Геохимическая классификация городов

Городские ландшафты относятся к отряду антропогенных селитебных ландшафтов (также могут быть отряды агроландшафтов, биогенных ландшафтов), характеризующимся ведущей ролью техногенной миграции веществ, наличием искусственного рельефа, концентрацией населения.

1. 
   L (менее 0,3 т/чел год – многие крупные и средние города с машиностроительной специализацией);
   
2. 
   M (0,3-1) – крупные города с нефтехимической и химической промышленностью и другие промышленные центры;
   
3. 
   N (1-2) – города черной и цветной металлургией, тяжелым машиностроением, химической промышленностью (Липец, Нижний Тагил, Ангарск);
   
4. 
   Р (2-3) – Новотроицк, Красноперекопск, Череповец, Магнитогорск;
   
5. 
   R (3-5) – Темиртау;
   
6. 
   S (более 5) – Норильск (около 12-13 т/чел год).
   

Также возможно геохимическая классификация элементарных ландшафтов внутри города. По принадлежности к функциональной зоне, загрязнению ландшафтов выделяют пять основных порядков: 1) парково-рекреационный; 2) агротехногенный; 3) селитебный; 4) селитебно-транспортный; 5) промышленный. В первых трех преобладает привнос поллютантов, в последних двух – вынос и частичная аккумуляция.

В пределах порядков по особенностям воздушного привноса и выноса поллютантов, геохимической специализации выбросов и отходов выделяют отделы городских ландшафтов. Для выделения разделов интегральным критерием служат уровни загрязнения отдельных компонентов и степень их опасности для живых организмов в пределах порядком и отделов с использованием четырех градаций поступления пыли и суммарных показателей загрязнения химическими элементами снега, почв и, возможно, растений.

Группы и типы выделяются по особенностям биологического круговорота, классы – по классам водной миграции, роды – по особенностям воздушной и водной миграции, положению в катене, виды – по геохимической специализации литогенного субстрата.

17. Геохимия аквальных ландшафтов. Оценка техногенного загрязнения природных вод.

Промышленная и муниципальная деятельность в городах ведет к значительной техногенной трансформации водного баланса на их территории. Загрязнение природных вод промышленными и коммунальными стоками является одной из основных форм техногенной деформации городской среды.

Три основных направления оценки загрязнения природных вод: 1) определение состава канализационных промышленных и муниципальных вод; 2) изучение стоков с территории города (особенно широко распространены синтетические загрязняющие вещества – фенолы, нефтепродукты и др.); 3) гидрогеохимическая оценка городской среды – изучение состояния конечных звеньев водооборота сточных и поверхностных ливневых вод, а также донных отложений, служащих универсальным индикатором техногенной нагрузки на водосборы в пределах города.

Воды, в которых содержание загрязняющих веществ велико, но допустимое для сбрасывания в водоемы, называются условно чистыми.

Баланс поставки химических веществ в поверхностном стоке крупных городов состоит из следующих компонентов (в сумме 100%):

• 
  фоновый сток;
  
• 
  сток условно чистых промышленных вод (Cu, Sr);
  
• 
  канализационный сток (Sn, Cr, Cd);
  
• 
  ливневой сток – осадки (Pb, Zn, Mo).
  

Изучение донных осадков, как одной из основных депонирующих сред городских ландшафтов связано с тем, что донные осадки отличаются очень низкой динамичностью. Донные осадки - сложная биокосная система, по своим свойствам напоминающая почву (в частности, деление на горизонты). По утверждению Вернадского, “илы – подводные почвы”.

Донные осадки могут быть сульфидными, глеевыми и окислительными. В низовьях многих рек скорость течения замедляется, в донных отложениях образуются глеевые барьеры, накапливаются многие элементы.

Загрязнение донных осадков зависит от:

• 
  литологического состава (L – содержание глинистой фракции);
  
• 
  содержания карбонатов;
  
• 
  содержания органического вещества (О).
  

где X – абсолютное содержание элемента в пробе. По значениям Y можно сравнивать загрязнения в донных осадках, отличающихся по значениям основных параметров.

Важным показателем является протяженность техногенной геохимической аномалии в водоеме. При отсутствии техногенных источников в бассейне, в водоеме нет техногенных аномалий. Наличие промышленных городов в бассейне существенно влияет на содержание различных веществ (например, резко повышается содержание Ag в донных отложениях). Средняя протяженность аномалии составляет 5-10 (до 15 км), далее река “самоочищается”.

Однако, бывает, что загрязнение действует на всем протяжении водотока (например, в районах нефтедобычи). В этих случаях особенно велико загрязнение в дельтах. Таковы дельты Инда, Ганга, Рейна, Дуная, Волги и других рек. Иногда повышенное содержание того или иного элемента в водоеме связано с характером пород, которые дренирует данная река. Например, в Рейне из-за особенностей пород аномалии содержания меди были выражены гораздо ярче, чем в Дунае и Волге, хотя объем загрязнения там был не больше.

В качестве индикаторов загрязнения водоемов часто используют водные растений. Лучше использовать растения, обладающие меньшей вариабельностью, в которых повышение концентрации веществ всегда четко соответствует увеличению загрязнения.

В водоемах также отражено глобальное загрязнение. Так, в определенные годы наблюдались аномалии, связанные с радиоактивными испытаниями 1950-х гг., с аварией на ЧАЭС.

В последнее время в развитых странах мониторинг донных осадков обнаруживает тенденции к снижению загрязнения водоемов. Это результат внедрения экологически чистых технологий. В менее развитых странах загрязнение остается на прежнем уровне или растет, но сниженными темпами.

Очень важно наличие на реках водохранилищ. Водохранилища выполняют очищающую функцию. Каждая плотина является механическим барьером для веществ, перемещающихся со взвесями. Перед плотинами часто бывают аномалии содержания этих веществ. Также часто бывают устьевые аномалии при слиянии рек (из-за падения скорости течения).

Основные типы геохимических аномалий в водоемах:

1. 
   Аномалии, связанные с наличием промышленных центров.
   
2. 
   Устьевые аномалии – связаны с замедлением скоростей течения рек при слиянии (гидродинамический барьер);
   
3. 
   Аномалии приплотинных плесов водохранилищ;
   
4. 
   Аномалии в устьях рек, связанные с замедлением скорости в нижнем течении;
   
5. 
   Аномалии в морских бухтах, на берегах которых расположены крупные города.
   

В дельтах рек обычно происходит переход воды из взвешенного состояния (река) в растворенное (море). Сульфатные формы в морях более подвижны, чем гидрокарбонатные. По этим причинам здесь часто образуются геохимические барьеры. Если реки выносят в основном растворенные вещества, то барьеры растянуты, если преобладают взвешенные – барьеры выражены четко.

В зонах смешения морских и речных вод происходит реакция:

HCO₃ + NaCl  Na(HCO)₃,

образуется сода, в результате резко повышается рН.

В дельтах есть несколько областей концентрации загрязняющих веществ, связанных с местами замедления скоростей течения (при выходе в море, между островами).

Итак, уровень загрязнения в дельтах рек зависит от следующих факторов:

1. 
   Характер источников (в том числе литологических) поступления загрязняющих веществ;
   
2. 
   Наличие водохранилищ;
   
3. 
   Тип отложений в дельте (например, пески и известняки почти не накапливают загрязняющих веществ, в этом случае вещества рассеиваются в море);
   
4. 
   Степень проточности данного водоема дельты;
   
5. 
   Растения, произрастающие в данной части дельты.
   

Около 70% населения Земли живет в зоне 0-100 км от берега, поэтому береговые ландшафты играют колоссальную роль в жизни людей. Сосредоточение промышленности и населения обусловливает сильное воздействие на ландшафты.

В прибрежных зонах в результате глобального потепления происходит подъем уровня моря (скорость 2 мм/год), затопление и разрушение прибрежных территорий. При этом изменяются и геохимические условия.

Изменение уровня мирового океана ученые изучают различными методами. Например, в качестве модели рассматривается изменение уровня Каспия (подъем с 1978 г.), которое происходит со скоростью 13 мм/год, т. е. в режиме реального времени (сохранились террасы 20-40-х; 50-70-х гг., за несколько десятилетий образовывались берега, лагуны и т. д.). Также изменение уровня моря и связанных с ним геохимических условий изучают на ледниках Гренландии и Антарктиды.

Изменение условий морских террас и других элементов береговой линии сходно с моделями курганов (см. вопрос №13). Здесь в результате геоморфологических процессов осадконакопление часто начиналось с нуля.

Геохимические процессы в прибрежных районах, связанные с подъемом уровня моря:

1. 
   Засоление – при наступании моря на сушу происходит образование засоленных почв, солончаков определенной степени минерализации – галогенез. В районах, где на берегу развито сельское хозяйство, засоление приносит большой ущерб.
   
2. 
   Изменение окислительно-восстановительных условий – при заболачивании, маршеобразовании образуются анаэробные условия, происходят сульфидогенез, оглеение.
   
3. 
   Ожелезнение – связано с изменением окислительно-восстановительных условий. В условия образовавшегося кислородного геохимического барьера Fe²⁺ переходит в Fe³⁺ и осаждается.
   
4. 
   Накопление тяжелых металлов – связано с ожелезнением (при ожелезнении образуется сорбционный и сульфидный барьеры).
   
5. 
   Биогенная аккумуляция, гумусонакопление – при наступлении моря на пляжи появляются растения, продуцируется органика.
   

1. 
   Река – море;
   
2. 
   Берег – море;
   
3. 
   Гидрофронты (разделы водных масс);
   
4. 
   Фронты прибрежного апвеллинга;
   
5. 
   Лед – вода;
   
6. 
   Гидротермы (подъем термических вод, образуются кислородный и температурный барьеры, осаждаются Mn, Fe – “черные курильщики” - из-за Mn⁴⁺);
   
7. 
   Океан – атмосфера;
   
8. 
   Слой фотосинтеза;
   
9. 
   Слой O₂ – H₂S (смешение кислородных и сульфидных вод, часто здесь образуются железо-марганцевые конкреции);
   
10. 
    Солевой барьер;
    
11. 
    Окислительно-восстановительный барьер в осадках;
    
12. 
    ГБЗ и образование руд.
    

Агроландшафты – районы площадного (а не точечного, как города) воздействия человека на ландшафт. Наиболее сильное воздействие осуществляется путем химических мелиораций, прежде всего внесения минеральных удобрений:

1. 
   Азотные удобрения – увеличивается содержание азота, однако других вредных веществ азотные удобрения не содержат;
   
2. 
   Фосфорные удобрения – происходит загрязнение окружающей среды фосфором, но фосфор быстро связывается минеральным веществом и слабо мигрирует, идет эвтрофикация водоемов; фосфорные удобрения также содержат Cd, U, Sr, As, редкоземельные элементы (Y, Sc, La). Так, например, в бассейне Рейна, несмотря на сокращение промышленных выбросов Cd, его содержание в почве продолжает увеличиваться из-за фосфорных удобрений.
   
3. 
   Твердые бытовые отходы – осадки иловых вод, поля фильтрации. Это наиболее опасные удобрения, они вызывают загрязнения микроэлементами.