Кальций в воздухе, воде, техногенезе

11.01.2017

В атмосферном воздухе среднее содержание Ca над Южным полюсом — 0,5 нг/м3, над океанами 0,44 мкг/м3, в крупных городах зарубежья ~600 нг/м3, Сибири — 400 нг/м3; в океаническом аэрозоле 2,9%, что близко к содержанию Mg. В дождевой воде его содержание оценивается (мг/л): около океана 0,4; в 2 км от океана 6,5, в 660 км —3,8, 1050 км — 2,2.
В атмосферном воздухе фоновых территорий страны, по А.А. Волох, содержание Ca следующее (нг/м3): Восточная Сибирь 400, Московская обл. (оз. Глубокое) 650, Крым (зал. Голубой) 640.
Средний модуль выпадения кальция с атмосферными осадками для России 1,37 т/км2 в год (максимальный в районах недостаточного увлажнения 2,2 и сухих 3,6; общий гидрохимический сток 81*10в6 т/год, распределяется по отдельным морям и территориям: северо-западные —10, северо-восточные ~36, восточные 6,6, южные 36,7, Аральское море и бессточные районы Средней Азии и Казахстана 7,1. Баланс превышения выноса над поступлением 51,6*10в6 т/год, Kм = 2,8.
В гидросфере Ca является легко подвижным элементом со средним содержанием в океанической воде 4,13*10в-2 %, в речной 1,5*10в-3 %. Содержание Ca в водах регулируется в основном ее соленостью, температурой и концентрацией CO2 — при уменьшении последней оно снижается за счет образования CaCO3. Время пребывания Ca в океанической гидросфере (8*10в6 млн лет) самое короткое среди главных катионов. Поверхностные воды при равновесии с атмосферным CO2 могут иметь содержание Ca 20—30 мг/л, увеличивающееся до 40—50 мг/л при более высокой концентрации CO2. Например, в океанической воде на поверхности содержание Ca значительно выше, чем на глубине.
Содержание иона Ca2+ (%) в морской воде увеличивается по мере увеличения солености (%,): 0,118%—10%, 0,236—20, 0,354—30, 0,472—40; кроме Ca2+ в морской воде, по Э. Гольдбергу, присутствуют CaSO4 и Ca(HCO3)2. Самое высокое относительное содержание Ca (г/л) характерно, по П. Рилею, для поровых вод (до 5,7) по сравнению с морской водой (0,55) и иловой (0,52).
Геохимическая история Ca в морской воде связана с температурой t, pH и биосом. В высоких широтах при низких t и pH воды недосыщены Ca, a CaCO3 донных отложений растворяется, в экваториальной зоне (~30° с.ш. и ~30° ю.ш.) воды пересыщены CaCO3 и образуются кальцийсодержащие организмы.
Кальций является ведущим компонентом во всех гидрохимических типах природных вод гидрокарбонатных, сульфатных и хлоридных, среди которых выделяется кальциевая группа (см. табл. 10). Самое высокое его содержание характерно для кальциевого хлоридного типа глубинных рассолов (n*10 г/л), затем идут сульфатные воды (до 600 мг/л и более). Региональным широким распространением пользуются гидрокарбонатные кальциевые воды. Много Ca поступает в подземные воды не только за счет карбонатов CaCO3 (Пр 4,8*10в-9), но и за счет гипса (Пр 6,1*10в-5); при экспериментах в дистиллированной воде растворилось 6,9*10в-3 CaCO3, а самыми легкорастворимыми являются CaCl2 (745 г/л) и Ca(HCO3)2.
В реках содержание Ca (мг/л) колеблется в широких пределах — 6,2—186 в гидрокарбонатных водах (Канада и США 5—50; реки севера нашей страны 21±4,5) и 3—402 (х = 79,0±10) в сульфатных и гидрокарбонатно-сульфатных водах; концентрация Ca прямо коррелируется с количеством HCO3 и Cl-.
Озерные воды также постоянно содержат Ca (мг/л): пресные — от 2,0 до 54, х =19,4±8,9 (Россия, США, Европа, Австралия, Африка), Ca>Mg; соленые от следов до 2823 (южные засушливые районы многих стран).
Подземные воды имеют следующие средние концентрации Ca (мг/л): сульфатные и хлоридные соленые 938, пресные 95, гидрокарбонатно-кремнеземные 17,7.
Максимальные содержания некоторых металлов в подземных Ca углекислых водах следующие (мг/л): В 1200, Li 320, Rb 100, Cs 20, As 120, F 1000, Sb 10. ГЭ таких вод очень высок (>n*10в5).
Содержание Ca в подземных водах зоны гипергенеза, по А.И. Перельману, меняется в зависимости от ландшафтных условий (мг/л): среднее 43,9, воды областей континентального засоления 115, выщелачивания 26 (районы умеренного климата 37, горные 30, зоны мерзлоты 21, субтропики 17).
В целом для подземных вод, по С.Р. Крайнову, В.М. Швец, характерна зональность типов (по катионам и анионам), зависящая от состава вмещающих пород, в которой Ca занимает определенное место.
Техногеохимия Ca весьма многообразна, а его экология почти не изучена, как и техногенез (Н 10в8).
В техногенезе Ca занимает одно из ведущих мест по положительной роли в агропроизводстве — мелиорации. Кальцинирование (известкование и др.) почв снижает их кислотность, что особенно актуально при интенсивном техногенном воздействии для подзолистых, дерново-подзолистых и некоторых торфяных почв, а среди сельскохозяйственных культур — для пшеницы, ячменя, фасоли, кукурузы, люцерны, клевера, свеклы, капусты, огурцов, лука, чеснока, яблонь, вишни, смородины и др. Количество вносимой извести изменяется от 2 до 6 т/ra в зависимости от pH солевой почвенной вытяжки, механического состава почв и глубины внесения.
Являясь главным жизнегшо важным элементом, Ca обладает сильным воздействием на состояние всех экосистем. В воздухе рабочих помещений несколько его специфических соединений имеют I класс опасности, нормировано также содержание аэрозоля фосфорита — апатита (ПДКрз 6 мг/м3). Для некоторых соединений установлены ПДК атмосферного воздуха, а для нескольких соединений — ПДКв водоемов любого назначения (мг/л): цианамид Ca 1,0 (III класс), циклогексиламин карбонат 0,01 (II класс), фосфат кальция (по фосфору) 3,5 (IV класс). Ho главное значение имеет не столько избыток, сколько недостаток Ca, на что пока обращают внимание преимущественно в агрохимии.
Для биогеохимической оценки экологического состояния территорий используют в качестве дополнительных показателей отношения Са:Р и Ca:Sr; Са:Р 1) экологическое бедствие ≤0,1 или ≥10 в кормах; 2) чрезвычайная экоситуация 0,4—0,1 или 5—10; 3) относительно удовлетворительная обстановка 1—2; Ca:Sr 1) ≤1; 2) ≤10—1; 3) ≥100.
В промышленности большие количества Ca поступают в окружающую среду во всех добывающих его горных производствах, а также в многочисленных дробильных и перерабатывающих предприятиях, особенно стройматериалов, стройиндустрии, цементной, известковой, флюсовой, химической, стекольной, пищевой, керамической и многих других отраслей промышленности.
Специальное изучение токсичности избытка соединений Ca необходимо провести в условиях, когда он совмещен с фосфатной, борной и мышьяковой составляющими.
Значительную радиотоксичность и опасность могут представить ядерные выбросы 45Ca.
Выводы. Кальций — основной породо-, организмообразующий и жизнерегулирующий элемент и в то же время токсичный металл (Tл=1, Tа,г=10) повышенной геоэкофильности ГЭФг=40). Главное самостоятельное значение он имеет в осадочном карбонато-, фосфато-и гипсообразовании, отчасти в эндогенных пироксеновых, анортозитовых ультрабазит-базитовых комплексах, в андезиновых гранитоидных магматических породах и в некоторых материковых водах. В общем геохимическом цикле Ca менял свои тенденции, становясь с течением времени все более биофильным (В≥3); показатели Бф (0,2) и Бг(0,53) — высокие. В магматическом цикле его концентрации в базитах и гранитоидах в общем снижались во времени, а в осадочных породах, наоборот, они периодически повышались, особенно в карбонатных отложениях в PZ и MZ. В литосферно-гидросферно-атмосферном цикле Ca тесно связан с CO2. Быстрый хемогенный и биогенный вывод его из круговорота главных элементов и переход из пород в воды и обратно приводит к нежелательному дефициту Ca в зонах гумидного климата. На клеточном уровне недостаток Ca2+, как и избыток, недопустим для организмов. В техногенезе Ca — главный элемент повышенной техногенности (Tx=10в8), недостаток которого сильно влияет на урожайность и продуктивность животноводства; по отношению к человеку слабо изучен.