Экологическая минералогия, минералогия техногенеза и их становление в качестве новых научных направлений в сфере геоэкологии

Процесс изменения природных комплексов под воздействием производственной деятельности человека называется техногенезом. Он заключается в преобразовании биосферы, вызываемом совокупностью геохимических процессов, связанных с технической деятельностью человека по извлечению ряда химических элементов, их минеральных и органических соединений. Термин «техногенез» как совокупность геохимических и минералогических последствий технической деятельности человека ввел впервые в науку А.Е. Ферсман (1934).

Техническая деятельность человека охватила не только поверхность Земли и её недра (литосферу, до 10 км), но и атмосферные слои и уже даже космическое пространство (Трофимов, 1997). Выбросы отраслей промышленности РФ в виде твердых веществ велики. В целом по стране они превышают 17 %, при этом энергетика - 29 %, промышленность стройматериалов - 54 % и т. д. В процентном отношении в 1994-1995 гг. (время спада производственной деятельности в России) доля твердых веществ в объеме выбросов несколько уменьшилась, но тем не менее их общий объем представляет серьезную экологическую угрозу. Нарастают в это время объемы выбросов твердофазных отходов до 100... 115 % в нефтеперерабатывающей, газовой промышленности, цветной металлургии и жилищно-коммунальном хозяйстве (Голева, 2007). Наибольшее по масштабам техногенное воздействие человека на литосферу обусловлено, прежде всего, такими видами деятельности, как горнотехническая (добыча и переработка полезных ископаемых), инженерностроительная, сельскохозяйственная и военная (Трофимов, 1997).

В последнее время широкое развитие получила геологическая наука об изучении условий образования и существования минералов в условиях техногенеза, а также определении взаимосвязей между минералом и средой, в которой он существует. Такая наука получила название экологическая минералогия, являющаяся составной частью общей минералогии, ее основы были заложены еще в учении о биосфере В.И. Вернадского. Минералы, возникшие в зонах техногенеза (на отвалах рудников и шахт, на стенках подземных и открытых выработок, в трубопроводах, в складах руд и концентратов, при изменении древних и современных металлических предметов), издавна являются объектами исследований: много сульфатов, карбонатов, арсенатов, хлоридов и других минералов было впервые найдено в этих условиях. В настоящее время экологическое направление в минералогии привлекает многих ученых из разных стран мира, в основном это исследования минеральных образований, связанные с добычей и переработкой полезных ископаемых (Неоминерализация..., 2000).

В.В. Ивановым (ИМГРЭ РАН) предпринята попытка определить понятие «экологическая минералогия». Ссылаясь на выдающихся «экоминералогов» В.И. Вернадского и А.Е. Ферсмана, он совершенно справедливо утверждает, что «минералоги давно работают на экологию». Он напоминает, что в систему минералогических наук Н.П. Юшкин включил экоминералогию в качестве самостоятельного раздела, отвечающего за надсистсму минерал-среда (вернее, биосрсда). Тем нс менее В.В. Иванов утверждает, что сложность в определении понятия «экологическая минералогия» заключается в том, что сама экология еще не обрела окончательного статуса среди наук. Хотя это не совсем так. Уже в 1994 г. была опубликована монография Н.Ф. Реймерса «Экология. Теория, законы, правила, принципы и гипотезы», которая стала началом становления экологии как метанауки, имеющей самостоятельное значение. Он описал внутреннюю структуру её подразделов, в которую вполне вписывается и новая наука экологическая минералогия, хотя, конечно, в работе Н.Ф. Реймерса она еще отсутствует.

Заслуга В.В. Иванова состоит в том, что он дает лаконичное и емкое определение понятия «экологическая минералогия»: «Это наука о взаимодействии живой природы, в том числе человека, и неживой среды на минеральном уровне, в пространстве и времени, в глобальном, региональном и локальном масштабах».

Экологическое значение твердофазных форм токсикантов, равно как и методики их выявления, диагностика и определение степени потенциальной опасности, являются обширной и пока слабо изученной проблемой, которая как раз и составляет предмет экологической минералогии - нового научного направления в серии геоэкологических наук. За довольно короткий период (с конца 1980-х гг. до 2003 г.) экологическая минералогия обрела все необходимые атрибуты самостоятельной науки: теоретические основы, методологию, обширное поле практического применения и соответствующий аппаратурный арсенал. Это стало возможным потому, что фундаментом экологической минералогии являются достижения общей минералогии - одной из самых древних геологических наук.

Теоретические основы экологической минералогии включают определение и систематику форм нахождения токсичных веществ в окружающей среде в твердофазном состоянии, закономерности их распространения в природных и техногенных объектах и геохимических аномалиях, особенности их возникновения, существования, устойчивости и превращений в различных условиях, а также механизмы и последствия взаимодействия минеральных веществ с живыми организмами (биотой и человеком).

Экологическая минералогия как новое научное направление была признана на Годичной сессии Московского отделения Всесоюзного минералогического общества «Прикладные и экологические аспекты минералогии» (г. Звенигород, март 1990 г.). Труды сессии вышли в 1991 г. В ряде докладов сформулированы сложившиеся на тот момент цели и задачи исследований экологической минералогии (И.В. Мельников, Н.Ф. Челищев, ИГЕМ; И.И. Куприянова, В.И. Кузьмин, ВИМС и др.).

Цели и задачи экологической минералогии «ориентированы на охрану здоровья человека, охрану естественных и сельскохозяйственных ландшафтов и охрану недр и минерального вещества, извлеченного из недр в условиях интенсивного развития горнодобывающей промышленности» (И.И. Куприянова, ВИМС).

В докладах на сессии были сформулированы основные задачи экологической минералогии:

  • • использование минералогических аспектов геохимии антропогенных ландшафтов с целью выявления площадей распространения и путей миграции токсичных минеральных веществ, процессов их преобразования и способов нейтрализации токсичных фаз;
  • • минералогическая оценка экологически опасного минерального сырья, выявление новых видов и способов применения экологически безопасных материалов;
  • • изучение современного минералообразования в горных выработках, скважинах, отвалах, хвостохранилищах, связанного с выводом на дневную поверхность рудного вещества и возникновением неустойчивых, легкорастворимых, окисляемых и разрушающихся минералов, которые могут определять экологический риск для здоровья персонала и живущих в пределах влияния рудников людей;
  • • использование минералогических аспектов технологических разработок по комплексному использованию минерального сырья и схем безотходных технологий, позволяющих решать задачу предотвращения загрязнения среды остаточными продуктами технологического передела руд и других образований;
  • • изучение минералогии продуктов биологической деятельности и влияния минеральной фазы на жизнедеятельность организмов;
  • • изучение экологических свойств минералов и их техногенных продуктов, современное экологическое значение минералов как загрязняющего, санирующего и модифицирующего факторов. К экологическим относятся те свойства, которые играют важную роль при участии минералов в круговороте веществ, в функционировании экосистем, экологических трофических цепей, во взаимодействии с остальными компонентами экосистем. На основе этих знаний будет создана экологическая классификация минералов и их техногенных продуктов;
  • • создание уникальных минералогических коллекций, музеев, а также геологических объектов как природных и культурных памятников и геолого-минералогическая инвентаризация природных объектов в заповедниках и национальных парках (рис. 1.1.1) (Давчева-Илчева, 1993; Голева, 2007).

К 1990 г. был уже намечен методический комплекс минералогических исследований для обоснования безотходных технологий в качестве средства для решения экологических задач (Г.А. Сидоренко, ВИМС), который включал несколько вариантов рентгенографии, термического анализа, ИКС, люминесценции, люминесцентной спектрографии, высокоразрешающих, высокочувствительных новых методик минералогических исследований: электронную микроскопию, нейтронную радиографию и др.

Следующий период развития экологической минералогии характеризуется интенсивным накоплением фактических данных в результате разноплановых экоминералогических исследований.

Установлено, что в твердофазных объектах окружающей среды потенциальные токсиканты существуют либо в элементном виде, либо в форме собственных минеральных фаз разной степени размерности и кристалличности, входят в состав широко распространенных минералов в виде изоморфных примесей с образованием твердых растворов, фиксируются в сорбированном состоянии на твердых частицах матрицы и т. д.

Схема научного направления «экологическая минералогия» (Давчева-Илчева, 1993)

Рис. 1.1.1. Схема научного направления «экологическая минералогия» (Давчева-Илчева, 1993)

Выявлены и диагностированы минеральные формы токсичных элементов в очагах природного их скопления в рудах, зонах окисления, первичных и вторичных ореолах месторождений, а также в перекрывающих их рыхлых отложениях, в почвенном и растительном покровах, техногенной составляющей природно-техногенной экосистемы, возникающей при вскрытии и эксплуатации месторождений (подземные и поверхностные воды, почвы, отвалы, хвосты, пыль и другие депонирующие среды). Среди опубликованных работ по данному направлению известны монография Э.Ф. Емлина «Техногенез колчеданных месторождений Урала» (г. Свердловск, 1991 г.), книга В.В. Гавриленко «Экологическая минералогия и геохимия месторождений полезных ископаемых» (г. Санкт-Петербург, 1993 г.), докторские диссертации Л.П. Рих- ванова «Радиогсохимичсская типизация рудно-магматических образований Алгае-Саянской области» (г. Томск, 1999 г.), Е.Г. Язикова «Экогеохимия урбанизированных территорий юга Западной Сибири» (г. Томск, 2006 г.) и др.

К настоящему времени определен принципиальный подход к оценке экологически опасных очагов загрязнения в окружающей среде с позиций экологической минералогии. Как итог экоминералогических исследований в разных районах России, осуществляемых для решения разнообразных конкретных задач в связи с охраной окружающей среды, сформулировано основополагающее правило: реальная экологическая опасность очага химического загрязнения определяется не валовым содержанием токсиканта, а формой его нахождения.

На основе этого правила в ВИМСе разработана методика экологической оценки природных и техногенных очагов с потенциальными токсикантами, которая позволяет оценить реальную экологическую опасность, типизировать экологически опасные очаги и зоны, определить источник и природу «загрязнения», а в местах скученного размещения техногенных объектов указать на конкретного виновника загрязнения. На основе учета форм концентрации токсикантов можно прогнозировать эволюцию очагов загрязнения во времени и в пространстве и подбирать эффективные технологии их рекультивации. Соответствующие методические рекомендации (Методическая рекомендация № 117, НСОММИ, 1997 г.) составлены авторским коллективом ВИМСа (Р.В. Голева, И.И. Куприянова, Г.А. Сидоренко, В.Т. Дубинчук, В.В. Ко- ровушкин, Г.Н. Нечелюстов, В.В. Ружицкий, Н.Н. Гусева).

Методология минералогического изучения окружающей среды базируется на современных методах минералого-геохимического анализа, которые разработаны и применяются для оценки минерального сырья.

В январе 1996 г. в ИГЕМе прошла конференция «Минералогические исследования в решении экологических проблем». В 1998 г. вышел сборник трудов конференции под редакцией И.В. Мельникова. Труды конференции внесли значительный вклад в области экоминсралогиче- ских исследований. Они зафиксировали очередной этап и серьезно продвинули развитие экоминералогии как научного направления, а также отразили новые сферы её практического применения. В статье Н.П. Ла- верова, Б.И. Омельяненко, С.В. Юдинцева и Б.С. Никонова (ИГЕМ) сформулированы задачи минералогических исследований в связи с важнейшей проблемой захоронения радиоактивных отходов.

Экологическая минералогия востребована для создания новых технологий по целенаправленному формированию техногенных месторождений (К.Н. Трубецкой, А.Е. Воробьев, 1999 г.).

Десятилетний период разноплановых исследований в области экологической минералогии завершает и в какой-то степени подводит итоги Годичное собрание Всероссийского минералогического общества, проходившее в Москве в мае 2002 г.: «Роль минералогических исследований в решении экологических проблем (теория, практика, перспективы развития)».

Существует смежное направление экологической минералогии - минералогия техногенеза или минералогия техносферы, которое тоже важно и необходимо, но, отнюдь, не дублирует экологическую минералогию. Минералогия техногенсза, так же как и классическая минералогия, занимается изучением свойств и состава минералов, выявлением условий (причин) их образования, вскрытием механизмов зарождения, роста и разрушения минералов. Только предметом изучения являются минералы, образованные не в геологических процессах, а в результате техногенных преобразований земной поверхности (Гавриленко, 1997).

Многие минеральные новообразования, возникающие в техносфере, токсичны или входят в разряд носителей токсикантов. Эти минеральные формы - тоже предмет изучения этой ветви минералогических наук. В то же время изучение экологически опасных минеральных форм техносферы, как отмечалось выше, также входит в круг интересов экологической минералогии (Голева, 2007).

Направления исследований в минералогии техногенеза

  • 1. Результаты экспериментальных работ по деструкции сульфидов и арсенидов в сернокислой среде, а также во влажной среде, обогащенной кислородом (Л.К. Яхонтова, 1978; Э.Ф. Емлин, 1988; Е.П. Щербакова, 1999, и др.).
  • 2. Результаты экспериментов по уточнению электрохимического механизма окисления арсенидов, сульфидов и сульфоарсенидов, составление наиболее вероятных уравнений реакций их окисления в широком диапазоне pH, что позволило создать базу для более уверенного прогнозирования конкретного характера продуктов разложения минералов (Н.Г. Максимович, С.М. Блинов, Э.Е. Малеев, 1994; Л.К. Яхонтова, В.П. Зверева, 2000, и др.).
  • 3. Результаты исследования десгруктирования минералов (карбонаты, оксиды, силикаты, сульфиды) под воздействием микробиологической среды (Л.К. Яхонтова, 1983; Т.С. Чибрик, Ю.А Елькин, 1988; Л.К. Яхонтова, В.П. Зверева, 2000, и др.).
  • 4. Разработка учения о взаимодействиях в минеральных (в том числе биоминеральных) системах как фундаментальной основы исследования механизма деструкции минералов, а также концепции оксидизации Земли как главного геохимического и минералогического последствия технической деятельности человека (Б.В. Чесноков, 1995; С.С. Потапов, 1996; Л.К. Яхонтова, В.П. Зверева, 2000, и др.).
  • 5. Разработка концепции устойчивости минералов в аспекте различных типов взаимодействий в гипергенезе (техногенезе) (Э.Ф. Емлин, 1988; Л.К. Яхонтова, В.П. Зверева, 2000, и др.).
  • 6. Разработки в области рекультивации и переработки отходов горнодобывающих и горно-обогатительных предприятий (Е.Ф. Емлин, 1988; Н.И. Данилов, 1995; И.Я. Безруков, С.Э. Кляйн, С.С. Набойченко, 1997; Н.Н. Башкатов, М.Н. Кайбичева, 1999, и др.).
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >