ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 28.03.2024
Просмотров: 158
Скачиваний: 0
СОДЕРЖАНИЕ
химических элементов в земной коре
Особенности распределения химических
2.3. Биологический круговорот химических
2.4. Природные вариации концентраций
химических элементов в организмах
БИОГЕОХИМИЯ ГАЗОВОЙ ОБОЛОЧКИ ЗЕМЛИ
3.1. Биогеохимическая эволюция состава
организмов в массообмене газов
3.2. Геохимия и биогеохимия аэрозолей
3.3. Значение атмосферного массопереноса
водорастворимых форм химических
4.1. Состав Мирового океана — результат
4.3. Трансформация геохимического состава
природных растворов на контакте речных и
5.1. Планетарное значение педосферы
5.2. Органическое вещество педосферы
5.3. Роль почвы в регулировании
углерод-кислородного массообмена
5.4. Биогеохимическая трансформация
минерального вещества педосферы
5.5. Проблема возникновения почв и
эволюция почвообразования в истории
5.6. Распределение рассеянных элементов
биогеохимических циклов тяжелых
ГЛОБАЛЬНЫЕ БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ
7.2. Влияние живого вещества на
геохимию кислорода и водорода в биосфере
7.5. Общие черты циклов и распределения
В БИОСФЕРУ В РЕЗУЛЬТАТЕ МОБИЛИЗАЦИИ ИЗ ЗЕМНОЙ КОРЫ
8.5. Общие черты циклов и распределения
9.3. Общие черты циклов и распределения
масс тяжелых металлов в биосфере
10.1. Биогеохимическая зональность
10.2. Геохимическая неоднородность
10.3. Элементарный ландшафт (элементарная
хорологическая единица биосферы Мировой
11.1. Биогеохимия арктических ландшафтов
12.1. Биологический круговорот элементов
12.3. Водная миграция элементов в зоне
бореальных и суббореальных лесов
13.1. Биологический круговорот элементов
в аридных растительных сообществах
13.2. Особенности биологического
круговорота в экстрааридных пустынях
13.3. Биогеохимические особенности
13.4. Взаимосвязь биогеохимических
процессов с водной и атмосферной
миграцией элементов в аридных условиях
БИОГЕОХИМИЯ ТРОПИЧЕСКОГО ПОЯСА
14.1. Биологический круговорот химических
элементов в распространенных тропических
14.2. Биогеохимические особенности
15.2. Поступление тяжелых металлов
в экогеосистемы островов из атмосферы
биогеохимических циклов хозяйственной
деятельностью человеческого общества
16.2. Локальные (импактные) антропогенные биогеохимические аномалии тяжелых металлов
Рис. 16.6. Изменение содержания тяжелых металлов в пойменных отложениях низовьев Рейна на протяжении XX в. (по данным Дж.Джапенда и В.Саломонса, из А.И.Перельмана и Н.С.Касимова, 1999)
Однако проблема остается. Если бы выбрасываемые в воздух массы металлов распространялись, как газы, на большое пространство, а затем вымывались из тропосферы дождями и снегом, то их поступление на поверхность всей Мировой суши или даже на поверхность суши Северного полушария не превышало бы пределов природных поступлений, к которым растительные и животные организмы толерантны. Но основная масса металлов индустриальных выбросов выпадает в непосредственной близости от источника эмиссии. В результате живые организмы испытывают импактные (ударные) нагрузки и вокруг предприятия-загрязнителя формируются биогеохимические аномалии.
Тяжелые металлы являются необходимым компонентом биокатализаторов и регуляторов наиболее важных физиологических процессов. По этой причине сильное повышение их концентрации в окружающей среде в высокоактивном рассеянном состоянии оказывает сильное влияние на живые организмы. В первой программе глобального мониторинга (Манн Р., 1973) среди 12 наиболее опасных загрязнителей фигурировало три металла: ртуть, свинец и кадмий. Но уже через несколько лет в докладе исполнительного директора Программы ООН по охране окружающей среды (ЮНЕП) за 1980 г. на втором месте (после проблемы СО2 в связи с глобальными изменениями климата) рассматривалась опасность загрязнения тяжелыми металлами. Среди металлов-загрязнителей помимо трех указанных выше рассматривались семь других: марганец, олово, медь, молибден, хром, никель, кобальт. Это свидетельствует о значительном воздействии импактных техногенных поступлений металлов и близких им элементов на живые организмы и их сообщества.
В пределах техногенных биогеохимических аномалий обычно выделяют две зоны. Первая, непосредственно примыкающая к источнику загрязнения, характеризуется сильным поражением природной экогеосистемы. В этой зоне часто отсутствует растительность, разрушена биокосная система почвы, в значительной мере уничтожены почвенные животные и микроорганизмы. Во второй, более обширной, зоне заметно угнетение, реже — исчезновение отдельных составных частей биоты. На периферии этой зоны природная экогеосистема сохраняется без внешних изменений, но в ее компонентах (почвах, растениях, почвенных животных) отмечено повышенное содержание элементов-загрязнителей, которое, возможно, окажет влияние на последующие поколения.
Вокруг крупного медно-никелевого комбината в Садбери (Канада) зона сильного повреждения имеет радиус 3 — 5 км. Вторая зона распространяется до 20 км В первой зоне биота и почва были практически уничтожены, на поверхность поступало меди и никеля в несколько сотен и даже тысяч раз больше по сравнению с глобальным фоном. Концентрация никеля в почве по направлению от источника убывает очень быстро в степенной зависимости. На территории второй зоны происходит постепенное убывание концентрации по линейной зависимости до уровня местного геохимического фона. В этой зоне имеет место угнетение лишь отдельных видов растений и животных.
Аналогичная ситуация сложилась на севере Сибири в районе крупного Норильского металлургического комбината, а также на Кольском полуострове в результате деятельности двух медно-ни-келевых комбинатов. Вокруг них образовались обширные биогеохимические аномалии, в центральной части которых концентрация никеля и меди превышала фоновую более чем в 100 раз Одна из этих аномалий распространяется на северную часть Норвегии (рис. 16.7).
В степных ландшафтах протяженность техногенных геохимических аномалий увеличивается — заводы цветной металлургии сопровождаются ореолами рассеяния свинца, цинка, меди, мышьяка с радиусом от 5 до 20 км. Вокруг крупного Чимкентского свин-цово-плавильного завода, расположенного в условиях сухих степей Южного Казахстана, ореол техногенного рассеяния распространяется до 25 — 30 км. Содержание металлов-загрязнителей от источника к фону убывает в степенной зависимости независимо от того, является металл главным компонентом или примесью в руде (рис. 16.8).
Рис. 16.7. Загрязнение растительности Кольского полуострова медью (а)
и никелем (б) (по данным А В.Евсеева, 1998)
Рис 16.8. Распределение выпадающих масс металлов на площади импакт-
ной биогеохимической аномалии, образованной свинцово-плавильным)
заводом в г. Чимкент, Казахстан
Концентрация техногенно рассеиваемых элементов в снежном покрове значительно меньше, чем в почве. По сообщению М.А.Тойкка (1980), вокруг небольшого свинцово-плавильного завода в Тиккурила, расположенного в окрестностях Хельсинки (Финляндия), выделяется зона сильного загрязнения почвы с содержанием свинца в 24 раза больше местного геохимического фона (37810
-4 % в пахотном горизонте) Ее протяженность около 500 км от завода. Далее до 2 км концентрация металла снижается, но остается в несколько раз выше фоновой. В четырехмесячном покрове снега содержание свинца убывает очень быстро: на расстоянии 100 —- 200 м от завода — 10 — 47 кг/га, на расстоянии 1 км — 1,1 — 1,3 кг/га, на расстоянии 2,5 — 3,5 км — 0,3 — 0,2 кг/га.
Размеры аномалий зависят не только от производительности предприятий, но и от других факторов, длительности работы производства, технологии и др. Весьма важную роль играет высота источника выбросов в атмосферу Согласно расчетам М.Е.Бер-лянда, при высоких дымовых трубах значительная концентрация выбросов создается в приземном слое атмосферы на расстоянии (10— 14)Н, где Н — высота трубы. Для труб высотой 10—15 м максимальные концентрации в воздухе образуются в непосредственной близости от источника.
Соотношения концентрации техногенно рассеиваемых металлов в воздухе, атмосферных осадках, растительности и почве сложные. Вокруг свинцово-плавильного завода, расположенного на Дальнем Востоке в условиях умеренного муссонного климата с осадками около 1000 мм/год, зона максимальных концентраций металлов в воздухе распространяется до 2 км от источника. В этой зоне содержание металлов в приземном слое атмосферы в 100— 1000 раз выше местного геохимического фона, а в снеге — в 500—1000 раз. От 2 до 4 км располагается вторая зона, где концентрация металлов в воздухе примерно в 10 раз ниже, чем в первой. Намечается третья зона протяженностью от 4 до 10 км, в которой лишь отдельные пробы показывают повышенную концентрацию металлов.
Первая и вторая зоны загрязнения приземного слоя воздуха совпадают с зонами разрушения природной экогеосистемы и угнетения растительности. Площадь рассеяния металлов в снеговом покрове меньше, чем в атмосфере, но область осаждения продуктов выбросов на листьях деревьев практически совпадает с распространением высоких концентраций в воздухе. На протяжении существования снежного покрова в пределах первой зоны выпало (г/км2): меди — 2,4, цинка — 5,5, свинца — 615, кадмия — 16,6, мышьяка — 18,8. Во второй зоне поступление (г/км2) свинца — 26, цинка — 3, мышьяка — 1,2.
По мере удаления от источника соотношение разных форм рассеивающихся элементов меняется. В первой зоне водорастворимые формы составляют всего 5—10%, а основную массу выпадений образуют мелкие пылеватые частицы сульфидов и оксидов. С удалением от завода относительное содержание водорастворимых форм свинца возрастает: на расстоянии 1,5 км от завода оно достигает 55 %, а в 4 — 5 км — 80 — 90 %. Следовательно, вблизи источника загрязнения осаждается основная часть твердых пылеватых частиц, а водорастворимые формы переносятся дальше и вымываются из атмосферы осадками.
Теоретически биогеохимические аномалии техногенного происхождения должны представлять собой систему концентрических окружностей, где от источника загрязнения к периферии в растениях и почве убывает концентрация рассеивающегося металла. В реальных условиях под влиянием преобладающих ветров, особенностей рельефа и растительности, режима атмосферных осадков концентричность нарушается, ширина зон сильно меняется. В силу этого биогеохимические аномалии тяжелых металлов могут быть вытянутыми и иметь неправильные очертания.
Конфигурация аномалий в почвенном покрове усложняется соотношением техногенных поступлений металлов с их природными концентрациями в минеральном субстрате почв. В качестве примера рассмотрим геохимические аномалии тяжелых металлов на восточном побережье залива Спенсера (Южная Австралия). Район расположен на прибрежной равнине и остаточном денудационном плато, возвышающемся на 600 м над уровнем моря. Равнина сложена молодыми наносами, в строении плато принимают участие протерозойские кристаллические породы. Плато, вытянутое в виде кряжа в меридиональном направлении, задерживает атмосферные осадки, поступающие с залива. В результате этого на плато выпадает 500 — 600 мм, на равнине — всего 300 — 450 мм осадков в год.
На берегу залива в г. Порт-Пири с 1989 г. действует плавильный завод, который является единственным в районе индустриальным предприятием и источником загрязнения. Австралийские геохимики Б.Картрайт, Р.Мерри и К. Тиллер (1977) изучили содержание металлов в почвенном покрове и установили, что выделяются две геохимические аномалии (рис. 16.9). Одна из них окружает плавильный завод, другая приурочена к остаточному плато. Техногенное происхождение свинцовых аномалий не вызывает сомнений. В породах, слагающих равнину и плато, концентрация металла не превышает 2510-4 %, а в пределах аномалии — больше 5010-4 % (см. рис. 16.9, а). Аномалия вокруг завода образована осаждением из атмосферы продуктов выброса из труб завода и вытянута на юг-юго-восток под воздействием преобладающих ветров. Аномалия свинца, приуроченная к остаточному плато, по-видимому, обусловлена выпадением обильных атмосферных осадков, которые вымывают значительную часть аэрально мигрирующих форм свинца из атмосферы. Наряду с аномалией свинца в почвенном покрове образовались аномалии цинка и кадмия, отличающиеся своими параметрами (см. рис. 16.9, б, в).
Рассеяние металлов осуществляется не только металлургическими и металлообрабатывающими заводами, но и другими промышленными предприятиями. Так как сырье для изготовления фосфорных удобрений содержит примеси меди, цинка, свинца,
урана и других элементов, то они рассеиваются вокруг соответствующих заводов. Производство бумаги сопровождается рассеянием ртути. Крупные тепловые электростанции создают ореолы рассеяния оксидов серы и тяжелых металлов в радиусе 10—- 20 км.
Рис. 16.9. Техногенные аномалии свинца (а), цинка (б), кадмия (в)
врайоне Порт-Пири, Австралия (по Б.Картрайту и др., 1977)
Своеобразные биогеохимические аномалии свинца образуются вдоль автомагистралей. Тетраалкилы свинца добавляют в бензин в качестве антидетонационного средства для повышения КПД двигателей внутреннего сгорания. С выхлопными газами свинец выносится в форме мелких твердых частиц оксидов, хлоридов, фторидов, нитратов, сульфатов и др. Примерно 20 % частиц имеют размер более 0,005 мм. Они оседают в непосредственной близости от дороги. Более мелкие частицы, составляющие около 60 % выбросов свинца, оседают не так быстро и в пределах относительно широкой полосы. Остальные 20 % захватываются воздушными массами и могут переноситься на значительные расстояния.
Концентрация металла в почве зависит от интенсивности движения автотранспорта. Ширина придорожных аномалий в почве сильно варьирует в зависимости от местных условий и по данным исследований, проведенных в Бельгии, Швейцарии, Германии и других странах, достигает 100 м.
До принятия законов о регулировании добавок свинца в бензин в странах Западной Европы его концентрация в травах, растущих в зоне загрязнения автомагистралей, составляла 40 — 50 мкг/г.
Наиболее сильно загрязнена растительность на расстоянии до 5—10 м от края дороги и растительность газонов, разделяющих полосы движения на шоссе. Зона более низких концентраций распространяется до 50—100 м от края шоссе, но известны случаи и более широких аномалий. На расстоянии 200 — 300 м содержание свинца, как правило, снижается до уровня местного фона. Имеющиеся данные позволяют заключить, что ширина аномалий в растительности колеблется сильнее, чем в почвенном покрове.
При изучении концентрации свинца в древесных посадках вдоль дорог установлено, что максимум загрязнения приходится на интервал 1 — 2 м над уровнем земли, а выше начинает быстро уменьшаться. Таким образом, автотранспортные биогеохимические аномалии свинца имеют сильно вытянутую форму, ограниченную эллипсоидальной поверхностью шириной около 100 м и высотой не более 5 —8 м.