Экологическая геология: опасные элементы, минералы и их воздействие на здоровье человека

Экологическая геология представляет собой прикладную междисциплинарную науку, направленную на описание и понимание взаимодействия человека с природными геологическими системами. Данная область охватывает науку о земной системе, в которой взаимодействуют различные подсистемы литосферы, биосферы, гидросферы и атмосферы, причем изменения в одной системе непосредственно влияют на другие. Экологическая геология включает изучение гидрологических систем и того, как использование водных ресурсов человеком воздействует на эти системы, а также исследование природных ресурсов, таких как нефть и другие углеводороды, и того, как их эксплуатация влияет на природную среду. Многие приложения экологической геологии связаны с идентификацией и смягчением последствий опасных природных явлений, включая наводнения, землетрясения, извержения вулканов, цунами, оползни и опасные прибрежные процессы.

В иных контекстах эта область считается более ограниченной, фокусируясь на экологических проблемах, возникающих из-за специфических геологических материалов, таких как радон, загрязнители подземных вод, асбест и свинец. Настоящее обсуждение посвящено именно этим аспектам экологической геологии — изучению процессов, приводящих к концентрации опасных элементов в почвах, а также путей миграции этих элементов в жилые помещения и организм человека, что в конечном итоге наносит вред отдельным индивидам и целым популяциям.

Опасные элементы, минералы и материалы. Среди более чем 100 природных элементов многие в высоких дозах токсичны для человека, причем некоторые из них содержатся в почве в высоких концентрациях. Одни и те же элементы могут быть полезны или даже необходимы в малых, разбавленных дозах, тогда как в промежуточных концентрациях они практически не представляют опасности. Большинство элементов оказывают сходное токсическое воздействие на человека, хотя не все они токсичны в высоких дозах. Понимание влияния микроэлементов, содержащихся в окружающей среде, на здоровье человека составляет область медицинской геологии — быстро развивающейся междисциплинарной области. Природные процессы во многих местах концентрируют в почвах потенциально опасные геологические материалы, а опасность для здоровья в значительной степени зависит от того, как люди взаимодействуют с окружающей средой, что существенно различается в разных культурах.

Примитивные культуры, живущие за счет земли, более подвержены опасностям, связанным с загрязненной или некачественной водой, токсичными элементами в растениях, собранных с загрязненных почв, и болезнями, передаваемыми насекомыми и животными в антисанитарной среде. Напротив, более развитые общества с большей вероятностью сталкиваются с загрязнением воздуха, различными видами загрязнения воды и загрязнением помещений, например, воздействием радона. Некоторые заболевания являются следствием сложных взаимодействий между людьми, насекомыми, животными, климатом и естественной концентрацией определенных элементов в окружающей среде. Например, улитки — переносчики шистосомоза — в изобилии встречаются в некоторых частях Африки и Азии, где природные воды богаты кальцием, получаемым из почв, но в аналогичных климатических условиях Южной Америки это заболевание встречается редко, поскольку тамошние воды бедны кальцием, необходимым улиткам для построения раковин.

Все формы жизни состоят из основных элементов, включая водород, углерод, азот, кислород, фосфор, серу, хлор, натрий, магний, калий и кальций. Другие элементы играют жизненно важную роль в регуляции функционирования тканей и органов. К микроэлементам, присутствующим в организме человека в очень малых количествах, относятся фтор, хром, марганец, железо, кобальт, медь, цинк, селен, молибден и йод, которые известны как необходимые для жизнедеятельности. Другие элементы, такие как никель, мышьяк, алюминий и барий, накапливаются в тканях с возрастом, хотя их функция и то, являются ли они полезными или вредными, остается неопределенной. Распределение элементов в природной среде является сложным и может изменяться под действием множества различных процессов.

Геологические процессы, такие как вулканизм, могут приводить к концентрации определенных элементов в некоторых местах до уровня рудных месторождений или до вредных для здоровья концентраций. При выветривании магматических пород концентрация определенных элементов в почвенном горизонте может увеличиваться или уменьшаться в зависимости от элемента, климата и других факторов. Впоследствии биологические процессы могут способствовать дальнейшей концентрации элементов. В совокупности выщелачивание и накопление в процессе почвообразования, биологическое обогащение и многие другие процессы могут приводить к концентрации или рассеиванию элементов, вредных для человека. Некоторые минералы становятся опасными при воздействии на них в природной среде или при добыче во время горных работ. В частности, селен, асбест, диоксид кремния, угольная пыль и свинец могут быть вредны при вдыхании или в высоких концентрациях в окружающей среде.

Йод. Йод встречается в природе в геологической среде и выделяется из горных пород в результате выветривания. Он легко растворим в воде, поэтому большая часть йода попадает в море после вымывания из коренных пород или почвы. Дефицит йода в организме может привести к ряду неблагоприятных последствий для здоровья, включая заболевания щитовидной железы и зоб. Существует тесная взаимосвязь между географией распространения заболеваний щитовидной железы и дефицитом йода в окружающей среде. Почвы большей части северной части Соединенных Штатов содержат мало йода, и именно в этом регионе происходит большинство случаев заболеваний щитовидной железы в стране.

Селен. Селен относится к числу наиболее токсичных элементов, известных в окружающей среде. Как и большинство других элементов, селен необходим в небольших концентрациях (от 0,04 до 0,1 частей на миллион) для нормальных биологических функций, но любая большая концентрация становится токсичной. Селен образуется естественным путем в результате вулканической активности и обычно выбрасывается в виде мелких частиц, которые выпадают вблизи вулканов, что приводит к повышению концентрации вблизи жерл. Содержание селена в природных почвах колеблется от 0,1 частей на миллион до более чем 12 000 частей в почвах, богатых органикой. Селен присутствует в нерастворимой форме в кислых почвах и в растворимой форме в щелочных почвах.

Биологическая активность также способствует концентрации селена, поскольку некоторые растения поглощают растворимый селен и концентрируют его в своих структурах. Концентрация селена в тканях человека примерно в 1000 раз превышает фоновый уровень в пресноводных водоемах и в 2000 раз — в морской рыбе. Концентрация селена в биологическом материале сохранялась на протяжении геологического времени; следовательно, многие виды угля и ископаемого топлива также богаты селеном. При сжигании угля в атмосферу выбрасывается большое количество селена, который затем выпадает с дождем на ландшафт.

Асбест. Асбест широко использовался в качестве антипирена в зданиях вплоть до середины 1970-х годов и присутствовал в миллионах зданий в Соединенных Штатах. Он также применялся в производстве виниловых напольных покрытий, потолочной плитки и кровельных материалов. В строительстве новых зданий асбест больше не используется, поскольку ученые обнаружили, что он может вызывать определенные заболевания, в том числе асбестоз (пневмокониоз) — хроническое заболевание легких. Частицы асбеста оседают в легких, и легочная ткань вокруг них затвердевает, уменьшая объем легких, что заставляет сердце работать интенсивнее и может привести к сердечной недостаточности и смерти. Практически все случаи смерти от асбестоза объясняются длительным воздействием асбестовой пыли на рабочем месте до введения экологических норм.

Менее распространенным заболеванием, связанным с асбестом, является мезотелиома — редкий вид рака легких и слизистой оболочки желудка. Асбест стал одним из самых опасных производственных факторов в истории США; на очистку помещений в школах, офисах, домах и других зданиях тратятся миллиарды долларов. В настоящее время в США на удаление асбеста ежегодно расходуется около 3 миллиардов долларов, и многие старые здания все еще содержат значительное количество асбеста в изоляции, панелях и других строительных материалах. На самом деле асбест — это группа из шести родственных минералов, обладающих сходными физическими и химическими свойствами, включающая минералы из групп амфиболов и серпентинов, которые имеют длинную игольчатую форму, позволяющую им легко оседать в легких.

Управление по безопасности и гигиене труда (OSHA) определило асбест как материал длиной более 5 микрометров с отношением длины к ширине не менее 3:1. Минералами группы амфиболов, включенными в это определение, являются грюнерит (амозит), рейбекит (крокидолит), антофиллит, тремолит и актинолит, тогда как минералом группы серпентина является хризотил. Почти весь асбест, используемый в США, состоит из хризотила (белого асбеста), при этом примерно по 5% приходится на крокидолит (голубой асбест) и амозит (коричневый асбест). В настоящее время геологи, политики и представители здравоохранения активно обсуждают относительную угрозу от различных видов асбеста.

В 1972 году OSHA и правительство США начали регулировать допустимые уровни содержания асбестовых волокон на рабочих местах. Агентство по охране окружающей среды (EPA) объявило асбест канцерогеном класса А и разработало Закон об экстренном реагировании на опасность асбеста (подписан президентом Рейганом в 1986 году). В 1992 году EPA постепенно снизило допустимые пределы с предварительно установленной оценки более 4000 волокон на кубический дюйм до четырех частиц на кубический дюйм. Реагируя на опасения общественности, Конгресс принял закон, требующий удаления всех заметно ухудшающихся материалов, содержащих асбест, и замены их безопасными. Это привело к тратам миллиардов долларов, которые во многих случаях могли оказаться ненужными, поскольку асбест вреден только в виде частиц, находящихся в воздухе, и только длительное воздействие высоких концентраций приводит к заболеваниям. В некоторых случаях удаление асбеста делало воздух в помещениях более опасным, чем до удаления, так как в процессе множество мелких частиц попадало в воздух и оседало в виде пыли по всему зданию.

Попадание асбестовых волокон в окружающую среду привело к серьезным экологическим катастрофам, поскольку на ранних этапах добычи до конца 1960-х годов опасности не учитывались. Один из самых серьезных случаев произошел в Виттенуме, Австралия, где крокидолит добывался в течение 23 лет (1943–1966) в основном без регулирования. Воздух шахты и города был наполнен асбестовой пылью, и 20 000 жителей ежедневно вдыхали волокна в высоких концентрациях. С тех пор более 10 процентов (2300 человек) жителей Виттенума умерли от асбестоза, и австралийское правительство осудило город и закапывает асбест в глубокие ямы для устранения опасности. В США компания W. R. Grace and Company из Либби, штат Монтана, в результате добычи вермикулита (1963–1990) заразила сотни людей заболеваниями, связанными с асбестом, поскольку вермикулит был смешан с разновидностью асбеста — тремолитом.

В 1990 году EPA провело тестирование жителей Либби и обнаружило, что у 18% из них, проживших там не менее шести месяцев, были различные стадии асбестоза, а у 49% работников шахты W. R. Grace также был асбестоз. Шахта была закрыта, и Либби теперь является объектом Superfund — территории, где, по мнению EPA, были сброшены токсичные отходы, требующие очистки. Проблема касалась не только Либби: от асбестоза умерли 24 рабочих на перерабатывающем заводе в Миннеаполисе, а также один житель, живший неподалеку от завода.

Кремнезем и угольная пыль. Другие минералы могут стать опасными, если они превращаются в мелкие частицы, оседающие в легких. Как и в случае с асбестом, при добыче кремнезема и угля в воздух выбрасывается большое количество частиц пыли — кварцевой пыли и угольной пыли соответственно. Кварцевая пыль обычно образуется при бурении горных пород и пескоструйной обработке. Мелчайшие частицы могут проникать глубоко в легкие и застревать в альвеолах (воздушных мешочках), где они причиняют большой вред. Легкие реагируют образованием фиброзных узелков и рубцовой ткани вокруг захваченных частиц, что снижает объем легких при заболевании, называемом силикозом. Это заболевание легко предотвратить, надевая респираторную маску, хотя такая практика остается редкостью.

Угольная пыль представляет собой долгосрочную проблему для здоровья в США и других странах, поскольку шахтеры, работающие под землей, подвергаются высокому риску развития заболеваний, включая хронический бронхит и эмфизему, известных под общим названием «черная болезнь легких» (антракоз). Чем дольше шахтер работает под землей, тем выше риск: менее 10 лет работы дают примерно 10-процентную вероятность развития симптомов, тогда как более 40 лет работы под землей повышают риск до 60 процентов.

Свинец. Свинец — это металлосодержащий элемент, используемый в основном для изготовления труб, припоя, аккумуляторов, пуль, пигментов, радиозащитных экранов и колесных гирь. Известно, что свинец представляет опасность для окружающей среды, и его попадание в организм в больших количествах может привести к проблемам с развитием у детей, включая задержку развития, повреждения головного мозга и врожденные дефекты, а также к почечной недостаточности, рассеянному склерозу и раку мозга. Некоторые исследователи предполагают, что падение Римской империи было частично вызвано отравлением свинцом: римляне пили вино, в котором свинец концентрировался на нескольких этапах виноделия, а представители высшего общества пили из свинцовых чаш и получали воду по свинцовым трубам. Высокое содержание свинца обнаружено в останках эксгумированных римских граждан, а в ледяных кернах из Гренландии, относящихся к периоду Римской империи (500 г. до н.э. – 300 г. н.э.), содержание свинца примерно в четыре раза превышает норму.

Свинец присутствует в природе в нескольких формах; галенит — наиболее распространенный рудный минерал, образующий блестящие кубики серебристо-свинцового цвета. Свинец, как правило, не опасен в своей природной минеральной форме, но становится опасным при добыче, выбросе из плавильных цехов в виде твердых частиц, выщелачивании из труб или другого оборудования, а также при попадании в воздух с выхлопными газами автомобилей. Эти процессы могут привести к высокой концентрации свинца в почве, ручьях и реках, откуда он поглощается растениями или водными организмами и попадает в пищевую цепочку. Свинцовая краска также представляет значительную опасность для многих домов в США, поскольку до 1970-х годов свинец использовался в качестве добавки к краске. Во многих старых домах краска отслаивается и попадает в организм младенцев, а краска на оконных рамах превращается в пыль, переносимую по воздуху при открывании и закрывании окон.

Крупнейший свинцовоплавильный завод в США, расположенный в Геркулануме, штат Миссури, является примером наследия добычи свинца. Городской металлургический завод выбрасывает в атмосферу 34 тонны свинца в год (по сравнению с 800 тоннами поколение назад), включая мелкозернистую свинцовую пыль, которая дождем сыплется на местное население. В уличной грязи обнаружено 30-процентное содержание свинца. Знаки на улицах предупреждают детей не играть на улицах, бордюрах или тротуарах. Власти штата Миссури заменили почву на 535 объектах, загрязненных свинцом. В 2001 году у четверти всех детей в городе был положительный результат теста на отравление свинцом. В январе 2002 года EPA начало масштабную программу переселения, в ходе которой 100 семей с маленькими детьми и беременными женщинами были переселены в более безопасные места.

Радон. Во многих домах в США накапливается радон — ядовитый газ и побочный продукт радиоактивного распада урана. Радон, тяжелый газ, имеет тенденцию накапливаться в плохо проветриваемых подвалах и хорошо изолированных домах, построенных на определенных типах почвы или коренных породах, богатых урановыми минералами. Радон вызывает рак легких; поскольку он не имеет запаха и цвета, он может годами оставаться незамеченным. Однако опасность воздействия радона легко снизить, и дома можно сделать безопасными после выявления проблемы. Уран радиоактивен и самопроизвольно распадается на более легкие дочерние элементы с предсказуемой скоростью — периодом полураспада. Для урана общий период полураспада составляет 4,4 миллиарда лет. В ходе распада образуются промежуточные дочерние продукты, включая радий (период полураспада 1620 лет), который распадается с образованием тяжелого газа радона.

Радон — радиоактивный газ с периодом полураспада 3,8 дня, распадающийся на дочерние продукты полоний, висмут и свинец. Если этот распад происходит в легких человека, твердые побочные продукты оседают в легочной ткани, вызывая повреждение. Большинство рисков для здоровья, связанных с радоном, обусловлены полонием, который легко оседает в легочной ткани; его распад и выброс высокоэнергетических частиц могут повредить легочную ткань, что в конечном итоге приводит к раку легких. Концентрация радона сильно варьируется в разных географических регионах и на разных уровнях в почве, домах и атмосфере. Радиоактивность измеряется в пикокюри (pCi); один пикокюри приблизительно равен количеству излучения при распаде двух атомов в минуту.

В почвенных газах типичные уровни радона составляют от 20 до 100 000 pCi/л (в большинстве почв США — 200–2000 pCi/л). Радон может растворяться в грунтовых водах (100–2 млн pCi/л). Содержание радона в наружном воздухе обычно составляет 0,1–20 pCi/л, а в жилых помещениях — 1–3 000 pCi/л (обычно около 0,2 pCi/л). Основной переменной, определяющей концентрацию радона, является начальная концентрация урана в подстилающих породах и почве. Большинство природных геологических материалов содержат 1–3 ppm урана, но в некоторых породах (граниты, риолиты, фосфатные осадочные породы) концентрация достигает 100 ppm и выше.

Образование радона происходит при распаде радия, который выбрасывает альфа-частицу из своего ядра. Если распад происходит вблизи поверхности минерала, ядро радона получает отдачу и может вырваться из минерала, после чего газ свободно перемещается в межкристаллитном пространстве или поглощается грунтовыми водами. Менее половины (10–50%) образующегося радона покидает минерал-хозяин. Скорость перемещения радона зависит от пористости и проницаемости почвы: в песке и гравии радон проникает быстро, в глине — очень медленно, но через трещины он перемещается быстро. Дома на сухих проницаемых почвах могут быстро накапливать радон, тогда как на непроницаемых почвах концентрация вряд ли превысит фоновый уровень.

Радон проникает в дома через трещины в бетоне, швы, пространства вокруг труб и отстойников. В большинстве современных домов менее 1% воздуха поступает из почвы, но в старых домах с потрескавшимися фундаментами эта доля может достигать 20%. Радон также может поступать через грунтовые воды: дома, использующие колодезную воду, могут получать воду с высокой концентрацией растворенного радона, который выделяется при принятии душа, мытье посуды или открытии кранов. Муниципальные источники водоснабжения в небольших городах также могут быть источниками радона, тогда как крупные города используют поверхностные водохранилища, где радон успевает выделиться до подачи воды.

Картирование радоновой опасности проводится в различных масштабах. Региональные геологические карты (доступны через Геологическую службу США и государственные геологические службы) позволяют выявить районы с породами, потенциально богатыми ураном. Министерство энергетики США подготовило карты радиоактивности поверхности с помощью авиационной съемки. На местном уровне геологи и экологи могут измерять уровень радона в почве, закладывая трубы в грунт и отбирая почвенный воздух. Для домовладельцев доступны коммерческие устройства для измерения концентрации радона; такие измерения стали стандартной частью сделок с недвижимостью. Устранение проблем с радоном относительно просто и недорого (обычно менее 1000 долларов за среднестатистический дом) — инженеры проектируют и монтируют системы вентиляции, удаляющие вредный газ.

Резюме. Почвообразование включает разрушение твердой породы и удаление растворимых компонентов, оставляя остаточный материал, что концентрирует определенные элементы, некоторые из которых могут быть вредны для здоровья человека. К наиболее опасным элементам, часто встречающимся в почвах, относятся селен, мышьяк, радон и свинец, тогда как на шахтах работники могут подвергаться воздействию угольной пыли, кремнеземной пыли и асбестовых волокон. Различные заболевания и недомогания во всем мире, особенно среди более бедных слоев населения, вызываются воздействием опасных элементов, содержащихся в почве, или их попаданием в организм. Тщательный мониторинг концентраций этих элементов в развитых странах, таких как Соединенные Штаты, значительно снизил угрозу для здоровья, которую они представляют.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Тимоти Куски

Источник: Энциклопедия наук о Земле и космосе

Данные публикации будут полезны студентам и аспирантам естественнонаучных направлений (геологии, географии, геофизики, астрофизики и космологии), начинающим специалистам в области структурной геологии, тектоники, космологии и астрофизики, а также всем, кто интересуется фундаментальными загадками устройства Вселенной и процессами формирования Земли.