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.

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. Рихванова «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. Коровушкин, 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 экоминсралогических 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. Лаверова, 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.).