ОБЩАЯ ГЕОХИМИЯ Лекция 15. Геохимия техногенеза
ТЕХНОГЕНЕЗ Техногенез — происхождение и изменение ландшафтов под воздействием производственной деятельности человека. Техногенез заключается в преобразовании биосферы, вызываемом совокупностью механических, геохимических и геофизических процессов. Часть планеты, охваченная техногенезом, представляет собой особую систему ноосферу.
НООСФЕРА "Ноосфера есть новое геохимическое явление на нашей планете. В ней впервые человек становится крупнейшей геологической силой. Он может и должен перестраивать своим трудом и мыслью область своей жизни, перестраивать коренным образом по сравнению с тем, что было раньше. Перед нами открываются все более и более широкие творческие возможности". (В. И. Вернадский, 1944 г. )
КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕХНОГЕННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ (ПО Н. П. СОЛНЦЕВОЙ) В ноосфере происходит грандиозная миграция атомов. Ежегодно перемещаются миллиарды тонн угля, нефти, руд.
ПРЕВЫШЕНИЕ ТЕХНОГЕННОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ НАД ВЫНОСОМ ИХ РЕЧНЫМ СТОКОМ (ПО ДАННЫМ О. П. ДОБРОДЕЕВА) С продукцией сельского хозяйства и промышленности атомы мигрируют на огромные расстояния. С экспортом и импортом зерна в мире ежегодно мигрируют миллионы тонн К, сотни тысяч тонн Р и N, что лишь в 10 - 100 раз меньше ионного стока рек в океан. Н. Ф. Глазовский показал, что вывоз N, Р и К с зерновой продукции только с территории степной зоны России и Казахстана соответствует ионному стоку этих элементов в Каспийское море. По О. П. Добродееву масштабы многих процессов техногенеза значительно превышают природные, ежегодно из недр извлекается больше металлов, чем выносится с речным стоком. Только при сжигании угля освобождается больше металлов, чем выносится с речным стоком (V - в 400 раз, Мо - в 35, С - в 20 раз и т. д. )
ЭНЕРГЕТИКА ТЕХНОГЕНЕЗА Как и в биосфере, в ноосфере используется текущая солнечная энергия, огромное значение приобретает также солнечная энергия былых биосфер, заключенная в ископаемом топливе - углях, горючих газах, сланцах, нефти. Используется и энергетический источник, чуждый биосфере, -атомная энергия. Поэтому для техногенных ландшафтов характерна еще большая неравновесность, чем для природных, создаются предпосылки для более высокой самоорганизации, хотя незнание ее законов часто приводит к уменьшению устойчивости ландшафтов, деградации природы Сравнение катастроф природного и техногенного характера
ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ТИПЫ ТЕХНОГЕННОЙ МИГРАЦИИ Техногенная миграция, унаследована от биосферы, но она изменена в ноосфере.
ГЕОХИМИЧЕСКАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕХНОГЕННЫХ ПРОЦЕССОВ Техногенные процессы могут систематизироваться по режимам (постоянные, периодические, катастрофические), модулям нагрузки на среду, объемам выбросов, источникам загрязнения, химическому составу выбросов, стоков и т. д. Н. П. Солнцева разработала классификацию техногенеза, связанного с добычей и переработкой полезных ископаемых. Эта классификация учитывает типы ответных реакций природных систем на техногенез. С некоторыми дополнениями и изменениями она показана на данном слайде. Схема техногенных и природно-техногенных геохимических процессов при добыче и переработке полезных ископаемых
СООТНОШЕНИЕ ПРИРОДНЫХ, ПРИРОДНОТЕХНОГЕННЫХ И ТЕХНОГЕННЫХ ПРОЦЕССОВ, МИГРАЦИИ, ЛАНДШАФТОВ По A. M. Рябчикову, ежегодно в мире создается около 20 млрд. т промышленных отходов, столько же сельскохозяйственных и до 4 млрд. т бытовых. В среднем количество мусора ежегодно возрастает на 2 - 3%. Среди источников загрязнения особенно важно учитывать источники промышленных узлов и городов.
СИСТЕМАТИКА ТЕХНОГЕННЫХ ОТХОДОВ Техногенные отходы подразделяются на жидкие и твердые (преднамеренно собираемые и депонируемые), стоки (поступающие в окружающую среду в виде жидких потоков, содержащих твердые взвешенные частицы) и выбросы (рассеяние в атмосфере загрязняющих веществ в твердой, жидкой и газообразной формах). При мониторинге техногенные отходы делятся на организованные - поступающие в окружающюю среду через специальные устройства (трубы, факелы, очистные сооружения, накопители шлаков, отвалы), поддающиеся контролю и неорганизованные (утечки и выбросы загрязняющих веществ в системах трубопроводов, канализации, при авариях, перевозке отходов и т. д. ), постоянный контроль которых затруднен.
ПРОМЫШЛЕННЫЕ ОТХОДЫ Автортанскорт • Основные полютанты - оксиды углерода и азота, сернистый ангидрид, пыль, нефтепродукты, токсичные микроэлементы, Pb, Cd, Hg, Zn и др. Теплоэнергетика • Основные полютанты - В, Be, Mo, As, a также полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) 3, 4 бензпирен и др. , которые включают канцерогены и мутагены. Электротехническая промышленность Металлургия и металлообработка • С электротехнический промышленностью связано загрязнение среды полихлорированными бифенилами (ПХБ). • Особенно высокие концентрации тяжелых металлов содержатся в выбросах и осадках очистных сооружений гальванических производств, где концентрации Cd, Bi, Sn и Ag в тысячи, а РЬ, Си, Сг, Zn и Ni в сотни раз выше кларков литосферы.
ОТХОДЫ НЕФТЕПЕРЕРАБОТКИ И ДОБЫЧИ НЕФТИ И ГАЗА Нефтеперерабатывающая, нефтяная, химическая промышленность поставляют в окружающую среду главным образом газообразные соединения - оксиды азота, углерода, диоксид серы, углеводороды, сероводород, хлористые и фтористые соединения, фенолы и др. , содержания которых иногда в десятки и сотни раз превышают предельно допустимые концентрации (ПДК) в атмосфере.
ЛЕТУЧИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ ПРОДУКТЫ ГОРЕНИЯ КОНДЕНСАТА (НА ФАКЕЛЕ) В таблице приведен не весь список компонентов – их около 70 Летучие органические соединения, идентифицированные в нефти и конденсатах имеют очень широкий спектр. Всего 69 соединений среди которых метилбензол, 1, 2 диметилбензол, нонан, декан, ундекан имеют выход более 20 мкг/г. Спектр летучих органических соединений в продуктах сгорания конденсатов уже (табл. 3). Доминирующими веществами в продуктах сгорания являются гептан, 2. 3 диметилгептан и нонан.
ЛЕТУЧИЕ НЕОРГАНИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ СГОРАНИЯ ТЯЖЕЛЫХ ФРАКЦИЙ НЕФТИ КРАСНОЯРСКОГО КРАЯ Летучие неорганические компоненты сгорания тяжелых фракций нефти Красноярского края судя по данным исследования её микрокомпонентного состава могут содержать хром, мышьяк, цинк, никель, медь и их соединения. Большинство из них (мышьяк, никель, хром и их соединения) концерогенные. Перечисленные пять элементов и их соединения плохо перерабатываются природой и пагубно влияют на все живые организмы. Например, при высоких содержаниях свинца гибнет почвенная микрофлора и поражаются дыхательные пути человека. Сжигание нефтей и веществ загрязненных нефтью способствуют загрязнению биосферы изотопами Sr 89, S 90 (Безпалый, 1992. )
УДЕЛЬНЫЙ ВЕС РАЗЛИЧНЫХ СЕРНИСТЫХ СОЕДИНЕНИЙ НЕФТИ (В % ПО ОТНОШЕНИЮ К ОБЩЕЙ СЕРЕ, ПРИНЯТОЙ ЗА 100% (НИКИТИН, 1980) При температурах термической переработки нефти сера, дегидрируя УВ, образует H 2 S. Сульфиды и дисульфиды при этом распадаются, также образуя H 2 S. Остаточная сера объединяет те соединения, которые при температурах переработки нефти не вступают в реакции (рис. 8). Отсюда следует, что H 2 S при термической переработке образуется тем больше, чем меньше в ней остаточной серы.
ГИДРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ЗАВОДЫ Независимо от применяемой технологии основными источниками загрязнения природной среды остаются сбросовые воды гидрометаллургических процессов, емкости подготовки сырого рассола, устройства для промывки сорбента (в случае применения сорбционных технологий), склады химических реагентов и готовой продукции, погрузо -разгрузочные площадки, нагнетательные скважины, электро- и теплоагрегаты, жилищно-бытовой комплекс. По предварительным оценкам рассолов региона состав стоков применении известных сорбционных и изотермических технологий ожидается в расчете на средне статистический рассол следующим: на магниево-литиевом цикле (переделе), гдм 3: лития хлорид - 0. 026, натрия хлорид - 120. 5, кальция хлорид - 210, 5, стронция хлорид 2. 7, калия хлорид - 28. 3, бром - 3. 6, растворитель технический; на кальций бромном производстве, мг/дм 3: бром - 380 -680, трибутилофосфат меньше 0. 01, растворитель экстракционный деароматизированный - меньше - 0. 05. ПДК по органическим растворителям и ТБФ - 0. 02 мг/дм 3.
ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА
ТЕХНОФИЛЬНОСТЬ. Характеристикой интенсивности извлечения и использования химических элементов является технофильность отношение ежегодной добычи или производства элемента в тоннах к его кларку в литосфере (А. И. Перельман). По мере развития человеческого общества в техногенез вовлекается все большее число химических элементов. В древности использовались лишь 18 элементов, в XVIII в. - 28, в XIX в. - 62, в 1915 г. -71, в настоящее время - все известные на Земле элементы и, кроме того, неизвестные в природных условиях нептуний, плутоний и др. трансураны, а также радиоактивные изотопы известных элементов (90 Sr, 131 j и др. ).
ДЕСТРУКЦИОННАЯ АКТИВНОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ ТЕХНОГЕНЕЗА Отношение технофильности элемента (с учетом содержания его в углях) к его биофильности (на суше) М. А. Глазовская назвала деструкционной активностью элементов техногенеза (Д), которая характеризует степень опасности элементов для живых организмов. Для Hg Д = n. 104 - n. 105, для Cd и F - n. 103, для Sb, As, U, Pb - n. 102, для Se, Be, Sn - n. 10, для многих других элементов Д < 1.
ТЕХНОГЕННОЕ ГЕОХИМИЧЕСКОЕ ДАВЛЕНИЕ Количество элемента, выводимое ежегодно из техногенного потока в природный, Н. Ф. Глазовский назвал техногенным геохимическим давлением, отношение его к единице площади — модулем техногенного геохимического давления, измеряемым в т/км 2. Например, модуль Р в Дальневосточном районе составляет 7, 7. 10 -3 т/км 2, в Молдавии, где широко применяются фосфорные удобрения, - 8, 2. 10 -1 т/km 2. Модуль Р колеблется от 8, 2. 10 -3 в Западной Сибири до 2, 1 т/км 2 в южных районах России, т. е. в 250 раз. В бассейнах Черного, Азовского и Балтийского морей техногенное давление превышает речной сток этих элементов, на реках других бассейнов отношение обратное, но во всех случаях масштабы техногенного давления и речного стока сопоставимы. Для всей поверхности суши наиболее велики модули техногенного давления Na, Cl, Ca, Fe (0, 5 -1, 0), наименьшие - у Li, Ag, W, Аu, Hg, Tl (10 -5 -10 -7).
КОЭФФИЦИЕНТЫ ТЕХНОГЕННОЙ ТРАНСФОРМАЦИИ Предложены также коэффициенты техногенной трансформации соотношение поступления элемента в техногенный и природный ландшафты (В. П. Учватов), показатель пылевой нагрузки соотношение количества пыли в техногенном и природном ландшафтах (Е. П. Сорокина и др. ), модуль аэрального поступления поступление веществ с атмосферными осадками и пылью (П. В. Елпатьевский и B. C. Аржанова) и др.
ТЕХНОГЕННЫЕ АНОМАЛИИ Эти аномалии образуются в компонентах ландшафта в результате поступления различных веществ от техногенных источников и представляют собой некоторый объем, в пределах которого значения аномальных концентраций элементов (Са) больше фоновых значений (Сф). Сильные аномалии, контрастность которых составляет десятки и сотни единиц геохимического фона, выявляются и интерпретируются сравнительно просто. Для оценки слабых аномалий используются статистические критерии (правило трех стандартов и др. ). Техногенные аномалии искусственных веществ (пестицидов и др. ) выделяются в основном по санитарно-гигиеническим, а не геохимическим критериям.
ТЕХНОГЕННЫЕ ОРЕОЛЫ И ПОТОКИ РАССЕЯНИЯ Если техногенная аномалия имеет четкую пространственную и генетическую связь с конкретным источником загрязнения, то такая аномалия называется техногенным ореолом рассеяния. Они фиксируются главным образом в депонирующих средах почвах, донных отложениях, растениях, снежном покрове. В транзитных средах - воздухе, водах, частично донных отложениях, аномалии именуются техногенными потоками рассеяния.
КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕХНОГЕННЫХ АНОМАЛИЙ ПО РАПРОСТРАНЕННОСТИ По распространенности выделяются следующие техногенные аномалии: глобальные охватывающие весь земной шар (повышенное содержание СО 2 в атмосфере, накопление искусственных радионуклидов после ядерных взрывов); региональные - формирующиеся в отдельных частях континентов, природных зонах и областях в результате применения ядохимикатов, минеральных удобрений, подкисление атмосферных осадков выбросами соединений серы и др. ; локальные образующиеся в атмосфере, почвах, водах, растениях вокруг местных техногенных источников: заводов, рудников, скважин и т. д.
ТЕХНОГЕННЫЕ АВАРИИ НЕФТЕГАЗОВОГО КОМПЛЕКСА Открытый фонтан на Ванкоре http: //www. krasrab. com/archive/2009/08/25/articles
ПРИМЕР ЛОКАЛЬНОЙ АНОМАЛИИ Вид на антропогенные кратеры в районе скважин 1 -3 Ванкорского месторождения Схема выходов газа в атмосферу на Ванкорсокй площади (по В. В. Турбину, Е. М. Сергию и др. , 1990) 1 -сосредоточенный выход газа, 2 - тоже рассеянный, 3 техногенные кратеры на устьях скважин № 1 и 2
СХЕМА АНТРОПОГЕННЫХ НАРУШЕНИЙ ВАНКОРСКОЙ ПЛОЩАДИ Полезные Вредные 1 -скважины № 1 и 2, 2 - участок с выгоревшим моховым покровом, 3 - тоже, покрытый песчано-глинистыми выбросами из аварийной скважины. Нейтральные По влиянию на окружающую среду техногенные аномалии делятся на три типа (А. И. Перельман). Полезные аномалии улучшают состояние окружающей среды. Это известкованные кислые почвы, добавки Na. J и KJ к поваренной соли в районах развития эндемического зоба, фторированная питьевая вода, микроудобрения, подкормка домашних животных Со и т. д. Вредные аномалии ухудшают состояние природной среды в результате появления повышенных концентраций токсичных веществ, отрицательно влияющих на живые организмы. Большинство техногенных аномалий относятся к этому типу. Нейтральные аномалии не оказывают влияния на качество окружающей среды (золото в банках, железо в городах и др. ).
КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕХНОГЕННЫХ АНОМАЛИЙ ПО СРЕДЕ ОБРАЗОВАНИЯ Литохимические Гидрогеохимические Биогеохимические Атмогеохимические По среде образования техногенные аномалии делятся на литохимические (в почвах, породах, строениях), гидрогеохимические (в водах), атмогеохимические (в атмосфере, снеге), биогеохимические (в организмах). Последние подразделяются на фито-, зоо- и антропогеохими-ческие аномалии.
ДЕЛЕНИЕ АНОМАЛИЙ ПО ДЛИТЕЛЬНОСТИ ИСТОЧНИКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ Кратковременны е Средневременны е Долговременные (стационарные) По длительности действия источника загрязнения они делятся на: кратковременные (аварийные выбросы и т. д. ), средневременные (с прекращением воздействия — разработка месторождений полезных ископаемых), долговременные стационарные (аномалии заводов, городов, агроландшафтов).
КОЭФФИЦИЕНТ ТЕХНОГЕННОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ИЛИ АНОМАЛЬНОСТИ (КС) Одним из критериев аномальности служит коэффициент техногенной концентрации или аномальности Кс, представляющий собой отношение содержания элемента в рассматриваемом аномальном объекте к его фоновому содержанию в компонентах ландшафта Кс определяется отношением фактического содержания определяемого вещества в почве (Сi) в мг/кг почвы к региональному фоновому (С i): Кс=Ci/C i;
СУММАРНЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ ЗАГРЯЗНЕНИЯ (ZC), Техногенные аномалии обычно имеют полиэлементный состав, в связи с чем Ю. Е. Саетом предложен суммарный показатель загрязнения (Zc), характеризующий степень загрязнения ассоциации элементов относительно фона: Zc = (Ксi +. . . +Кcn) - (n-1), где n - число определяемых суммируемых вещества; Ксi - коэффициент концентрации i-го компонента загрязнения.
ШКАЛА ОЦЕНКИ АЭРОГЕННЫХ ОЧАГОВ ЗАГРЯНЕНИЯ (ПО Ю. Е. САЕТУ И Б. Л. РЕВИЧУ)
ТЕХНОГЕННЫЙ ГЕОХИМИЧЕСКИЙ БАРЬЕР Техногенный геохимический барьер это участок, где происходит резкое уменьшение интенсивности техногенной миграции и, как следствие, концентрирование элементов. Как и в природных ландшафтах, здесь образуются аномалии. Искусственные барьеры создаются на пути движения техногенных потоков для локализации загрязнения. Например, известковые валы служат для осаждения металлов из кислых рудничных вод или содержащихся в водах ядохимикатов. Другой формой щелочного барьера является известкование кислых почв, препятствующее выносу многих катионогенных металлов и элементов питания, подвижных в кислой среде. Искусственные сорбционные барьеры в районе Чернобыля сооружались для предотвращения радиоактивного загрязнения гидросети.
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАССОЛОВ ТАЛАКАНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ И РАССОЛОВ СОСЕДНИХ РАЙОНОВ
МАКСИМАЛЬНОЕ СОДЕРЖАНИЕ В РАССОЛАХ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ ПО ДАННЫМ АТОМНОАБСОРБЦИОННОГО И ХИМИЧЕСКОГО АНАЛИЗОВ (МГ/Л) (ВОЖОВ, 2002)
КОНЦЕНТРАЦИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ВОДАХ РЕГИОНА ПО ДАННЫМ НЕЙТРОННО -АКТИВАЦИОННОГО АНАЛИЗА В водах соленосной формации обнаружены также компоненты, имеющие концентрацию на несколько порядков выше, чем в морской воде. К ним относятся церий, иттербий, ртуть, торий, селен и олово. С экологической точки зрения особый интерес представляет ртуть. Церий обнаружен и в подсолевых рассолах на Юрубченской площади (Букаты, 1998). Подземные рассолы соленосной формации характеризуются также промышленной концентрацией золота (0, 018 -0, 0692 мг/л), что в десятки раз выше минимальной промышленной нормы (0, 001 мг/л). Промышленная концентрация золота в подсолевой формации обнаружена в скважинах, пробуренных на Ванаварской (0, 0404), Джелиндуконской (0, 0273 -0, 0553), Собинской (0, 0215 мг/л) площадях, т. е. в пределах так называемого Илимпейского золотоносного района.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ Дайте определение понятий "техногенез", "ноосфера'', "техногенный ландшафт ". Каковы энергетика и информационные особенности ноосферы? Охарактеризуйте две группы процессов техногенеза. Что такое "технофильность", как она изменяется? Расскажите о техногенных геохимических аномалиях, зонах выщелачивания, барьерах. Рассмотрите геохимические аспекты проблемы загрязнения окружающей среды. Дайте определение "геохимического мониторинга ". В чем состоит проблема оптимизации ноосферы? Геохимический аспект полезных ископаемых. Дайте определение понятия «техногенный геохимический барьер» проблемы комплексного использования
Скачать презентацию ОБЩАЯ ГЕОХИМИЯ Лекция 15 Геохимия техногенеза ТЕХНОГЕНЕЗ
Лекция 15_Геохимия техногенеза.ppt