1.2. ОСНОВНЫЕ ФОРМЫ НАХОЖДЕНИЯ
ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ЗЕМНОЙ КОРЕ

Основную часть массы земной коры составляет литосфера и гораздо меньшую – гидросфера и атмосфера. Кроме этих составных частей земной коры, отдельно выделяют живое вещество, под которым подразумевается вся масса самых разнообразных живых организмов, от вирусов до слонов, включая и человека. Сравнивая их между собой, выдающийся норвежский ученый В.М. Гольдшмидт приводил такой пример: если массу литосферы представить в виде каменной чаши в 13 фунтов (1 фунт – 0,45 кг), то помещающаяся в ней вода массой 1 фунт будет соответствовать гидросфере, массе медной монеты будет соответствовать атмосфера, а массе почтовой марки – живое вещество. Между литосферой, гидросферой и атмосферой идет постоянный обмен веществом, т.е. процесс миграции химических элементов. Во многом он связан с жизнедеятельностью организмов. Наибольшее напряжение всех геохимических процессов миграции на поверхности Земли происходит "на стыке" различных сфер – в почвах. В зоне наибольшего напряжения геохимических процессов происходит и вся жизнедеятельность

12

подавляющего большинства людей. Так было, начиная с появления людей. Следовательно, можно считать, что нахождение людей в зоне максимального напряжения геохимических процессов является оптимальным условием их нормальной жизнедеятельности.

Рассматривая выделенные оболочки с позиции геологической истории Земли, можно говорить о постоянной миграции составляющих их химических элементов как внутри каждой из оболочек, так и между ними. В то же время в каждый промежуток времени определенные, довольно большие группы атомов химических элементов находятся в конкретных относительно устойчивых сочетаниях между собой. Такие сочетания и рассматриваются как формы нахождения химических элементов. Иными словами, под формой нахождения химических элементов понимаются системы различных относительно устойчивых химических равновесий этих элементов.

Относительно устойчивыми они считаются потому, что практически все элементы, составляющие земную кору, вовлекаются в большой и малый циклы миграции^*. При этом ранее существовавшие сочетания элементов разрушаются и возникают новые. Однако многие элементы могут находиться в относительном химическом равновесии довольно долго даже с геологической точки зрения.

Отдельные формы нахождения более или менее независимы друг от друга. Сочетание в каждой из них элементов подчиняется различным физико-химическим закономерностям и возможно только при определенных внешних условиях (внешних факторах миграции).

Вообще в природе существует много различных форм нахождения химических элементов. В зависимости от целей исследований или обобщений, а также от уровня развития науки разные ученые рассматривали только отдельные из них. Существовали (и существуют) и различные классификации основных форм нахождения химических элементов в природе. Так, В.И. Вернадским первоначально были выделены четыре главнейшие формы:

• горные породы и минералы (к ним были отнесены природные воды и газы);
• живое вещество, или биогенная форма нахождения;

  13

• магматические (существенно силикатные) расплавы;
• состояние рассеяния.

Б.А. Гаврусевич (1968) предложил дополнительно выделять изоморфные примеси, водные растворы и газовые смеси. По мере развития геохимии, а особенно под влиянием проблем, разрешаемых в той ее части, которая считается прикладной, потребовалось рассматривать самостоятельно еще больше форм нахождения элементов в земной коре.

Кроме предложенных, стали выделять коллоидную форму с жидкой дисперсионной средой и техногенные соединения, не имеющие природных аналогов (В.А. Алексеенко, 1989). Выделение последней формы нахождения обусловлено все увеличивающимся воздействием на верхние оболочки Земли антропогенной деятельности и появлением новых техногенных соединений, влияющих на миграцию и концентрацию химических элементов в биосфере. Увеличивающаяся значимость техногенеза в перемещении элементов на поверхности Земли и обилие поступающих при этом в атмосферу и гидросферу мельчайших частиц объясняют и необходимость выделять в особую форму нахождения элементов коллоиды, а также и сорбированные ими вещества.

Мы рассмотрим только важнейшие формы нахождения: состояние рассеяния, самостоятельные минеральные виды, водные растворы, газовые смеси, коллоидную и сорбированные формы, техногенные соединения, не имеющие природных аналогов, биогенную форму.

Состояние рассеяния – наиболее часто встречающаяся в земной коре форма нахождения химических элементов. Еще в 1909 г. В.И. Вернадский, выступая на XII съезде русских естествоиспытателей и врачей, говорил: "В каждой капле и пылинке вещества на земной поверхности, по мере увеличения тонкости наших исследований, мы открываем все новые и новые элементы. Получается впечатление микрокосмического характера их рассеяния. В песчинке или капле, как в микрокосмосе, отражается общий состав космоса. В ней могут быть найдены все те элементы, какие наблюдаются на земном шаре".

Десятилетия, прошедшие после этого выступления, подтвердили гениальное предсказание В.И. Вернадского.

Первые сводки о количественном распространении химических элементов в земной коре были сделаны Ф.У. Кларком. В память об этих работах

14

двух великих ученых Н.И. Сафронов, один из основоположников учения о поисках месторождения полезных ископаемых геохимическими методами, предложил закон о всеобщем рассеянии химических элементов именовать законом Вернадского-Кларка. Применительно к учению о биосфере его можно сформулировать так: в любом природном объекте Земли содержатся все химические элементы, находящиеся в ее коре.

Речь может идти только о недостаточной чувствительности методов анализов, используемых для выявления элементов, находящихся в очень малых концентрациях. Ряд исследователей считает, что пределом рассеяния можно считать концентрацию, соответствующую одному атому в 1 см³ вещества. Исходя из закона Вернадского-Кларка, можно сделать несколько выводов. Во-первых, для нормальной жизнедеятельности организмов (в том числе и для человека) в среде обитания необходимо наличие всех химических элементов. Это следует помнить при создании искусственных условий жизнедеятельности. Вторым важным для изучения данного курса выводом можно считать то, что для живых организмов нет вредных и полезных химических элементов; вопрос лишь во вредных концентрациях (как избыточных, так и недостаточных) этих элементов.

Практическая необходимость учитывать закон Вернадского-Кларка появилась в последнее время в связи с разработкой показателей, нормирующих содержание различных химических элементов в среде, окружающей человека (подробнее см. гл. 8).

Самостоятельные минеральные виды – наиболее распространенная (по массе) форма нахождения химических элементов в земной коре. Практически из минералов состоит косная (неживая) часть литосферы. Различные комбинации химических элементов образуют около 2000 самостоятельных, отличающихся друг от друга минеральных видов. Именно они представляют собой среду, в которой и за счет которой развивается основная масса живых организмов материков, в том числе и людей. При этом составляющие минералы химические элементы становятся доступными организмам или в процессе их разрушения, или в его результате. В связи с этим большое значение имеет не только состав минералов, но и их прочность, и особенно – растворимость. К числу важнейших с точки зрения экологии следует относить и такие свойства, как радиоактивность, тепло- и электропроводимость, а также цвет. Все они влияют и на безопасность жизнедеятельности людей.

15

Следует отметить, что минералы представляют собой основной источник химических элементов для создания различных техногенных соединений. Кроме того, большие скопления определенных минералов (обычно это месторождения) создают аномальную экологическую обстановку. Такая обстановка при отработке месторождений становится все более отличной от природной, а площади ее распространения и воздействие на человека, как правило, увеличиваются.

В настоящее время нет ни одной отрасли промышленности, в которой не применялись бы природные минералы либо непосредственно в природном виде, либо после соответствующей переработки. Развитие современного сельского хозяйства теснейшим образом связано с использованием минеральных удобрений. Без минерального сырья невозможно развитие топливно-энергетической базы страны. Ряд минералов является не только составной, но и необходимой частью пищи людей (в первую очередь поваренная соль). Применяются минералы в медицине (соли йода, мирабилит и др.). Нельзя не вспомнить об эстетическом значении минералов, используемых для изготовления украшений, поделок, для облицовки при строительстве. Многие полезные свойства минералов еще не открыты, а многие забыты, хотя могли бы дать минералам вторую жизнь.

Различные минералы распространены в верхних частях литосферы довольно неравномерно. Крупные скопления определенных минералов во многих случаях обусловливают место жительства людей и развитие конкретных видов жизнедеятельности. Этим объясняется образование населенных пунктов около рудников, районов добычи нефти, газа, подземных вод и т. д., а также вид основной профессиональной деятельности большинства взрослого населения.

Однако крупные скопления определенных минералов создают и определенную геохимическую обстановку, захватывающую иногда довольно большие территории. Они могут характеризоваться (именно из-за больших скоплений определенных минералов) недостатком или избытком ряда химических элементов, изменением кислотно-щелочных условий подземных и даже поверхностных вод. Это необходимо учитывать при организации безопасной жизнедеятельности жителей в районах разработок месторождений различных полезных ископаемых.

16

Приведем несколько примеров, показывающих, что без проведения определенных мероприятий во многих из описываемых районов невозможна безопасная жизнедеятельность населения. Так, в Каратау (Казахстан), в районе широкого развития свинцово-цинковых руд в карбонатных отложениях наблюдается резкая нехватка фтора. Это приводит к нарушению структуры костей, зубов, провоцирует развитие ряда заболеваний. Без фторирования питьевой воды безопасная жизнедеятельность людей в этом рудном районе невозможна. Другой пример – Саякский рудный район (тоже в Казахстане), где развиты сульфиды меди, железа, мышьяка, молибдена, кобальта. Эти металлы, попадая в подземные воды (поверхностных там нет), делают их практически непригодными для питья. В результате приходится искать воду за пределами месторождений. На Южном Урале выветривание скопления сульфидов ряда металлов привело к тому, что подземные и даже поверхностные воды (озера) стали представлять собой раствор кислоты, непригодный для употребления, И таких примеров довольно много.

Все перечисленное позволяет считать, что в обозримом будущем разработка месторождений, извлечение из недр Земли минералов и их самое разнообразное использование будет не уменьшаться, а увеличиваться. При этом происходит усиливающаяся (как по дальности перемещения, так и по общему объему) миграция и самих минералов, и составляющих их химических элементов, образующих повышенные концентрации на определенных участках биосферы.

Все возрастающая потребность в минеральном сырье приводит к разработке месторождений с более низким содержанием определенных минералов, но с большими их суммарными запасами. Это в свою очередь вызывает необходимость перемещать все большие массы так называемой пустой породы, также состоящей из минералов. В конечном же счете на все больших площадях меняются минералого-геохимические условия, к которым за многие годы "привыкли" все живые организмы этих районов. При этом из-за катастрофически быстрых изменений многие животные и растительные организмы погибают, не успевая приспособиться к новым условиям.

Рассматривая минералы с точки зрения безопасности жизнедеятельности, следует отметить еще две их особенности. Во-первых, сочетания наиболее распространенных минералов создают в каждом регионе определенный минералого-геохимический фон, который не только определяет многие условия жизни организмов, но часто контролирует и их видовое разнообразие.

17

Во-вторых, доступность для живых организмов химических элементов, составляющих минералы, зависит от свойств этих минералов, от их устойчивости в условиях верхних оболочек земной коры.

Оценивая в целом результаты антропогенного воздействия на минералы, необходимо отметить, что оно способствует переходу химических элементов из минеральной формы в коллоидную, в водные растворы и в биогенную формы нахождения.

Особо следует отметить непосредственное воздействие минералов на человека, приводящее к уменьшению безопасности жизнедеятельности. Еще в недавнем прошлом людей практически постоянно окружали естественные минералы. Современные строительные технологии поместили человечество в мир искусственных соединений, существенно отличный от того, в котором шли развитие и эволюция людей. Все последствия этого изменения еще не выяснены, но можно рассмотреть некоторые формы воздействия минералов на человека и безопасность его жизнедеятельности.

Часть минералов, особенно содержащих радиоактивные элементы (подробнее об этом см. гл. 3, 7), уменьшает безопасность жизнедеятельности даже на расстоянии. Кроме них, природные скопления ряда минералов (например, магнетита) вызывают сильные магнитные и электрические поля и образование геопатогенных зон (см. гл. 3), отрицательно воздействующих на человека.

Большая часть природных минералов уменьшает безопасность жизнедеятельности при непосредственном соприкосновении с людьми. Так, пыль галогенидов (галита, сильвина, карналлита), попадая на кожу, вызывает ее раздражение. Пыль кварца, асбеста, угля, проникая при дыхании в легкие, вызывает тяжелейшие заболевания – пневмокониозы (силикоз, асбестоз и т.д.), туберкулез, рак легких. (Вот почему необходимо принятие специальных мер предосторожности при работе горняков, особенно в подземных выработках.) Наиболее опасно попадание в легкие пыли минералов радиоактивных элементов, свинца, цинка, меди, ртути, кадмия, кобальта, бора, никеля, молибдена, селена, ванадия и таллия. При работе с ними для обеспечения безопасности жизнедеятельности нужно особо строго соблюдать все меры, обусловленные техникой безопасности, препятствующей попаданию пыли в легкие.

Водные растворы – важнейшая для живых организмов форма нахождения химических элементов. Без них практически невозможна жизнедеятельность

18

людей, а состав этих растворов во многом контролирует ее безопасность. Как уже указывалось, основная масса природных водных растворов часто обособляется в отдельную оболочку Земли – гидросферу. Ее большая часть приходится на долю Мирового океана, меньшая – на подземные и поверхностные воды континентов. В сумме на долю морей и океанов приходится около 71% земной поверхности. По данным В.М. Гольдшмидта, на 1 см² поверхности Земли приходится 273 л природных водных растворов, распределяющихся следующим образом:

В большинстве случаев именно наличие воды контролирует развитие живых организмов. Вода является и основным природным растворителем минералов, газов и техногенных соединений, не имеющих аналогов в природе. Считается, что в воде взаимодействие между ионами в 80 раз слабее, чем в кристаллах. Поэтому для растений и животных облегчено выборочное поступление необходимых им ионов из водных растворов.

Без воды невозможна жизнь организмов, существующих сейчас на Земле. При этом для большинства из них, в том числе и для людей, нужна не просто вода, а пресная, т. е. такая, в 1 л которой содержание сухого остатка меньше 1 г. А такой воды содержится на Земле всего около 2% ее общих запасов. Большая часть вод отличается довольно высокой степенью минерализации. Так, средняя соленость морей и океанов (а это более 70% всей гидросферы) составляет 3,5 г/л, а соленость минерализованных подземных вод континентов часто доходит до 200 г/л.

Пресную воду люди используют не только для питья, но и в самых разнообразных техногенных процессах. Считается, что общее годовое потребление составляет около 3500 км³, т.е. на одного человека приходится порядка 800 м³ воды. Наличием пресных вод в еще большей мере, чем крупными скоплениями определенных минералов, обусловлены возникновения и развитие населенных пунктов. Практически все крупные

19

города расположены на реках. Однако довольно часто русла рек приурочены к ослабленным зонам литосферы. В случае землетрясений по этим зонам происходят наибольшие смещения земной коры, вызывающие разрушения построек и гибель жителей. Это необходимо учитывать при организации безопасности жизнедеятельности жителей таких населенных пунктов.

Газовые смеси. Химические элементы, составляющие эту форму нахождения, образуют верхнюю оболочку Земли – атмосферу. Кроме того, значительное количество газов заполняет пустоты и полости в почвах и в горных породах, находится в сорбированном состоянии. Для всех живых организмов, в том числе и для людей, наиболее важны атмосферные и почвенные газы. Поскольку раньше условия жизнедеятельности людей определялись приземной атмосферой, то техногенные процессы влияли на атмосферу в основном на первых километрах от земной поверхности; теперь же этот показатель изменился и составляет уже десятки километров.

В первую очередь следует отметить, что процессы жизнедеятельности воздействуют на так называемый озоновый слой, вызывая его разрушение. Сам озоновый слой представляет собой особую оболочку в составе атмосферы с максимальной концентрацией озона на высоте около 20 км. Этот слой резко снижает интенсивность ультрафиолетовой радиации Солнца. В результате она минимальна у поверхности Земли. Таким образом, озоновый слой обеспечивает сохранность живых организмов и жизни на поверхности Земли в целом.

Коллоидная и сорбированная формы нахождения получили максимальное развитие в почвах, хотя они довольно широко распространены в гидросфере и атмосфере. В этих формах переносятся и отлагаются очень многие загрязняющие вещества. Следовательно, без учета коллоидов невозможно полно и комплексно охарактеризовать условия безопасной жизнедеятельности.

Коллоидные системы обычно неоднородные, гетерогенные, состоят не менее чем из двух фаз. При этом одна из них состоит из частиц размером 0,1...1,0 ммк и называется дисперсной фазой. Частицы этой фазы распределены в другой – дисперсионной среде. Вещества, составляющие разные фазы, отличаются рядом свойств и имеют реальную физическую поверхность раздела. Сорбция представляет собой концентрирование на поверхности

20

частиц лишь определенных веществ из дисперсионной среды. Концентрация этих веществ может быть весьма существенной, а связь их с сорбентом – сильной и сохраняющейся продолжительное время.

В результате антропогенной деятельности масса коллоидов возрастает, особенно в атмосфере. По данным В.В. Добровольского, в 1 м³ воздуха содержание тяжелых металлов над континентами составляет n·10^-5г. Будучи тонкодисперсными, они, попав в легкие человека, могут быстро и в значительных количествах переходить в кровь, что особо вредно. В очень больших количествах аэрозоли содержатся в атмосфере крупных городов. В работах В.А. Алексеенко (1993, 1994, 2000) показано, что основная их часть довольно быстро осаждается в пределах населенных пунктов. Это существенно ухудшает условия жизнедеятельности людей в местах их наибольшей плотности проживания.

Техногенные соединения, не имеющие природных аналогов, впервые были выделены автором в 1989 г. как самостоятельная форма нахождения химических элементов в земной коре. Количество соединений, созданных человеком и не имеющих природных аналогов, в последние десятилетия непрерывно и очень быстро растет как по их общей массе, так и по видовому разнообразию. Усиливается и их воздействие на организмы. Не учитывать геохимической (биологической) роли техногенных соединений становится невозможным.

Кратко рассмотрим основные группы таких соединений. К ним в первую очередь следует относить различные пластмассы, синтетические моющие средства; многие галогеносодержащие органические соединения, пестициды, полициклические ароматические углеводороды. Их бесконтрольное производство уже сейчас начинает угрожать безопасности жизнедеятельности. Можно уверенно предполагать, что в будущем эта проблема может войти в число основных, стоящих перед человечеством. Причин, позволяющих высказать такое предположение, довольно много. Кратко рассмотрим три из них, которые мы относим к основным:

1. Очень большое число техногенных соединений, не имеющих природных аналогов, относится к токсичным или становится таковым, вступая в реакции с другими веществами. При этом многие из этих соединений создаются не специально, а являются побочными продуктами различных производственных процессов.

   21

2. Особое значение имеет проблема утилизации веществ, очень медленно разлагающихся в условиях биосферы. Это относится к различным пластмассам, диоксинам, синтетическим волокнам, фреонам и т. д. Учитывая опыт других стран, стоит задуматься, следует ли создавать многие пестициды, красивые и трудно разлагающиеся упаковки для различных товаров и многие другие
3. соединения во вред развития живых организмов, включая, в конечном счете, человека. Непосредственное воздействие (а особенно его поздно сказывающиеся последствия) рассматриваемых соединений на человека и другие живые организмы изучено явно недостаточно. Вероятно пройдут еще многие годы, прежде чем будет решена эта проблема.

К биогенной форме относятся химические элементы и их сочетания в земной коре, образующие все многообразие животных и растительных организмов. Впервые эта форма была рассмотрена В. И. Вернадским. Несмотря на сравнительно небольшое содержание живых организмов, обитающих в земной коре, без учета их деятельности невозможно правильно представить геохимические процессы, протекающие на поверхности Земли. Особо отмечая это, В.И. Вернадский писал: "...живое вещество в биосфере играет активную основную роль и по своей мощности ни с чем, ни с какой геологической силой не может даже быть сравнимо по своей интенсивности и направленности во времени". К живому веществу биосферы, по определению В.И. Вернадского, относится совокупность всех ее живых организмов. Не останавливаясь на многообразии процессов, протекающих под воздействием живого вещества, отметим только, что в результате жизнедеятельности и автотрофных бактерий (синтезируют из неорганических соединений органические, используя энергию Солнца), и гетеротрофных (используют органические вещества, созданные другими организмами) образуется вода. В результате процессов фотосинтеза выделяется свободный кислород.

Таким образом, ряд живых организмов создает условия, обеспечивающие жизнь и безопасность жизнедеятельности людей.

22