Экология городской среды

Одним из существенных показателей использования химических элементов является распространенность, или их кларки в земной коре.

В 20-е гг. XX в. А.Е. Ферсман ввел в геохимию понятие кларка и выявил зависимость интенсивности использования элементов от их положения в Периодической системе Менделеева, т. е. зависимость интенсивности использования элементов от размеров атомов, ионов и их кларков. Им же разработаны таблицы кларков химических элементов в земной коре.

Кларк – числовая оценка среднего содержания какого-либо химического элемента в земной коре, гидросфере, атмосфере, Земле в целом, различных типах горных пород, космических объектах и др. Кларк может быть выражен в единицах массы (%, г/т и др.) либо в атомных процентах.

Как бы ни было ценно золото для человечества, его добыча никогда не сравняется с добычей железа, так как кларк золота -4,3-10

%, а железа – 4,65 %. Кремний и германий – химические аналоги и оксид германия Ge0

похож на оксид кремния Si0

. Но кремний – второй по распространенности элемент в литосфере (кларк 29,5 %), а германий – редкий элемент (кларк 1,4*10

%). Поэтому соединения кремния – основа практически всех используемых человечеством строительных материалов, а германий добывается в небольшом количестве и используется в основном в электронной промышленности. Если бы кларк германия был бы столь же высок, как у кремния, то и этот элемент нашел бы большое применение.

Степень специального использования химического элемента в техносфере к его содержанию в литосфере характеризует технофильность элемента (ТФ).

Технофильностъю элемента называется отношение его ежегодной добычи к его кларку в литосфере. В принципе можно рассчитать ТФ для отдельной страны, группы стран, всего мира. Естественно, что ТФ является динамическим показателем и может резко изменяться во времени. На рис. 2.1 приведены значения ТФ, используемых в настоящее время человечеством.

Рис. 2.1. Технофильность химических элементов (Глазовская, 1988)

Наибольшей технофильностью обладает углерод (уголь, нефть), поэтому он стал одним из основных источников доступной энергии для человечества.

Химические элементы с резко различными кларками, но сходные в химическом отношении, часто имеют близкую технофильность. Например, у железа кларк – 4,65 %, у марганца -0,1 %, а технофильность их одинаковая – 6·10

%.

Технофильность элементов колеблется в миллионы раз – от 8·10

у углерода до 1·10

у иттрия, но контрасты в кларках элементов составляют многие миллиарды (n·10

– n·10

). Наиболее высокую глобальную технофильность имеют Cl, С, она весьма высока у Pb, Sb, Zn, Си, Sn, Mo, Hg (см. рис. 2.1).

Именно поэтому человеческая деятельность в биосфере приводит к уменьшению геохимической контрастности техносферы по сравнению с биосферой и земной корой.

Другим количественным показателем значимости элемента является его общее техногенное использование, или техногенносте (ТГ):

ТГ = (М

+ М

)/К,

где М

и М

– соответственно степень вовлечения элемента в техногенные потоки для специального использования и в качестве побочных продуктов (отходов); К – кларк элемента в биосфере.

Показатель техногенности количественно характеризует степень общего вовлечения элемента в техногенные потоки в отличие от технофильности, характеризующей только степень его специального вовлечения.

Отношение показателей технофильности к техногенности элемента характеризуется коэффициентом полноты техногенного использования:

Р = ТФ/ТГ.

Кроме этих показателей, характеризующих интенсивность использования, а следовательно, количество элементов в техногенных потоках, существуют удельные показатели техногенного геохимического давления (Д) и модуль техногенного давления (МД):

Д = М

+ М

, т/год, МД = Д /S, т/год·км

,

где S – площадь рассматриваемого региона, км2.

В табл. 2.6 и 2.7 приведены данные по количественной оценке коэффициента полноты техногенного использования (Р) и модуля техногенного давления (МД) для современной техносферы Земли.

Таблица 2.6. Значение коэффициента полноты техногенного использования для современной техносферы (Глазовская, 1988)

Таблица 2.7. Значение величины модуля техногенного давления для современной техносферы (Глазовская, 1988)

Для многих элементов миграция в виде попутных примесей превышает их специальную добычу (As, U, S, V, Be, Se, I, Ge, Тi).

Техногенное давление определяется использованием в техносфере различных видов сырья. В глобальных масштабах с использованием угля непосредственно связано техногенное рассеивание Be, В, S, V, Mn, Ge, Ga, As, Se, Ag, Cd, U, W; для нефти – Li, S, Br, Cd, I; минерального сырья – Сг, Cu, Zn, Bi, Hg, Pb, Ni, Cl, Na, P, B, S.

Наибольшее техногенное давление присуще Na, Cl, Ca, Fe, S, N, К, причем рассеивание серы (в основном в виде оксидов) приводит к кислотному загрязнению атмосферных осадков и поверхностных вод, N и К – к увеличению содержания в водоемах питательных веществ (эвтрофикация водоемов) и нарушению в них экологического равновесия (бурное развитие цианобактерий).

На основании этих данных определяются технобиологические пространственные физико-географические единицы, обладающие сходной реакцией на одно и то же геохимическое воздействие. Они являются основой для создания схем районирования территории по вероятной интенсивности самоочищения от продуктов техногенеза. К показателям вероятностной интенсивности самоочищения территории от продуктов техногенеза (загрязнений) относятся: частота штилей, величина стока, величина ультрафиолетовой радиации (чем больше УФ-радиа-ция, тем больше интенсивность разложения загрязняющих веществ), число дней с грозами (озон, выделяющийся при грозе, также ускоряет разложение) и другие, т. е. все те физико-химические, микробиологические и биологические процессы, способствующие повышению и интенсификации естественных механизмов самоочищения территории. Аналогично разрабатываются схемы районирования территории по вероятной интенсивности разложения органических продуктов техногенеза в почвах. В них основными показателями являются энергия и время разложения растительного опада, щелочно-кислотные и окислительно-восстановительные условия, а также другие, непосредственно зависящие от свойств почвенного покрова.

С целью снижения антропогенного воздействия на геологическую среду города в процессе техногенеза проводится мониторинг ее состояния и разрабатываются разнообразные мероприятия, что будет освещено в последующих главах.

2.2.1. Загрязнение почв и трансформация рельефа

Характерной особенностью геологической среды городов является трансформация рельефа и загрязнение почв на их территории.

Рельеф – совокупность неровностей земной поверхности, разных по очертаниям, размерам, происхождению, возрасту и истории развития. Рельеф слагается из положительных (возвышенности) и отрицательных (впадины) форм земной поверхности (Дедю, 1990).

Хозяйственная и строительная деятельность человека в течение исторического времени существования города значительно, а иногда практически полностью меняет первоначальный естественный рельеф местности, что выражается в перепланировке и выравнивании поверхности, исчезновении долинно-балочной разветвленной сети и создании антропогенного (техногенного) рельефа.

Антропогенный (техногенный) рельеф – совокупность форм земной поверхности, измененных или созданных человеком. Различают стихийно возникающие и сознательно созданные формы антропогенного рельефа (Реймерс, 1990).

Изменение рельефа происходит при вертикальной планировке, застройке и благоустройстве территории, добыче полезных ископаемых. Это связано со срезкой, подсыпкой и перемещением грунтов; складированием отвалов грунта, твердых промышленных и иных отходов; террасированием склонов; устройством выемок; опусканием и просадкой поверхности земли; засыпкой оврагов, болот и т. д.