Техногенез как геохимический фактор

Техногенез– совокупность геохимических и геофизических процессов, связанных с деятельностью человека, уже значительно изменивших и продолжающих изменять геохимическую обстановку в биосфере.

В геохимическом аспекте техногенез включает:

1) извлечение химических элементов из природной среды и их концентрацию;

2) перегруппировку химических элементов, изменение химического состава соединений, в которые эти элементы входят, а также создание новых веществ;

3) рассеяние вовлеченных в техногенез элементов в окружающей среде.

Отрицательно действие техногенеза объединяется понятием загрязнение природной среды.

Степень использования элемента по отношению к его содержанию в литосфера называют технофильностью элемента. Наиболее высокую глобальную технофильность имеют Cl, C, она весьма высока у Pb, Sb, Zn, Cu, Sn, Mo, Hg.

М.А. Глазовская– автор представления о технобиологических пространственных физико-географических единицах, обладающих сходной реакцией на одно и то же геохимическое воздействие. Ею была разработана схема районирования территории по вероятной интенсивности самоочищения от продуктов техногенеза. Показатели: частота штилей, величина стока, величина ультрафиолетовой радиации (чем больше УФ радиация, тем больше интенсивность разложения загрязняющих веществ), число дней с грозами (озон, выделяющийся при грозе, также ускоряет разложение).

Схемы районирования составляют и по вероятной интенсивности разложения органических продуктов техногенеза в почвах. Показатели: энергия и время разложения растительного опада, щелочно-кислотные условия, окислительно-восстановительные условия.

Техногенное воздействие на биосферу связано в основном с интенсивным перемещением веществ – техногенными миграционными потоками. Последствием этого являются изменения в функционировании природно-территориальных комплексов, их геохимических характеристик и загрязнение продуктами техногенеза.

Интенсивность поступления того или иного химического элемента с техногенными потоками в биосферу определяется интенсивностью его использования в хозяйственной деятельности человека.

Использование химических элементов человечеством зависит от многих причин. Несомненно, играют роль их свойства – у одних более ценные, чем у других. Важное значение имеет и технология извлечения: алюминий и титан практически не использовались до начала ХХ века, так как технология извлечения их из минерального сырья была сложной и дорогой для того уровня развития техники. Большую роль играет и способность элементов концентрироваться в земной коре.

Например, ртуть образует месторождения с большими запасами и этот металл, несмотря на его редкость, использовался еще в древности.

Но существует и еще один фактор – распространенность элементов, их кларки в земной коре. Как бы ни было ценно золото для человечества, его добыча никогда не сравняется с добычей железа, так как кларк золота – 4.3 ×10-7 % , а железа – 4.65 %. Кремний и германий – химические аналоги и оксид германия GeO2 похож на оксид кремния SiO2. Но кремний – второй по распространенности элемент в литосфере (кларк 29.5%), а германий – редкий элемент (кларк 1.4×10-4 %). Поэтому соединения кремния – основа практически всех используемых человечеством строительных материалов, а германий добывается в небольшом количестве и используется в основном в электронной промышленности. Если бы кларк германия был бы столь же высок, как у кремния, то и этот элемент нашел бы большое применение.

Степень специального использования химического элемента в техносфере к его содержанию в литосфере характеризует технофильность элемента.

Технофильностью элемента называется отношение его ежегодной добычи к его кларку в литосфере. В принципе можно рассчитать технофильность элемента для отдельной страны, группы стран, всего мира. Естественно, что технофильность элементов динамический показатель и может резко изменяться во времени. На рисунке 8.2.1 приведены значения технофильности химических элементов, используемых в настоящее время человечеством.

Наибольшей технофильностью обладает углерод (уголь, нефть) в связи с его использованием в качестве главного источника энергии для человечества. Меньшее значение имеет использование угля и нефти в качестве сырья для химической и других отраслей промышленности.

Химические элементы с резко различными кларками, но сходные в химическом отношении часто имеют близкую технофильность. Например, у железа кларк - 4.65% , у марганца – 0.1 % , а технофильность их одинаковая – 6 ×107%.

Технофильность элементов колеблется в миллионы раз – от 8×1011 у углерода до 1×103 у иттрия, но контрасты в кларках элементов составляют многие миллиарды (n×101-n×10-10). Следовательно, человеческая деятельность в биосфере приводит к уменьшению геохимической контрастности техносферы по сравнению с биосферой и земной корой.

 

Рис. 8.2.1. Технофильность химических элементов

 

Другим количественным показателем значимости элемента является его общее техногенное использование или техногенность ТГ:

ТГ = (М1 + М2 ) / Кк ,

где М1 и М2 – соответственно степень вовлечения элемента в техногенные потоки для специального использования и в качестве побочных продуктов (отходов); Кк – кларк элемента в биосфере.

Показатель техногенности количественно характеризует степень общего вовлечения элемента в техногенные потоки, в отличие от технофильности, характеризующей только степень его специального вовлечения.

Отношение показателей технофильности к техногенности элемента характеризуется коэффициентом полноты техногенного использования Р:

Р = ТФ / ТГ

Кроме этих показателей, характеризующих интенсивность использования, а следовательно, количество элементов в техногенных потоках, существуют удельные показатели техногенного геохимического давления (Д) и модуль техногенного давления (МД):

Д = М1 + М2 ,т/год

МД = Д /S, т/год ×км2 ,

где S – площадь рассматриваемого региона, км2.

В табл. 8.2.1 и 8.2.2 приведены данные по количественной оценке коэффициента полноты техногенного использования (Р) и модуля техногенного давления (МД) для современной техносферы Земли.

Таблица 8.2.1

Значение коэффициента полноты техногенного использования для современной техносферы

Коэффициент Р,%

Элементы

более 90

Cl, Ag, Ba

50 – 90

Li, Na, Mg, P, K, Ca, Cr, Fe, Ni, Cu, Zn, Br, Sn, Hg, Pb

20 – 50

B, N, F, Co, Mo, Cd, W, Au, Bi

20 - 10

Al, S, V, As, U

1 - 10

Be, Se, I, Cs

менее 1

Sc, Ti, Ga, Ge

Таблица 8.2.2

Значение величины модуля техногенного давления для современной техносферы

Модуль техногенного давления, т/км2×год

Элемент

500 - 1000

Na, Cl, Ca, Fe

200 - 500

S

100 - 200

N, K

50 - 100

Al

20 - 50

P

10 - 20

Ti, Mn

1 - 10

B, F, Mg, Cu, Zn, Ba, Pb

0,1 - 10

V, Cr, Ni, As, Br, Sr, Mo, Cd, Sn, I,U

Как видно из табл. 8.2.1 , для многих элементов миграция в виде попутных примесей превышает их специальную добычу (As, U, S, V, Be, Se, I, Ge, Ti).

Техногенное давлениеопределяется использованием в техносфере различных видов сырья. В глобальных масштабах с использованием угля связано техногенное рассеивание Be, B, S, V, Mn, Ge, Ga, As, Se, Ag, Cd, U, W; для нефти – Li, S, Br, Cd, I; минерального сырья – Сг, Cu, Zn, Bi, Hg, Pb, Ni, Cl, Na, P, B, S.

Наибольшее техногенное давление присуще Na, Cl, Ca, Fe, S, N, K, причем рассеивание серы ( в основном в виде оксидов ) приводит к кислотному загрязнению атмосферных осадков и поверхностных вод, N и К – к увеличению содержания в водоемах питательных веществ (евтрофикация водоемов) и нарушению в них экологического равновесия (бурное развитие сине-зеленых водорослей).

Будет полезно почитать по теме: