообразных веществ, попадающих в гидросферу в результате хозяйственной деятельности человека, наращивающего свое воздействие на гидросферу. Составлен список приоритетных загрязнителей по их токсичности,
массе выбросов, биологической активности, скорости распространения. К
числу таких веществ относятся оксиды азота, ПАВ, нефтепродукты, тяжелые металлы, органические вещества. По данным американских ученых человек уже упустил возможность просто определить нормальный геохими97
ческий фон природных вод, так как на планете уже не осталось районов, где
бы они так или иначе не претерпели изменения своего химического состава
под влиянием антропогенных воздействий.
Лекция 15. Геохимия атмосферы и антропогенные изменения
Трудно переоценить экологическое значение атмосферы, в том числе
и ее химического состава. Если существуют так называемые анаэробные
организмы, то высшие организмы, в том числе и человек, приспособились к
очень узкому газовому составу – нашему прозрачному защитному плащу,
надежно предохраняющему нас от недружественных проявлений космоса.
Уменьшение кислорода всего на два процента смертельно для человека, а увеличение концентрации других также представляет угрозу.
Кроме указанных в табл. 2 газов в атмосфере содержатся SО2, NН3,
СО, озон, углеводороды, НСl, НF, пары Нg, I2, а также NO и многие другие
в незначительных количествах. В тропосфере постоянно находится большое
количество взвешенных твёрдых и жидких частиц (аэрозоль).
Таблица 2
Газ
Азот
Кислород
Аргон
Вода
Углекислый газ
Неон
Гелий
Метан
Криптон
Водород
Ксенон
Закись азота
Газовый состав атмосферы
Содержание по объёму, % Содержание по массе, %
78,084
75,50
20,946
23,10
0,932
1,286
0,5–4
–
0,032
0,046
−3
1,818×10
1,3×10−3
4,6×10−4
7,2×10−5
1,7×10−4
–
−4
1,14×10
2,9×10−4
5×10−5
7,6×10−5
8,7×10−6
–
−5
5×10
7,7×10−5
Атмосфера Земли состоит в основном из газов и различных примесей
(пыль, капли воды, кристаллы льда, морские соли, продукты горения). В зависимости от состава газа в атмосфере выделяют гомосферу и гетеросферу.
Гетеросфера – это область, где гравитация оказывает влияние на разделение газов, так как их перемешивание на такой высоте незначительно. Отсюда следует переменный состав гетеросферы. Ниже её лежит хорошо перемешанная, однородная по составу часть атмосферы, называемая гомосфера.
Граница между этими слоями называется турбопаузой, она лежит на высоте
около 120 км.
98
Концентрация газов, составляющих нижнюю часть атмосферы (до
100 км), практически постоянна, за исключением воды (H2O) и углекислого
газа (CO2).
На долю тропосферы приходится около 80 % массы атмосферы, на
долю стратосферы – около 20 %; масса мезосферы – не более 0,3 %, термосферы – менее 0,05 % от общей массы атмосферы. На основании электрических свойств в атмосфере выделяют нейтросферу и ионосферу. В настоящее
время считают, что атмосфера простирается до высоты 2000–3000 км.
На высоте около 2000–3000 км экзосфера постепенно переходит в так
называемый ближнекосмический вакуум, который заполнен сильноразреженными частицами межпланетного газа, главным образом атомами водорода. Но этот газ представляет собой лишь часть межпланетного вещества.
Другую часть составляют пылевидные частицы кометного и метеорного
происхождения. Кроме чрезвычайно разреженных пылевидных частиц в это
пространство проникает электромагнитная и корпускулярная радиация солнечного и галактического происхождения.
Под загрязнением атмосферы следует понимать поступление в нее из
тех или иных источников химических элементов и соединений, которые
прямо или косвенно оказывают или могут оказать в будущем отрицательное
воздействие на биосферу.
Общий перечень наиболее важных загрязнителей окружающей среды
был согласован в 1973 г. в результате ряда совещаний международной группы экспертов, представлявших различные государства, а также учреждения и
организации системы ООН, участвующие в мероприятиях по улучшению и
охране окружающей среды. Список включает следующие вещества:
1) сернистый газ,
2) взвешенные частицы,
3) окись углерода,
4) двуокись углерода (углекислый газ),
5) окислы азота,
6) фотоокислители и реакционноспособные углеводороды,
7) ртуть,
8) свинец,
9) кадмий,
10) лорированные органические соединения (ДДТ, ПХВ и др.),
11) нефть и вещества, диспергирующие нефть в морской среде,
12) микотоксины,
13) нитраты, нитриты, нитрозамины,
14) аммиак,
15) отдельные микробные загрязнители.
Как можно видеть из этого списка, первые девять наиболее важных
загрязнителей полностью или частично связаны с атмосферой.
99
По масштабам загрязнение атмосферы может иметь локальное, региональное или глобальное значение, а по характеру они делятся на долгои кратковременные.
Кратковременные загрязнители (например, сернистый газ, ртуть и др.)
в атмосфере неустойчивы и легко вымываются из нее дождями или другими
видами метеорных осадков, обогащая гидросферу и почву. Кратковременные загрязнители обычно образуют локальные, реже региональные атмогеохимические аномалии, которые, будучи динамически связаны с гидросферой, определяют постепенное загрязнение поверхностных водотоков и водоемов. Последнее может в конечном итоге приобрести масштабы гораздо
большие, чем конкретная геохимическая аномалия в воздухе.
Долговременные загрязнители, такие как углекислый газ, прогрессивно накапливаются в атмосфере, хотя значительная их часть в результате непрерывного взаимодействия воздушной и водной оболочек планеты также
поступает в гидросферу
Загрязнение атмосферы Земли хорошо видно из космоса. Об этом сообщил на первой послеполетной пресс-конференции российский космонавт
Салижан Шарипов, вернувшийся на землю 25 апреля 2006 г. «Как представителям землян в космосе нам очень обидно, что мы ее так эксплуатируем –
мы с высоты видели, как загрязнена атмосфера. Над Азией постоянно висит
смог – мы даже не могли сфотографировать Землю», — сокрушенно отметил российский космонавт. Говоря о попытках разглядеть на фотоснимках
Великую китайскую стену, Шарипов констатировал, что ее невозможно
рассмотреть. «Стена сливается с природным фоном, и даже при большом
увеличении мы не смогли определить ее местонахождение», – сказал он.
Вредное влияние загрязненного воздуха на человека имеет как прямое
воздействие, так и через другие компоненты, например через трофические
цепи: почвы, растения, животные продукты питания. Влияние на растения
происходит как путем прямого действия газов на ассимиляционный аппарат, так и путем косвенного воздействия через почву. Причем прямое действие кислых газов приводит к отмиранию отдельных органов растений,
ухудшению роста и урожайности, а также качества сельскохозяйственной
продукции. Накопление же вредных веществ в почве способствует уменьшению почвенного плодородия, засолению почв, гибели полезной микрофлоры, нарушению роста, отравлению корневых систем и нарушению минерального питания. Аккумуляция газа в экосистеме идет с участием растительности, почвы и влаги. В зависимости от погодно-климатических условий, солнечной радиации и влажности почв может изменяться поглотительная способность ЗВ.
Загрязнение атмосферы приводит к значительному повреждению растительности. Во многих городах и вблизи них исчезают сосна и другие породы деревьев. Например, в Центральной Европе повреждено почти 1 млн га
100
хвойных лесов, или 10 % общей площади леса [8]. Общая площадь пораженных лесов, значительная часть которой связана с воздействием загрязнения атмосферы, в Европе (без СНГ) и Северной Америке составляет более 6 млн га.
Лишь благодаря поглотительной деятельности растений, почвенной и
водной среды происходит очищение атмосферного воздуха. Лес служит тем
уникальным «насосом», который перерабатывает и перекачивает «огрехи»
человеческой деятельности. Известно, что в солнечный день, например, 1 га
леса поглощает 220–280 кг диоксида углерода и выделяет 180–220 кислорода, а все леса планеты за год «пропускают» через себя более 550 млрд т диоксида углерода и возвращают человеку около 400 млрд т кислорода. Кроме
того, леса поглощают большое количество пыли (1 га леса за год – от 32 до
63 кг пыли в зависимости от своего состава). Леса выделяют очень ценные
для человека вещества – фитонциды, способные убивать болезнетворные
микробы (1 га леса в сутки дает 2–4 кг фитонцидов, а 30 кг их достаточно
для уничтожения вредных микроорганизмов в большом городе).
Однако возможности этих систем небезграничны. Более того, они не
справляются с поглощением и обезвреживанием суммарного годового выброса. Этим можно объяснить «отказ» растительности регулировать содержание СО2 в воздухе. Так, в Англии интенсивность фотосинтеза древесных
насаждений снизилась более чем в 5 раз. Загрязнение воздуха из локального
(до конца ХХ века) превратилось в глобальное. Доказано, что загрязненный
воздух из Германии достигает Норвегии, Швеции, а из Японии – США.
Лекция 16. Геохимические ландшафты и их классификация
Условия обитания биоты на суше определяются широтной и вертикальной климатической зональностью, рельефом, интенсивностью и продолжительностью потока солнечной энергии, увлажненностью, соответственно биопродуктивностью, характером растительности, почв и подстилающих пород, положением местного базиса эрозии, наличием разных геохимических барьеров. Все перечисленные природные факторы в различных
их комбинациях формируют ландшафты земной поверхности, которые для
нашей планеты весьма и весьма разнообразны. А если учесть и наложение
антропогенного фактора, то это разнообразие увеличивается еще больше.
Не удивительно, что условия миграции химических элементов в разных типах ландшафта будут в чем-то отличными, но надо иметь в виду и обратную связь – наличие типоморфных ассоциаций элементов также определяет
облик ландшафта. Например, желтые, бурые красные тона пустынного колера не только на Земле, но даже и на Марсе обусловлены окисью железа.
Поэтому наряду с общим географическим понятием ландшафта возникло
понятие геохимического ландшафта.
101
В понимании автора термина Б.Б. Полынова это части земной поверхности с однотипными условиями миграции химических элементов.
Геохимические поиски по вторичным ореолам рассеяния ведутся только на
основе ландшафтно-геохимических карт, так как разбраковка и корректная
оценка перспектив выявленных аномалий без учета условий миграции просто не возможна. Точно также эколого-геохимическая оценка территорий не
корректна без учета ландшафтных особенностей местности и ее геохимического фона, к которому и приспосабливаются эндемичные биоценозы.
Классификация геохимических ландшафтов производилась рядом авторов: Перельманом, Глазовской, Алексенко и др. Все геохимические ландшафты Перельман делит по доминирующему фактору миграции на шесть
таксономических уровней. На первом уровне они делятся на биогенные,
абиогенные и техногенные. На втором – по интенсивности накопления
биомассы: лесные, степные, тундровые, примитивных пустынь. На третьем
уровне по доминирующему физико-химическому фактору миграции, на
четвертом уровне учитывается характер рельефа, на пятом – роль эолового
фактора миграции, на шестом – характер доминирующих пород. При этом
только на третьем уровне выделяется 21 тип ландшафта. Для каждого типа
ландшафта и его компонентов выделяются свои характерные (типоморфные) ассоциации химических элементов. Например, гидрокарбонатные поверхностные воды умеренной гумидной климатической зоны к югу сменяются гидрокарбонатно-сульфатными и даже хлоридно-сульфатными водами
аридной зоны, которые будут отличаться и катионным составом, и микроэлементным составом. Точно так же будут отличаться по химизму почвы
разных широтно-климатических зон и даже в ландшафтах более мелких
таксономических уровней. Например, в Черноземье в лесостепной зоне
почвы лесного массива и открытого плакорного пространства заметно отличаются по химическому составу между собой и от почв лугово-аллювиальных.
Лекция 17. Параметры геохимического поля
В антропогенных ландшафтах возникают техногенные геохимические
аномалии, но они имеются и в природе. Биосфера Земли сформирована в
определенных довольно узких условиях средней концентрации вещества и
энергии, которые считаются нормой. Поэтому отклонения в ту или иную
сторону от нормы считаются аномалией или положительной при высокой
концентрации или отрицательной при пониженной концентрации. То и другое негативно сказывается на существовании живых организмов, что может
проявляться в их болезненном состоянии или привести к гибели.
Но как точно узнать, где граница между аномалией и нормой, по каким
критериям ее определить, что следует считать нормой, а что аномалией?
102
В геохимии нормой считается среднее содержание в пределах данной геохимической системы, под которой можно принять отдельный минерал, ту
или иную горную породу, геологическое тело, геологическую формацию,
провинцию, земную кору в целом. Используется понятие кларков как значений наиболее близких к понятию нормы. В современную эпоху за норму
стали принимать значения меньшие ПДК, ОДК, которые нормируются
обычно эмпирически по характеру физиологических воздействий. Научность этих норм не всегда бесспорна, хотя бы уже на примере того факта,
что в России эти нормы другие, в основном более мягкие, чем на западе.
Более обоснованным и научным подходом в геохимических исследованиях являются статистический. Он успешно применяется в поисковой
геохимии, но применим и в экологической. Статистические методы основаны на теории вероятности и имеют дело с величинами, которые меняют
свои значения закономерно, они называются параметрическими или просто
параметрами. Алексеенко В.А. по ряду причин скептически относится к такому нормируемому показателю состояния ОС, как ПДК химических веществ. Он считает более перспективным применение показателя «местный
геохимический фон», который определяется для достаточно обширной территории, но ограниченной отдельными крупными геологическими и геоморфологическими структурами, хотя и состоящими из комплекса генетически близких (парагенетических) геохимических ландшафтов.
Итак, статистическое среднее значение содержания элемента, характерное для участка нормального геохимического поля, является уровнем
геохимического фона. Это среднее рассчитывается разными способами в
зависимости от соответствия реального распределения химического элемента тому или иному математическому закону распределения.
Другим параметром геохимического поля является дисперсия, как вероятностная средняя мера отклонения от среднего значения. Она рассчитывается как среднее квадратичное отклонение или стандартный множитель в
зависимости от закона распределения.
Первые два параметра дают возможность оценить главный параметр в
экологической геохимии – минимальное или пороговое аномальное значение. По нему можно проводить внешний контур геохимической аномалии,
которая зависит от коэффициента, при значении стандартного множителя
или среднеквадратичного отклонения. Он может лежать в пределах значений от 1 (мягкий вариант оценки) до 3 (жесткий вариант оценки). То или
иное значение его принимается в зависимости от очевидности и размеров
аномалии. Чем контрастней и обширнее аномалии на данной территории,
тем мягче вариант оценки.
При оценке аномалий пользуются также такими параметрами, как показатель контрастности и продуктивности.
103
Лекция 18. Эколого-геохимические аспекты токсичности
элементов
Токсичность (от греч. toxikon-яд) – способность вещества вызывать
нарушения физиологических функций организма, в результате чего возникают симптомы интоксикаций (заболевания), а при тяжелых поражениях и
его гибель. Степень токсичности характеризуется величиной токсичной дозы – количеством вещества отнесенным, как правило, к единице массы животного или человека, вызывающим определенный токсический эффект.
Чем меньше токсичная доза, тем выше токсичность. Различают среднесмертельные дозы (медианносмертельные, сокращенно ЛД50 или LD50), абсолютно смертельные (ЛД90–100,LD90–100), минимально смертельные (ЛД0–10,
LD0–10), среднеэффективные (медианноэффективные, ED50), вызывающие
определенные токсичные эффекты, пороговые (ПД50, РD50) и др. (цифры в
индексе – вероятность в % появления определенного токсичного эффекта –
смерти, порогового действия и др.). Наиболее часто используют величины
ЛД50, ПД50 и ED50, которые статистически более достоверны по сравнению с
другими. Токсичность вещества характеризуется также предельно допустимой концентрацией (ПДК) – максимальным количеством вещества в единице объема воздуха или воды, которое при ежедневном воздействии на
организм в течение длительного времени не вызывает в нем патологических
изменений, а также не нарушает нормальной жизнедеятельности человека.
Величины токсичной дозы (концентраций) характеризуют степень
опасности вещества при определенных путях поступления его в организм.
Существуют различные классификации веществ, учитывающие степень их
опасности. В промышленной токсикологии наибольшее распространение
получила классификация, предусматривающая 4 класса вредных веществ
(см. табл. 3); иногда вместо термина «опасные» используют термин «токсичные»).
Таблица 3
Классификация химических веществ по степени воздействия на человека
Степень опасности вещества
Показатель
ПДК в воздухе рабочей зоны, мг/м3
ЛД50 при введении в
желудок, мг/кг
Средняя смертельная
концентрация в воздухе, мг/м3
Чрезвычайно
опасные
Высокоопасные
Умеренно
опасные
Малоопасные
< 0,1
0,1–1
1,1–10
> 10
< 15
15–150
151–5 000
> 5 000
< 500
500–5
000
5 001-50
000
> 50 000
104
При определении токсичной дозы исследуют (экспериментально) зависимость эффективности дозы, которую затем анализируют с помощью
статистических методов (пробит-анализ и др.). Величина токсичности дозы
зависит от способа введения вещества или путей его поступления в
организм, от вида животных, возрастных, половых и индивидуальных различий, а также от конкретных условий воздействия вещества.
Токсичность металлов
Отравления соединениями тяжелых металлов известны с древних
времен. Упоминание об отравлениях «живым серебром» (сулема) встречается в IV веке. В середине века сулема и мышьяк были наиболее распространенными неорганическими ядами, которые использовались с криминальной целью в политической борьбе и в быту. В последние годы наиболее
распространены отравления ртутью, входящей в состав серой ртутной мази,
применяемой для лечения педикулеза. Нередки случаи массовых отравлений, например, гранозаном после употребления семян подсолнечника, обработанного этим средством. Летальность при отравлениях соединениями
тяжелых металлов и мышьяка, ранее достигавшая 64–84 %, при современных методах лечения равна 15–19 %.
Уже давно, еще в прошлом веке, делались попытки связать токсическое действие металлов с отдельными их свойствами. Установлено, что
токсичность металлов с большим атомным весом, таких как свинец, ртуть,
золото, серебро и др., велика, а наличие их в животном организме либо оспаривается, либо очень невысоко. Шайфриц (1949) показал, что действие
солей связано с рядом свойств именно ионов (катионов), с некоторыми характеристиками металлов как атомов или ионов. Этими характеристиками,
по его данным, были атомный вес, радиус ионов, электроотрицательность, а
также степень гидратации ионов. Последняя играет как бы защитную роль,
создавая вокруг ионов оболочку, препятствующую реакции с компонентами
окружающей среды, но не влияет на токсичность самого металла. Порядок
токсичности обратен степени гидратации. По мнению Шайфрица, наиболее
вероятным физическим фактором, с которым связана большая токсичность
тяжелых металлов, является электроотрицательность: она может влиять на
легкость взаимодействия металла с протоплазмой. В периодической системе элементов электроотрицательность, в общем, увеличивается слева направо в каждом периоде; токсичность связана с электроотрицательностью,
и таким образом подтверждается общая тенденция к увеличению ядовитости с увеличением атомного веса. Но, по мнению автора, нельзя выделить
одно доминирующее свойство, не учитывая влияния других и их взаимную
связь. Возможно, отдельные характеристики свойств металлов связаны с их
токсическим действием разными путями. Например, с селективностью или
большим сродством к отдельным химическим группам, таким как способность многих металлов образовывать ковалентные связи с атомом серы. Это
может определить механизм действия.
105
Льюис (1958) по степени токсичности для белых мышей разделил металлы на три группы, взяв в качестве критерия дозы, которые вызывают гибель половины животных, взятых в опыт (ЛД50) при внутрибрюшинном или
подкожном введении хлористых солей:
1. Hg, In, Tl, Au, As,
2. Mn, Co, Cu, Fe, Mo,
3. Ca, Li, K, Sm, Ce,
Cd, V, Ba.
W, Cs, Sr, U.
Na, Mg.
Наиболее ядовитыми оказались катионы ртути, индия, кадмия, меди,
серебра, таллия, платины и урана, т. е. те же металлы, что и для организмов,
обитающих в водной среде, или для плесеней.
Основное значение имеет циркуляция металлов в виде свободных ионов, прочность образуемых ими связей с биокомплексами, растворимость
последних и химические превращения поступивших соединений – быстрота
диссоциаций, растворимость образующихся после диссоциации или гидролиза соединений и т. д. Прочность связей, степень сродства катионов металлов к функциональным химическим группировкам в организме, также
может определять не только общую токсичность, но избирательность или
специфичность действия. Так, специфическое повреждение почек такими
металлами, как ртуть или кадмий, объясняют высоким сродством их к SHгруппам ткани почек (также и особо высоким содержанием последних в
почках). Приведенные примеры указывают, что возможны закономерности
специального влияния металлов, однако для их выявления нужно изучать
механизмы влияния отдельных металлов на отдельные ферментные системы, отдельные звенья обменных процессов, деятельность желез внутренней
секреции.
Лекция 19. Эколого-геохимическое нормирование
Организм человека испытывает влияние различных факторов окружающей среды, причем загрязнение воздуха, водоемов, почв и растений
представляет большую опасность для здоровья. В деле создания благоприятных условий для жизни и здоровья населения определенную роль должны
сыграть санитарно-гигиенические нормативы и критерии. Содержание
вредных и токсичных веществ нормируется для всех компонентов ОС,
влияющих прямо или косвенно на обмен веществ. Прежде всего это относится к атмосферному воздуху, питьевой воде, продуктам питания, а также
к почвам. Загрязнения всех компонентов ОС представляет опасность для
человека и всей биоты, но атмосферы и гидросферы особенно опасны, потому что в этих средах они распространяются быстрее всего и приобретают
быстро глобальный характер
Загрязнению подвергается и самый верхний слой литосферы – почвы – в связи с применением в больших дозах удобрений, пестицидов на
сельскохозяйственных угодьях, внесением вредных веществ с ирригацион106
ными водами, накоплением отходов промышленности, полеводства и животноводства, антисанитарным состоянием многих населенных пунктов,
выпадением атмосферных загрязнителей, например тяжелых металлов. На
поверхность почв могут выпадать кислые дожди и радиоактивная пыль, наблюдается загрязнение патогенными организмами. Опасно загрязнение выхлопными газами автомобилей, содержащими свинец, углеводороды, оксиды азота и др. Среди загрязнителей особое место занимают тяжелые металлы (ртуть, свинец, кадмий, ванадий, хром, цинк, медь, никель, селен и др.),
а также мышьяк – отходы различных производств, в особенности металлургической и машиностроительной промышленности. Тяжелые металлы попадают в почву при сжигании топлива, с выхлопными газами автомобилей.
Радионуклиды загрязняют почву в результате аварий на атомных электростанциях, ненадежного захоронения радиоактивных отходов.
Почву могут загрязнять минеральные удобрения, особенно азотные,
если их вносят в избыточных дозах. Основная часть источников загрязнения имеет локальное действие, меньшая – региональное (опасность загрязнения составляет несколько сотен километров) и глобальное (в тех случаях,
когда загрязняющие вещества попадают в почву из воздуха или когда минеральные удобрения используют на больших площадях). Промышленное
загрязнение происходит в основном через атмосферу, на поверхность почвы
оседают аэрозоли, пары, пыль, сажа, растворимые вещества, принесенные с
дождем, снегом. Загрязнители поступают из дымовых труб, вентиляционных каналов, путем развеивания терриконов, отвалов, со сточными водами.
Все почвенные загрязнители включаются в пищевые цепи и с продуктами
питания или водой попадают в желудочно-кишечный тракт человека
Для санитарной оценки степени загрязнения окружающей среды используют предельно допустимые концентрации (ПДК). Однако гигиеническое нормирование сталкивается с существенными затруднениями организационного, технического и физиологического характера. Экологическая
ниша человека неизменна, поэтому условие – концентрация загрязняющего
вещества должна быть меньше или равна ПДК – должно соблюдаться в любых местах пребывания человека. Это означает, что для каждого вредного
вещества устанавливается несколько максимальных разовых предельно допустимых концентраций в воздушной среде, классификация которых приведена на рис. 6. Наряду с предельно допустимыми концентрациями существуют временно допустимые концентрации (ВДК), иначе называемые ориентировочно безопасными уровнями воздействия (ОБУВ). Предельно допустимые концентрации устанавливаются на основе экспериментов с подопытными животными, что требует достаточно длительного времени. На первом
этапе установления ПДК определяются основные токсикометрические характеристики исследуемых веществ и фактически установленные в результате экспериментов нормативы считаются временно допустимыми концентра107
циями. На втором этапе эти исследования продолжаются и носят проверочный характер, а на третьем – осуществляются клинико-статистические исследования работающих в течение трех лет для проверки правильности полученных в экспериментах на животных значений. Только после второго
этапа полученные нормативы могут быть утверждены в качестве ПДК.
Для регулирования качества окружающей среды введен и строго контролируется предельно допустимый выброс (ПДВ), который является научно обоснованной технической нормой выброса вредных веществ из промышленных источников и определяемой на основе различных параметров
источников, свойств выбрасываемых веществ и условий распространения.
Согласно ГОСТу 17.2.1.04-77, загрязнением атмосферы называется
изменение состава атмосферы в результате наличия в ней примесей. Загрязнение, обусловленное деятельностью человека, называется антропогенным
загрязнением. Под примесью тот же ГОСТ понимает рассеянное в
атмосфере вещество, не содержащееся в ее постоянном составе. Таким образом, к примесям могут относиться не только токсичные, но и нетоксичные вещества.
Для каждого вещества, загрязняющего атмосферный воздух, установлены два норматива (рис. 6):
1) максимальная разовая предельно допустимая концентрация за 20
минут измерения (осреднения) – ПДК м.р., мг/м3;
2) среднесуточная предельно допустимая концентрация, осредненная
за длительный промежуток времени (вплоть до года) – ПДК с.с., мг/м3.
ПДК вредного вещества в атмосфере – это максимальная концентрация, отнесенная к определенному периоду осреднения (20–30 минут, 24 часа, месяц, год), которая не оказывает ни прямого, ни вредного косвенного
воздействия на человека и санитарно-гигиенические условия жизни.
При действии на организм одновременно нескольких вредных
веществ, обладающих суммарным действием, сумма отношений фактических концентраций каждого вещества (С1, С2,... Сn) в воздухе и его предельно допустимой концентрации (ПДК1, ПДК2,... ПДКn) не должна превышать
единицу:
Cn
C1
C2
+
+K+
≤ 1.
ПДК 1 ПДК 2
ПДК n
ВОЗ рекомендует контролировать в питьевой воде около 100 показателей: кадмий, хром, цианиды, фтор, свинец, ртуть, никель, нитраты, нитриты, селен, серебро, натрий, четыреххлористый углерод, ДДТ, гексахлорбензол и другие, так как они проявляют опасное токсичное, канцерогенное,
мутагенное, аллергенное действие. Отечественный ГОСТ «Вода питьевая»
содержит нормативы только по 28 показателям. Тем не менее существуют
отдельно нормативы (СанПиНы) для централизованного водоснабжения,
нецентрализованного (колодцы) и для воды, расфасованной в емкости.
108
Для контроля состояния почв в РФ введены в действие санитарноэпидемиологические правила и нормативы «Санитарно-эпидемиологические требования к качеству почвы. СанПиН 2.1.7.1287-03», утвержденные
Главным государственным санитарным врачом Российской Федерации 16
апреля 2003 года с 15 июня 2003 г., где приводятся критерии для оценки
степени химического загрязнения почвы (табл. 4 и 5). Для почв важно знать
не только валовое содержание химического компонента, но и для некоторых элементов формы присутствия в почве, так как от этого зависит растворимость, а следовательно, и степень опасности. Например, один и тот же
элемент может присутствовать в почвах в виде легко растворимых солей и
вовсе не растворимых в воде минералов. В последнем случае он не представляет или почти не представляет опасности при любом содержании. Поэтому в ПДК или ОДК обязательно указывается эта степень подвижности
или доступности для организмов в виде так называемых лимитирующих
показателей вредности: транслокационный, водомиграционный, фитотоксический, воздушномиграционный, общесанитарный.
Предельно допустимая
концентрация (ПДК)
Максимальная
разовая в рабочей
зоне (ПДКР.З.)
Максимальная разовая на
территории (площадке)
предприятия (ПДКП.П.=0,3ПДКР.З.)
В атмосферном
воздухе населённого
пункта (ПДКН.П.)
Максимальная разовая (ПДКМ.Р.)
Среднесуточная (ПДКС.С.)
Максимальная разовая для крупных
городов и курортов (ПДКМ.Р.)
Рис. 6. Классификация предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ
в атмосферном воздухе
По степени опасности в санитарно-эпидемиологическом отношении
почвы населенных мест могут быть разделены на следующие категории по
уровню загрязнения: чистая, допустимая, умеренно опасная, опасная и
чрезвычайно опасная.
Гигиенические требования к почвам сельскохозяйственных угодий
основываются на ПДК химических веществ в почве с учетом их лимити
рующего показателя вредности и приоритетности транслокационного показателя.
109
Таблица 4
Классы опасности химических загрязняющих веществ
Классы
опасности
1
2
3
Химическое загрязняющее вещество
Мышьяк, кадмий, ртуть, свинец, цинк, фтор, 3,4-бенз(а)пирен
Бор, кобальт, никель, молибден, медь, сурьма, хром
Барий, ванадий, вольфрам, марганец, стронций, ацетофенон
Таблица 5
Категории загрязнения
Чистая*
Допустимая
Умеренно опасная
Опасная
Чрезвычайно
опасная
Оценка степени химического загрязнения почвы
Содержание в почве (мг/кг)
СумI класс
II класс
III класс
Санитар- марный
опасности
опасности
опасности
ное число показаХлебни- тель за- Орга- Неорга- Орга- Неорга- Орга- Неоргрязне- нич. нич. со- нич. инч. со- нич. ганич.
кова
ния (ZС) соеди- едине- соеди- едине- соеди- соединения
ния
нения
ния
нения нения
0,98 и >
–
от фона до ПДК
от 2
от 2 фоот 2 фофононовых
новых
от 1 до
от 1 до
от 1 до вых
0,98 и >
< 16
значезначе2 ПДК
2 ПДК
2 ПДК значений до
ний до
ний до
ПДК
ПДК
ПДК
от
от 2 до
0,85–0,98 16–32
–
ПДК
5 ПДК
до Kmax
от 2 до от ПДК
от 2 до 5 > 5
0,7–0,85 32–128
–
> Kmax
5 ПДК до Kmax
ПДК ПДК
< 0,7
> 128
>5
ПДК
> Kmax
>5
ПДК
> Kmax
–
Kmax – максимальное значение допустимого уровня содержания элемента по одному из четырех показателей вредности.
* – категория загрязнения относится к объектам повышенного риска.
Почвы сельскохозяйственного назначения по степени загрязнения
химическими веществами разделены на следующие категории: допустимые,
умеренно опасные, опасные и чрезвычайно опасные.
Смысл этих категорий следующий:
• допустимая категория почв – содержание химических веществ в
почве превышает фоновое, но не выше ПДК;
110
умеренно опасная категория почв – содержание химических веществ в почве превышает их ПДК при лимитирующем общесанитарном,
миграционном водном и миграционном воздушном показателях вредности,
но ниже допустимого уровня по транслокационному показателю вредности;
• опасная категория почв – содержание химических веществ в почве
превышает их ПДК при лимитирующем транслокационном показателе
вредности;
• чрезвычайно опасная категория почв – содержание химических
веществ превышает ПДК по всем показателям вредности.
•
Лекция 20. Принципы и методология оценок химического
загрязнения компонентов окружающей среды
К числу основных показателей, определяющих особенности миграции
элементов в период формирования ноосферы, относятся следующие:
1) соотношение масс химических элементов, находящихся в биосфере и мигрирующих в разных формах;
2) интенсивность миграции;
3) формирование новых геохимических барьеров;
4) дальность миграции.
Все четыре перечисленных вида изменений можно оценить не только
качественно, но и количественно с помощью нормируемых показателей.
Таким образом, появилась реальная возможность проводить оценку состояния окружающей среды и происходящих в ней природных и, что особо
важно, антропогенных изменений на количественной основе с позиций перемещения и концентрации химических элементов (их соединений).
Следует отметить, что любая количественная оценка изменений, происходящих в геохимических ландшафтах, должна выполняться с учетом
форм нахождения химических элементов. Это дает возможность охарактеризовать такие на первый взгляд различные явления, как загрязнение через
атмосферу природных территорий, загрязнение рек в результате сброса
сточных вод, вырубку лесов и т. д.
Общие требования к оценке процессов и явлений:
• Оценка должна быть объективной, а с этим самым простым требованием связаны и два последующих.
• Если оценка производится объективно, она должна быть при аналогичных внешних условиях воспроизводимой. С выполнением этого требования связан мониторинг окружающей среды. Если не происходит никаких последующих изменений, то результаты повторной оценки должны
практически полностью совпадать с результатами первой. Если же (с выполнением условия воспроизводимости) результаты различаются, то отличия можно считать изменениями, происшедшими в окружающей среде за
111
период между первой и последующими оценками состояния одного и того
же изучаемого участка биосферы.
• При выполнении условий объективности и воспроизводимости
оценку состояния окружающей среды целесообразно осуществлять по единой методике. Эта методика должна обеспечить выражение оценки в единых
общепринятых единицах измерения, а также возможность отражения полученной информации в виде специального картографического материала.
• Реализация трех предыдущих требований почти автоматически
приводит к выполнению еще одного: результаты проводимой оценки определенного участка биосферы (геохимического ландшафта, или их группы)
должны быть конкретными, легко доступными для восприятия, наглядными.
Перечисленные общие требования касаются оценки любых явлений
или процессов, проводимой на современном уровне. Однако экологогеохимическая оценка состояния биосферы требует выполнения еще целого
ряда специфических условий. Рассмотрим кратко важнейшие из них.
Как уже отмечалось, и сама биосфера, и составляющие ее геохимические ландшафты являются очень сложными биокосными системами. Это
необходимо учитывать при любых исследованиях, проводимых для оценки
биосферных процессов, а тем более для оценки состояния самой биосферы
или ее отдельных частей. Все живые организмы, объединенные в биогенную форму нахождения химических элементов, весьма существенно отличаются от косного (неживого) вещества. В связи с этим при любой оценке
состояния биокосных систем (даже при подсчете общих масс химических
элементов) биогенная форма нахождения должна рассматриваться отдельно. Однако в составе геохимических ландшафтов (а при оценке состояния
биосферы рассматриваются изменения, происходящие именно в них) находятся и такие самостоятельно обособляющиеся биокосные системы, как
почвы, подземные и поверхностные воды, атмосфера. Данные системы также должны подвергаться самостоятельному изучению. Все это в сумме требует в обязательном порядке также и комплексности исследований при
проведении работ по оценке состояния биосферы.
Отсутствие комплексности исследований может привести к получению вместо объективной информации – дезинформации. Особенно большие
ошибки могут появиться при оценке последствий недавно начавшихся техногенных процессов. В этих случаях скорость проявления их последствий в
различных частях ландшафтов может быть резко различной. Изучение
только отдельных частей может дать информацию, по которой будут приняты неправильные решения.
112
Список литературы
Основная литература
1. Алексеенко В.А. Экологическая геохимия / В.А. Алексеенко. – М. :
Лотос, 2000. – 626 с.
2. Глазовская М.А. Геохимия природных и техногенных ландшафтов
СССР : учеб. пособие для студ. геогр. спец. вузов / М.А. Глазовская. – М. :
Высш. шк., 1988. – 328 с.
3. Фортескью Дж. Геохимия окружающей среды / Дж. Фортескью. –
М. : Мир, 1986. – 360 с.
Дополнительная литература
1. Ильяш В.В. Методика обработки данных геохимических съемок /
В.В. Ильяш. – Воронеж : Изд-во Воронежского госуниверситета, 2004. – 35 с.
2. Косинова И.И. и др. Методы эколого-геохимических, экологогеофизических исследований и рациональное недропользование / И.И. Косинова, В.А.Богословский, В.А. Бударина. – Воронеж : Изд-во Воронежского гос. университета, 2004. – 299 с.
3. Логвиненко Н.В. Введение в геохимию экзогенных процессов /
Н.В Логвиненко, И.С Грамберг. – СПб.: Изд-во Санкт-Петербургского университета, 1997. – 130 с.
4. Перельман А.И. Геохимия / А. И.Перельман. – М. : Высшая школа.
1989. – 527 с.
5. Перельман А.И. Геохимия ландшафта : учеб. пособие для студ.
геогр. и эколог. спец. вузов. 3-е изд., перераб. и доп. / А.И. Перельман. –
М. : Астрея-2000, 1999. – 762 c.
6. Перельман А.И. Биокосные системы Земли / А.И. Перельман – М. :
Наука, 1977. – 320 с.
7. Перельман А.И. Геохимия эпигенетических процессов (зона гипергенеза) / А.И. Перельман. – М. : Недра, 1968. – 330 с.
8. Соловов А.П. Геохимические методы поисков месторождений полезных ископаемых / А.П. Соловов. – М. : Высшая школа, 1989. – 327 с.
9. Юдович Я.Э. Основы литохимии / Я.Э. Юдович., М.П. Нетрис. –
Санкт-Петербург, Наука, 2000. – 479 с.
113
ЭКОЛОГИЯ ЧЕЛОВЕКА
Лекция 1. Повреждающие факторы антропогенной среды,
оказывающие влияние на здоровье человека
К числу повреждающих относятся факторы, обладающие мутагенным, канцерогенным и тератогенным действием. В основе этих влияний
лежит повреждение генетического материала, т. е. образование генных,
хромосомных и геномных мутаций. В случае их возникновения и закрепления в соматических клетках они могут привести к опухолевому росту,
преждевременному старению. Изменение наследственной информации, заключенной в геноме половых клеток, может передаваться по наследству и
проявляться у последующих поколений в виде наследственных болезней
или болезней с наследственной предрасположенностью. Мутации, совершающиеся при внутриутробном развитии организма, могут стать причиной
различных врожденных уродств, аномалий обмена веществ.
Своеобразие среды, окружающей современного человека, заключается в накоплении факторов, увеличивающих возможность возникновения
мутаций. Такие мутации, частота которых превышает частоту спонтанного
мутирования, называются индуцированными, а факторы, их вызывающие,
мутагенами.
Физическими мутагенами являются ионизирующие излучения (источники их – медицинские приборы, атомная энергетика, изотопы радиоактивных элементов, применяемых в промышленности), ультрафиолетовое
излучение. Помимо технических источников большое значение имеет истончение озонового слоя Земли и проникновение жестких ультрафиолетовых лучей в приземной слой атмосферы.
Химические мутагены, число которых на Земле очень велико, представлены в окружающей среде тремя основными группами:
• естественные неорганические вещества (нитраты, нитриты, ТМ) и
естественные органические вещества (алкалоиды1, гормоны2 и др.);
• переработанные природные соединения (продукты переработки
1
Алкалоиды – группа азотосодержащих органических соединений природного происхождения. Большинство алкалоидов имеет горький вкус. Предполагается, что таким
образом естественный отбор защитил животных от вырабатываемых растениями алкалоидов, многие из которых сильно ядовиты. Растения, содержащие алкалоиды, использовались
человеком с древнейших времен как в лечебных, так и в рекреационных целях. К числу алкалоидов относятся морфин, кокаин, никотин, кофеин, теин, валерин и др.
2
Гормоны — сигнальные химические вещества, выделяемые эндокринными железами непосредственно в кровь и оказывающие сложное и многогранное воздействие
на организм в целом либо на определённые органы и ткани-мишени. Используются в организме для поддержания его гомеостаза, а также для регуляции многих функций (роста,
развития, обмена веществ, реакции на изменения условий среды).
114
нефти, сжигания угля и древесины, компоненты выхлопных газов, пищевые
отходы и др.);
• химические продукты, не встречающиеся в природе, синтезированные человеком (пестициды1, синтетические полимеры и др.). Это многие
соединения, являющиеся источником свободных радикалов2, а также многие лекарственные и косметические средства.
Активными биологическими мутагенами являются вирусы, токсические продукты гельминтов.
Установлена тесная зависимость между мутагенными и канцерогенными свойствами веществ. Многие факторы среды, окружающей человека в условиях техносферы, обладают способностью превращать нормальные клетки в раковые. В группу наиболее активных канцерогенов входят
радиоактивное,
рентгеновское
и
ультрафиолетовое
излучения,
3
бенз(а)пирен , асбест, некоторые алкалоиды. К числу биологических канцерогенов принадлежат вирусы.
Тератогенез – возникновение уродств в результате наследственных
изменений, вызванных повреждающими факторами в период внутриутробного развития. Действие тератогенных факторов (тератогенов) особенно
опасно в критические периоды индивидуального развития (периоды включения и переключения генов и изменения обмена веществ).
Экзогенные тератогены (как и все мутагены) могут иметь физическую, химическую и биологическую природу. Из физических факторов
особенно опасно облучение в первые 6 недель внутриутробного развития.
Тератогенное действие доказано для:
• ряда лекарственных препаратов (антибиотики ряда тетрациклина);
• алкоголя, веществ табачного дыма, наркотиков;
1
Пестициды (от лат. pestis – зараза и лат. caedo – убиваю) представляют собой
химические вещества, используемые для борьбы с вредными организмами. Пестициды
объединяют следующие группы таких веществ: гербициды, уничтожающие сорняки; инсектициды, уничтожающие насекомых-вредителей; фунгициды, уничтожающие патогенные грибы; зооциды, уничтожающие вредных теплокровных животных, и т. д. Большая часть пестицидов – это яды, отравляющие организмы-мишени.
2
Свободный радикал – это вид молекулы или атома, способный к независимому
существованию (то есть обладающий относительной стабильностью) и имеющий один
или два неспаренных электрона. Озон (O3), супероксид (O2–1), гидроксильный радикал
(OH–1) и другие свободные радикалы могут вызвать повреждение клеточных структур –
липидов, ДНК и белков, что, в конечном счете, может закончиться смертью клетки.
3
Бензпирен – химическое соединение, представитель семейства полициклических углеводородов, вещество первого класса опасности. Образуется при сгорании углеводородного жидкого, твёрдого и газообразного топлива. В окружающей среде накапливается преимущественно в почве. Из почвы поступает в ткани растений и продолжает
своё движение дальше в трофической цепи. Бензпирен является наиболее типичным химическим канцерогеном окружающей среды, он опасен для человека даже при малой
концентрации, поскольку обладает свойством биоаккумуляции.
115
химических веществ – бензола, фенола, формалина, бензина, солей
ТМ (свинец, ртуть, мышьяк, хром, кадмий);
• некторых вирусов (оспы, гриппа, краснухи, ветрянки, кори, паротита и др.);
• токсических продуктов простейших (например, малярийного плазмодия, токсоплазмы), бледной спирохеты – возбудителя сифилиса, туберкулезной палочки.
Воздействие тератогенных факторов способно вызвать формирование
больших пороков развития, приводящих обычно к самопроизвольным выкидышам, если фактор действовал до начала органогенеза. Малые пороки
развития возникают при действии тератогенов в период закладки органов, в
начале плодного периода. Внутриутробные инфекции часто вызывают формирование таких пороков, как аномалии лицевого скелета, нарушенный
прикус, деформация ушных раковин, высокого нёба. Функциональные нарушения могут стать результатом влияния тератогенов в плодный период.
Ребенок может родиться здоровым, но через некоторое время появятся симптомы поражения нервной системы (косоглазие, асимметрия лица, расстройства глотания и др.) или других органов и систем (помутнение хрусталика, пороки сердца, почек, надпочечников, кишечника, скрытые аномалии
скелета, тромбозы сосудов). Такие тератогенные нарушения особенно характерны для детей, перенесших внутриутробную инфекцию.
•
Лекция 2. Понятие адаптации человека к окружающей среде
Адаптация (от лат. adaptatio – приспособлять, прилаживать) – это совокупность морфофизиологических, поведенческих, популяционных и других особенностей вида, обеспечивающая возможность существования в определенных условиях среды.
В понятие «адаптация» входят: процессы, с помощью которых организм приспосабливается к окружающей среде; состояние равновесия между
организмом и окружающей средой; реализация нормы реакции в конкретных условиях среды с помощью изменения фенотипа; результат эволюционного процесса – адаптациогенез (отбор и закрепление генов, кодирующих
информацию о развившихся изменениях).
Явление биологической адаптации присуще всем живым организмам
и особенно такому высокоорганизованному, как человеческий. Условия
существования любого живого организма могут быть адекватными и неадекватными.
В адекватных условиях организм испытывает состояние комфорта,
т. е. оптимального уровня работы всех систем. В неадекватных условиях
организму приходится включать дополнительные механизмы для обеспечения состояния устойчивости (резистентности), активизировать все процес116
сы. Это состояние носит название «напряжения». Если с помощью напряжения организм не достиг состояния устойчивости, то развивается состояние «предболезни», а затем «болезни». Состояния комфорта, напряжения и
адаптации составляют состояние здоровья (но не патологии); состояние
адаптации – это нормальная физиологическая реакция.
Современные антропогенные (техногенные) условия включают, как
правило, не один неблагоприятный фактор, а целый комплекс факторов, к
которым должен приспособиться организм. Поэтому и ответ организма
должен быть не только многокомпонентным, но и интегрированным.
Адаптация обусловлена генетической программой в виде нормы реакции, т. е. диапазона протекания метаболических процессов, потенциальных возможностей для обеспечения ответа организма на изменения условий
среды. Вместе с тем превращение таких потенциальных возможностей в реальные, т. е. обеспечение ответа организма на требования среды, также невозможно без активизации генетического аппарата (усиления синтеза нуклеиновых кислот, белков и других соединений). Данное явление называют
структурным следом адаптации. При этом растет и масса мембранных
структур, ответственных за восприятие сигналов, ионный транспорт, энергообеспечение. После прекращения действия фактора среды активность генетического аппарата снижается и происходит исчезновение структурного
следа адаптации. Это свидетельствует о том, что в обеспечении состояния
адаптации взаимосвязь между функциями и генетическим аппаратом – ключевое звено. Необходимо подчеркнуть также, что изменения метаболизма,
направленные на обеспечение состояния фенотипической адаптации, составляют биохимическую стратегию адаптации, являющуюся одним из
главных компонентов общей стратегии адаптации.
Различают две формы адаптации: кратковременную и долговременную.
Кратковременная адаптация возникает непосредственно после действия раздражителя. Она осуществляется за счет готовых, ранее сформировавшихся структур и физиологических механизмов. Это означает, что:
1) в организме всегда имеется некоторое количество резервных структурных элементов, например митохондрий1, лизосом2, рибосом3;
2) работа клеток и тканей может осуществляться по типу дублирования;
1
Митохондрия (от греч. μίτος – нить и χόνδρος – зёрнышко, крупинка) – органелла, имеющаяся во многих эукариотических клетках и производящая АТФ, используемого в клетке в качестве основного источника химической энергии.
2
Лизосома — (от греч. λύσις — растворяю и sōma — тело) клеточный органоид.
Лизосомы выполняют следующие функции: переваривание захваченных клеткой веществ или частиц (бактерий, других клеток); уничтожение ненужных клетке структур;
самопереваривание клетки, приводящее к ее гибели.
3
Рибосома – важнейший органоид живой клетки. Рибосомы служат для биосинтеза белка из аминокислот по заданной матрице на основе генетической информации,
предоставляемой матричной РНК.
117
3) имеется некоторое количество готовых веществ: гормонов, нуклеиновых кислот, белков, АТФ1, ферментов2, витаминов и др.; это так называемый структурный резерв адаптации, который может обеспечить немедленную реакцию.
В связи с тем, что этот резерв невелик, деятельность организма происходит на пределе физиологических возможностей. Ведущими факторами
является формирование стереотипного ответа, независимо от природы раздражителя. Развивается острый адаптационный синдром («стресс»), при
этом активизируется система гипоталамус3-гипофиз4; усиливается синтез
надпочечниками5 глюкокортикоидов6 и адреналина7; мобилизуются энергетические и структурные ресурсы. Состояние адаптации достигается быстро, но она будет устойчивой только в том случае, если фактор перестал действовать; если фактор продолжает действовать, то адаптация оказывается
несовершенной, так как резервы исчерпаны и требуется их пополнение.
Срочная адаптация проявляется генерализованными двигательными реакциями или эмоциональным поведением:
• бегство животного в ответ на боль;
• увеличение теплопродукции в ответ на холод;
• увеличение теплоотдачи в ответ на тепло;
• рост легочной вентиляции и минутного объема кровообращения.
1
Аденозинтрифосфат (АТФ) – нуклеотид, играет исключительно важную роль в
обмене энергии и веществ в организмах; в первую очередь соединение известно как
универсальный источник энергии для всех биохимических процессов, протекающих в
живых системах.
2
Ферменты или энзимы (от лат. fermentum, греч. ζύμη, ἔνζυμον – дрожжи, закваска) – обычно белковые молекулы, или молекулы РНК, или их комплексы, ускоряющие
(катализирующие) химические реакции в живых системах.
3
Гипоталамус – отдел головного мозга, расположенный ниже таламуса, или
«зрительных бугров», за что и получил своё название. Гипоталамус выполняет многообразные физиологические функции. Вегетативные ядра гипоталамуса отвечают за регуляцию сосудистого тонуса, потоотделения, секреции слюны и мн. др., за обеспечение
эмоций, половой и пищевой активности и др.
4
Гипофиз – округлое образование, расположенное на нижней поверхности головного мозга. Является центральным органом эндокринной системы.
5
Надпочечники – парные эндокринные железы позвоночных животных и человека. У человека расположены в непосредственной близости к верхнему полюсу каждой
почки. Играют важную роль в регуляции обмена веществ и в адаптации организма к неблагоприятным условиям.
6
Глюкокортикоиды – общее название подкласса гормонов коры надпочечников.
Повышают системное артериальное давление и уровень глюкозы в крови. Оказывают
сильное антистрессовое, противошоковое, иммунорегулирующее действие.
7
Адреналин – основной гормон мозгового вещества надпочечников. Адреналин
участвует в реализации реакций типа «бей или беги», его секреция резко повышается
при стрессовых состояниях, пограничных ситуациях, ощущении опасности, при тревоге,
страхе, при травмах, ожогах и шоковых состояниях.
118
Долговременная адаптация развивается на основе реализации этапа
срочной адаптации, когда включились системы, реагирующие на данный
раздражитель, но не обеспечили устойчивого состояния, или если раздражитель продолжает действовать.
При долговременной адаптации высшие регуляторные центры активизируют гормональную систему; происходит мобилизация энергетических
и структурных ресурсов организма; биохимическая стратегия адаптации
осуществляется за счет синтеза необходимых веществ, координации их количества и взаимных превращений; ведущую роль в обеспечении долговременной адаптации играют центральная нервная система, гормональная система, генетический аппарат; результатом процесса адаптации является достижение организмом состояния устойчивости, обеспечивающей организму
возможность существования в новых условиях.
Если интенсивность фактора превышает адаптивные возможности организма и состояние устойчивости не наступает, то организм переходит в
состояние истощения; затем следует состояние предболезни и болезни.
Социальная природа человека создала ряд особенностей процессов
адаптации, присущих только человеку:
• количество антропогенных факторов среды резко возросло в последние десятилетия, тогда как системы адаптации формировались в течение миллионов лет при отсутствии этих факторов или значительно меньшей
их интенсивности и поэтому в современных экологических условиях оказываются недостаточно эффективными;
• человек меньше связан с природой, меньше зависит от нее;
• человек подчинен социальным ритмам, регулирует свое поведение
сознанием;
• человек сознательно выбирает иногда неадекватное поведение;
• человек имеет дополнительные (социальные) механизмы адаптации (одежда, обувь, жилище, организация труда, медицина, физкультура,
искусство и др.).
Лекция 3. Понятие о ксенобиотиках
Человеческий организм имеет сложные системы обмена веществ и детоксикации опасных для него соединений. Эти системы прошли длительную эволюцию под воздействием природных токсических компонентов
пищи, воды, воздуха и различных биологических ядов. В XX в. человеческий организм стал подвергаться воздействию разнообразных синтезированных, т. е. ранее не встречавшихся веществ. Поскольку эти вещества чужды организму, их стали называть «ксенобиотиками» (от греч. xenos – чужой, чужеродный). Поступление их в окружающую человека среду с каждым годом возрастает. К их числу относятся синтетические красители, бое119
вые отравляющие вещества, пестициды, нитриты, нитраты, алкоголи, дубильные вещества, многие лекарственные препараты, косметические средства и др.
Современные экологические условия характеризуются также накоплением в воде, воздухе, почве и живых организмах (средах жизни) присущих организму веществ, но в концентрациях, намного превышающих
привычные для организма (например, ТМ). К группе ксенобиотиков их не
относят, однако значительные концентрации их в организме также производят токсический эффект. При этом если раньше контакт с такими веществами был характерен для ограниченного контингента людей, связанных с
определенным видом производственной деятельности, то теперь все большие массы населения контактируют с ними (даже дети) за счет их переноса.
Кроме того, токсическое действие веществ не только проявляется в острых
отравлениях ими, но и может снижать иммунологическую реактивность организма, становиться причиной повышенной заболеваемости людей, разнообразных аллергических состояний, иметь неблагоприятные отдаленные
последствия в виде генетических, тератогенных, канцерогенных эффектов.
Это привело к выделению специальной отрасли знания, именуемой экологической токсикологией, которая в отличие от традиционной медицинской
токсикологии подходит к проблеме с более широких общебиологических
позиций.
Целесообразность строения и функций человеческого организма (как
и других живых организмов) проявляется, в частности, в избирательном характере поглощения веществ и выведения продуктов метаболизма. Поэтому
существенное значение имеют ответы на вопросы, почему в современных
экологических условиях стало возможным поступление в организм такого
большого количества веществ, чуждых для него, причиняющих ему вред,
как осуществляется адаптация организма по отношению к ним. Ответы эти
не однозначны:
• загрязнение биосферы приобрело глобальный характер, изменился
геохимический фон, нарушилось равновесие в биосфере;
• рост числа ксенобиотиков происходит лавинообразно, что привело
к превышению адаптационных возможностей человека, срыву адаптации,
снижению иммунологической защиты, т. е. сам механизм избирательности
оказался нарушен;
• многие ксенобиотики обладают высокой реакционной способностью, могут изменять свойства клеточных мембран, образовывать связи с
их рецепторами;
• ксенобиотики могут выступать в качестве антиметаболитов, т. е.
конкурировать с естественными рецепторами;
• для ксенобиотиков характерна высокая растворимость в жирах и
липидах;
120
многие ксенобиотики легко вступают в прочные связи с макромолекулами клетки, нарушая ключевые метаболические реакции (синтез
белка, энергетический обмен и т. д.).
Поступление ксенобиотиков в организм обусловлено с другой стороны свойствами самого организма. При этом определяющими свойствами
организма являются состояние иммунной системы, половые различия, возраст, генетически обусловленная активность ферментов, наличие соматических заболеваний и др. Пути поступления ксенобиотиков в организм могут
быть различными: через легкие, пищеварительный тракт, кожу. Самый простой путь проникновения – через дыхательные пути, так как поверхность
мембран очень велика.
Всасывание многих веществ происходит через слизистую оболочку
полости рта путем простой диффузии и оттуда (минуя печеночный барьер) – в кровеносную систему. Многие чужеродные соединения (неионизированные) легко всасываются, таким образом, из желудка. Тот же механизм
(степень ионизации вещества и его растворимость в липидах) обусловливает всасывание через кишечный эпителий. После всасывания из желудочнокишечного тракта, через кожу или легкие чужеродные соединения и их метаболиты могут проходить через барьерные ткани, например гематоэнцефалический барьер1 и плаценту.
Распределение ксенобиотиков в организме определяется их свойствами и особенностями тканей. Многие ксенобиотики жирорастворимы (особенно пестициды), поэтому могут накапливаться в жировых тканях. Другие
(соли ТМ, тетрациклиновые антибиотики) – остеотропны, поэтому накапливаются в костях. Чужеродные соединения могут также связываться с белками (и в таком состоянии не могут выводиться через мембраны) и нуклеиновыми кислотами (некоторые антибиотики, афлатоксины), приводя к мутациям. Многие ксенобиотики под действием обычных детоксицирующих
ферментов превращаются, напротив, в метаболиты, более токсичные и даже
обладающие канцерогенным действием. Многие ксенобиотики могут вызывать иммунологическую сенсибилизацию2 организма и делать его более
чувствительным к другим веществам.
При поступлении небольших количеств ксенобиотиков в организм их
детоксикация осуществляется обычными путями – с помощью ферментативных и неферментативных превращений. В случае проникновения в организм большого количества ксенобиотиков этих детоксикационных процессов оказывается недостаточно.
•
Гематоэнцефалический барьер (от др.-греч. αἷμα, род.п. αἷματο – «кровь» и др.греч. εγκεφαλος – «головной мозг») – это гистогематический барьер между кровью, с одной стороны, и цереброспинальной жидкостью и нервной тканью – с другой; физиологический «фильтр», регулирующий обмен веществ между кровью и тканями мозга.
2
Сенсибилизация – повышение чувствительности организма к воздействию раздражителей, вызывающая аллергическую реакцию.
1
121
В процессе биотрансформации ксенобиотиков образуются супероксидные анионы, перекись водорода, органические перекиси и т. д., которые
обусловливают побочное действие ксенобиотиков (от нарушения проницаемости мембран до гибели клеток). Устранение этих эффектов производится системой антиоксидантов. Ведущую роль в ней играет фермент супероксиддисмутаза1. Имеются и неферментативные антиоксидантные системы. Это жирорастворимые соединения: витамины А, Е, С, Р, аминокислоты (цистеин2, метионин3, аргинин4), холин5.
Лекция 4. Определение антропоэкологического утомления
Адаптационные механизмы позволяют организму человека приспосабливаться к меняющимся условиям среды не только в нормальных, но и в
экстремальных ситуациях. Однако при нарастании концентрации ксенобиотиков, интенсивности физических и биотических факторов, продолжительности их воздействия возросшая скорость биотрансформации веществ, усиление и дублирование функций органов и систем не могут скомпенсировать
давление этих факторов.
Напряжение всех систем организма, направленное на восстановление
нарушений гомеостаза, вызванных факторами измененной человеком среды, получило название антропоэкологического напряжения. Некомпенсированное напряжение обозначается термином антропоэкологическое утом1
Супероксиддисмутаза (СОД) относится к группе антиоксидантных ферментов.
Защищает организм человека от постоянно образующихся высокотоксичных кислородных радикалов. Роль этого фермента была показана экспериментально: мыши, у которых
отсутствует митохондриальная СОД, выживают лишь несколько дней после рождения,
т. к. у них развивается сильный оксидативный стресс.
2
Цистеин – аминокислота. Способствует пищеварению, обезвреживанию некоторых токсических веществ и защищает организм от повреждающего действия радиации. Один из самых мощных антиоксидантов, при этом его антиоксидантное действие
усиливается при одновременном приеме витамина С и селена.
3
Метионин – незаменимая аминокислота. Способствует снижению содержания
холестерина в крови, улучшению функции печени, может оказывать умеренное антидепрессивное действие. Метил-метионин-сульфоний, или «витамин U», обладает выраженным цитопротективным действием на слизистую желудка и двенадцатиперстной
кишки, способствует заживлению язвенных и эрозивных поражений слизистой желудка
и двенадцатиперстной кишки.
4
Аргинин – аминокислота, заменимая для взрослых, но для детей является незаменимой. Способствует ускорению синтеза гормона роста и других гормонов. Способствует улучшению настроения, делает человека более активным, инициативным и выносливым, улучшает половую функцию.
5
Холин (от греч. choly – жёлчь) – один из витаминов группы В. Влияет на углеводный обмен, регулируя уровень инсулина в организме. Холин является гепатопротектором. В комплексе с лецитином способствует транспорту и обмену жиров в печени.
122
ление. Речь идет о срыве механизмов адаптации и развитии неустойчивого
состояния, которое может перейти в болезнь. Это состояние в неблагоприятных экологических условиях может приобретать массовый характер, охватывать человеческие популяции и сказываться на здоровье последующих
поколений людей. Описаны многочисленные формы такого состояния.
Социально-психологическое напряжение и утомление. Основные черты:
• проявляется в сфере взаимоотношений людей;
• формируется на фоне высокого ритма жизни, интенсивности процесса труда, утраты идеалов, целей общественного развития;
• выражается в постоянном вовлечении в адаптационный процесс
нервных структур, в перенапряжении нервной системы;
• в конечном счете может стать основой для развития таких форм
патологии, как неврозы1, вегетососудистая дистония2, устойчивая артериальная гипертензия3, разнообразные психосоматические4 состояния.
Генетическое напряжение и утомление. Проявляется на уровне человеческих популяций, затрагивает генофонд и может реализоваться через такие явления, как непропорциональное увеличение генетического полиморфизма, рост генетического груза и, в конечном счете, нарушение генетического гомеостаза. Явления эти обусловливаются усилением потока генов (за
счет высокой степени миграции населения Земли), высокой интенсивностью мутационного процесса. Отсюда происходит рост числа врожденных
аномалий, самопроизвольных выкидышей, болезней с наследственной
предрасположенностью, болезней новорожденных. Генетическое утомление
на уровне популяции проявляется и как избирательное поражение репродуктивных органов разными формами заболеваний, неполноценность репродуктивных функций (невынашивание беременности, рождение недоношенных детей, нарушение течения родов). В итоге регистрируются высокие
показатели детской заболеваемости и смертности.
Инфекционно-иммунологическое напряжение и утомление. Основывается на нарушении взаимосвязей человеческого организма с другими живыми организмами и на усилившемся за последние десятилетия давлении
1
Невроз (новолат. neurosis, происходит от др.-греч. νεύρον – нерв) – собирательное название для группы функциональных психогенных обратимых расстройств, имеющих тенденцию к затяжному течению. Клиническая картина таких расстройств характеризуется астеническими, навязчивыми и/или истерическими проявлениями, а также временным снижением умственной и физической работоспособности.
2
Вегетососудистая дистония (ВСД) – синдром, характеризующийся дисфункцией вегетативной нервной системы, и функциональными (то есть не органическими) нарушениями со стороны практически всех систем организма (в основном сердечнососудистой).
3
Артериальная гипертензия (АГ) – синдром повышения артериального давления.
4
Психосоматические заболевания – заболевания, причинами которых являются
в большей мере мыслительные процессы больного, чем непосредственно какие-либо физиологические причины.
123
неадекватных факторов на человеческий организм, многочисленных чужеродных соединений – ксенобиотиков; проявляется в виде изменений на всех
уровнях организации иммунной системы, распространении массовой аллергизации людей, в преобладании хронических процессов над острыми, в росте онкологических заболеваний.
Химическая и медикаментозная форма утомления. Обусловлена применением большого количества лекарств; проявляется в нарушении их биотрансформации, развитии лекарственной аллергии. Распространенность лекарственной аллергии достигла в настоящее время примерно 1–3% и продолжает расти. Основными факторами роста данного вида аллергии являются: общий рост больных аллергией, увеличение объемов применения медицинских препаратов, комплексное использование одновременно ряда лекарственных средств, усиление общей аллергенной нагрузки.
Миграционная форма утомления. Обусловлена перемещением людей
на большие расстояния и с высокими скоростями, что создает основу для
срыва биологических ритмов и формирования весьма опасных патологических состояний – «десинхронозов». При десинхронозе организм в новых
условиях некоторое время продолжает функционировать по-старому, а затем постепенно начинает привыкать к новому распорядку дня. Происходит
синхронизация биологического времени с местным, астрономическим. Оно
длится обычно от двух дней до двух недель.
Развитие антропоэкологического утомления как «третьего состояния», находящегося между здоровьем и болезнью и охватывающего до 70 %
людей на Земле, создает постоянную угрозу для роста так называемых экологически зависимых болезней. Так, экологически неблагополучные районы характеризуются широким распространением заболеваний органов дыхания, обусловленных накоплением в воздухе оксидов серы, азота, углерода, формальдегида1, промышленной пыли (а в ней – соединений ТМ, ПАВ и
др.). Их действие не только является раздражающим, но и обусловливает
инактивацию факторов местного иммунитета, что способствует многим заболеваниям глаз, полости рта, глотки, нарушению функций легких. Это в
свою очередь усиливает окисление липидов2, образование свободных радикалов. Нарушаются и функции мембран клеток, в частности их рецепторных белков, происходит накопление различных эндогенных токсинов (пероксидов3, альдегидов4 и продуктов их разложения), развиваются аллерги1
Формальдегид (от лат. formica — муравей), рекомендуемое международное название метаналь – альдегид муравьиной кислоты. Обладает токсичностью, негативно
воздействует на генетический материал, репродуктивные органы, дыхательные пути,
глаза, кожный покров. Оказывает сильное действие на центральную нервную систему.
Внесен в список канцерогенных веществ.
2
Липиды (от греч. λίπος – жир) – жирные кислоты.
3
Пероксид (ранее – перекись) – вещество, содержащее пероксогруппу -О-О- (например, пероксид водорода Н2О2, пероксид натрия Na2O2).
4
Альдегиды – от лат. al(cohol) dehyd(rogenatum) – спирт, лишенный водорода.
124
ческие состояния (аллергические бронхиты, бронхиальная астма, респираторные аллергозы). Типичное для жителей загрязненных районов состояние
гипоксии1 (гемической – из-за повышенного содержания в воздухе угарного
газа и оксидов азота или тканевой – из-за клеточного энергодефицита) приводит к дистрофии миокарда, заболеваниям нервной системы.
Более активное воздействие ксенобиотиков на организм обусловлено
ростом их количества, разнообразия, комбинированным действием, создающим эффекты потенцирования, сенсибилизации, изменения иммунного
статуса, нарушений метаболических процессов. На этом фоне повышенная
чувствительность организма может развиться к веществам как природного
происхождения, так и искусственно созданным. Повысилась возможность
контакта с бактериальными аллергенами из-за развития отраслей промышленности типа микробиологического синтеза, пока еще несовершенных
биотехнологий. Непродуманное расположение промышленных предприятий в городах создает эффект суммирования многих токсикантов. Высокое
значение имеет и совместное их действие с физическими факторами: УФ,
ИК и другими электромагнитными излучениями, которые обусловливают в
малых дозах переориентирование метаболических процессов в сторону теплопродукции.
Лекция 5. Микроэлементы, их значение для организма человека
в современных экологических условиях
Микроэлементы – это не случайные ингредиенты тканей и жидкостей
живых организмов, а компоненты закономерно существующей очень древней
и сложной физиологической системы, участвующей в регулировании жизненных функций организмов на всех стадиях развития. Выделены три основополагающих принципа ее функционирования: 1) избирательное поглощение
микроэлементов; 2) избирательная концентрация их в определенных организмах, органах, тканях и некоторых органеллах клетки; 3) селективное выделение. Эти механизмы поддерживают микроэлементный гомеостаз.
По классификации, основанной на количественном признаке, все минеральные элементы делятся на три группы в соответствии с их содержанием в организме:
1) макроэлементы: Са, Р, К, Na, S, Cl, Mg;
2) микроэлементы (МЭ): Fe, Br, Cd, Zn, F, Sr, Mo, Cu, Si, Cs, J, Mn, Al,
B, Rb, Pb;
3) ультрамикроэлементы: Se, Ti, Sc, Co, V, Cr, As, Ni, Li, Ba, Ag, Sn,
Be, Ga, Ge, Hg, Zr, Bi, Sb, U, Th, Rh.
Гипоксия (др.-греч. ὑπό – под, внизу и лат. oxygenium – кислород) – состояние
кислородного голодания как всего организма в целом, так и отдельных органов и тканей.
1
125
Система классификации по количественному признаку проста и
удобна, но она не дает ответа на главный вопрос – какова биологическая
роль того или иного элемента в организме. Кроме того, количественное содержание некоторых элементов в организме может значительно варьироваться в зависимости от среды обитания человека, его рациона питания и
трудовой принадлежности (это утверждение, в частности, относится к F, V,
Se, Sr, Mo и Cd).
Классификация, основанная на биологической роли элементов, представляет больший интерес для физиологов. Согласно этой классификации,
минеральные элементы, обнаруженные в организме, делят на три группы:
1) жизненно необходимые (эссенциальные элементы): Ca, P, K, Cl,
Na, Zn, Mn, Mo, J, Se, S, Mg, Fe, Cu, Co;
2) вероятно (условно) необходимые (условно эссенциальные элементы): F, Si, Ti, V, Cr, Ni, As, Br, Sr, Cd;
3) элементы с малоизученной или неизвестной ролью: Li, B, Al, Ge,
Zr, Sn, Ce, Hg, Vi, Be, Rb, Ag, Sb, Ba, Pb, Ra, U.
Группа эссенциальных элементов включает в себя все макро-, часть
микро- и ультрамикроэлементов. Поэтому порядок концентрации того или
иного микроэлемента в организме не определяет его биологического значения.
Концентрация элементов в живом веществе прямо пропорциональна
содержанию их в среде обитания с учетом растворимости их соединений.
Химический состав организма есть его признак – видовой, родовой и др.;
различные области земной поверхности различаются по элементному составу, что приводит к различию в содержании микроэлементов в организмах и своеобразным биологическим реакциям в ответ на эти различия.
Эти представления лежат в основе учения о биогеохимических провинциях и биогеохимической патологии (эндемических болезнях). Содержание микроэлементов в окружающей среде имеет большое значение для
организма человека. Знание аномальных в биогеохимическом отношении
регионов и провинций природного происхождения как источников биогеохимических эндемий (постоянно существующих заболеваний) очень важно
для эпидемиологической оценки этих очагов, разработки научно обоснованных методов профилактики таких болезней.
Однако в последнее время еще более остро встала проблема техногенных эндемий, т. е. заболеваний антропогенного происхождения, возникающих в результате природопреобразующей деятельности человека или
существующих в преобразованной человеком среде. Существенные наблюдения накоплены фитопатологами и специалистами по болезням животных.
Они показывают, что микроэлементные загрязнения сред жизни по своему
значению начинают приобретать характер «лимитирующих факторов», которые угрожают не только нормальному развитию, но и самому существованию различных видов живых существ.
126
До тех пор, пока реакции организма в ответ на изменения концентраций микроэлементов в среде не выходят за пределы нормы реакции,
организм сохраняет гомеостаз, в противном случае развивается экопатология (нарушаются адаптационные механизмы, происходят разбалансирование ферментативных процессов, изменения метаболических превращений).
Микроэлементные загрязнения окружающей среды представляют
большую опасность в индустриально развитых странах. Рядом со многими
промышленными предприятиями образуются постоянно расширяющиеся
техногенные биогеохимические провинции с повышенным содержанием в
средах жизни свинца, мышьяка, фтора, ртути, кадмия, марганца, никеля и
других элементов. Микроэлементные загрязнения возникают и на значительном отдалении от предприятий в результате трансгрессии (переноса)
загрязнителей воздушными массами и водными потоками. Такой перенос
может быть эпизодическим (например, в результате катастроф), но может
быть и постоянным (например, кислотные дожди, выпадения оксидов серы
и азота) и носит не только локальный, но и глобальный характер.
Крупные индустриальные центры представляют собой экстремальные
зоны обитания в результате интенсивного загрязнения. Средний уровень
микроэлементов намного выше в городах по сравнению с природными
ландшафтами: Wo, Hg, Cd, Pb – в 14–50 раз, Sb, Mo, Zn – в 30–400 раз, Сu,
Ni – в 8–63 раза, Co, Cr – в 11–46 раз. Распределение их связано с условиями застройки городов.
Агрессивность внешней среды, обусловленная антропогенными изменениями, в настоящее время настолько велика, что ее нельзя игнорировать.
В условиях микроэлементных загрязнений происходит накопление различных токсичных элементов в плаценте, волосах, органах эндокринной системы. Происходят явления дизадаптации, нарушения физического и психического развития, аномальные изменения скелета и другие нарушения.
Согласно современным представлениям, ряд микроэлементов является абсолютно необходимым для организма, оптимального состояния его
здоровья. Эти химические элементы оказывают большое влияние на жизнь
организма, вступая в связь с органическими веществами, синтезируемыми в
живых клетках. Они влияют на оплодотворение, развитие, рост, жизнеспособность организма, его иммунологические свойства, дыхательную функцию гемоглобина и прочие важнейшие функции. Процессы метаболизма
происходят при участии многих металлоферментов. Вместе с тем каждый
элемент имеет присущий ему диапазон безопасной экспозиции, который
поддерживает определенные тканевые концентрации и функции; у каждого
микроэлемента есть также свой токсический диапазон, когда безопасная
степень его экспозиции превышена.
127
Лекция 6. Микроэлементозы
В настоящее время введен термин микроэлементоз, объединяющий
все патологические процессы, вызванные избытком, дефицитом или дисбалансом микроэлементов. В основу их классификации положен принцип, согласно которому на первое место выдвигаются фактор этиологии (причины
возникновения патологии) и характер его проявления. Это выражено в названиях микроэлементозов:
• если имеется в виду дефицит микроэлементов, то микроэлементоз
трактуется как дефицитное состояние по названию элемента: купродефициты, цинкдефициты, хромдефициты, селендефициты и т. д.;
• если речь идет о микроэлементной токсикопатии (микроэлементном токсикозе), то и название микроэлементоза образуется для каждого
микроэлемента соответственно с добавлением слова «токсикоз»: Cdтоксикоз, Hg-токсикоз, Рb-токсикоз и т. д.
Некоторые промышленные регионы с особо интенсивным загрязнением окружающей среды могут стать зонами сильных техногенных микроэлементозов. Одна из таких зон – зона, подвергшаяся воздействию вредных
выбросов в результате аварии в 1986 г. на Чернобыльской АЭС (так называемая «Чернобыльская зона»). Одной из особенностей микроэлементов является их способность накапливаться в организме. Поэтому перенасыщение
ими воздуха, воды и почвы может привести к значительным концентрациям
их в организме человека.
Дефицит многих микроэлементов связан не только с недостаточным
поступлением их в организм, но и с интенсивностью их всасывания, с неполноценностью транспорта и метаболизма, с нарушением активности специфических лигандов (макромолекул, с помощью которых осуществляется
транспортировки атома определённого металла, например, гемоглобин
транспортирует атом Fe) и клеточных рецепторов, с деятельностью многих
систем организма. С другой стороны, относительный дефицит может возникать для одних элементов в результате дисбаланса с другими. Микроэлементные токсикозы – реальное явление в современных экологических условиях, результат постоянного загрязнения сред жизни вследствие выбросов в
атмосферу солей и оксидов металлов, оксидов серы и азота.
Различают мономикроэлементозы – заболевания, обусловленные избытком или недостатком одного микроэлемента, и полимикроэлементозы –
заболевания, в этиологии которых существенную роль играют несколько
микроэлементов или дисбаланс с несколькими микроэлементами. К ним относятся такие массовые заболевания, как кариес зубов, широко распространенная группа мочекаменных болезней, эндемический зоб, группа анемий
сложной биохимической природы и др.
Выделяется также вторичный микроэлементоз, который присоединяется к основному заболеванию на различных стадиях его течения или может
128
иметь ятрогенное происхождение (быть следствием различных медицинских воздействий, например, хирургических операций на желудочно-кишечном тракте, когда повреждаются зоны всасывания микроэлементов, неконтролируемого лечения препаратами, содержащими металлы, может развиваться при тяжелых гельминтозах).
Патогенетические механизмы микроэлементозов обусловлены их
собственной биологической ролью и состоянием организма.
• Дефицит эссенциальных микроэлементов непременно нарушает
основные процессы жизнедеятельности организма. Недостаточность таких
элементов затрагивает самые тонкие механизмы поддержания гомеостаза,
саму основу существования живого. Недостаток или избыток таких микроэлементов сопровождается целым каскадом метаболических нарушений. В
условиях дефицита или микроэлементного токсикоза возникают достаточно
характерные заболевания и синдромы.
• Для условно эссенциальных микроэлементов не установлены дефицитные состояния человека. Патологические механизмы микроэлементозов в этих случаях связаны в основном с избытком таких микроэлементов, с
различными токсикозами как острого, так и хронического характера.
• Для токсичных и условно-токсичных микроэлементов также не установлены дефицитные состояния у человека. Накопление их в организме
приводит к различным токсикозам с поражением разных органов и систем.
Ряд микроэлементов образует пары или триады, которые оказывают
синергическое (действующее совместно) или антагонистическое действие
на различные физиологические и патологические показатели: Си и Zn, Fe и
Мn, Fe и Zn, Cd и Сu. Кроме того, установлены взаимодействия для Cu, Мо
и SO42–; F, Са и РО43–, т. е. проблема взаимодействия микроэлементов выходит за пределы только этой группы веществ и связывается с активностью
ряда макроэлементов.
Микроэлементный статус тесно связан с возникновением и прогрессированием злокачественных опухолей. При всех формах рака в крови снижено количество Fe. Повышение частоты онкологических заболеваний связывается с дефицитом Mg, Se, Mo и, напротив, с повышенным уровнем As,
Cd, Ni, Cu, Mn, V, Sr, сульфатов.
В разные периоды онтогенеза (индивидуального развития организма
от оплодотворения) патогенетические механизмы микроэлементозов могут
быть различными. С одной стороны, в период внутриутробного развития
происходит физиологическое накопление в организме плода многих микроэлементов, что обеспечивает интенсивность метаболических процессов, быстрый рост и развитие. С первых месяцев жизни наступает уменьшение этого резерва. Среди детей существуют группы риска, в которых довольно часто встречаются дефициты микроэлементов (дефицит массы тела и недоношенность; низкая концентрация микроэлементов в грудном молоке и др.).
129
С другой стороны, избыток определенных микроэлементов может привести
к различным эмбриотоксическим эффектам, вплоть до гибели плода.
Влияние микроэлементов на обменные процессы реализуется, прежде
всего, через их воздействие на генетический аппарат клетки. Связываясь с
нуклеотидами, ионы металлов вызывают существенные изменения в структуре нуклеиновых кислот. Поэтому дефицит, избыток и дисбаланс микроэлементов в организме человека может приводить к различным генетическим нарушениям на уровне половых клеток в виде генных, хромосомных
или геномных мутаций. Нарушение обмена микроэлементов (как недостаток их, так и избыток) в организме беременной женщины может вызывать
различные пороки развития. Генетические нарушения обмена микроэлементов могут быть первичными, затрагивающими все обменные процессы в
организме или нарушающими только отдельные этапы метаболизма определенных микроэлементов, и вторичными, вызванными иными генетическими эффектами.
Список литературы
Основная литература
1. Экологические функции литосферы / В. Т. Трофимов, Д. Г. Зилинг,
Т. А. Барабошкина [и др.] ; [под ред. В. Т. Трофимова]. — М. : Изд-во Моск.
ун-та, 2000. – 430 с.
2. Трофимов В. Т. Экологическая геология. – М. : Геоинформмарк,
2002. – 414 с.
3. Алексеев С. В. Экология человека. – М. : ГОУ ВУНМЦ МЗ РФ,
2001. – 639 с.
Дополнительная литература
1. Авцын А.П. Биогеохимические эндемии (микроэлементозы ) человека / А.П. Авцын, А.А. Жаворонков // Руководство по медицинской географии / [под ред. АА.Кеплера]. – СПб., 1993. – 154 с.
2. Барабошкина Т.А. Методические аспекты эколого-геохимических
исследований / Т.А. Барабошкина, В.В. Ермаков, С.А. Рустембекова // Ломоносовские чтения 2000. – М. : МГУ, 2000. – С. 54–59.
3. Вернадский В.И. Биогеохимические очерки (1922–1932 гг.) /
В.И. Вернадский. – М. ; Л. : Изд-во АН СССР, 1940. – 250 с.
4. Немых В.Н. Практикум по экологии человека / В.Н. Немых,
А.И, Пашков. – Воронеж : Изд-во ВГУ, 1997. – 224 с.
5. Рустембекова С.А. Микроэлементозы и факторы экологического
риска / С.А. Рустембекова, Т.А. Барабошкина; [под ред. В.В. Горшкова]. –
М. : Университетская книга, Логос, 2006. – 112 с.
130
6. Скальный А.В. Микроэлементозы человека (диагностика и лечение) / А.В. Скальный. – М. : Мир, 2001. – 128 с.
7. Трофимов В.Т. Экологическая геология : учебник для студ. геол.
специальностей вузов / В.Т. Трофимов, Д.Г. Зилинг // М-во природ. ресурсов Рос. Федерации. Моск. гос. ун-т им. М.В. Ломоносова. – М. : Геоинформмарк, 2002 . – 414 с.
8. Авцын А.П. Микроэлементозы человека // Клиническая медицина. – 1987. – № 6. – С. 36.
131
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ГЕОДИНАМИКА
Лекция 1. Экологическая геодинамика: объект и предмет
исследований
«Экологическая геодинамика – научный раздел экологической геологии, исследующий морфологические, ретроспективные и прогнозные задачи, связанные с изучением воздействия природных и антропогенных геологических процессов на биоту, как с позиций оценки возможных катастроф, так и комфортности ее проживания» (Трофимов, Зилинг, 1999).
Объектом изучения экологической геодинамики – верхние горизонты земной коры (литосферы), выступающие как компоненты экосистем
(биогеоценоза) или природно-технических систем, ПТС.
Предметом исследования экологической геодинамики являются закономерности геодинамической экологической функции верхних горизонтов земной коры (литосферы), знания о воздействии геодинамических компонентов литосферы на биоту. Именно в предмете исследования
наиболее рельефно видны различия между изучением выделяемых объектов
в инженерной и экологической геодинамике. При этом геодинамическая экологическая функция литосферы отражает свойство литосферы влиять на состояние биоты, безопасность и комфортность проживания человека через
природные и антропогенные геологические процессы и явления (Трофимов,
Зилинг, 1999).
Динамика развития геологических процессов и в инженерной и в экологической геодинамике анализируется при этом в двух временных системах: 1) в геологическом времени – при исследовании закономерностей
формирования (истории развития) древних и современных (по И.В. Попову)
геологических процессов, обусловивших формирование определенных геологических явлений в современном рельефе или в толще горных пород;
2) в физическом времени – при анализе тех же закономерностей применительно к современным действующим геологическим процессам или при разработке прогноза пространственно-временного их развития под воздействием природных или антропогенных причин (Трофимов, Зилинг, 1999).
Их проявление и развитие связано как с внешними космическими факторами, так и со сбросом (разрядкой) напряжений в геофизических полях
Земли, а воздействие геологических процессов на биоту – с перемещением
вещества земной коры и преобразованием рельефа. Зависимости экологогеодинамических свойств литосферы определяются объектом изучения и
включают в себя два самостоятельных блока – все геологические процессы
как таковые и геодинамические зоны и аномалии. Хотя последние на порядок отличаются между собой по морфологии и структурному статусу, они
рассматриваются нами совместно, что обусловлено недостаточной изучен132
ностью этой проблемы. В схематическом виде структура описанной экологической функции литосферы представлена на рис. 7.
Геодинамическая экологическая
функция литосферы
Геологические природные
и антропогенные процессы
Благоприятные
Геодинамические зоны и
аномалии
Неблагоприятные
Опасные
Катастрофические
Рис. 7. Геодинамическая экологическая функция литосферы и ее составляющие
(по Трофимову, Зилингу, 1999)
Таким образом, обособляются две принципиально разные с экологических позиций группы процессов. Первую из них составляют опасные, в
том числе катастрофические процессы и явления. Они относятся к быстротекущим процессам, вызывающим стихийные бедствия, которые приводят к
быстрому разрушению среды обитания, нарушению условий жизни человека,
а в ряде случаев и гибели людей.
Неблагоприятные процессы и явления отклоняют состояние литосферы
от диапазона, оптимального для жизни человека, приводят к дискомфортности его обитания и не несут непосредственной угрозы его жизни. Оценки
дискомфортности проживания человечества в связи с развитием геологических процессов в количественных показателях пока не существует. В качестве косвенных – предлагается оценка ущерба.
Лекция 2. Задачи экологической геодинамики
К основным задачам, решаемым в рамках экологической геодинамики, относятся (Трофимов, Зилинг, 1999):
1) разработка методов оценки устойчивости приповерхностной части
литосферы к изменению ее геодинамических параметров под влиянием
природных факторов и техногенеза с учетом экологических последствий;
2) эколого-геологическое обоснование инженерной защиты от опасных и катастрофических геологических процессов (природных и антропогенных), влияющих на существование и комфортность проживания биоты и
человеческого сообщества.
Исходя из исследования геодинамической функции литосферы эколого-геологические задачи В.Т. Трофимовым (1999) представлены в табл. 6.
133
Таблица 6
Эколого-геологические задачи
Экологические функции литосферы
Эколого-геологические задачи
и их структура
Целевое оценочное районирование территории с выделением районов с высокой повторяемостью катастрофических геологических процессов.
• Влияние техногенеза на развитие или активизацию катастрофических геологических процесКатастрофические сов с учетом экологических последствий.
геологические
• Прогноз развития катастрофических геолопроцессы (непогических процессов в пространстве и во времени
средственная
(с учетом «наведенных» процессов) для оценки
угроза существоэкологического риска.
вания биоты)
• Эколого-геологическое обоснование инженерной зашиты территорий от катастрофических
природных и антропогенных геологических процессов для обеспечения комфортности и безопасности проживания населения.
Геодинамическая
•
1. Целевое оценочное районирование территорий с выделением районов с геодинамической
дискомфортностью проживания населения.
2. Влияние техногенеза на развитие или активизацию неблагоприятных геологических процессов с учетом экологических последствий.
3. Прогноз развития неблагоприятных геолоНеблагоприятные
гических процессов (площадного поражения и
геологические
процессы (дис- развития во времени) для оценки геологического
риска в связи с решением экологических вопросов.
комфортное»
существование
4. Вопросы оценки уровня дискомфортности
человека)
проживания населения под влиянием неблагоприятных геологических процессов.
5. Оценка устойчивости территории к техногенным воздействиям с экологических позиций.
6. Обоснование необходимости мер инженерной защиты территорий от негативных геологических процессов с экологических позиций.
134
К прикладным задачам инженерной и экологической геодинамики
относятся (Трофимов, Зилинг, 1999):
• инженерно-геологическое обоснование проектов инженерных сооружений и рационального использования верхних горизонтов земной коры
для их размещения (в более широком плане – для осуществления инженерно-хозяйственной деятельности);
• оценка влияния природных и техногенных воздействий на состояние и свойства горных пород и массивов как оснований и вместилищ инженерных сооружений;
• соучастие в осуществлении практического управления природно-технической или природной литосистемой с целью сохранения и обеспечения ими своих функциональных особенностей.
Лекция 3. Основные законы экологической геодинамики
Основной экологический закон состоит в том, что характер развития общества и состояние природной среды находятся во взаимном соответствии, они взаимно влияют друг на друга.
Состояние любых организмов в природе находится в соответствии с
взаимодействующими с ними компонентами окружающей среды.
К основным законам экологической геологии относятся три положения наиболее общего характера:
Первый закон экологической геологии состоит в том, что экологогеологические свойства литосферы и ее компонентов, их пространственновременные изменения определяются историей их геологического развития
во взаимодействии с внешними природными средами и техносферой.
Второй закон экологической геологии также имеет общий характер и
состоит в том, что динамика (скорость, характер движения) экологических
функций литосферы и ее компонентов обусловлена их природными свойствами, видом и интенсивностью взаимодействия с внешними, в том числе
техногенными средами.
Третий закон экологической геологии состоит в том, что современные
экологические качества литосферы определяются природными факторами и
техногенезом, что обусловливает необходимость поиска их оптимального сочетания и разумного компромисса между природой и человеком.
Именно эти положения и законы формируют экологический стержень,
объединяющий научные основания других наук, и составляют собственную
часть логической основы экологической геологии.
Для экологической геодинамики предложена в качестве одного из
критериальных положений позиция о том, что изменение экологогеологического состояния литосферы и ее компонентов определяется
как природными свойствами, так и видом, и интенсивностью взаимодействия с внешними, в том числе техногенной, средами (Трофимов, Зилинг, 1999).
135
Как уже отмечалось выше, кроме теорий и законов геологических наук логическая структура экологической геологии должна включать в себя
теории и законы медицинских и ряда других естественных наук, и в первую
очередь биологии, географии и почвоведения. Эти науки изучают смежные
(внешние) по отношению к литосфере геосферные оболочки Земли, знания о
которых необходимы при решении эколого-геологических задач.
Лекция 4. Оценка эколого-геологических условий
Эколого-геологическими условиями называется совокупность конкретных экологических свойств (функций) литосферы, отражающих условия
жизнедеятельности живых организмов в данном объеме литосферы как среде их обитания (Трофимов, Зилинг, 2002).
Исходя из этой трактовки, эколого-геологические условия в целом
определяются либо всеми экологическими функциями литосферы (геодинамической, ресурсной, геохимической, геофизической), либо несколькими,
либо одной из них.
Эколого-геологические условия являются динамичными, т. е. они могут достаточно быстро меняться даже за исторический период времени.
Особенно быстро они меняются вследствие различных природных катастрофических процессов или техногенных воздействий (Трофимов, Зилинг,
2002). Поэтому последовательная смена состояний эколого-геологических
условий происходит через ряд временных состояний эколого-геологической обстановки.
Следует подчеркнуть, что эколого-геологические условия определяются по отношению к определенным организмам или их группам, сообществам и т. п. Так, например, для жизнедеятельности человека данные эколого-геологические условия могут быть неблагоприятными (возможно вследствие наличия опасных экзогенных процессов или химического загрязнения
почв и подземных вод), а для каких-либо низших организмов (например,
насекомых и т. п.) они могут быть вполне благоприятными. Аналогичных
примеров можно привести довольно много. Следовательно, неправомерно
говорить об эколого-геологических условиях вообще, всякий раз необходимо конкретизировать по отношению к кому (или к каким экосистемам) они
определяются.
Важным вопросом является оценка состояния эколого-геологических
условий. Для этого В.Т. Трофимовым и Д.Г. Зилингом (2002) предложены
группы ресурсных, геодинамических, геохимических и геофизических критериев.
Среди геодинамических критериев оценки эколого-геологических условий ими выделяются показатели изменённости рельефа, показатели состояния литосферы по развитию геологических процессов и динамические
136
показатели состояния приповерхностной части литосферы по скорости изменения площадных критериев оценки (см. табл. 7 и 8).
Таблица 7
Оценка состояния эколого-геологических условий по особенностям рельефа
и подземного пространства (по В.Т. Трофимову и Д.Г. Зилингу)
Состояние эколого-геологических условий
Критерий
оценки
Площадь техногенного
рельефа к площади участка,
%
Размах нарушенного рельефа, м
Пощади подработанных территорий, %
Удовлетворительное
Условно удовлетворительное
Неудовлетворительное
10–25
25–50
<= 10
Катастрофическое
> 50
10–20
20–50
10–25
25–50
Таблица 8
Динамические показатели состояния приповерхностной части литосферы
по скорости изменения площадных критериев оценки
Состояние эколого-геологических условий
Критерий
Условно
НеудовлеКатастУдовлетвооценки
удовлетвотворитель- рофичерительное
рительное
ное
ское
Увеличение
площади на<= 1
1–2
2–5
>5
рушения в год,
%
На основе подобных оценок была разработана шкала сложности эколого-геологических условий применительно к проживанию людей (см.
табл. 9).
Как видно из приведенного материала, подобные оценки весьма условны, а к иным организмам вообще вряд ли применимы. Более обоснованными подобные оценки сложности эколого-геологических условий становятся применительно к конкретным экосистемам различного уровня: микро-, мезо- и макроэкосистемам.
137
Таблица 9
Шкала сложности эколого-геологических условий
Состояние эколого-геологических условий
Условно
Критерий
НеудовлеУдовлетвоКатастрофиудовлеоценки
творирительное
творическое
тельное
тельное
Площадная
пораженность
поверхности
геологическиДо 5
5–25
25–50
Более 50
ми процессами
(катастрофическими и
опасными), %
Интенсивность развития геологических проГрадации не разработаны
цессов (объемы, скорости,
энергетика)
Систематическое проСложные,
явление катаВесьма
Несложные,
строфичеинженерсложные,
Сложность
локальные
ная защиских процеснеобходима
инженерномеры защиты та необхосов, меры
повсеместгеологических
от опасных
инженерной
дима на
ная инжеусловий
геологических
огранизащиты не
нерная запроцессов
ченных
гарантируют
щита
безопасность
площадях
проживания
людей
Кроме того, необходимо иметь ввиду, что наличие и особенности тех
или иных процессов на данной территории определяет (а во многих случаях
полностью обусловливает) динамику эволюции и функционирования экосистем. Практически все современные геологические или инженерно-геологические процессы меняют условия среды обитания различных организмов, а
следовательно, влияют на состояние и эволюцию экосистем, развитых в
пределах рассматриваемой территории. В первую очередь они могут влиять
на экологическую сукцессию организмов.
138
В результате того или иного геологического процесса (например,
оползня) может почти полностью разрушиться та или иная природная «первичная» экосистема и сформироваться так называемая «фаза обнажения» –
появление незаселенного пространства в геологическом массиве. Это обстоятельство вызовет следующую фазу сукцессии – миграцию организмов
на «незаселенную» территорию, затем ее колонизацию пионерными формами жизни, конкуренцию организмов, реакцию и в конечном итоге – стабилизацию экосистемы.
Как известно, по общему характеру сукцессии делятся на первичные
и вторичные. Можно заключить, что с активными геологическими или инженерно-геологическими процессами связаны первичные сукцессии и растущие экосистемы, а со стабильными в геодинамическом отношении территориями связаны вторичные сукцессии и зрелые экосистемы. С длительными процессами геологической эволюции связаны вековые смены экосистем.
К числу вековых сукцессий техногенного характера можно отнести процессы, протекающие в регионе Аральского моря (Шилов, 2000).
Исходя из этого, скорость и интенсивность геологических процессов
на данной территории обусловливает в целом динамику экологической сукцессии. Учитывая то обстоятельство, что в пределах той или иной территории одновременно протекает несколько геологических или инженерногеологических процессов (парагенезис процессов), то в конечном итоге
сукцессия в экосистемах подчиняется сложным законам динамики, определяемым в том числе динамикой взаимодействующих геологических процессов. Можно сказать, что динамика геологических и инженерно-геологических процессов определяет динамику сукцессий экосистем и, следовательно, динамику экосистем в целом.
Список литературы
Основная литература
1. Золотарев Г.С. Инженерная геодинамика : учебник для студ. вузов,
обучающихся по специальности «Гидрогеология и инженерная геология» /
Г.С. Золотарев. – М. : Изд-во Моск. ун-та, 1983. – 327 с.
2. Иванов И.П. Инженерная геодинамика : учебник для студ. вузов,
обуч. по специальности «Поиски и разведка подзем. вод и инженер.-геол.
изыскания» направления подгот. дипломир. специалистов «Прикладная
геология» / И.П. Иванов, Ю.Б. Тржцинский. – СПб. : Наука, 2001. – 414 с.
3. Учебное пособие по инженерной геологии / [под ред. Г.С. Золотарева]. – М. : Изд-во Московского ун-та, 1990. – 293 с.
139
Дополнительная литература
1. Ананьев В.П., Потапов А.Д. Инженерная геология : учебник для
студ. вузов, обуч. по строит. специальностям / В. П. Ананьев, А. Д. Потапов. –
2-е изд., перераб. и доп. – М. : Высшая школа, 2000. – 510 с.
2. Белый Л.Д. Инженерная геология : учебник для студ. строительных специальностей вузов / Л.Д. Белый. – М. : Высшая школа, 1985. – 230 с.
3. Природные опасности России : в 6 т. // Рос. акад. наук, М-во Рос.
Федерации по делам гражд. обороны, чрезвычайн. ситуациям и ликвидации
последствий стихийн. бедствий / [под общ. ред. В.И. Осипова, С.К. Шойгу]. – М. : КРУК, 2000–2003. – Т. 1. Природные опасности и общество. –
2002. – 245 с. – Т. 2. Сейсмические опасности. – 2000. – 295 с. – Т. 3. Экзогенные геологические опасности. – 2002. – 345 с. – Т. 4. Геокриологические
опасности. – 2000. – 315 с. – Т. 6. Оценка и управление природными рисками. – 2003 . – 316 с.
4. Сергеев Е.М. Инженерная геология : учебник для студ. геол. специальностей вузов / Е.М. Сергеев. Изд. 2-е, перераб. – М. : Изд-во Московского ун-та, 1982. – 247 с.
5. Теоретические основы инженерной геологии. Геологические основы / [под ред. Е.М. Сергеева]. – М. : Недра, 1985. – 215 с.
6. Экогеология России : в 3 т. / [под ред. Г.С. Вартаняна]. – М. : Геоинформмарк, 2000. – Т. 1. Европейская часть. – 300 с.