Геохимическая деятельность человечества. техногенез

«Человек геохимически переделывает мир»

А.Е. Ферсман

Геохимическая деятельность человеческого общества является предметом особого исследования современной науки. Эти исследования ведутся на «грани есте­ственных наук, изучающих природу, и наук общественных, изучающих человеческое общество. В этом плане определён­ный интерес представляет опубликованный академий наук сбор­ник «Природа и общество».

Ю.П. Трусов в этом сборнике анализирует этапы взаимодействия человечества с природой, принципиально отличающиеся по геохимической результативности.

Первый этап начался с взаимодействия, принципиально не отличавшегося от взаимодействия других биологических объектов с природой. Это был этап непосредственного при­своения и употребления человеком готовых продуктов при­роды. Он принёс человечеству владение огнём и отбор ценных видов животных и растений.

Второй этап — допромышленный, характеризуется раз­витием сельского хозяйства и ремёсел на основе использо­вания мускульной силы человека и животных, а позднее — ветра и воды. Он охватывает всю древнюю и средневековую историю человечества. Важнейшим признаком этого этапа следует признать тот факт, что запасы и естественное вос­производство природных ресурсов в целом были бесконечно велики по сравнению с потреблением их обществом.

III		Современная цивилизация
II	Растениеводство
Животноводство
I	Охота и рыболовство
Первобытный человек
	Природа до человека

Рис. . Этапы воздействия человека на природу

Третий этап — промышленный, он приносит коренные изменения во взаимоотношения человечества и природы. Этот век начался с века пара и электричества и вырастает в эпоху атомной энергетики. Именно в этот период в полную силу проявляется общественный характер человече­ского труда. В распоряжении человечества появляется мощный инструмент воздействия на природу — промышленность. С этой поры начинается один из важнейших путей пре­образования биосферы — техногенез, то есть геохимическое преобразование биосферы под влиянием промышленной деятельности человечества. «Человечество, взятое в целом, становится мощной геологической силой», — утверждал В.И. Вернадский.

Самым существенным следствием такого положения становится тот факт, что природные ресурсы нашей плане­ты перестали быть бесконечными по сравнению с хозяйствен­ными потребностями общества. Техническая мощь человече­ства становится сравнимой с мощностью природных стихий нашей планеты (ветра, воды, природного теплового баланса).

Если раньше человечество существовало в рамках наперёд заданных естественных условий, то сейчас начина­ется процесс направленного преобразования природы, техни­ческого производства благоприятных для общества природ­ных условий.

Наконец, вершиной геохимической деятельности челове­чества в некотором смысле можно считать искусственное создание новых химических элементов, не существующих в природе (трансурановые элементы). Человеку становится тесно в рамках периодической системы естественных химических элементов!

Именно этим принципиально отличается деятельность человечества в едином геохимическом процессе, происходя­щем в биосфере. Поэтому В. И. Вернадский предложил вы­делить зону человеческой деятельности в особую зону — ноосферу (от греч. ноос — разум). Человек уже про­ник в космос, человек стремится познать глубины Земли. Для геохимической деятельности человечества нет принци­пиальных границ. Это положение Вернадский называ­ет законом расширения ноосферы.

Если биосфера — принципиально земная область, то, ноосфера есть область космическая, берущая лишь начало на Земле, распространяющая геохимические процессы до масштабов космохимических.

А.Е. Ферсман глубоко исследовал характер геохимической деятельности человечества. Он показал, что в процессе промышленной и сельскохозяйственной деятельности человече­ства участвуют грандиозные массы различных веществ. О размахе этого процесса дают представление цифры добычи химических элементов в виде полезных ископаемых за год (табл. ).

Элемент	Количество	Элемент	Количество
Углерод	С	109 тонн	Олово Хром Никель	Sn Cr Ni	по 105 тонн
Железо	Fe	108 тонн
Медь Свинец Цинк Алюминий Кальций Фосфор Калий Натрий Азот Сера	Cu Pb Zn Al Ca P K Na N S	по 106 тонн	Серебро Молибден Вольфрам Мышьяк Сурьма	Ag Mo W As Sb	по 104 тонн

За тысячелетнюю историю Англии из её копей извлече­но более 15 км³ вещества, а из каменоломен — 12 км³ камня. Для сравнения скажем, что это почти вдвое превышает годовой вынос в океан взвешенных и растворённых веществ всеми реками мира.

Интенсивность роста добычи отдельных химических элементов тоже весьма показательна. Добыча Al, Сu, Mo, W, К, Не за сто­летие выросла в 200-1000 раз, Fe, С, Mn, Ni – в 50-60 раз. Медленнее росла добыча Zn, Pb, Na, Cl, N, P, Au, S (в виде FeS₂) — в 18-40 раз. Задержанный рост добычи наблюдается в настоящее время для Ag, Sn, Со, Hg, S (свободная).

Природные процессы и техногенез могут идти либо в одном направлении, либо противодействовать друг другу. Так, например, и в природных процессах, и в технической деятельности человека рассеянию подвергаются бор B, угле­род C, кислород O, фтор F, натрий Na, магний Mg, зато платина Pt концент­рируется и в природе, и человеком. Литий Li, титан Ti, железо Fe, кобальт Co, никель Ni, хром Cr рассеивается в природе, но человеком временно концентрируется с последующим рассеиванием. Для таких элементов, как Не, AI, Ag, Au в природе харак­терно рассеяние, а в техногенезе — отчётливо проявляется тенденция к их концентрированию. Водород, рассеиваемый че­ловеком, вновь концентрируется природой. В целом для техногенеза более характерны рассеивающие процессы.

Рост добычи химических элементов приводит к тому, что человеку приходится извлекать их из более бедных руд, так как богатые руды постепенно расходуются. А.Е. Ферсман считает, что когда человечество израсходует богатые место­рождения, оно перейдёт к комплексному использованию горных пород, то есть к добыче химических элементов, содержащихся в горных по­родах в кларковых отношениях. При этом должна неизме­римо вырасти роль таких элементов, как кремний Si и алюми­ний Al, отличающихся высокими кларками (29,5 и 8,05 %).

Анализ процессов, происходящих в ноосфере, привёл В.И. Вернадского к выводу о том, что биогенная миграция химических элементов в биосфере стремится к максимально­му своему проявлению. Распространяя эту мысль на эволюцию живой материи, Вернадский считает, что эволю­ция эта должна идти в направлении создания таких живых форм, которые бы увеличивали биогенную миграцию атомов в биосфере.

Учение о техногенезе является одним из самых молодых разделов геохимии. Промышленная и сельскохозяйственная деятельность людей существенным образом нарушает уста­новившееся на протяжении геологических эпох распределе­ние химических элементов. Тем самым к жизни вызываются не только полезные для человечества, но подчас и весьма опасные последствия. Осушение болот приводит к изменению миграции железа Fe и фосфора P потере структуры и плодородия некоторых участков почв. Закачка воды в нефтеносные пласты приводит к попаданию в них бактерий, в результате жизнедеятельности которых резко возрастает содержание серы S и сероводорода H₂S в нефти и горючем (углеводородном) газе. Загрязнение водного и воздушного бассейна отходами различных производств приводит к гибели огромного числа растительных и животных организмов.

К. Маркс писал: «Культура — если она развивается стихийно, а не направляется сознательно,… оставляет после себя пустыню...». Эти же слова в полной мере справедливы и по отношению к стихийно развивающейся технике.

Именно поэтому значительные регламенты на геохими­ческую деятельность человека должен накладывать Закон об охране природы, призванный не допускать действий, при­водящих к губительным для флоры[24], фауны[25] и самого человека последствиям. Одна из задач геохимической науки — предвидение и предупреждение таких нежелательных геохи­мических процессов.

Бережное отношение к природе, научно обоснованные методы использования её богатств не противоречат общему ходу естествен­ных геохимических процессов, а опираются на них, регулируют их, делая их наиболее целесообразными и рациональными. В.И. Вернадский утверждал: «...важен для нас факт, что идеалы нашей демократии идут в унисон со стихийным геологическим процессом, с законами природы, отвечают ноосфере. Можно поэтому смотреть на наше буду­щее уверенно. Оно в наших руках. Мы его не выпустим».

Список литературы

1. Перельман А.И. Геохимия. М.: Высшая школа, 1979. – 527 с.

2. Барабанов В.Ф. Геохимия. Л: Недра, 1985. – 423 с.

3. Бранлоу А.Х. Геохимия. М: Мир, 1985. – 463 с.

4. Войткевич Г.В., Закруткин В.В. Основы геохимии. – М.: Высшая

школа, 1976. – 367 с.

5. Сауков А.А. Геохимия. – М.: 1975. – 480 с.

6. Щербина В.В. Основы геохимии. – М.: Недра, 1972. – 296 с.

7. Гаврусевич Б.А. Основы общей геохимии. М: Недра, 1968. – 328 с.

8.

9.

10. Рябухин Ю.И., Медовикова Ю.Е. Геохимия изотопов: Учебно-

справочное пособие. – Астрахан. гос. техн. ун-т. – Астрахань,

2015. – 44 с.

11. Сборник задач и упражнений по геохимии / Н.П. Огородникова, Ю.И.

Рябухин /Астрахан. гос. техн. ун-т. – Астрахань, 2013. – 96 с.

12. Основные минералы, руды и горные породы: Справочник / Ю.И.

Рябухин, Н.П. Огородникова /Астрахан. гос. техн. ун-т. – Астрахань,

2008. – 28 с.

13. Геохимический словарь / Ю.И. Рябухин, Н.П. Огородникова /

Астрахан. гос. техн. ун-т. – Астрахань, 2008. – 207 с.

Оглавление

1. ГЕОХИМИЯ КАК НАУКА. ПРЕДМЕТ И МЕТОД ГЕОХИМИИ.. 2

2. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ГЕОХИМИИ.. 6

3. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЗЕМЛИ.. 7

3.1. Химический состав атмосферы.. 13

3.2. Химический состав гидросферы.. 15

3.3. Химический состав литосферы.. 17

3.4. Минералы, наиболее распространённые в земной коре. 20

3.5. Возможные формы существования материи в глубинных слоях Земли 20

4. СВЯЗЬ РАСПРОСТРАНЁННОСТИ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ С ПОЛОЖЕНИЕМ ИХ В ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ И УСТОЙЧИВОСТЬ АТОМОВ ЭЛЕМЕНТОВ.. 24

4.1. Правила (законы) геохимии. 24

4.2. Периодический закон и правило радиоактивного сдвига. 27

4.3. Первичные атомные кларки. 30

5. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ, СОЧЕТАНИЕ И МИГРАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ЗЕМНОЙ КОРЕ 30

6. БИОСФЕРА И РОЛЬ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ В ГЕОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ 43

7. ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ЧЕЛОВЕЧЕСТВА. ТЕХНОГЕНЕЗ 49

Список литературы.. 54

Приложение. 59

Приложение[26]

1. Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева

2.

3.

4. Растворимость кислот, солей и оснований в воде

5. Геохронологическая шкала

Учебное издание

Геохимия

Конспект лекций

Рябухин Юрий Иванович – доктор химических наук, Соросовский профессор, Почётный работник высшего профес-сионального образования РФ, автор трёх учебных пособий, справочника и словаря по геохимии.

АГТУ. Усл. п. л. Тираж 50 экз. Заказ № 2016.

Для заметок

[1] Владимир Иванович Вернадский – основоположник комплекса современных наук о земле – геохимии, биогеохимии, радиологии, гидрогеологии и др. Создатель многих научных школ. Академик Петербургской АН (1912), РАН (1917), АН СССР (1925), первый президент АН Украины (с 1919).

[2]История, от греч. historia – рассказ о прошлых событиях, повествование о том, что узнано, исследовано. 1. Процесс развития в природе и обществе. 2. Наука о развитии какой-нибудь области природы, знания.

[3]Би́блия (греч. biblia, мн. ч. от biblion – книга, от греч. bibloc – папирус, который производился в городе Библ) – священная книга христианства, содержащая изложение догм и положений иудейской и христианской религий (пишется с прописной буквы).

[4] Физика (от греч. physis – природа) – одна из основных областей естествознания – наука о свойствах и строении материи, о формах её движения, об общих закономерностях явлений природы.

[5] Термодинамика (от греч. therme – жар, тепло и dynamikos – относящийся к силе, сильный) – раздел физики, изучающий закономерности теплового движения и его влияние на свойства физических тел.

[6] Портреты этих и других учёных, упоминающихся в этом конспекте лекций, с краткой справкой об их деятельности см. в справочном пособии Ю.И. Рябухина "История геохимии" (2016).

[7] Тит Лукреций Кар – римский поэт и философ 1 в до н. э. Его дидактическая поэма "О природе вещей" – единственное полностью сохранившееся систематическое изложение материалистической философии древности; популяризует учение Эпикура – древне-греческого философа (341-270 гг. до н. э.).

[8] Ширшов Пётр Петрович – гидробиолог и полярный исследователь, первый директор Института океанологии АН СССР (ныне РАН); ранее был министром военно-морского флота СССР.

[9] Минералы, от франц. mineral – руда.

[10] Материя (от лат. mater rerum – мать вещей и materia – вещество) – философская категория– объективная реальность, существующая вне и независимо от человеческого сознания и отображаемая им.

[11] Изобары (от греч. isos – равный, одинаковый и baros - тяжесть) – атомы, имеющие одинаковые массовые числа, но разное число протонов в ядре (например, и ).

[12] Дарвинизм – теория эволюции (исторического развития) органического мира Земли, основанная на воззрениях английского естествоиспытателя Чарльза Дарвина (1809-1882).

[13] См. приложение 1.

[14] Редкоземельные элементы (редкоземельные металлы) [oбозначаются: РЗЭ, РЗМ и ТR (от лат. tеrrа – земля, rаrа – редкий)] – семейство из 17 химических элементов побочной подгруппы III группы периодической системы: скандий Sс, иттрий Y, лантан Lа и лантаниды (от Се до Lu). Подразделяются на иттриевую (Y, La, Gd – Lu) и цериевую (Ce – Eu) подгруппы. Элементы Ce – Eu называют лёгкими, а Gd – Lu – тяжёлыми лантанидами. Лантан иногда рассматривают отдельно от лантанидов, а скандий – от РЗЭ.

Распространены эти элементы в земной коре сравнительно редко, образуют тугоплавкие нерастворимые в воде оксиды (по старинной терминологии – ″земли″) – отсюда название. РЗЭ представляет собой серебристые металлы, тускнеющие на воздухе из-за образования оксидной плёнки. Химически активны. Чрезвычайно рассеяны, характерная их особенность – совместное присутствие в природе и близость химических свойств. Например, минерал монаций – источник редкоземельных элементов цериевой подгруппы и тория.

[15] Происходит от немецкого термина verwitterung, в свою очередь взятого от английского термина weathering. Оба термина образованы от слова «погода» (weather, Wetter) и в точном переводе означают «изменение под действием погоды». Таким образом, их русский эквивалент «выветривание» неправильно передаёт смысл понятия, поскольку речь идёт о процессе, не имеющим прямого отношения к деятельности ветра.

[16] Сталактиты (от греч. stalaktos – натёкший по капле) – натёчные минеральные образования (чаще известковые), свешивающиеся в виде сосулек, бахромы и т. п. с потолка и верхней части стен пещер и других полостей в карсте.

[17] Сталагмиты (от греч. stalagma – капля) – натёчные минеральные образования (чаще известковые) в виде конусов, столбов, растущих с пола пещер и других подземных полостей в карсте навстречу сталактитам и нередко сливающиеся с ними.

[18] Сталагнаты (сталактоны) – натёчные минеральные образования в виде колонн, возникающие в карстовых пещерах при соединении сталактитов и сталагмитов.

[19] Мутабильный, от mutatio – изменение, перемена.

[20] В 1892 г. за научные заслуги У. Томсон получил дворянский титул барона, лорда Кельвина (Kelvin).

[21] В уравнении химической реакции – основы фотосинтеза на первый взгляд допущена неточность. Слева изображено 12 молекул воды, а справа 6. Можно просто-напросто сократить левую и правую части на 6 H₂O. Это было бы верно, если бы такая реакция проходила в живой клетке в одну стадию. Но атомы водорода со своими электронами переносятся к углекислому газу через длинную цепочку посредников. При получении одной молекулы глюкозы в клетке сначала разлагается 12 молекул воды, а потом вновь образуется 6 молекул.

[22] Каламин (гемиморфит) – минерал класса островных силикатов – Zn₄[Si₂O₇][OH]₂·H₂O. Образуется в зоне окисления цинково-рудных месторождений. Руда цинка.

[23] Асцидии (от греч. askidion – мешочек) – класс морских хордовых животных подтипа оболочников, тело которых одето особой оболочкой.

[24] Флора (лат. Флора – имя древнеримской богини цветов и весны) – совокупность всех видов растений какой-нибудь местности или периода в истории Земли. (Например, тропическая флора, флора мезозойской эры.)

[25] Фауна (лат. Fauna – имя жены Фавна, покровителя полей и лесов) – исторически сложившаяся совокупность каких-нибудь видов животных, той или иной территории или какого-нибудь периода в истории Земли. (Например, речная фауна, фауна средней полосы России, кембрийская фауна).

[26] Таблицы 1,2 даны в редакции профессора Рябухина Ю.И.