Геохимические представления о техногенезе. 2

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОУ ВПО "Пермский государственный университет"

Географический  факультет 
 
 

                                                                                 Кафедра биогеоценологии

и охраны природы 
 
 

Геохимические представления о  техногенезе  
 

Выполнила:

Студентка 2 курса 3 гр.

Юсупова Лилия И.

Научный руководитель:

д.г.н.

Бузмаков 

Сергей  Алексеевич

Пермь 2009 

     Оглавление

Введение3

1.Основные  концепции техногенеза4

2.Биогеохимические  циклы и техногенез6

3.Экологические  последствия техногенеза9

   3.1. Деградация природной среды9

   3.2. Истощение ресурсов10

   3.3. Качество среды обитания12

4.Направления  экологической оптимизации техногенного  воздействия14

Заключение16

Список  литературы17 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

     С экологической точки зрения техногенез – это порождение техники и  технологий – последний по времени  этап земной эволюции, обусловленный  деятельностью человека и вносящий в биосферу вещества, силы и процессы, которые изменяют и нарушают ее равновесное  функционирование и замкнутость  биотического круговорота. Такое понятие  техногенеза смыкается с представлением его в геохимии.[3]

     Главными  слагаемыми техногенеза являются технический  прогресс и экономический рост. Начиная  с 60-х годов ХХ века, геохимическая  деятельность человечества не уступает природным процессам, техногенез приобретает  глобальный характер, способствуя быстрому расширению и распространению техносферы – того пространства Земли, которое  находится под воздействием производственной деятельности человека и ее продуктов.

     Целью работы является изучение техногенеза  как геохимического явления и  воздействие его на окружающую природную  среду.

     Задачи:

• рассмотреть основные концепции техногенеза, предложенные такими крупными исследователями, как Ферсман А.Е., Полынов Б.Б., Перельман А.И., Алексеенко В.А., Глазовская М.А.;
• раскрыть некоторые вопросы влияния техногенеза на естественные природные биогеохимические циклы;
• обозначить экологические последствия техногенной деятельности людей. К таковым относятся деградация природной среды, истощение ресурсов и ухудшение качества среды обитания человека.
• изучить основные направления экологической оптимизации техногенного воздействия.

1.Основные концепции техногенеза 

     По  ориентировочным подсчетам общая  масса человечества составляет около 0,2 млрд т, что существенно меньше общей биомассы Земли. Однако с деятельностью  человечества связаны многочисленные геохимические процессы, во многом принципиально отличающиеся от таковых, связанных с развитием других живых организмов. Участвуя, как  и они, в процессах обмена веществ, человечество осуществляет грандиознейшее перемещение атомов химических элементов  в биосфере, связанное с социальной, общественной деятельностью. Так, общее  количество ежегодно механически перемещаемого  людьми материала литосферы составляет около 100 млрд т, что соизмеримо с  денудационной работой всех рек  Земли. А о процессах рассеяния  можно судить хотя бы по данным Х.Брауна: в США на душу населения ежегодно производится 600 кг стали, 210 кг из которых  безвозвратно теряется. Эти потери связаны с коррозией и другими  процессами, способствующими рассеянию  железа до концентраций, более низких, чем его содержание в рудах.[1]

     Резкое  ускорение миграции элементов, отмечаемое ХХ в. даже за десятилетия можно считать  одним из основных отличий ноосферы от биосферы. Все процессы техногенной  миграции можно четко разделить  на две большие группы: 1) в основе своей унаследованные от биосферы, хотя и претерпевшие изменения; 2) чуждые биосфере, не имевшие в ней сколько-нибудь существенного развития и даже вообще не существовавшие ранее в биосфере.[2]

     Для характеристики таких процессов, оценки их последствий и прогноза дальнейших изменений биосферы от деятельности людей были предложены определенные термины и понятия. К числу  важнейших из них относятся ноосфера и техногенез, а наука, включающая в себя эти понятия, геохимия.

     Концепция геохимии ландшафта предложил Б.Б. Полынов в 1937 году.[11] Эта концепция рассматривает роль химических элементов в синтезе и распаде различных веществ, причем особое внимание в ней уделяется процессу выветривания. Им же были сформированы основные положения геохимии ландшафта как формирующейся науки в 40 – 50-х годах ХХ в., а первое систематическое изложение геохимии ландшафта сделано А.И. Перельманом в 1955 году.[13]

     Из  определения геохимии как науки, изучающей химизм геологических  процессов, законы рассеяния, миграции и концентрирования вещества на Земле, отчетливо видна ее роль в познании химических процессов, протекающих  в биосфере и вызванных производственной деятельностью людей. Научно-техническая  революция дала в руки человека гигантские созидательные и разрушительные силы, использование которых при  взаимодействии общества с природой должно быть крайне осмотрительным, особенно в связи с легкой ранимостью ее отдельных частей. Поэтому изучение химизма техногенных процессов  должно стать предметом особого  внимания геохимии, а весь комплекс проблем, возникающих в связи  с этим, должен объединяться понятием «геохимия техногенеза».[4] Все множество проблем этого направления геохимии могут быть подразделены на 3 группы: повышение эффективности использования природных ресурсов; увеличение продуктивности биосферы; сохранение и улучшение окружающей среды.[3]

     Ноосфера  «…есть новое геологическое 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» (В.И.Вернадский).

     В то же время Вернадский отмечал, что  человек неотделим от биосферы, а его «существование есть ее функция». Таким образом, перестройка области жизни мыслится как сохранение биосферы, пригодной для жизни человечества, которое хотя и становится крупнейшей силой, но остается только незначительной частью живых организмов биосферы, без сообщества с которыми невозможно его существование вообще.[2]

     В состав ноосферы были включены: атмосфера  до высоты 80 км (гомосферы), гидросфера, живое вещество и верхняя часть  литосферы – осадочные породы на суше и в океане.[6]

     А.Е. Ферсман в своих работах уделял изучению влияния на перемещение  химических элементов внутренних факторов, обусловленных их строением, и в  первую очередь – энергетическим коэффициентам ионов. Именно он ввел термин «техногенез» (1922), который характеризует  геохимическую деятельность человечества и начало изучения этого процесса.[1]

     На  сегодняшний день под понятием «техногенез» (от греч. techne — искусство, мастерство и genesis — возникновение, происхождение) понимают процесс изменения природных комплексов и биогеоценозов под воздействием производственной деятельности человека (ГОСТ 17.5.1.01.-83). Данный процесс заключается в преобразовании биосферы, вызываемом совокупностью геохимических процессов, связанных с технической и технологической деятельностью людей по извлечению из окружающей среды, концентрации и перегруппировке целого ряда химических элементов, их минеральных и органических соединений.

     Техногенез  как антропогенная эволюция биосферы характеризуется экстенсивным земледелием, мощной развитой индустрией, массивным  использованием энергии и природных  ресурсов. Эта стадия эволюции биосферы связана с уменьшением биоразнообразия (сокращение видов различных организмов) и другими неблагоприяными для живого явлениями.[8] Однако можно говорить о том, что в настоящее время биосфера переживает состояние адаптации в том смысле, что люди корректируют свою техногенную деятельность и начинают производить ресурсосберегающие ноосферные технологии.

     Рассеяние вовлеченных в техногенез элементов  представляет часто побочный, непридусмотренный  процесс (выбросы техногенных веществ  в атмосферу, загрязнение почв и  водоемов промышленными стоками, твердыми отходами промышленного производства, выбросы при различного рода аварийных  ситуациях и др.). Наряду со стихийным  рассеянием существует заранее запланированное  рассеяние продуктов техногенеза: внесение химических удобрений, ядохимикатов, орошение сточными водами и компостами с полей орошения и др. Все эти  вещества кроме положительного эффекта, предусмотренного технологией сельскохозяйственного  производства, имеют и побочное как  положительное, так и отрицательное  действие.

     Так как добыча и потребление металлов, и сжигание топлива идут преимущественно  на суше, наибольший техногенный химический  пресс испытывают наземные экосистемы.[6]

     В геохимическом аспекте техногенез включает:

1. извлечение химических элементов из природной среды (литосферы, атмосферы, гидросферы) и их концентрацию;
2. перегруппировку химических элементов, изменение химического состава соединений, в которые эти элементы входят, а также создание новых химических веществ;
3. рассеяние вовлеченных в техногенез элементов в окружающей среде.

Изучение  техногенеза остается актуальным и  в наши дни. 
 
 
 
 

2. Биогеохимические  циклы и техногенез

     Биогеохимия как раздел геохимии, изучающей жизнь  в аспекте миграции атомов трансформации  энергии, сформирована В.И. Вернадским в 20-х гг. ХХ века. В ней нашли  отражение идеи ученого о единстве жизни и геохимической среды, планетарной роли живого вещества, функциях биосферы и ее техногенной  эволюции.[14]

     Биогеохимия в настоящее время - система знаний, системная наука об элементном составе живого вещества и его роли в миграции, трансформации и концентрировании химических элементов и их соединений в биосфере, о геохимических процессах с участием организмов, их взаимодействии с геохимической средой и геохимических функциях биосферы.[9]

     Химические  элементы, в том числе все основные элементы протоплазмы, обычно циркулируют в биосфере по характерным путям из внешней среды в организмы и опять во внешнюю среду. Эти в большей или меньшей степени замкнутые пути называются биогеохимическими циклами. Биогеохимические циклы можно подразделить на два основных типа: 1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере или гидросфере (океан) и 2) осадочный цикл с резервным фондом в земной коре.[11]

     Техногенез  – процесс изменения природных  комплексов под воздействием производственной деятельности человека – вносит в  биосферу новые потоки вещества и  энергии, загрязняющие среду и трансформирующие естественные биогеохимические циклы.

     Циклы кислорода, углерода и воды определяют состояние биосферы. Они взаимосвязаны  между собой и круговоротом остальных  химических элементов. Их взаимодействие – важная часть общей миграции вещества. Так, выброс в атмосферу  оксида углерода сопровождается его  поглощением водными резервуарами с образованием карбонатов кальция  и других металлов и частичным  рассеянием и преобразованием в  тропосфере. Водород и кислород связаны  в процессах биологического дыхания (поглощение гемоглобином кислорода  и окислительно-восстановительные  реакции с участием пероксида  водорода и водорода).

     При рассмотрении глобальных циклов макроэлементов преобладает концепция баланса.

     Количество  кислорода, выделяемого в процессе фотосинтеза должно быть равно количеству кислорода, потребляемому в процессе дыхания и процессов его анаэробного использования организмами. Количество поступающего в биосферу углекислого газа должно быть равно количеству оксида углерода, используемого при фотосинтезе и поглощенного водными резервуарами и организмами.

     Живое вещество содержит 9,4% водорода, 18,5% углерода и 68,1% кислорода.[5]

     Полагают, что в настоящее время содержание оксида углерода увеличивается как  результат активности человека. Часть углерода, трансформируемого при сжигании топлива, действительно очень высока – 6 Гг/год, но это значительно меньше природной компоненты суши -11,8 Гг/год.[7]

     Однако  это спорное положение. Мы не располагаем  точными оценками массы живого вещества. Оно дифференцировано по различным резервуарам и его необходимо подвергнуть инвентаризации. Предполагаемая масса живого вещества в биосфере оценивается в 2420 биллион тонн. Это в 2000 раз меньше, чем его масса, рассеянная в атмосфере.[5]

     Необходимо  отметить, что растения выделяют кислород только на свету. Касаясь циклов воды, необходимо вспомнить, что сейчас потребление речного стока воды достигает 10% от общего стока.[10] Этот объем потребления воды требует сокращения.[8]

     Современный период развития биосферы характеризуется  увеличением миграции не только углерода, но и ряда металлов. Сравнение потребляемых и резервных масс металлов, а также количества металлов, вовлекаемых в биогенную миграцию, отражает интенсивность техногенной миграции тяжелых металлов. Она остается весьма высокой как для железа, так и других металлов (хром, марганец, серебро, кадмий, платина, золото).

     Следует отметить, что формирование техногенных  биогеохимических аномалий свидетельствуют в ряде случаев об интенсивном вовлечении железа в локальные биогеохимические циклы. По-видимому, это является реальным отражением эпохи «железа». Если мы сравним данные по распределению концентраций железа в травянистых растениях за 40-60-е годы и за последние 10-20 лет, то становится очевидным различный характер частоты встречаемости определенных концентраций металла в травянистых растениях и кормах (сено). Тип распределения меняется от бимодального (30-40 гг.) через асимметричный (50-60 гг.) к нормальному (80-90 гг.).

     Подобное  явление характерно также для  кальция и железа.[8]

     Приведенные материалы отражают техногенное  развитие биосферы как один из этапов ее естественной эволюции. Современная  стадия развития биосферы является стадией  адаптации и перехода в ноосферу. Использование огромных масс химических элементов, обусловленное техногенезом, пока не сказывается на глобальных циклах химических элементов, поддерживающих целостность биосферы. Но в будущем  ряд техногенных процессов может  оказать заметное влияние на миграцию элементов в биосфере (блокирование атмосферного азота, окисление серы и углерода, повышение кислотности  природных вод, повышение радиационного  фона биосферы), способствуя образованию  техногенных аномалий в результате изменения биогеохимических циклов химических элементов.[9] Техногенные аномалии – своеобразные «геохимические бомбы» в почвах, грунтах, донных отложениях, которые создаются в процессе образования обширных гидро-, атмо-, лито и биохимических ореолов загрязнения. Ореолы загрязнения, в свою очередь, образуются в процессе циркуляции загрязнителей в природных средах.[17]

     Геохимические аномалии являются отклонением от нормы, свойственной данному участку биосферы (или одной из ее составных частей). Геохимической аномалией могут  быть значительно повышенные (положительные) или пониженные (отрицательные), по сравнению с фоном, содержания элементов (их соединений). Сами элементы при этом могут находиться в минеральной, биогенной или изоморфной формах, а также в виде растворов и газовых смесей. Геохимической аномалией может быть и резкое отклонение от нормы отношения двух или более элементов, а также соотношения изотопов одного и того же элемента.[1]

     В классификации техногенных аномалий, предложенной Перельманом (1978), выделяются техногенные аномалии как с повышенным, так и с пониженным (за счет изъятия  вещества) геохимическим фоном.

     По  размерам можно выделить: глобальные аномалии, охватывающие земной шар  или большую его часть; региональные техногенные аномалии, распространяющиеся на части материков, отдельные страны, области, зоны и возникающие, например, в результате массового использования  химических удобрений, ядохимикатов; локальные  геохимические аномалии с радиусом до нескольких десятков километров, связанные  с определенным эпицентром. Пространство, занимаемое локальной аномалией, называют техногенным ореолом рассеяния.[6]

     Все техногенные аномалии Перельман  делит на три типа: полезные, вредные, нейтральные.

     Полезные  аномалии улучшают окружающую среду. Примером могут служить территории, где  в результате дренажа и промывок удалены из почв вредные соли.

     Вредные техногенные аномалии ухудшают условия  существования человека, растений и  животных.

     Нейтральные техногенные аномалии не оказывают  определенного влияния на экологические  свойства окружающей среды. В качестве примеров подобных аномалий служит концентрация железа, алюминия в городах.[13]

     Техногенные геохимические аномалии образуются в различных средах и по этому  признаку их можно разделить на литохимические – в почвах, породах, гидрогеохимические – в водах, атмогеохимические  – в атмосфере, биогеохимические – в организмах.[22]

     Техногенные геохимические аномалии с повышенным содержанием техногенных веществ  возникают: 1) при единовременных аварийных  выбросах техногенных веществ; 2) в  результате ограниченного во времени, но интенсивного техногенного воздействия; 3) в результате стационарного режима воздействия источника техногенных  веществ на окружающую среду.

     В первых двух случаях техногенные  геохимические аномалии относятся  к остаточным. Продолжительность  их существования зависит от степени  первоначального нарушения функций  живого вещества экосистемы и от совокупности ландшафтно-геохимических условий, способствующих или затрудняющих самоочищение данной системы от загрязняющих веществ.

     Хорошо  изучены основные закономерности формирования техногенных локальных геохимических  аномалий, связанных с рассеянием в атмосфере газопылевых выбросов отдельных промышленных предприятий, их агломераций в урбанизированных территориях, вдоль автотрасс и  другими источниками локального загрязнения.[6]

     Как было сказано ранее, появление геохимических  аномалий – это результат загрязнения  окружающей среды под влиянием техногенных процессов.

     Под «загрязнением» понимают процесс поступления и включения в экосистемы техногенных или природных веществ в токсичных для экосистем количествах или, способствующих образованию новых опасных соединений.

     Загрязнитель – это вещество или смесь веществ техногенного или природного характера, нарушающий циклы миграции химических элементов и трансформации энергии и оказывающий неблагоприятное воздействие на функционирование экосистем в целом.

     Среди других экологических факторов следует  отметить влияние излучений как  проявление информационной функции биосферы. В большинстве случаев эти факторы воздействуют на организмы и потоки химических элементов, изменяя их локальные, региональные и глобальные биогеохимические циклы.[9] 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Экологические последствия техногенеза

1. Деградация  природной среды

     Деградация  природной среды - постепенное или быстрое ухудшение природной среды, сопровождающееся разрушением экосистемы, в результате хозяйственной деятельности.[20]

     В результате техногенного воздействия  на природные системы мы наблюдаем  деградацию окружающей природной среды.

     Основной  причиной деградации при техногенном воздействии является загрязнение природной среды производственными отходами. Количество этих отходов в последнее время приняло размеры, которые стали угрожать самому существованию цивилизации. В свою очередь эти отходы могут быть твердыми, жидкими и газообразными.

     Жидкие  отходы загрязняют прежде всего гидросферу, в качестве главных загрязнителей  здесь выступают сточные воды и нефть. Общий глобальный объем  сточных вод в начале 90-х годов  достиг 1800 . Их разбавление и очищение стало самой крупной статьей расходования в странах Азии, Северной Америки и Европы. На страны Азии, Северной Америки, Европы, России приходится более 90% всего мирового сброса сточных вод.[21]

     Нефтяное  загрязнение отрицательно сказывается  прежде всего на состоянии морской  и воздушной среды, поскольку  нефтяная пленка ограничивает газо-, тепло- и влагообмен между ними. По минимальным  оценкам ежегодно в Мировой океан  попадает примерно 3,5 млн. т нефти и нефтепродуктов.[17] Деградация водной среды в наши дни приняла глобальный характер.

     Не  меньшую, если не большую, тревогу вызывает загрязнение атмосферы пылевидными  и газообразными отходами, выбросы  которых в наибольшей степени  связаны со сгоранием минерального топлива и биомассы.

     К числу главных загрязнителей  обычно относят твердые частицы (аэрозоли), диоксид серы, окислы азота  и оксид углерода. Ежегодно в атмосферу  Земли выбрасывается около 60 млн. т твердых частиц, которые способствуют образованию смока и затрудняют видимость в атмосфере. Большинство из этих выбросов попадают в атмосферу в результате техногенеза. Диоксид серы (100 млн. т) и оксиды азота (около 70 млн. т) служат главным источником образования кислотных осадков. Большое воздействие на газовый состав атмосферы оказывают выбросы оксида углерода (175 млн. т). Почти 2/3 всех мировых выбросов этих четырех загрязнителей приходится на экономически развитые страны Запада.

     Но  еще более масштабный и опасный  аспект деградации атмосферы связан с воздействием на нижние слои атмосферы  так называемых парниковых газов, и, прежде всего, диоксида углерода и метана. Диоксид углерода поступает в  атмосферу как в результате разрушения биоты человеком, при котором  она распадается на воду и углекислый газ (1/3 всех поступлений), так и в  особенности вследствие сгорания минерального топлива (2/3). Источниками поступления  в атмосферу метана служат сжигание биомассы, некоторые виды сельскохозяйственного  производства, утечка его из нефтяных и газовых скважин. Хотя метан  даёт гораздо больший парниковый эффект, чем углекислый газ, последний  более устойчив в атмосфере и  к тому же его эмиссия превышает  эмиссию метана в 25-30 раз.

     Изменение газового баланса атмосферы в  связи с увеличением содержания парниковых газов уже привело  к тому, что по сравнению с концом 19 века среднегодовая температура  воздуха у поверхности Земли  увеличилась на 0,5° С. Такое потепление было отмечено нарастанием засух  в США, Китае, России и ряде других стран мира.

     До  сих пор речь шла о тех веществах  и соединениях, которые имеются  и в самой природе, однако в результате техногенной деятельности поступают в неё в значительно больших количествах. Деградация окружающей природной среды связана также с поступлением в природу разнообразных химических веществ, создаваемых в процессе производства. По примерным расчётам, в наши дни в таком загрязнении, которое можно именовать отравлением окружающей природной среды, участвуют 100 тысяч различных химических веществ. Основная доза загрязнений приходится примерно на 1,5 тысячи из них. Это разнообразнейшие химикаты, пестициды и т.д. Они также загрязняют атмосферу, гидросферу и литосферу.

     Одно  из главных последствий техногенного воздействия на природную среду  выражается в оскудении её генофонда, уменьшении биологического разнообразия. Биологическое разнообразие Земли  по самым скромным подсчётам оценивается  в 10-20 млн. видов. И тем не менее  урон в данной сфере уже достаточно ощутим. Это происходит из-за разрушения среды обитания растений и животных, чрезмерной эксплуатации природных  ресурсов, загрязнения окружающей среды.

     Огромный  урон природе ежегодно наносят лесные и торфяные пожары, которые нередко возникают в результате техногенной деятельности человечества, а также пожары аварийных нефтегазовых фонтанов.  Например, в результате пожара в ноябре 1986 г. на химическом заводе под г. Базелем (Швейцария) 30 т. отравляющих химических веществ хлынули вниз по р. Рейн. Это привело к экологической катастрофе в Европе со следующими последствиями: 1) вдоль 155-мильной полосы Рейна к северу от швейцарской границы река была признана если не биологически мертвой, то критически пораженной; 2) погибло много рыбы (более 440 тыс.т. было выловлено мёртвой), в том числе такие редкие виды, как форель, щука, угорь, 3) были заблокированы водоочистительные заводы, что обусловило возникновение дефицита питьевой воды в прибрежных городах и деревнях; 4) произошло загрязнение воздуха, люди, не предупрежденные об этом заранее, получили отравление токсичными веществами. Полностью установить размер экономических потерь от этого пожара не удалось (по причине отсутствия соответствующих методик).[21]