Биогеохимические функции человека

Связаны с биогенной миграцией атомов, многократно усиливающейся под влиянием деятельности человека, его разума, созданной им техники. В. И. Вернадский смысл этого понятия раскрыл в своей работе «Химическое строение биосферы Земли и ее окружения»: «Биогеохимические функции человечества так же, как и других многоклеточных организмов, проявляются, прежде всего, в биогенной миграции атомов 2-го рода, но создаваемая этим путем энергия отходит на второй план перед той биогенной миграцией атомов 3-го рода, о которой сейчас идет речь. Отличие человека в этих проявлениях его жизни на косной и живой природе несравнимо по разнообразию и глубине захвата всех элементов с тем, что мы наблюдаем для других живых существ... Биогеохи- мическая функция человека является, таким образом, новой геологической силой, которая никогда не существовала на нашей планете в таком размере».

По расчетам Ф. Я. Шипунова (1971), на расход, свя-занный с техникой жизни, приходится основная часть со-временного расхода вещества на планете - примерно 97%. А это значит, что человек и техника в принципе способны изменить все вещество биосферы, а также и вещество Земли. Возрастающее воздействие человечества на биосферу и ее окружение В. И. Вернадский рассматривал с точки зрения биогеохимического эффекта, т.е. как проявления биогенной миграции атомов 2-го и 3-го рода. Рассматривая с этой точки зрения деятельность челове-чества в биосфере, Ф. Я. Шипунов выделил ряд наи-более важных групп биогеохимических функций чело-века: газовые, водные, пылевые, нефтяные, тяжело металлические, хлор-углеводородные и легко летучие органические. Антропогенное поступление веществ в биосферу, связанное с этими функциями человека, составляет от долей процента до десятков и даже сотен и тысяч процентов от природного их поступления. Более того, в биосфере возникли и такие биогеохимические функции человека, которые в естественных ее условиях проявлялись незначительно или отсутствовали совсем. Отличительная особенность многих биогеохимических функций человека - их чужеродность биосфере, поэтому с ними связана нецикличность антропогенных веществ, которая проявляется как их неразлагаемость, синергизм, токсичность и, в конечном счете, подавление естествен-ных биогеохимических функций живого вещества.

38. В 1961 году А. И. Перельман ввел в науку понятие о геохимических барьерах. Геохимические барьеры - это те участки земной коры, в которых на коротких рас-стояниях происходит резкое уменьшение интенсивности миграции химических элементов и, как результат, их накопление.

Выделяют макро-, мезо- и микробарьеры. К макро-барьерам относятся, например, дельты рек - зоны смешения пресных речных и соленых морских вод. Ширина таких барьеров может достигать сотен и тысяч метров (но это не большая величина по сравнению с протяженностью реки и акваторией моря).

К мезобарьерам относятся краевые зоны болот, водо-носные горизонты артезианских бассейнов. В результате здесь накапливаются многие элементы, выщелоченные из почв водоразделов и склонов. Ширина таких барьеров может достигать десятки и сотни метров.

Микробарьеры встречаются гораздо чаще, в том числе в почвах. По сути, накопление в почвенных горизонтах таких новообразований, как белоглазка, ортштейны, различные коры (солевые, латеритные) - результат изменения интенсивности миграционных потоков в почвенном профиле. Причина уменьшения скорости - изменение условий.

В основу классификации геохимических барьеров положены различия в миграции. Выделяют два основных типа барьеров - природные и техногенные. В свою очередь, и в тех и в других выделяют по 3 класса: ме-ханические, физико-химические, биогеохимические.

Механические барьеры - участки резкого уменьшения механической миграции. К ним приурочены различные продукты механической дифференциации осадков.

В местах резкого уменьшения интенсивности физико-химической миграции формируются физико-химические барьеры. Это участки земной поверхности, где резко меняются температура, давление, окислительно-вос- становительные, щелочно-кислотные и другие условия. Барьеры классифицируются на виды по накоплению хи-мических элементов. Последнее определяется во многом тем, в какой среде проходят миграционные процессы. В зависимости от содержания в воде 02, Н2, H2S и других газов, Fe2*, Fe3*, S2~, HS“, H*, ОН' выделяют различные типы вод по окислительно-восстановительным условиям.

Для типа кислородных вод (с окислительной обста-новкой) характерно присутствие в водах свободного кис-лорода или других сильных окислителей. Многие элементы находятся в высоких степенях окисления: Fe3*, Си2*, S6*. Осадочные горные.породы, сформировавшиеся в окислительных условиях, имеют красную, бурую, желтую окраски.

Восстановительная среда может быть двух основных типов. Тип сероводородных (сульфидных) вод харак-теризуется присутствием H2S, S2', HS". В такой обстановке железо и многие другие металлы часто не мигрируют, так как образуют трудно растворимые сульфиды. Окраска горных пород - черная.

Тип глеевых вод характеризуется наличием СН4, Fe2*, Н2, растворенных органических соединений. В глее- вой обстановке легко мигрируют многие металлы, причем часто в форме органо-минеральных соединений. Окраска горных пород - белая, сизая, серая, голубая, зеленая.

Итак, геохимические барьеры классифицируются по накоплению химических элементов на виды. Выделяют следующие виды.

1. Кислородные (окислительные) барьеры. Их об-разование связано с изменением окислительно-восста- новительных условий в ландшафте. Резкая смена вос-становительных условий на окислительные, смена резко восстановительных на слабо восстановительные, слабо окислительных на сильно окислительные. Например, грунтовые воды, обогащенные железом и марганцем, в виде бикарбонатов или органических комплексов вблизи поверхности почв, на окраинах болот, в озерах образуют Fe - Мп конкреции, болотные и озерные руды, залежи самородковой серы.

2. Сероводородные восстановительные (сульфидные) - кислые или глеевые воды контактируют с сероводородной средой: рН>7, Eh<0. Концентрируются металлы, образуя сульфиды железа, свинца, меди, цинка.

3. Глеевые восстановительные барьеры - кислые воды. Встречаются с восстановительной средой (Eh<300-200 мВ). Накапливаются трудно растворимые соединения ванадия, селена, меди, урана.

4. Щелочные барьеры - возникают в почвенных го-ризонтах, где наблюдаются скачок pH и смена кислой или слабо кислой среды на щелочную. Например, на контакте силикатных и карбонатных пород. Образуются горизонты. обогащенные кальцием, магнием, марганцем, барием, стронцием, ванадием, цинком, медью, кобальтом, свинцом,кадмием.

5. Кислые барьеры - формируются в зонах ландшафта при резкой смене условий pH в более кислую сторону. На кислых барьерах осаждаются мышьяк, мо-либден, селен.

6. Испарительные барьеры - проявляются в аридных условиях. Есть две разновидности испарительных барьеров: а) верхние - на поверхности почвы и б) нижние - на уровне грунтовых вод. Здесь наблюдается образование засоленных почв и накопление Са, Mg, К, Na, F, S, Sr, Cl, Pb, Zn, V, Ni, Mo.

7. Сорбционные барьеры - характерны для иллюви-альных и гумусовых горизонтов почв. В основе сорб-ционного поглощения лежит поглотительная способность почвы.

В природе наблюдается приуроченность основных гео-химических барьеров к определенным почвам, породам.

А. И. Перельман дает следующие примеры распростра-ненности геохимических барьеров.

Сернокислые барьеры - рудные тела сульфидных ме-сторождений.

Кислые барьеры - дерново-подзолистые, красноземные, серые лесные, бурые лесные почвы, солоди. С

Нейтрально-карбонатные барьеры - черноземные, каш-тановые, сероземные почвы, рендзины.

Хлоридно-сульфатные барьеры - верхние горизонты некоторых солончаков.

Содовые барьеры - солонцы.

Бескарбонатные глеевые барьеры - луговые и болотные почвы северных степей, лесной и тундровой зон.

Соленосный глеевый - солончаки со слабо восста-новительной средой.

Гипсовый глеевый - гипсовые горизонты луговых почв.

Содовый глеевый - содовые луговые солонцы.

Соленосно-сульфидный - нижние горизонты солончаков.

Содовый сероводородный - солонцеватые солонцы.

Биогеохимические барьеры - результат уменьшения интенсивности биогенной миграции. Угольные залежи, торф, концентрация элементов в телах организмов - следствие таких процессов.

Техногенные барьеры также разделяют на меха-нические, физико-химические, биогеохимические. Сущность этих барьеров становится понятной только при учете социальной формы движения, техногенной миграции.

В зависимости от направления потоков миграции хими-ческих элементов в ландшафте, на пути которых возникают геохимические барьеры, последние делят на 2 группы: радиальные (вертикальные) и латеральные. Радиальные барьеры становятся на путях миграции химических элементов при их вертикальном движении. Во многом именно благодаря существованию этих барьеров наблю-дается дифференциация химических элементов в почвенном профиле.

Латеральные барьеры возникают на границах геохи-мически контрастных элементов ландшафта (например, на границах фаций, краевых зонах болот и т.д.).

Для характеристики геохимических барьеров применяют следующие показатели.

Градиент барьера (G), который характеризует изменение геохимических показателей в направлении миграции химических элементов

G = dm/d,, или G-ml —т2/1,

где mf - значение геохимического показателя до барьера;

т2~ его значение после барьера;

I - ширина барьера.

& Биогеохимия 98

Контрастность барьера (S)- характеризуется отношением величины геохимических показателей в на-правлении миграции до и после барьера:

S=mi/m2,

Интенсивность накопления элемента, например при рудообразовании, увеличивается с ростом контрастности и градиента барьера.

На геохимических барьерах образуются рудные тела большинства месторождений полезных ископаемых, и само понятие геохимических барьеров оказалось очень полезным для разработки методики поисков полезных ископаемых. Изучение барьеров важно и в борьбе с загрязнением окружающей среды.