3 роки тому
Немає коментарів

Sorry, this entry is only available in
Російська
На жаль, цей запис доступний тільки на
Російська.
К сожалению, эта запись доступна только на
Російська.

Закономерности содержания, распределения и миграции рас­сеянных металлов в биосфере сложились в процессе общего развития природы нашей пла­неты. В последние десятилетия они подвергаются существенному изменению в результате геохими­ческой работы человеческого об­щества.

Производственная деятельность человеческого общества в XX в. приобрела поистине геологиче­ские масштабы. Это не могло не обратить внимание ученых. В раз­гар первой мировой войны немец­кий геолог Э. Фишер опублико­вал статью под названием «Чело­век как геологический фактор». Почти под таким же названием вскоре после окончания войны вышла книга английского ученого Р. Шерлока, который произвел подсчет различных видов преобразовании, произведенных чело­веком. В 1924 г. академик А. Е. Ферсман в статье «Хими­ческие проблемы промышленно­сти» впервые дал оценку геохи­мической деятельности челове­чества. Он писал: «Хозяйственная и промышленная деятельность че­ловека по своему масштабу и зна­чению сделалась сравнимою с процессами самой природы… Че­ловек геохимически переделыва­ет мир».

В наше время результаты этой геохимической переделки стали довольно ощутимы. Особенно от­четливо они отразились на гео­химии рассеянных металлов.

Среди разнообразных процес­сов техногенеза, как А. Е. Ферс­ман предложил называть геохи­мическую работу человеческого общества, весьма важное значение имеет производство металлов. С самых первых этапов своей истории человек использовал некоторые металлы. В XX в. все без исключения металлы были вовлечены в сферу хозяйствен­ной деятельности. Вместе с тем объем годовой добычи металлов стремительно возрастает.

Нарастающее производство ме­таллов имеет далеко идущие по­следствия.

Во-первых, на отдельных участ­ках биосферы создаются такие значительные концентрации ме­таллов, которые не могли воз­никнуть в результате природных геохимических процессов. Стоит только представить себе совре­менный индустриальный комбинат с колоссальными производствен­ными мощностями, обилием ма­шин и разнообразного оборудо­вания, чтобы понять, насколько больше количество металлов в этом месте по сравнению с лю­бым участком земной коры, рав­ным по площади территории ком­бината.

Во-вторых, в результате произ­водственной деятельности объеди­няются такие металлы, геохимия которых существенно различается и которые в природе стремятся к разделению. История разных металлов очень несхожа. Благо­даря процессам, протекающим в недрах Земли, происходит зако­номерная дифференциация ме­таллов. Вследствие этого в горных породах, богатых кремнеземом, аккумулируются цинк и свинец, а в породах основного и ультра­основного состава концентриру­ются никель и кобальт. Вольфрам и молибден переносятся высоко­температурными газо-водными возгонами, а ртуть и сурьма со­бираются в остаточных менее го­рячих водах. Образование при­родных концентраций, то есть месторождений руд железа и алюминия, в основном связано с выветриванием и осадконакоплением, а месторождений руд свин­ца, цинка и меди — главным обра­зом с глубинными процессами. Строгие законы химии и геохи­мии обусловливают распределе­ние металлов в земной коре и на ее поверхности. Но человек не считается с этими законами, и в сфере промышленного произ­водства все эти металлы оказы­ваются вместе.

В-третьих, человек захватывает и концентрирует металлы в со­вершенно иных соотношениях, чем они находятся в земной коре. Рас­смотрим подробнее картину тех­ногенной концентрации метал­лов. Человек извлекает металлы неравномерно. Больше всего до­бывается железа (сотни млн. т в год). В количестве нескольких миллионов тонн производятся алюминий, марганец, медь, цинк и свинец. Добыча одних металлов измеряется сотнями тысяч тонн (никель, олово), других — десят­ками тысяч (молибден, кобальт и др.). Есть металлы, производ­ство которых во всем мире изме­ряется несколькими тоннами. Та­ков металл галлий, который не образует самостоятельных мине­ралов, а добывается из руд алю­миния — бокситов. Рений извле­кается из минерала молибдена, в котором он содержится в виде ничтожной примеси. А скандий добывают из очень редкого мине­рала тортвейтита в количестве всего 30—40 кг в год. Не удиви­тельно, что стоимость этого ме­талла в два с лишним раза дороже золота.

Металлы извлекаются в коли­чествах, не пропорциональных их содержанию в земной коре. На­пример, кларк алюминя в 1000 раз больше кларка меди, а современ­ная добыча этих металлов очень близка и измеряется миллионами тонн. Молибдена в земной коре почти в 100 раз меньше, чем ва­надия, но добывается молибдена в 70 раз больше.

В результате непропорциональ­ной по отношению к кларкам до­бычи на поверхности суши на­рушаются соотношения между металлами. Так, например, в зем­ной коре цинка содержится при­мерно в 5 раз больше, чем свин­ца.

Однако в результате произ­водственной деятельности людей это соотношение сильно наруше­но. В настоящее время цинка из­влекается почти столько, сколько и свинца; отношение Zn:Pb в го­довой добыче металлов равно 1,4.

Если вспомнить, что свинец при­меняется с давних пор, а цинк — лишь с прошлого века, то можно заключить, что свинца добыто во всем мире в несколько раз боль­ше, чем цинка. Значит, на поверх­ности планеты, в сфере техногенеза искусственно нарушены со­отношения между цинком и свин­цом в пользу второго. Аналогич­ные искажения соотношений име­ются между парами других ме­таллов (например, отношения никель: кобальт; ванадий: хром и др.).

Важная особенность техногенеза металлов заключается в том, что большая их часть в результате технологической обработки пере­водится в геохимически неустой­чивую форму. Свободное состоя­ние большинства металлов совер­шенно не типично для поверхно­сти Земли. Природные процессы направлены на то, чтобы вывести металлы из этого состояния. Про­мышленное производство развивается против естественно про­текающих процессов.

Свободные металлы неустойчи­вы. Они окисляются, образуют растворимые соединения и во­влекаются в биологическую, вод­ную и даже атмосферную мигра­цию (например, свинец и ртуть). В результате искусственного вы­ведения на поверхность огромных масс металлов их геохимия замет­но меняется. Поэтому В. И. Вер­надский указывал, что «человек изменяет геохимическую историю всех металлов».

Человечество затрачивает ко­лоссальные усилия и энергию на то, чтобы выделить и сконцен­трировать металлы, но при этом вступает в противоречие с направ­ленностью геохимических процес­сов и законов химии. Мощные горнодобывающие предприятия извлекают железную руду, гигант­ские индустриальные комбинаты вырабатывают металлическое же­лезо, которое служит основой современной промышленности. Однако в процессе хозяйственно­го использования металла вос­станавливается равновесие, нару­шенное человеком: железо окис­ляется, неотвратимо «съедается» коррозией. Прочный металл с те­чением времени превращается в ржавую труху.

Помимо этого, огромное коли­чество железа истирается, рас­пыляется во время работы раз­личных машин. Около четверти ежегодно выплавляемой стали уничтожается коррозией, расхо­дуется на истирание, теряется при транспортировке и на произ­водстве. Люди борются с этим, возвращая часть испорченного ме­талла на переплавку, но при этом также происходят невосстанавливаемые потери…

Если ориентировочно принять, что за всю историю человеческо­го общества выплавлено около 20 млрд. т железа, а его количе­ство, находящееся в настоящее время в производстве, инженер­ных сооружениях, транспорте и бытовых предметах, равно 6 млрд. т, то можно заключить, что 14 млрд. т железа рассеяно в окружающей человека среде.

На примере железа видна важ­нейшая геохимическая особен­ность техногенеза — неуклонное рассеяние большей части метал­лов, которые сконцентрированы в результате промышленной дея­тельности. Человек пытается со­хранить полученные металлы в свободном состоянии, но процес­сы рассеяния так сильно выраже­ны, что только благодаря не­прекращающейся добыче из недр удается поддерживать их коли­чество на необходимом уровне.

Рассматривая проблему метал­лов в процессе техногенеза, вид­но проявление еще одного глав­ного принципа диалектического материализма — отрицания отри­цания. Человечество своей про­изводственной деятельностью преодолевает направленность при­родных процессов, препятствую­щих существованию свободных металлов, концентрирует их в ог­ромном количестве и этим самым способствует интенсивному рас­сеянию металлов.

Что касается железа, то 14 млрд. т рассеянного метал­ла — ощутимый вклад в его содер­жание на поверхности Земли. Так как производство сосредото­чено на суше, то основная масса железа поступила в почву. Рассчи­тав на площади всей суши, полу­чим, что на каждый квадратный километр приходится около 90 т железа. В действительности в силу ограниченной подвижности железа на поверхности это обога­щение затронуло не всю поверх­ность суши, а лишь ее наиболее обжитую часть, составляющую примерно 1/3 всей площади су­ши. На этой территории каждый км2 получил в среднем 270 т железа. Учитывая современную добычу, можно предполагать, что к уже содержащемуся метал­лу добавляется ежегодно еще по 6 т. Происходит нарастающее «ожелезнение» почвы. На это явление впервые обратила внима­ние советский почвовед-геохи­мик М. А. Глазовская.

Подобно железу, другие метал­лы также «перекачиваются» чело­веком из земных недр на поверх­ность. По самым скромным под­счетам к настоящему времени добыто десятки млн. т меди, свинца, цинка. Таким образом, наряду с естественными, при­родными миграционными пото­ками — водной миграцией, био­логическим круговоротом — по­явился новый поток, возникший в результате действия промыш­ленности.

Как велика техногенная мигра­ция металлов? Ответ можно по­лучить, сравнив масштабы при­родных процессов миграции и производительность горнодобы­вающей и металлургической про­мышленности.

Количество металла, вовлекае­мого в биологический круговорот и водную миграцию на суше, удобно выражать его весом, от­несенным к единице площади. Чтобы полученные данные о вод­ной и биогенной миграции срав­нить с интенсивностью промыш­ленного извлечения металла, ве­личина его годовой добычи также делится на площадь су­ши. Все эти данные приведены в табл. 5.

Сопоставив цифры табл. 5, мож­но сделать интересные выводы. Прежде всего, мы видим, что промышленное извлечение не­которых металлов из недр Земли уже в наше время превышает природную миграцию этих метал­лов. Добыча железа и меди в несколько раз больше количест­ва этих металлов, которое участ­вует в водной и биогенной ми­грации.

Особенно энергично вовлекает­ся в техногенную миграцию сви­нец, добыча которого более чем в 25 раз превышает его участие в природных потоках миграции. Конечно, извлечение многих ме­таллов значительно меньше их ко­личества, вовлекаемого в биоло­гический круговорот или водную миграцию. Но производственные мощности не остаются стабиль­ными, они растут и удваиваются за отрезок времени не более 14 лет. Следовательно, превыше­ние техногенной концентрации металлов над их природной миграцией дело времени, причем неотдаленного. Если в конце 60-х гг. добыча цинка была мень­ше количества этого металла, во­влекаемого в биологический кру­говорот, то к концу 80-х гг. со­отношения будут обратными.

В природе происходит в основ­ном водная и биологическая ми­грация металлов. В результате процессов техногенеза возникает их мощная воздушная миграция.

Как мы уже упоминали, метал­лы, концентрируемые в результа­те действия горно-металлургиче­ской промышленности, под влия­нием естественно протекающих процессов рассеиваются. Этому сознательно и бессознательно, но в любом случае очень активно способствует человек своей хо­зяйственной деятельностью. Со­знательное рассеяние происходит, когда на обширных пространствах с самолетов распыляются ядови­тые металлоорганические соеди­нения для борьбы с сорняками и вредителями или когда в атмо­сфере распыляется азотнокислое серебро для образования искус­ственных дождевых туч. Однако преобладающая масса техногенно рассеянных металлов переходит в это состояние незапланирован­но, в результате побочных явле­ний. Бессознательное рассеяние металлов достигло таких масшта­бов, о которых не все подозрева­ют.

Известно, что при сжигании ми­нерального топлива в атмосферу выделяются вещества, содержа­щиеся в каменных углях и нефти в виде примесей. При этом внима­ние привлекают элементы, содер­жащиеся в довольно значительном количестве, например, сера, ко­торая присутствует в каменных углях в количестве до 1—2%. Но в минеральном топливе при­сутствуют также микропримеси — рассеянные металлы. Большей частью это микроэлементы древ­них растений, сохранившиеся в захороненном органическом ве­ществе. На это впервые обратил внимание один из основателей геохимии В. Гольдшмидт, который в 20-х гг. обнаружил в саже дымо­вых труб относительно высокую концентрацию некоторых редких элементов. Особенно сильно сконцентрирован был германий.

С тех пор были проведены мно­гие тысячи анализов и ученые разных стран неоднократно обоб­щали результаты изучения эле­ментов-примесей в минеральном топливе. С учетом этих данных в табл. 6 показано среднее содер­жание металлов в каменных уг­лях.

В результате сжигания больших масс каменного угля микропри­меси металлов поступают с дымом в атмосферу и разносятся по всей поверхности земного шара. Если рассеяние металлов, которое про­изводится горно-металлургиче­ской промышленностью, протекает с умеренной скоростью, то рас­пыление металлов через атмосфе­ру посредством сотен тысяч ды­мовых труб происходит очень быстро.

Ежегодно многие сотни тысяч тонн металлов рассеиваются в атмосфере. Распространенные ме­таллы — медь, цинк, свинец, — при сжигании угля выделяются в значительно меньшем количе­стве, чем они добываются из недр. Однако масса некоторых метал­лов, распыляемых при сгорании угля, близка к величине их до­бычи. В частности, это характерно для молибдена. Отдельные метал­лы выделяются при сжигании угля в значительно большем количест­ве, чем добываются. Например, кобальта при сгорании распыля­ется в 3,5 раза больше, чем его извлекается из недр.

В наших расчетах учтено рассеи­вание металлов при сгорании лишь части минерального топлива — од­них только каменных углей. А сколько выносится металлов в атмосферу при сжигании нефти и нефтепродуктов!

Сжигание минерального топли­ва — один из наиболее важных, но далеко не единственный путь поступления в биосферу метал­лов в состоянии рассеяния. В этом направлении действует любой процесс измельчения, дисперги­рования металлов. Прежде чем дело доходит до металлургиче­ской выплавки, руда проходит длительную предварительную об­работку. Ее поднимают из горных выработок (карьеров или шахт), транспортируют на обогатитель­ные фабрики, где руду дробят, а затем сортируют и обогащают, чтобы довести содержание метал­ла до уровня, который необходим для технологии металлургического производства. В процессе операций значительная часть ме­талла уходит в пыль, в так назы­ваемые «хвосты». Тонкоизмельченный материал разносится вет­ром, попадает в природные воды.

А. А. Беус проанализировал по­тери цветных металлов от добычи руды до ее поступления в метал­лургический передел и обнару­жил, что при этом рассеиваются огромные массы металла. За де­сятилетие с 1965 по 1975 г. во всем мире было рассеяно: ме­ди — 600 тыс. т, цинка — 500 тыс. т, свинца — 300 тыс. т, молибдена — 50 тыс. т.

Немало металла рассеивается непосредственно в металлурги­ческом процессе. Как правило, руды помимо главного металла содержат многочисленные при­меси, которые не улавливаются и уходят с дымом в атмосферу. Медно-никелевые руды содержат примесь селена и теллура, цин­ковые — примесь индия и кадмия, бокситы — галлия и т. д. Домен­ные газы уносят в атмосферу не только железо, но также медь, свинец, мышьяк и другие металлы. Из тонны пыли, выбрасываемой в атмосферу при плавке медных руд, можно получить дополни­тельно до 100 кг меди и немно­гим меньше свинца и цинка. При­месь некоторых металлов при­сутствует в цементном сырье и выделяется в воздух при его об­жиге.

В итоге всех этих процессов био­сфера постепенно насыщается металлами, находящимися в со­стоянии рассеяния. Например, годовое производство никеля составляет 0,5 млн. т. Это в 30 раз меньше, чем производство калия. Однако растения за мил­лионы лет «привыкли» к тому, что никеля должно быть в почве в тысячу раз меньше, чем калия. Для поддержания этого отноше­ния необходимо, чтобы в биосфе­ру поступало в несколько десят­ков раз меньше никеля, чем сей­час.

В результате развития произ­водства биосфера перегружается не только никелем, но и многими другими металлами. Так как зна­чительная их часть в процессе техногенеза переходит в высокоактивное рассеянное состояние, то очевидна возможность того, что содержание металлов в от­дельных местах может прибли­зиться в верхнему пороговому уровню. На юге Канады, в рай­оне действия огромных метал­лургических заводов, почва так насыщается тяжелыми металлами, что стало невозможно пригород­ное огородничество. Известны тяжелые заболевания, возникаю­щие вблизи индустриальных цент­ров и связанные с поступлением в организм людей рассеянных ме­таллов. Значительно менее извест­на, а потому более опасна скры­тая ядовитость, проявляющаяся неожиданно и уносящая много­численные жертвы иногда далеко от источников загрязнения. Это связано с особенностями биоло­гической миграции.

Миграция рассеянных металлов в биосфере — не простое меха­ническое перемещение. В про­цессе биологического круговоро­та в одних условиях они относи­тельно накапливаются, в Дру­гих — сильнее рассеиваются. Так называемые тяжелые металлы — свинец, медь, никель, ртуть, ко­бальт и другие, находясь в со­стоянии рассеяния, обладают способностью постепенно кон­центрироваться в пищевых цепях.

Представим себе следующую картину. В результате техноген­ного загрязнения в почву посту­пил металл в таком количестве, что это не вызвало беспокойства: содержание увеличилось всего в 3—4 раза, что случается доволь­но часто. Растения, поглощая и аккумулируя этот металл, допол­нительно увеличивают его кон­центрацию в своих тканях. Еще больше возрастает концентрация в травоядных животных, в органах которых в течение физиологиче­ских процессов накапливается этот металл.

По правилу экологической пира­миды органическое вещество каждого из последующих звеньев пищевой цепи прогрессивно уменьшается. Количество же по­глощенного металла сохраняется, и, следовательно, его концентра­ция последовательно возрастает. Растения, поглощая тяжелые ме­таллы ниже верхнего порога кон­центрации, не испытывают отри­цательных последствий. Травояд­ные, концентрируя металлы в от­дельных органах, тоже могут не страдать от этого. Но хищники, поедая мясо травоядных, получа­ют концентрацию металлов уже выше верхнего порога. В таком же положении находится и чело­век.

Когда в море спускаются про­мышленные стоки, содержащие небольшую примесь вредных веществ, это не может не отра­зиться на жизни водных растений и планктона, хотя и сопровождает­ся некоторым увеличением коли­чества спущенных вредных ве­ществ в их организмах. Рыбы, питаясь планктоном, концентри­руют вредные соединения в своих тканях, хотя сами от этого не по­гибают. Среди населения, в ра­ционе которого рыба занимает главное место, потребление зара­женной рыбы может вызвать тя­желое отравление.

Токсическими свойствами обла­дают практически все тяжелые металлы, когда их содержание превышает верхний порог кон­центрации. Так, например, кобальт является важнейшим микроэле­ментом. Без него невозможно нормальное развитие млекопи­тающих и человека. Но излишне высокое содержание этого эле­мента имеет отрицательный эф­фект. Как указывает советский ученый-гигиенист академик АМН Ф. Г. Кроткое, кобальт, входящий в состав фермента кобаламина, при высоких концентрациях в ор­ганизме непоправимо нарушает обмен веществ.