Геохимические барьеры

Геохимические барьеры - участки биосферы (и даже земной коры), на которых в миграционном потоке на коротком (по сравнению с его протяженностью) расстоянии резко уменьшается интенсивность миграции химических элементов и, как следствие этого процесса, повышается их концентрация. Этот термин был предложен в 1961 г. А.И. Перельманом. Им же были разработаны основы учения о геохимических барьерах, которое к настоящему времени стало одной из важнейших частей целого ряда наук о Земле.

Для защиты окружающей среды от загрязнения наиболее оптимальными являются методы, основанные на ускорении естественной трансформации загрязняющих веществ в неопасные формы или их целенаправленной концентрации на определенных ограниченных в пространстве участках литосферы, т.е. создание геохимических барьеров. Использования геохимических барьеров для защиты окружающей среды от загрязнения в ряде случаев позволяет отказаться от строительства сложных очистных сооружений и проведения дорогостоящих природоохранных мероприятий. Использование геохимических барьеров имеет ряд экономических и технологических преимуществ перед традиционными методами. Это относительно невысокие затраты, сравнительно простые технологические решения, возможность использования отходов и других материалов для создания барьеров. Технологии на основе геохимических барьеров имеют высокий инновационный потенциал и в скором времени будут способны конкурировать с классическими природоохранными технологиями. Широкое использование геохимических барьеров сдерживается отсутствием теоретических и методологических основ их практического применения.

Развитие промышленности привело к формированию участков земной поверхности, где техногенные процессы преобладают над природными. Наряду с процессами рассеивания происходит аккумуляция техногенных веществ и их метаболитов на техногенных геохимических барьерах. Согласно А.И. Перельману техногенный геохимический барьер – это участок, где происходит резкое уменьшение интенсивности техногенной миграции и, как следствие, концентрирование элементов и соединений. В ряде случаев техногенные барьеры создаются целенаправленно на пути движения техногенных потоков для локализации загрязнения. Отличительной особенностью техногенных барьеров является возможность аккумуляции техногенных веществ, не встречающихся в природных условиях, и их метаболитов (нефтепродукты, ПАУ, пестициды и др.). Концентрации веществ, имеющих природные аналоги на техногенных барьерах, в ряде случаев значительно выше, чем на природных.

В последние десятилетия многие химические элементы стали поступать в биосферу в концентрациях, не характерных для верхних частей земной коры. Связано это с резко увеличившейся антропогенной деятельностью. Распределение таких элементов очень часто неравномерно не только в пределах всей биосферы, но даже в пределах одной части определенного ландшафта. Возникли участки, в которых стало опасно выращивать сельскохозяйственные культуры (они становились токсичными), и даже такие, в пределах которых стало небезопасным вообще находиться. Не изучив такие участки, как правило, являющиеся геохимическими барьерами, невозможно их ликвидировать и предотвратить их образование. Кроме того, их невозможно быстро выделить без проведения специальных исследований (ботанических, геохимических и т.д.).

Геохимические барьеры биосферы разделяются на два основных типа - природные и техногенные. И те, и другие располагаются на участках изменения факторов миграции. В первом случае смена факторов, а соответственно и геохимической обстановки, обусловливается природными особенностями конкретного участка биосферы. Во втором такая смена геохимических обстановок происходит в результате антропогенной деятельности.

Оба типа геохимических барьеров подразделяются А.И. Перельманом на три класса: физико-химические, биогеохимические и механические. Позже В.А. Алексеенко был выделен класс только техногенных (социальных) барьеров. На физико-химических барьерах концентрация веществ связана с их отложением из растворов при изменении физико-химической обстановки.

Физико-химические барьеры подразделяются на классы: окислительный, восстановительный, сульфатный, щелочной, кислый, испарительный, адсорбционный, термодинамический. Для окислительного барьера характерно резкое увеличение Eh среды, а для восстановительного - уменьшение, щелочной барьер связан с резким увеличением рН, кислый - с уменьшением. На термодинамическом барьере происходит осаждение элементов в результате изменения температуры или давления и т.д. Всего в классификации А.И. Перельмана выделено 96 видов концентраций химических элементов на геохимических барьерах физико-химического типа. Большинство из этих концентраций обнаружено в естественных условиях.

Техногенный испарительный барьер известен с древности – антропогенное засоление орошаемых почв. Интенсивно действующий сорбционный техногенный барьер возникает при мелиорации солончаков на границе смещающегося вниз солонцового горизонта, где происходят обменные реакции, в том числе и поглощение тяжелых металлов. Строительство водохранилищ и обводнение застраиваемых территорий приводит к поднятию грунтовых вод, создает условия для возникновения техногенного восстановительного барьера на верхней части водоносного горизонта.

В последние годы введено понятие «искусственные геохимические барьеры», обозначающее участки земной коры, где целенаправленно изменяется геохимическая обстановка, обусловливающая рост концентрации химических элементов. Например, отшнуровывание морских заливов с целью добычи соли - искусственный испарительный барьер; устройство различных заграждений для остановки движущихся песков, роста оврагов и т.п. - искусственный механический барьер. Искусственные барьеры локализуют загрязнение. Они создаются из известных в природе веществ и имеют свои природные аналоги. Искусственный щелочной барьер, созданный по разработкам Н.Ф. Мырляна, широко используется в Молдавии для локализации потоков медьсодержащие пестицидов, мигрирующих с полей и пунктов хранения пестицидов в местные водотоки. Атмосферные осадки с рН 6,5-7,0 способствуют диссоциации медьсодержащих пестицидов с переходом в раствор ионов двухвалентной меди, которая мигрирует до тех пор, пока не встретит карбонатные породы с щелочной реакцией (рН до 8,5) Поскольку за счет изменения рН раствора на контакте с карбонатным породами резко снижается подвижность меди, она осаждается в виде карбонатных соединений (малахита, азурита). Щелочной барьер представляет собой траншею, заполненную смесью известнякового щебня и крупнозернистого песка. Траншею располагают перпендикулярно направлению техногенного потока в местах его наибольшей интенсивности. Размеры барьера и объем карбонатного материала определяются мощностью техногенного потока в концентрацией элемента- загрязнителя. Искусственный щелочной геохимический барьер может быть использован для локализации большого спектра неорганических соединений тяжелых металлов. Целесообразно размещение щелочного барьера на пути кислотного водоотлива шахт, местах возможных аварийных сбросов металлургических заводов и т.д.

Помимо щелочного создаются криогенно-механические, сорбционные, термодинамические искусственные барьеры. А.Я. Гаевым и Т.И. Якшиной в районе Гайского ГОКа обнаружен новый природно-техногенный тип барьера, сформировавшийся в природных условиях под влиянием систематического сброса в водоемы в огромных количествах извести и известкового молока. Искусственные барьеры - это принципиально новые способы защиты среды от загрязнения, в основе которых лежит мобилизация уже имеющихся в природе возможностей к самоочищению. Основное достоинство искусственного барьера возможность применения там, где весьма интенсивно происходит поступление техногенного вещества, и использовать обычные техногенные средства его локализации невозможно.

Механические барьеры представляют собой участки с резким уменьшением интенсивности механического перемещения веществ и соответственно их отложения. В биосфере механические барьеры связаны в основном с миграцией элементов в минеральной или коллоидной форме. Миграция чаще всего происходит в воздушной и в водной средах, а также на границе сред (скатывание обломков по склонам).

При переносе в воздушных потоках паров воды своеобразными механическими барьерами являются горные системы. Задержка на них облаков и выпадение осадков могут приводить к нарушению безопасности жизнедеятельности и даже к экологическим катастрофам. Это необходимо учитывать при освоении новых районов, строительстве населенных пунктов и предприятий.

Биогеохимические барьеры по своей сути представляют накопление химических элементов растительными и животными организмами. Наибольшее внимание следует уделять накоплению веществ в высоких (токсичных) концентрациях сельскохозяйственными культурами, используемыми для питания. Такое накопление обычно происходит при внесении в почвы чрезмерных доз удобрений и средств химической защиты растений.

Биогеохимические барьеры могут приводить и к возрастанию безопасности жизнедеятельности, задерживая поступление токсичных веществ из атмосферы. Такими барьерами обычно служат зеленые насаждения (декоративные деревья и кустарники) около промышленных и в селитебных ландшафтах. При этом подбор специальных растений, в больших концентрациях поглощающих определенные химические элементы, может резко повысить безопасность жизнедеятельности около определенных предприятий.

Социальные геохимические барьеры относятся только к техногенным и представляют собой участки, в пределах которых вещества концентрируются в результате прекращения их социальной миграции. Этим термином целесообразно объединять зоны складирования и захоронения отходов, как промышленных, так и бытовых. Кратко рассмотрим их некоторые особенности, влияющие на безопасность жизнедеятельности.

Химические элементы {их соединения), накапливающиеся на социальных барьерах в повышенных концентрациях, не соответствуют ни одной природной ассоциации. Это значит, что совместно могут встретиться элементы, которые в повышенных содержаниях в биосфере до вмешательства человека в их распределение не встречались. Последствия их необычного для природы совместного влияния на безопасность жизнедеятельности не изучены.

Распределение элементов на барьере отличается крайней неравномерностью: содержание на первых метрах могут изменяться в тысячи раз. Это также не характерно для биосферы и затрудняет количественную оценку содержаний элементов на барьере. Отсутствие такой оценки делает трудным прогноз влияния отдельных барьеров на безопасность жизнедеятельности.

На барьерах, занимающих большие территории (крупные свалки), неравномерно распределяются участки с различной геохимической обстановкой. На небольших расстояниях могут существенно изменяться щелочно-кислотные условия, а кислородная обстановка может сменяться бескислородной (сероводородной и глеевой). В результате этого создаются условия, при которых процессы миграции элементов не прогнозируются как на самом барьере, так и в окружающих его ландшафтах, т.е. не прогнозируется безопасность жизнедеятельности в районах, прилегающих к социальным геохимическим барьерам.

Еще одной эколого-геохимической особенностью социальных барьеров является чрезвычайно высокая концентрация элементов в форме самых разнообразных техногенных соединений, не имеющих природных аналогов.

Миграция химических элементов от рассматриваемых барьеров идет в основном в виде растворов, а ряда соединений - и в газообразной форме. Скорость миграции зависит от климата, ландшафтно-геохимических (в основном гидрологических и гидрогеологических) и температурных условий. Последние отчасти определяются различными химическими реакциями и горением свалок. Следует напомнить, что для человеческого организма наиболее опасно поступление в него токсичных веществ в формах газовых смесей и водных растворов.

В ходе хозяйственной деятельности человека нередко происходит бесконтрольное загрязнение окружающей среды. В ряде случаев особенности почв, грунтов, поверхностных и подземных вод, рельефа и др. являются причиной формирования геохимических барьеров на пути миграции загрязнителей. Наиболее распространенными барьерами являются почвы и глинистые грунты, сорбирующие многие виды загрязнителей, карбонатные породы и присущие им воды, выполняющие роль щелочного геохимического барьера. Известны случаи, когда барьерные свойства природной среды целенаправленно используются для снижения интенсивности миграции загрязнителей. Техногенные геохимические барьеры могут специально создаваться для решения различных задач, таких как охрана окружающей среды, обогащение полезных ископаемых, инженерная защита территории и т.д. Такие барьеры предлагается называть искусственными.

Искусственные геохимические барьеры. Техногенные геохимические барьеры могут специально создаваться для решения различных задач, таких как охрана окружающей среды, обогащение полезных ископаемых, инженерная защита территории и т.д. Такие барьеры предлагается называть искусственными. Для создания искусственных барьеров разрабатываются специальные технологии. В качестве материалов, используемых для создания барьеров, применяются различные материалы и вещества в зависимости от специфики барьеров и экономической целесообразности.

Природные материалы широко используются для создания сорбционных (глины, суглинки, торф и т.д.), щелочных (карбонаты) и других барьеров. Преимуществом использования природных веществ является их широкое распространение, снижающее транспортные расходы и относительно низкая стоимость добычи. Перспективным направлением является использование отходов производства. При этом наряду с их низкой стоимостью решается другая экологическая задача – утилизация отходов. В том случае, когда природные вещества и отходы малоэффективны для создания барьера, подбираются специальные химические реагенты. Они, как правило, дают возможность обеспечить необходимую эффективность работы барьера, но имеют большую стоимость. В некоторых случаях, чаще всего для создания механических барьеров, используются специальные строительные конструкции. Известны случаи создания барьеров на основе биологических объектов: растительность, микроорганизмы и т.д.

Пример использования одного из видов искусственных барьеров для снижения техногенной миграции химических элементов был реализован на территории Кизеловского угольного бассейна, где сложилась неблагоприятная экологическая ситуация. В результате самоизливов шахтных вод в гидросеть постоянно наблюдаются высокие и экстремально-высокие уровни загрязнения воды по концентрации общего железа. В 2003 г. среднегодовые концентрации по железу общему в р. Вильва составили 238 ПДК, марганцу - 41 ПДК, никелю - 4 ПДК, цинку – 2 ПДК. Среднегодовые концентрации на р. Косьва по железу общему составили 43 ПДК (70 ПДК в 2002 г.), марганцу - 15 ПДК, фенолам - 4 ПДК, меди – 2 ПДК. В р. Косьва ИЗВ за счет увеличения концентрации железа в 2003 г. достиг 10,92, что соответствует 7 классу качества – “вода чрезвычайно грязная”.

Социальные барьеры искусственно созданы там, где в природных условиях они не возникали, по крайней мере для всех тех веществ, которые на них концентрируются. Собственно состав веществ, как и процесс формирования барьеров, отражают конкретный уровень развития и определенного сообщества людей, и всего человечества.