авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 || 4 |

«Министерство образования и науки Украины Харьковский национальный университет им. В.Н. Каразина Программа авторского курса "ГЕОХИМИЯ (БИОГЕОХИМИЯ) ...»

-- [ Страница 3 ] --

Неоценима роль растений в поглощении солнечной энергии и вовлечении ее в процесс почвообразования.

Свою роль в этих процессах играют водоросли, грибы, лишайники и почвенные животные (черви).

Климат влияет на формирование водного и теплового режима почвы, что определяет темпы и глубину разложения органических и минеральных веществ и интенсивность миграции химических элементов.

Почвенно-грунтовое тепло, поступающее на поверхность почвы, и определяет воздействие на почву грунтовых вод, положение уровня грунтовых вод.

Время – особый фактор почвообразования. Условия почвообразования изменяются во времени, что влечет за собой и изменение почвы.

Сельскохозяйственная деятельность самым радикальным образом влияет на изменение природные условий почвообразования (осушение или орошение, применение органических и минеральных удобрений, гербицидов и пестицидов, вырубка лесов и т.п.), на изменение химического состава почвы, состава бактериальной флоры и т.п.

Почва состоит из четырех фаз: твердой, жидкой, газообразной и живой.

Твердая фаза представлена двумя фракциями: крупнодисперсной (с размером частиц более 0,001 мм) и тонкодисперсной (менее 0,001 мм). Первая – это обломки горных пород и минералов, минеральные новообразования, слаборазложившиеся органические остатки;

вторая – в основном глинистые минералы и продукты разложения животных и растений.

Тонкодисперсная часть почвы определяет ее физические свойства и условия питания растений. Большинство элементов, необходимых для нормального роста растений, накапливается именно этой частью почвы. Это Ca, K, Mg, Na и микроэлементы. Поэтому тонкодисперсная часть почвы называется еще почвенным поглощающим комплексом. Емкость поглощения или обмена почв (количество поглощенных оснований и водорода) определяется составом и относительным количеством тонкодисперсных частиц. Наибольшей емкостью поглощения характеризуется гумус черноземных почв, затем монтмориллонит, гидрослюда, и наименьшей – каолинит.

Жидкая фаза – это почвенный раствор, содержащий газы (CO2, O2, N2) и различные ионы ( HCO3, NO2, NO3, Cl, SO4, Ca 2+, Mg 2+, K +, Na +, NH 4, H +, ряд + микроэлементов). Важным показателем почвенного раствора является pH: разные организмы могут развиваться только в определенных интервалах значений pH.

Газообразная фаза – почвенный воздух, состав которого отличается от состава атмосферного воздуха. Определяется состав почвенного воздуха биологическими процессами, протекающими в почве. Корни растений энергично поглощают кислород и выделяют углекислоту. Недостаток кислорода в почве приводит к развитию анаэробных бактерий, продуцирующих метан, сероводород, аммиак, что сказывается на плодородности почвы, влияет на развитие растений.

Конечно, между воздухом почвенным и атмосферным происходит газовый обмен, но это два бок о бок существующих разных геохимических «мира».

Живая фаза – совокупность всех живых организмов. Деятельность их обеспечивает малый биологический круговорот – миграцию химических элементов в системе «почва – растение – почва». Другими словами, живые организмы энергично перераспределяют элементы между разными частями (слоями) почвы и подпочвы.

С другой стороны, мобилизация химических элементов в процессе почвообразования способствует их вовлечению и в более крупные геологические круговороты. Из почвы наиболее энергично выносятся элементы с наибольшей миграционной способностью: Cl, Br, I, S, Ca, Mg, Na (первые два ряда Б.Б. Полынова).

Некоторые из них достигают океана! А это уже большой круговорот.

Чтобы оценить миграционную возможность химических элементов в почвах (а тем самым и доступность их для минерального питания растений), надо рассмотреть формы нахождения элементов в почвах. При этом необходимо ссылаться на результаты работ академика А.П. Виноградова по изучению распространения и распределения элементов в почвах. Исследования показали, что в почвах присутствуют все известные химические элементы. Главным источником химических элементов почв являются материальные породы, на которых формировались почвы. Некоторые элементы привносятся из атмосферы с метеорными осадками и с вулканическими газами (I, B, F, Se, S).

А.П. Виноградов выделял почвы с нормальным, избыточным и недостаточным содержанием того или иного элемента. Повышенное содержание элемента может быть связано с наличием вблизи рудопроявлений или месторождений (т.е. с природными геохимическими аномалиями). Растения на таких почвах тоже обычно обогащены этими элементами (биогеохимические аномалии). Это дает основание для разработки геохимических методов поисков месторождений полезных ископаемых путем анализа почв и зондирования растений, что дает надежные результаты, широко применяется в поисковой геохимии.

А.П. Виноградов выделил следующие формы нахождения химических элементов в почвах.

1. В виде устойчивых самостоятельных минералов;

2. В виде изоморфных примесей в кристаллических решетках минералов;

3. В составе поглощенного комплекса (почвенные коллоиды);

4. В составе живых организмов и различных органических соединений в почве;

5. В почвенных растворах.

Из этого следует, что миграционная способность химических элементов в почвах (вообще, в осадочных образованиях) зависит от их состояния, от формы их нахождения.

Подвижность элементов, входящих в самостоятельные минералы, зависит от растворимости последних. Изоморфные примеси также не могут покинуть кристаллическую решетку минерала-хозяина до ее разрушения (растворения и т.д.).

С другой стороны, миграционная способность элементов зависит и от внешних факторов, от физико-химических условий и среды в почвах. А стало быть, поведение различных элементов в разных типах почв будет неодинаковым. Так, изменение pH среды может привести к десорбции ионов, при разложении органического вещества многие элементы также перейдут в раствор, т.е. вступят в пути миграции.

Анализ приведенных выше форм нахождения элементов показывает, что не все они «доступны» растениям, а только те, которые переходят в почвенные растворы.

Поэтому и удобрения в почвы надо вносить в форме, удобоваримой для растений.

Отсюда очевидно, что «благополучные» валовые химические анализы почвы еще не свидетельствуют о «плодородии» почвы. Важно определить не только количество, но и форму нахождения элемента, «доступность» его для растений, способность его к миграции в конкретной ситуации и т.п.

Надеюсь, из сказанного о формах нахождения химических элементов в почвах вы поняли, что надо иметь в виду, в какой форме поступают загрязняющие вещества при антропогенном загрязнении почв. От этого, а не только от их количества, зависит степень опасности для растений и человека (через пищу, воду).

Итак, в каких размерах, в какой форме человек вносит вещества в почвы, во что трансформируются эти вещества, зависит биосфера и здоровье самого человека.

Остановимся на этом подробнее и конкретнее в следующем разделе темы. Как вы уже знаете, нас постоянно интересует проблема охраны окружающей среды: что и как попадает в результате хозяйственной деятельности человека в окружающую среду, каким образом повлияет на процессы, в ней происходящие. Мы коснемся этого вопроса при изучении одной из геосистем окружающей среды.

13. Геохимическое изучение почв с целью решения вопросов сельского хозяйства и здравоохранения Биологам издавна известны случаи заболевания растений (а через них и животных) на определенных площадях. Академик А.П. Виноградов выяснил причины таких заболеваний – эндемий. Они кроются в избытке или недостатке каких-либо химических элементов в почвах или водах района. Оказалось, что в развитии организмов играют огромную роль не только ведущие элементы, но и большинство микроэлементов. Разные организмы неодинаково реагируют на недостаток или избыток химических элементов. Одни могут приспособиться, другие – нет.

Происходит естественный отбор. Этим-то и объясняется различие фауны и флоры морей и пресных водоемов, бесплодие одних и плодородие других почв, своеобразие флоры на известняках или других породах, галмейная флора – на почвах, обогащенных цинком.

В институте геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского под руководством академика А.П. Виноградова была проведена большая работа по биогеохимическому районированию территории Советского Союза, по составлению карты, характеризующей содержание важнейших макро- и микроэлементов в почвах.

Были даны рекомендации по предупреждению и устранению эндемических заболеваний сельскохозяйственных культур, повышению их урожайности путем внесения специальных удобрений и применения подкормки животных.

Под биогеохимической провинцией понимают области различного размера и формы, отличающиеся от соседних областей более или менее одинаковой концентрацией в среде (почвах, водах, воздухе) одного или нескольких элементов, с чем связана соответствующая биологическая реакция фауны и флоры данной области.

С ними и связаны эндемические заболевания. Причиной является содержание и форма нахождения ряда элементов.

В связи с этим вопросом, нельзя не привести такое изречение: «Нет вредных веществ, есть вредные концентрации».

Пожалуй, первым, кто понял, что надо накормить растение, чтобы получить урожай, был Юстус Либих (1803–1875). Эту истину он сформулировал как «закон возврата». В почву необходимо возвратить те минеральные вещества, которые были увезены с поля с урожаем. Он установил также, что урожай определяется тем элементом, которого меньше в почве, чем других.

«Законы» Либиха были восторженно встречены всем миром. Урожаи росли, доходы землевладельцев повышались. Но постепенно рост урожаев замедлился и остановился.

Начали использовать больше удобрений – безрезультатно. Более того, урожаи стали падать. Ю. Либих впал в душевную депрессию («Я посмел поднять руку на творение Бога».). Хотя Либих сделал много, он не понимал основного, ошибался в главном. Он рассматривал почву как простое вместилище корней, из которого растение черпает воду и питательные вещества.

В.В. Докучаев показал, что это не так. Почва – это уникальное природное образование. Она играет исключительную роль, это переходное звено от живого к неживому. Даже питательные вещества, если они в избытке, могут быть губительны для почвы и для растений. Избыток удобрений, вносимый согласно совету Либиха отравил почву. Как говорится в пословице: «Що занадто, то не здраво».

Интересные сведения привел академик А.Л. Яншин в статье «Без ссор с природой»

в журнале «Знание – сила» (№4 за 1987 г.). Он указал, что венгерские ученые агрохимики действуют буквально по совету Либиха (хотя о нем нет упоминания в статье). Они определяют содержание K, P, N не в почве, а в зерне и соломе, которые убирают с полей, что дает, по их мнению, более точные результаты. По результатам измерений они осенью вносят в почву 120 % от установленного в зерне и соломе содержания элементов. 20 % – это на потери, а 100 % – это возврат того, что было увезено с поля урожаем (ну буквально «закон возврата Либиха»). Так поддерживается в почве постоянный уровень содержания питательных веществ, обеспечивающий плодородие.

Таким образом, в XIX в. выяснилось значение макроэлементов (N, P, K) в сельском хозяйстве. В середине ХХ в. прояснилась и роль микроэлементов, которые не заменяют традиционные минеральные удобрения. Их значение и роль определяются особой биохимической активностью. Они повышают энергию фотосинтеза, активируют углеводный обмен, участвуют в биосинтезе белков. Естественно, что их недостаток в почве вызывает серьезные нарушения в объеме веществ растений и животных, порождает заболевания, снижает урожай и продуктивность животноводства.

Вот почему применение микроудобрений в добавляемых к кормам препаратах из микроэлементов стало неотъемлемой частью общей задачи химизации нашего сельского хозяйства.

Вот ряд примеров. Внесение в почвы микроудобрений бора повышает урожайность культур на 20–25 %. Молибден (50–100 г/гектар) повышает урожайность бобовых культур до 40 %. Расход этих удобрений действительно «микро». Академик Я.В. Пейве показал, что потребности сельского хозяйства СССР в 1975 г. составляла: 2000 т бора, 500 т молибдена, 600 т марганца. Это была посильная задача для промышленности (можно для этих целей использовать и бедные руды, и отходы промышленности).

Массовое применение микроэлементов – это дело сравнительно новое, и шаблон здесь недопустим (не «чем больше, тем лучше», «маслом каши не испортишь»).

Задачи сводятся к следующему.

1. Изучение действительно большего числа элементов.

2. Подготовка новых препаратов, включающих новые химические элементы и комбинации их.

3. Изучение действия различных микроудобрений на большой круг сельскохозяйственных культур в различных климатических и почвенных зонах.

Ценные соображения на этот счет высказаны в работе В.И. Бгатова «История кислорода земной атмосферы». Он считает, что внесение удобрений в почву – это вмешательство во внутренние многовековые связи, сложившиеся в природе. Поэтому применение искусственных минеральных удобрений оправдано только в том случае, если их питательные вещества строго сбалансированы с жизненными потребностями растений. Нарушение этой целесообразности приводит к необратимому разрушению природы, (наглядным примером этого высказывания является неудача «закона», выведенного Либихом, который не догадывался об этом предостережении). Но и через столетие венгры так делают!

Так, вносимые в почву легко растворимые минеральные удобрения (N, P, K) легко вымываются и попадают в реки, водоемы, окружающую среду, являясь опасным животным ядом. Поэтому вместо легко растворимых, где это необходимо, следует вносить природные, почти нерастворимые в воде минеральные концентраты, заключающие для растений питательные вещества (калиевые полевые шпаты, лейцититы и т.п.). Это фосфориты, апатиты, вивианиты. Вносить их в почвы нужно в научно обоснованных нормах, что и обеспечит повышение урожайности. Если, например, почву поливать слабым раствором азотной кислоты, в концентрациях, близких к природным (например, в грозовой дождливый год), то расход питательных веществ будет экономичным, близким к природному, за счет медленного их растворения азотной кислотой. Этим также будут выравниваться нарушенные связи природных экологических систем.

Интересен еще один аспект этой проблемы. В одно время сложилось представление, что радиоактивное облучение в определенных дозах благоприятно влияет на организм. А.П. Виноградов показал, что роль радиоактивности природного калия сильно преувеличена. Сделали вывод, что такое излучение – чуждый для организма фактор, а не жизненно необходимый. Вместе с тем, известен факт: на одном из островов Полинезии доза на два порядка выше нормы, а люди там живут здоровые, не болеют. Правда, японские специалисты немедленно покинули остров. Необходимо заметить, что организм человека может приспособиться к повышенной радиации. Но для этого, видимо, требуется много времени и постепенная адаптация. Непонятно также, зачем железы внутренней секреции накапливают уран, а облученные зерна – лучшие всходы. Требуются дополнительные исследования.

Летом 1933 г. межрайонная конференция в Восточном Забайкалье заслушала доклад о загадочной болезни – «уровской» (по названию местности). Ее признаки:

замедленный рост костей, их искривление, общая слабость организма. Болезнь носила явно локальный, эндемический характер, в отличие от эпидемий. Были подозрения, что причина болезни кроется в физических и химических особенностях данной местности.

Изучение болезни местными силами не дало результатов. Одни считали, что это простуда плюс инфекции, другие – авитаминоз, третьи – свинцовое отравление или высокое содержание радия в водах района.

Конференция пришла к выводу, что без биогеохимического изучения вопроса проблема вряд ли будет решена. Заключение конференции направили в Академию наук. Оно было доложено А.П. Виноградовым В.И. Вернадскому. Была организована специальная экспедиция в Восточное Забайкалье с целью изучения распределения ряда элементов в растениях, водах, почвах, горных породах, продуктах питания. Оказалось, что в районе прослеживался недостаток Ca, Co, Cu, зато в избытке наличествовали Sr, Ba, Si. Эти отклонения от нормы и обусловили «уровскую» болезнь.

Известно, что в районах Северного Китая, Тироля, Средней Азии многие люди страдают зобом: в водах и почвах (значит, в растениях и пище) мало йода. При недостатке фтора – кариес зубов, при избытке – флюороз.

Вот она, тесная связь организма со средой. Мы видели, что наиболее наглядна эта связь со средой у растений. Впитывая корнями, соки почвы, растения сразу вянут, как только истощается кормящая его почва. В отличие от растений, человек не прикреплен пожизненно к одному месту. Тем не менее, наша «химическая свобода», как мы могли убедиться, все же ограничена. Конечно, мы стараемся удовлетворить потребность организма во всех необходимых ему веществах. Однако освободиться от влияния геохимических особенностей того места, где мы живем, полностью нам все же не удается.

И порой нехватка или избыток в воде или пище одного лишь элемента (I, F и т.д.) приводит к появлению заболевания чисто геохимического происхождения – этиологии.

Казалось, не хватает «пустяка» – единственного элемента. Но в организме любой химический элемент не существует сам по себе Он лишь один из инструментов, вплетающий свою неповторимую партию в игру биохимического оркестра. И его молчание расстраивает весь оркестр. Кобальт, например, необходим для синтеза витамина B12, а стронций мешает костям усваивать кальций, вследствие чего возникает «стронциевый рахит», и т.п.

Какая же гениальная интуиция В.И. Вернадского позволила ему написать еще в 20-х годах нашего века: «Присутствие или отсутствие атомов, большое или малое количество атомов разного строения в любом природном теле, в том числе и в организме, не может быть не важным, если только это явление повторяющееся, а не случайное».

Правда, мы знаем, что В.И. Вернадского вначале понимали лишь немногие современники. Но, как мы видим, жизнь подтвердила его предвидение.

Биохимические эндемии, в отличие от некоторых других заболеваний, после того, как они были «расшифрованы», поддаются не только изучению. Получив тревожный сигнал о нехватке солей, врач всегда может восполнить их недостаток соответствующими препаратами или же посоветовать поменять место жительства.

Дело в том, что многие способны приспособиться к особенностям данной местности, а некоторые нет.

Но проблема биогеохимических эндемий – это проблема не узко медицинская.

Чтобы знать, где гнездятся эндемии, в чем их причина, врач должен получить от геологов, геохимиков, почвоведов, нужные сведения о геохимическом режиме региона (нужно знать геохимию окружающей среды).

Следует отметить, что еще более чувствительны к эндемическим заболеваниям животные, скот. Дело в том, что продукты питания для человека хотя бы частично завозятся со стороны, из других биогеохимических провинций, а вот скот больше связан с местным кормом (так сказать, подножным кормом).

Итак, можно сделать вывод, что развитие организмов зависит от питания, т.е. от почвы. Не с увеличением разнообразия питания связан рост японской и другой азиатской молодежи в последние 2–3 десятка лет.

Химическое здоровье почвы, как теперь становиться все более очевидным, – это не только условие для успешного развития сельского хозяйства, но и необходимый показатель здоровья человека.

Заключение Итак, почва – продукт взаимодействия живых организмов и горных пород – является переходным звеном из мира неживой в мир живой природы. Почва – мегасистема, включающая ряд мультисистем (осадки, атмосфера, поверхностный сток, биомасса) и ряд подсистем (гумус, глинистая фракция, почвенная атмосфера, гравитационная вода). В естественных условиях мегасистема находится в равновесии.

Антропогенная деятельность приводит к нарушению в почве геохимических циклов C, N, K, P и других химических элементов, в том числе микроэлементов. Внесение удобрений и пестицидов, наряду с техногенным загрязнением, выступает в качестве площадных или локальных источников загрязнения почв, природных вод. Наряду с концентрированием почвами ряда элементов, происходит и некомпенсированный вынос других, приводящий к дефициту отдельных биологически активных элементов, что определяет не менее опасные экологические ситуации, чем и при их избытке.

По данным ООН, 20 % мирового пахотного фонда испытывает деградацию в результате смыва почвы и обратной эрозии. Сокращение площади пытаются компенсировать интенсификацией ведения сельского хозяйства, что имеет свои отрицательные стороны.

Выходы из создающегося положения могут быть самыми неожиданными. Первый – наиболее реальный – возврат к традиционным системам земледелия, примером чего может быть агрокультуры Мальцева или «органические фермы» США, которые используют лишь органические удобрения, только механические и биологические методы борьбы с вредителями. У них один существенных недостаток – малые перспективы роста производительности.

История показывает, что интенсивное земледелие возможно лишь при возобновлении плодородия почв. Антропогенные экологические катастрофы имели место и до НТР. Мелиорация земель в Месопотамии и Северной Африке привела к засолению почв (в первом случае) и к опустыниванию (во втором). С другой стороны, в Египте, Китае, Японии и Индонезии плодородие почв сохранилось. Причины стабильности плодородия не только в сохранении баланса органики, N, P, K, но и глинистой фракции. Постоянное поступление тонкодисперсного, органоминерального вещества (ил в Египте, лесс в Китае, вулканический пепел в Японии и Индонезии) является главной причиной.

Создание искусственной почвы требует постоянного наличия вещества, ибо интенсивное земледелие активизирует потоки вещества и энергии в почве, что приводит к ускоренному разрушению минеральной фракции и сгоранию органических компонентов.

Ингредиентами почв могут служить отходы птицефабрик и свиноферм, деревообрабатывающих комбинатов, золы ТЭК, «хвосты», бедные руды – источник микроэлементов. Необходимо, чтобы почвообразование замыкало цикл.

14. Миграция химических элементов и ее факторы в зоне гипергенеза Вы уже знаете, что всякое перемещение химических элементов в земной коре, которое приводит к изменению концентрации их в данной точке, участке коры, мы называем миграцией. Так как этот процесс движения атомов ни на мгновение не прекращается, то не только непрерывно изменяется состав земной коры, но и само распределение химических элементов в пространстве непрерывно меняется. Вчера оно было не таким, как сегодня, а завтра будет отличаться от сегодняшнего.

Вы также знаете, что если миграция направлена в сторону данного участка, то это приводит к концентрации вещества здесь, если нет, то к рассеянию.

Наиболее полно проблему миграции элементов, как в отношении пространства, так и в отношении времени, охватывает геохимия, которая «пишет биографию» всех элементов за все время пребывания их на земле, в земной коре. Другие науки (минералогия, учение о полезных ископаемых, почвоведение) изучают движение атомов на отдельных отрезках их «жизненного» пути. Например, почвоведов интересует поведение химических элементов при процессах почвообразования. Что было с ними до того, как они попали в почвы, что с ними будет после погребения почв или смыва, сдува их ветром, почвоведов уже не интересует. А геохимиков – да, ибо они знают, что ничто не возникает ниоткуда и не исчезает бесследно.

Перейдем к вопросу о причинах и факторах миграции химических элементов.

Сначала остановимся на очевидных положениях – постулатах (аксиомах), которые определяют миграционную способность химических элементов, т.е. поведение их в разных условиях.

1. Один и тот же химический элемент в разных условиях поведет себя по-разному.

2. Разные химические элементы в одних и тех же условиях поведут себя по разному.

3. Сходные по свойствам химические элементы в одинаковых или сходных условиях поведут себя сходным образом.

4. Некоторые свойства химических элементов проявляются только в определенных условиях внешней среды.

5. Свойства химических элементов в термодинамических условиях земной коры (и зоны гипергенеза в том числе) проявляются через свойства соединений.

Чтобы убедиться в очевидности этих положений, представьте себе поведение отдельных людей в одинаковых и разных условиях. Говоря об «очевидности», нелишне вспомнить слова К. Гибрана: «Очевидное – это то, чего никогда не видишь, пока кто нибудь не сформулирует это достаточно просто».

Академик А.Е. Ферсман первый широко и глубоко разработал проблему миграции атомов химических элементов. Он писал: «... концентрация, и рассеяние химических элементов зависят как от свойств строения атомов, так и от внешней геологической, геохимической и термодинамической обстановки». А.Е. Ферсман среди факторов миграции выделял:

1.Внутренние факторы, связанные со свойствами атомов и их соединений.

2.Внешние факторы, определяющие характер обстановки, в которой находятся химические элементы.

Такое деление можно принимать с некоторой натяжкой, нельзя рассматривать эти две группы как абсолютно независимые. Реальная миграция химических элементов определяется совокупным действием обеих групп взаимосвязанных и взаимообусловленных факторов.

Внутренние факторы миграции 1. Свойства связи. Эти свойства заключаются в способности элементов или их соединений противостоять силам, направленным к разобщению атомов, ионов и молекул. Такими разобщающими силами могут быть механические силы (им противостоят твердость, спайность минералов), термическое воздействие (ему противостоят температура плавления, летучесть, температура диссоциации, растворимость).

2. Химические свойства элементов и их соединений. Здесь, как и в первом случае, надо не забывать, что в термодинамических условиях земной коры (а тем более, зоны гипергенеза) большинство химических элементов зависит от физико-химических свойств их соединений, т.е. минералов, от их отношения к воде, кислотам, кислороду и т.п. Однако можно говорить и о миграционной способности отдельных ионов, которая определяется величиной ионного потенциала (потерциализм Картиледжа), являющейся частным от деления валентности иона на его радиус.

Эта величина колеблется в широких пределах от 0,5 до 10 м и более. С ростом ионного потенциала падает миграционная способность иона, точнее, сужаются диапазоны pH, в которых «разрешена» миграция. Другими словами, чем выше валентность иона, тем хуже его способность к миграции, тем в более кислых средах возникла его подвижность. Например, Na+, K+ и др. ( = 0,5 2 ) мигрируют в широком диапазоне pH, вплоть до сильно щелочных условий. А Ti4+, Al3+, Fe3+ – только в очень кислых средах. Этот фактор является примером взаимосвязи внутренних и внешних факторов миграции.

3. Величина энергии кристаллической решетки, которая является функцией зарядов и их радиусов, измеряется работой, которую надо затратить на то, чтобы разорвать граммомолекулу вещества на составляющие его ионы (см. первый фактор). Чем она больше, тем хуже их миграционная способность. С другой стороны, при кристаллизации минералов, их растворов или расплавов раньше с путей миграции сходят те ионы, которые образуют кристаллические решетки с большей энергией. Если энергия решетки невысока, то такие ионы дольше находятся в растворе или расплаве, являются лучшими мигрантами.

4. Гравитационные свойства атомов и их соединений. Хотя атомы (ионы) – это мельчайшие частицы, они и их соединения обладают определенной массой. С другой стороны, существует гравитационное поле Земли. Действие закона тяготения проявляется при сносе вещества в пониженные участки, при осаждении в растворах и расплавах, при формировании россыпей тяжелых минералов и благоприятных металлов и т.п.

Источник энергии геохимических процессов Прежде чем назвать и охарактеризовать внешние факторы миграции, остановимся на источниках энергии геохимических процессов. Перемещение огромных масс вещества в земной коре требует затраты огромного количества энергии. Вы уже знаете, что источники энергии в земной коре подразделяются на две категории: земные (планетарные) и внеземные (космические). Вы также знаете, что для окружающей среды – объекта нашего курса – главное значение имеет внеземная энергия нашего Солнца. Как распределяется эта энергия в атмо- и гидросфере, мы уже рассмотрели (см. специальную главу). Здесь приведем краткие сведения по важнейшим источникам энергии, которые играют ведущую роль в энергетике Земли в целом, но малую роль – в балансе энергии в зоне гипергенеза (1:5000).

1. Энергия положения (тяготения). Проявляется она в явлениях осаждения, в переносе масс вещества с повышенных участков в пониженные (текучими водами, льдом и т.п.). Основная форма ее проявления – механическая.

2. Аккреционная энергия, выделившаяся на этапе формирования из холодного газово-пылевого протопланетного вещества нашей Земли (порядка 4,5 млрд. лет тому назад).

3. Энергия выплавления ядра Земли.

4. Тепло радиоактивных элементов U, Th, 40K.

5. Энергия приливного трения, связанная с гравитационным взаимодействием Земли, Луны и Солнца.

По данным японского исследователя М. Озима (1990), 2-й, 3-й и 4-й источники примерно равны друг другу по вкладу в энергетический баланс Земли, а по данным Н.П. Семененко (1989), последний источник на порядок меньше каждого из них (первые n 10 31 Дж, последний – n 10 30 Дж ).

Необходимо добавить, что если аккреционная энергия и теплота дифференциации вещества при выплавлении ядра Земли проявили себя на ранних и средних этапах эволюции Земли, то радиогенная энергия действовала на протяжении всей геологической истории Земли, хотя и убывала со временем. Это главная энергия. Ее накопление в недрах планеты обуславливает вулканическую деятельность и становление земной коры, благодаря выплавлению пород литосферы и дегазации из мантии воды и газов.

Внешние факторы миграции Наибольшее значение как фактор миграции имеют:

1. Температура.

2. Давление.

3. Концентрация вещества.

4. Степень ионизации вещества.

5. Окислительно-восстановительный потенциал.

6. Величина pH.

7. Поверхностные силы (коллоидное состояние вещества).

8. Биосфера.

9. Техническая деятельность человека Охарактеризуем кратко эти факторы.

1. Из физики и химии известно, что температура – важный фактор, определяющий агрегатное состояние вещества и скорость химических реакций. Повышение температуры на 10°С увеличивает скорость реакции примерно в 2 раза. Оно усиливает подвижность химических элементов, может привести вещество даже в летучее состояние. Снижение температуры ведет к кристаллизации расплавов и растворов, т.е.

к прекращению их миграции. Какие же температуры существуют в земной коре и в зоне гипергенеза? В глубинах Земли допускается температура порядка нескольких тысяч градусов. Для магматических процессов в земной коре характерны температуры порядка 1200°С и ниже. Гипергенные процессы протекают в диапазоне порядка 85+85°С, но их течение происходит при изменении температуры (суточные, сезонные, вековые). Важное значение имеет и температура 0°С, при котором вода, важнейшая среда для миграции, в частности для химического выветривания, превращается в лед. Это нивальные условия.

2. Давление в зоне гипергенеза колеблется в диапазоне от доли атмосферы до атм., на поверхности в пределах около 1 атм. От давления зависит количество растворенных газов в поверхностных и подземных водах окружающей среды. Это влияет на физико-химические свойства вод, а следовательно, и на растворимость в них различных химических веществ, миграционную способность химических элементов.

3. Концентрация вещества. Пока она ниже растворимости вещества, система остается гомогенной, и химические элементы мигрируют. Если же концентрация превышает растворимость вещества, миграция прекращается, идет садка, система становиться гетерогенной (солеродные бассейны).

4. Степень диссоциации веществ зависит как от самого растворимого вещества, так и от свойств растворителя (а также от его температуры, концентрации и т.п.) или газа.

Лучше всего мигрируют вещества в молекулярной (нейтральной) форме, зато ионы быстрее «сходят с дистанции».

5. Окислительно-восстановленный потенциал (Eh) определяет валентность элементов, способных ее менять (Fe, En, S и др.), а от валентности иона, как мы уже знаем (ионный потенциал Картледже), зависит миграционная способность химических элементов. Хотя элементов переменной валентности немного, но они могут образовывать соединения со многими другими элементами, а тем самым Eh косвенно оказывает влияние на поведение этих элементов (с кем поведешься, от того и наберешься). Так, S может менять валентность от S2– до S6+ (в SO4 ). Она образует соединения с сорока халькофильными элементами (Cu, Zn, Pb, Hg, As, Hg, Sb и др.).

Сульфиды практически нерастворимы, а вот многие сульфаты, напротив, хорошо растворяются в кислых водах. Поэтому при окислении сульфидов (переход S 2 в S 4 ) сера, так сказать, «отпускает на волю» многие из цветных металлов, миграция которых, как вы знаете, приводит к формированию рассеяния – вторичных природных аномалий.

6. Значение pH природных вод как фактора миграции трудно переоценить.

Особенно наглядно это можно видеть на водах в зоне гипергенеза, на известных уже вам примерах. Вспомните состав растворенных химических элементов в Мировом океане. Хотя кларки таких элементов, как Fe, Al, Si, Mn достаточно велики, в воде океанов они находятся в ничтожных количествах, ибо pH воды составляет 7,8–8,2.

Именно величина pH определяет, будет ли вещество находиться в растворе или выпадет в твердой фазе.

7. Коллоидное состояние вещества. По размерности коллоидные частицы занимают промежуточное положение между грубыми дисперсиями (частицы больше 1000А°) и истинными растворами (меньше 10А°). Следовательно, если вещество переходит в коллоидное состояние, его миграционная способность возрастает по сравнению с таковой грубых дисперсий. Однако коллоидные частицы (дисперсная фаза) обладают зарядом, а это (см. пункт 4) снижает их возможность к миграции. При нейтрализации их заряда начинается слипание их, укрупнение, т.е. коагуляция, удаление с путей миграции. Но это еще не все о коллоидном состоянии вещества как факторе миграции.

Не менее важно то, что коллоидные частицы способны сорбировать противоположные по заряду ионы. Они нейтрализуют свои заряды, коагулируют, но удаляют из растворов /путей миграции/ в осадок и эти сорбированные ионы. Вот почему Мировой океан за миллионы лет так и не достиг высоких (губительных для всего живого) концентраций элементов ядов (As, Hg, Pb, Zn, Cu, Cd и др. тяжелых металлов).

Это касается поверхностных водоемов и рек (пока за них не взялся человек). Итак, роль коллоидного состояния вещества как фактора миграции двойственна: оно способствует и препятствует миграции элементов (даже тех, которые не образуют коллоидов, а находятся в истинно-растворимой форме и не достигают степени насыщения).

8–9. Роль биосферы и технической деятельности человека как факторов миграции огромных масс вещества в окружающей среде мы рассмотрели раньше (см.

соответствующие главы курса лекций).

Добавим кое-что к сведениям о техногенной миграции химических элементов на земной поверхности, которая происходит в газообразной, жидкой и твердой средах.

Вызванная интенсивной деятельностью человека, она приводит к такому ускорению движения различных веществ, что круговорот вещества становится несовершенным, а процессы ациклическими. Дело в том, что биоэкологическая система Земли имеет замкнутый, «безотходный», круговорот веществ. Антропогенные вещества, включаясь в этот круговорот, частично накапливаются в биосфере, создавая препятствия естественным водородным процессам. Поэтому задача охраны природы сводится к возвращению веществ в круговорот, превращению ациклических процессов в циклические, которые обеспечили бы повторное использование веществ. Это веление времени. Оценка агро- и техногенного загрязнения должна быть подчинена одной цели – выявлению количества того или иного элемента, поступающего в организм человека через всю трофическую цепь по схеме: природные объекты (почва, вода, воздух) организмы (растения и животные) пищевые продукты человек. Весь этот комплекс природных сред должен стать объектом изучения при оценке загрязнения токсичными элементами.

Необходимо помнить, что основное количество микроэлементов в организм человека поступает с пищей. Здесь действует правило трофической пирамиды, по которому органическое вещество каждое из последующих звеньев пищевой цепи уменьшается, а количество поглощенных металлов увеличивается, т.е. концентрация постепенно повышается. Поэтому небольшое повышение концентрации элементов в почве или водах, в результате как природных, так и техногенных процессов, может еще не вызывать угнетающего воздействия на местный фитоценоз. Но через пищу (растительную или мясомолочную) человек получит наибольшую их концентрацию. К сожалению, на сегодняшний день влияние техногенных загрязнений на организм человека или отдельные органы изучено очень слабо. Это должны сделать геохимики, медики, токсикологи, эпидемиологи, гигиенисты.

Таким образом, заканчивая рассмотрение вопроса о факторах миграции химических элементов в зоне гипергенеза, еще раз отметим, что разделены они на внутренние и внешние в значительной мере условно, в интересах удобства их изучения. Задача геохимии: оценить роль всех факторов, в каждом конкретном случае выявить ведущий или ведущие из них. Важно также знать, что внутренние факторы не изменяются в ходе времени, тогда как внешние – подлежат изменению (вспомните, как измерялось содержание кислорода в атмосфере до появления человека и роста его «могущества»).

Нужно иметь в виду, что при изменении условия внешней среды вызывают к жизни различные процессы, которые стремятся привести в соответствие те или иные химические соединения с новыми условиями. Так, они вызывают приспособление минералов к новым условиям, что сплошь и рядом сопровождается превращением минералов, переходом их в новые соединения, устойчивые в изменяющихся условиях.

Это и есть «внутренний стимул» самых различных процессов. Причем изменение внешних условий происходит быстрее, чем приспособление минералов к ним. Поэтому в природе (в том числе и в окружающей нас среде) часты факты, когда минералы находятся в несвойственных их образованию и устойчивости условиях. Примеры:

магматические породы, сульфидные руды на земной поверхности. Следовательно, поле существования минералов шире поля устойчивости, но со временем очередь дойдет и до них. Процессы выветривания пород, окисление сульфидных руд – это и есть проявление процесса перехода вещества из неустойчивого состояния в устойчивое, в связи с изменением внешних условий. Разумеется, разные минералы имеют неодинаковую устойчивость. Кварц, корунд и др. в течение миллионов лет сохраняются в зоне выветривания, а сульфиды, силикаты железа, довольно быстро окисляются, переходят в другие – гипергенные минералы. Причем переход этот осуществляется, как правило, не резко (из неустойчивого в устойчивое состояние), а постепенно, в соответствии с постулатами Оствальца, через ряд промежуточных состояний (окисление пирита, слюда гидрослюда каолинит).

И последнее. Внешние факторы действуют не изолированно, а сообща, от их величины и сочетания зависит направление и скорость процессов, ведущих к миграции элементов. Мы уже отметили, что все внешние факторы – это величины переменные, они могут сочетаться между собой в разных комбинациях. Отсюда многообразие геохимических систем (геохимических обстановок) в природе. Так как в природе изолированных систем нет, значит, невозможно и устойчивое длительное равновесие в реально существующих системах.

Однако всякая система стремится к равновесию, к состоянию с минимумом свободной энергии при данных термодинамических и физико-химических условиях.

Это основной закон для всех геохимических процессов. Частным случаем этого закона является известный принцип действия и противодействия Ле-Шателье: «Если на систему, находящуюся в состоянии равновесия, оказать какое-либо воздействие, оно вызовет процесс, который будет стремиться ослабить это воздействие».

Так, при повышении концентрации в растворе или расплаве какого-либо компонента равновесие смещается таким образом, что избыточный компонент стремится в иной фазе (твердой, газовой) выделиться и выйти из системы. Приведем другой пример. В случае обратимых процессов повышение температуры вызывает реакции с поглощением тепла, а повышение давления вызывает реакции с уменьшением объема (гипс ангидрит).

15. Геохимия ландшафта. Геохимические барьеры Основы геохимии ландшафта как самостоятельного научного направления заложил Б.Б. Полынов (1877–1952). Создатели геохимии (В.И. Вернадский и А.Е. Ферсман) вплотную подошли к геохимии ландшафта, уделяли много внимания процессам, протекающим на дневной поверхности нашей планеты. В основе геохимии ландшафта лежит глубоко диалектическая идея В.В. Докучаева о единстве природы на земной поверхности, о существовании прямых и обратных связей, говоря современным языком, связей между горными породами, водами, газами и организмами, которые и формируют особую сложную систему – ландшафт. Б.Б. Полынов первый понял и обосновал, мысль, что для познания сущности («души») ландшафта наиболее приемлема методология геохимии – учения о механической, физико-химической, биогенной миграции химических элементов в ландшафте, о биохимическом круговороте атомов и воды как специфических «механизмах ландшафта» и биосферы в целом.

Геохимия ландшафта быстро развивалась, ибо с первых своих шагов стала участвовать в разработках геохимических методов поисков месторождений полезных ископаемых, особенно при оценке выявленных геохимических аномалий и при развитии теории геохимических барьеров.

В 50-х годах началось практическое применение геохимии ландшафта при решении вопросов здравоохранения. Были составлены медико-химические карты для всей территории СССР, но работы в этом направлении носят пока более скромный характер, чем в поисковой геохимии.

В 70-е годы определялась новая область приложения геохимии ландшафта – ее использование при решении проблем охраны ОС. С большим успехом эта область быстро прогрессирует. Свидетельством является наш курс. Возникли представления о техногенной миграции химических элементов, техногенных ореолах и потоках их рассеяния – антропогенных аномалиях.

По Б.Б. Полынову, «элементарный ландшафт» – участок земной поверхности, характеризующийся единообразием гипергенной миграции ХЭ, с однородными климатическими и геологическими условиями, с определенным типом рельефа, почвы и растительности. Парагенетические ассоциации элементарных ландшафтов, связанных между собой миграцией элементов, образуют «местный геохимический ландшафт», или просто «геохимический ландшафт» (собственно ландшафт). Тогда под «местным ландшафтом» понимают совокупность элементарных ландшафтов, свойственных определенному геоморфологическому элементу (водоразделу, склону, террасе). На земной поверхности встречаются и образования другого рода, размеры которых узко ограничены самой природой (кочка на болоте, муравейник, нора землеройки и т.п.). Б.Б. Полынов назвал их «структурными предельными элементами ландшафта, или деталями ландшафта». Наименьшая площадь, на которой размещаются все части элементарного ландшафта, именуется «площадью выявления». Расстояние от верхней до нижней границы называется мощностью «элементарного ландшафта».

Верхняя граница находится в тропосфере и определяется зоной распространения пыли земного происхождения (из данного или соседнего ландшафта), зоной обитания организмов. Нижней границей обычно является горизонт грунтовых вод (включительно).

Вследствие миграции элементов, элементарный ландшафт неоднороден в вертикальном направлении. Он расчленяется на ярусы – природные тела: надземную часть ландшафта, почву, кору выветривания, водоносный горизонт. Не все эти ярусы присутствуют в каждом ландшафте, бывает, что водоносный горизонт совмещен с почвой (поймы, болота). Из этого следует, что «резкая дифференциация вещества и физико-химических условий по вертикали составляет характерную особенность элементарного ландшафта, его структуру». Это скажется на геохимической миграции элементов на разных уровнях – ярусах. Несколько слов о биологическом круговороте элементов в ландшафте.

Такие противоположные процессы, как биогенная аккумуляция и минерализация, и образуют «единый биологический круговорот атомов». История любого химического элемента в ландшафте складывается из бесчисленного множества круговоротов, различных по масштабу и продолжительности. Например, в пределах почвы микроорганизмы поглощают из растворов минеральные вещества, которые снова возвращаются в раствор или в процессе обмена веществ, или после отмирания и разложения организмов. Более крупные круговороты осуществляются во всей толще почвы и разных ярусах растительности, в ландшафте. В результате каждого цикла круговорота часть веществ изымается надолго из миграции в почве в форме труднорастворимых соединений, а другая – удаляется из ландшафта в реки и уже не участвует в миграции вещества данного ландшафта.

Поэтому миграция ХЭ в ландшафте характеризуется не только цикличностью, но и определенной направленностью, приводит к изменению химического состава и свойств ландшафта, к переходу его в новое состояние. Следовательно, круговороты являются одной из форм поступательного развития материи. Тем более, как вы знаете, особенностью биологического круговорота ХЭ является его неполная замкнутость.

Круговороты – одна из форм развития по спирали.

А.И. Перельман считал, что одним из основных законов геохимии ландшафта является «'закон биологического круговорота элементов в ландшафте'», и давал ему такую формулировку: «…химические элементы в ландшафте совершают круговороты, в ходе которых многократно поступают в живые организмы («организуются») и выходят из них («минерализуются»). При этом происходит поглощение и выделение энергии, совершается химическая работа. Поступательное развитие ландшафта осуществляется через систему круговоротов». Важнейшими внешними факторами гипергенной миграции элементов являются: характер рельефа, абсолютный уровень и диапазон колебания температуры, баланс испарения воды и количество атмосферных осадков, физическая дезинтеграция и денудация горных пород, процессы растворения и осаждения, гидролиз, реакции окисления и восстановления, развитие и отмирание растительных и животных организмов.

Различие в соотношениях этих факторов находит отражение в существовании на поверхности Земли климатических и растительных поясов, закономерно сменяющихся с широтой и абсолютной высотой местности.

Особое значение для миграции элементов, как вы тоже уже знаете, имеют показатели рН и Еh. В зависимости от величины рН, природные воды разделяются на класса:

1. Сильнокислые с рН3.

2. Кислые и слабокислые – 3,5–6,5.

3. Нейтральные и слабощелочные – 6,5–8,5.

4. Сильнощелочные с рН8,5.

Так как в зоне гипергенеза преобладают слабые кислоты ( CO32, HCO3, гуминовые) и сильные основания (Na+, K+, Ca2+, Mg2+), то чаще всего здесь представлены ландшафты 2 и 3 классов вод по рН. Сильнокислые воды обнаруживаются только в локальных участках (зона окисления сульфидных руд, вулканическая деятельность), а сильнощелочные при содовом засолении.

Господство кислорода на поверхности Земли определяет Eh-условия. Граница «кислородной поверхности» совпадает с зеркалом грунтовых вод, ниже которого среда бескислородная. Восстановительная обстановка возникает при разложении органических остатков. Различают восстановительную обстановку с Н2S, имеющую локальное распространение, и без Н2S – глеевую, характерную для болот. Показателем смены Еh-условий является окраска пород: красные и бурые тона характеризуют окислительную (Fe3+) обстановку, серо-зеленые, сизые (Fe2+) восстановительную.

Как оценить реальную миграционную способность ХЭ в воде? Для этого нельзя использовать их абсолютное содержание в водах. Применяются для этой цели такие показатели (по А.И. Перельману):

1. Коэффициент таллассофильности (морелюбивости). Это отношение кларка элемента в гидросфере к кларку его в литосфере. Но это общий коэффициент. Нас чаще всего интересует миграционная способность ХЭ в конкретном ландшафте, для чего используется следующий коэффициент.

2. Коэффициент водной миграции элементов, который определяется экспериментально и характеризует поведение их в конкретной ландшафтно M x 100% геохимической обстановке: K x =, где Mx – содержания элемента в воде, г/л;

a Cx а – общая минерализация воды, г/л;

Cх – содержание этого элемента в горных породах, с которыми данная вода находится в контакте, в %.

По интенсивности водной миграции выделяют:

1. Группа активных водных мигрантов (Кх1).

2. Группа инертных элементов (Кх1).

3. Элементы с контрастной геохимической подвижностью, для которых значение Кх1. Определяется оно геохимической характеристикой среды, прежде всего, по рН и Еh. Это элементы с переменной валентностью U, способные к энергичной водной миграции в окислительной среде ( UO2 +, Mo4 ) и оказывающиеся инертными в 2 восстановительной обстановке ( UO2, MoS 2 ). В отличие от них, в восстановительной (но глеевой) обстановке энергично мигрирует Fe2+ и Mn2+, тогда как в окислительной они инертны (Fe3+, Mn4+).


Напомню, что все рудные элементы имеют более низкие кларки в гидросфере (в сотни и тысячи раз меньше), чем в литосфере, а следовательно, малые значения коэффициентов талассофильности. Это причина подчиненной роли водной миграции этих элементов в зоне гипергенеза. Они имеют малые значения и Кх. Отсюда следует, что преобладающая их миграция в зоне гипергенеза проходит в твердой фазе. Это очень важно иметь в виду. Говоря о миграционной способности ХЭ в зоне гипергенеза, нельзя забывать, что элементы, находящиеся в растворе, при изменении геохимической обстановки способны выпасть в осадок, образовать вторичные концентрации – аномалии. Участки, на которых происходит резкое изменение интенсивности миграции ХЭ, сопровождаемое их аккумуляцией, называют геохимическими барьерами. Можно сделать вывод, что на физико-химических барьерах осаждаются, прежде всего, элементы третьей группы с контрастной миграционной способностью. Однако и элементы двух других групп также могут резко изменить способность к миграции в соответствующей обстановке. Так, при испарении выпадут в осадок даже активные водные мигранты, а элементы с низкими значениями Кх – инертные способны образовывать концентрации при гравитационной дифференциации в механическом переносе (россыпи).

Вот главные типы геохимических барьеров:

1. Испарительный (В, S2, F).

2. Гравитационный (Au, Pt, Sn, Nb, Ta, W, Ti, Zn, и др.).

3. Восстановительный (Mo, U, Se, S).

4. Кислородный (Fe, Mn).

5. Щелочной (Cu).

6. Адсорбционный (Zn, Pb, U, Mo, Co, Ni, Ba, Ra…).

Как видим, возможно появление лито-, гидро-, и биохимических аномалий на любых геохимических барьерах. Это касается как природных, так и антропогенных аномалий.

Техногенные геохимические барьеры/ТГБ/ Техногенные геохимические барьеры – это участки ноосферы, в которых происходит резкое уменьшение интенсивности миграций ХЭ. Выделяют по механизму концентрации ХЭ три класса: механические, физико-химические и биогеохимические барьеры. Однако специфика ТГБ в том, что в формировании их участвуют вещества, характерные только для ноосферы. Некоторые типы техногенных барьеров используются человечеством издавна (накопление солей на испарительном барьере путем отгораживания участков моря или соленых озер, искусственные механические препятствия для задерживания снега, движущихся песков, селевых потоков).

В современную эпоху НТР появились совершенно новые возможности практического использования ТГБ, в первую очередь, при решении вопросов здравоохранения, сельского хозяйства, защиты ОС от загрязнения и т.п. Это и закачивание промстоков в водоносные горизонты, и цементация рыхлых грунтов, и закачивание воды в нефтяные и газовые скважины для поддержания пластового давления и т.п.

Для характеристики ТГБ применяют количественные параметры: длину и ширину барьера, его градиент и контрастность. Важно также знать емкость накопления ХЭ, скорость концентрации элементов на барьере. Кроме геохимических показателей, надо учитывать и экономические: эффективность и рентабельность барьеров.

Различают также побочные ТГБ, возникающие стихийно, непреднамеренно, как побочный и нежелательный результат хозяйственной деятельности, и искусственные ТГБ, специально создаваемые для решения определенных практических задач.

Уровни организации и масштабы ТГБ различны: от проявления их в техногенных илах, почвах, водоносных горизонтах до более крупных, техногенных ландшафтов (населенные пункты, территории горно-обогатительных комбинатов), даже до ноосферы нашей планеты в целом. По мощности распространения миграционного потока различают: микробарьеры – 0,01–0,1 м, макробарьеры – десятки, сотни и более метров.

В зависимости от направления техногенного потока барьеры разделяются на радиальные (при субвертикальной миграции) и латериальные (при субгоризонтальной миграции).

Механические ТГБ распространены исключительно широко, очень разнообразны, но геохимические мало изучены. Это наземные сооружения, искусственные выемки, посадки кустов, деревьев и другие латериальные барьеры. Транспортируемые поверхностными водами или ветром техногенные продукты задерживаются на таких барьерах, в результате чего возникают техногенные аномалии. Пример: придорожная растительность задерживает свинец вдоль автодорог. Пример радиального механического ТГБ – накопление техногенной меди на некоторой глубине под виноградниками, на границе вспаханной и нетронутой частей почвы.

Физико-химические ТГБ. Отличие их от соответствующих природных состоит в возросшем значении органических соединений, спектр которых шире в ноосфере, чем в биосфере. Металлоорганические соединения техногенного происхождения существенно отличаются от неорганических соединений тех же элементов.

В зависимости от способа массопереноса выделяют диффузионные и инфильтрационные физико-технические барьеры, а также комплексные (двухсторонние – при встречной миграции элементов, совмещенные – при наложении различных процессов с разрывом во времени).

Как и в природных условиях, по фактору концентрации ХЭ среди ТГБ выделяют кислородные, сероводородные, глеевые, щелочные, кислые, испарительные, термодинамические.

Биогеохимические ТГБ обусловлены накоплением техногеничных элементов культурными насаждениями, что может происходить как через корневые системы, так и в результате проникновения элемента в ткань листьев из осаждающейся пыли.

Например, в литературе описано создание искусственного техногенного барьера для борьбы с техногенным загрязнением медью на виноградниках Молдавии. Это щелочной барьер (смесь кальцита с крупнозернистым песком). Медь на таком щелочном барьере оседает в виде гидрата окиси или основного карбоната.

16. Научно-методологические основы изучения окружающей среды Введение В ходе НТР усиливается геохимическое преобразование природы человеческой деятельностью. Это и привело к появлению центральной проблемы современной экологической ситуации – проблеме загрязнения окружающей среды (ОС).

Производственная и сельскохозяйственная деятельность человека сопровождается накоплением и поступлением химических элементов в объекты окружающей среды, где уже природные факторы миграции образуют антропогенные ореолы и потоки рассеяния – аномалии. Качество окружающей среды определятся составом и степенью загрязнения, формой нахождения элементов, интенсивностью биологического поглощения их и др.

Сегодня основная часть работ по проблеме загрязнения окружающей среды химическими элементами носит теоретический характер. Но важнейшей задачей изучения и решения проблемы загрязнения окружающей среды токсическими элементами является выяснение пространственной структуры аномалий, распределения очагов загрязнения, установление источников вредных воздействий, размеров зон, их влияния на население, оценка этого влияния.

Без решения этих задач невозможно разрабатывать действенные природоохранные мероприятия, экологически обоснованные схемы развития и размещения производственных сил, генеральных планов городов и территориально производственных комплексов.

Поэтому в дальнейшей части нашего курса особое внимание будет уделено именно прикладным аспектам, накопленному опыту обобщения материалов из областей образования, состава и конфигураций техногенных и антропогенных геохимических аномалий в окружающей среде. Будут рассмотрены проблемы их выявления и оценки, что необходимо для выработки практических мероприятий по ликвидации, уменьшению и предотвращению негативных воздействий.

Загрязнение окружающей среды происходит при распространении в ней неутилизируемых отходов человеческой деятельности – стоков, твердых веществ, выбросов в атмосферу, а также при рассеянии средств химизации, применяемых в сельском и лесном хозяйстве.

Методологический принцип изучения окружающей среды был заложен В.И. Вернадским, который первым открыл геохимический смысл преобразования природы человеческой деятельности и его глобальный характер. Отмечая необходимость развития прикладных геохимических исследований, В.И. Вернадский писал: «Подходя к научному изучению природы, мы никогда не должны и не можем забывать, что оно всегда неизбежно связано с практическим его значением в жизни человечества… Особенно, это должно чувствоваться, когда мы касаемся вопросов геохимии, где культурная жизнь человечества является могучей силой, меняющей химические явления нашей планеты».

Именно В.И. Вернадский подчеркивал вероятность неожиданных и непредвиденных последствий воздействия человека на природные среды, называл наименее устойчивые компоненты: атмосферу и воды. «Лик планеты – биосфера – химически резко меняется человеком сознательно и, главным образом, бессознательно.

Меняется человеком физически и химически воздушная оболочка суши, все ее природные воды».

Оценка интенсивности миграции химических элементов, вызываемой человеческим разумом и трудом, позволила ему сформулировать положение о сопоставимости деятельности человечества с геологическими процессами, а саму проблему антропогенного воздействия на природу считать проблемой геохимической и биогеохимической.

Последователи В.И. Вернадского (Н.П. Моисеев, Л.М. Гвишнани) показали, что совокупное действие загрязнения окружающей среды и уменьшения белковых компонентов рациона питания приведут около 2100 г. к падению плотности населения в 4 раза. Только сочетание жесткой борьбы против загрязнения окружающей среды с интенсивным развитием сельского хозяйства даст более благоприятные результаты.

Отечественные ученые не согласны с пессимистической концепцией экологов Римского клуба о «пределах роста». Они считают, что НТР определят две взаимосвязанные задачи, необходимые для выхода из кризисной экологической ситуации:


1. Мониторинг окружающей среды и анализ потоков вещества и энергии на разных уровнях.

2. Разработка принципов оптимизации взаимодействия общества и окружающей среды.

Обе эти задачи, очевидно, в значительной степени являются геохимическими и вполне соответствуют постулату об особом состоянии эволюции биосферы наших дней, которые следуют из учения В.И. Вернадского о ноосфере.

То, что проблема загрязнения окружающей среды не является чисто теоретическим обобщением, а вырисовывается как императивная практическая задача, вытекает из многих отрицательных реакций в разных областях человеческой жизни и производства:

1) измерение показателей состояния здоровья населения, рост заболеваемости, инвалидности, обусловленные загрязнением окружающей среды;

2) достоверное установление эпизодических случаев гибели людей из-за загрязнения окружающей среды;

3) массовые случаи гибели гидробиотов в загрязненных водах;

4) непригодность по химическому составу большого числа водных источников для питьевого и технического водоснабжения, рыбохозяйственных и рекреационных целей;

5) невозможность проведения тонких технологических операций из-за загрязнения атмосферного воздуха (поэтому производятся попытки вынести эти технологии в чистый космос).

В последнее время к традиционным загрязняющим веществам (пыли, CO2, CO, NO2, SO2, CnHm, соединениям азота, калия, фосфора, ядохимикатам, радиоактивным изотопам) приходится добавлять и проявления острых токсичных эффектов, вызванных загрязнением окружающей среды тяжелыми металлами и микроэлементами (Hg, Cd, Se, Pb).

Сегодня можно считать установленным, что при распределении загрязняющих веществ в окружающей среде, осуществляемом природными миграционными механизмами, образуются ореолы и потоки рассеяния, сходные с таковыми вокруг месторождений полезных ископаемых. Это и позволяет использовать для эколого геохимической оценки состояния среды обитания человека (окружающей среды) не только общеметодологические геохимические идеи, но и приемы, методы, применяемые при геохимических съемках для изучения и интерпретации природных аномалий.

Вот основные этапы геохимического изучения окружающей среды.

1. Изучение ассоциаций, концентраций и форм нахождения химических элементов (ХЭ) в твердых отходах, выбросах, стоках, средствах химизации, выявление участков и путей поступления их в окружающую среду.

2. Прослеживание путей и способов миграции химических элементов в окружающей среде, установление природных компонентов, взаимодействующих с миграционным потоком и приводящих к появлению техногенных геохимических аномалий.

3. Оценка площади распространения техногенных ореолов и потоков рассеяния, выявление формы их и структуры, центров наиболее интенсивного воздействия.

4. Геохимическая оценка воздействия ассоциации химических элементов на живые организмы, прослеживание их распределения по трофическим цепям, оценка степени метаболизма, изучение биокруговоротов.

Эти задачи и способы их решения сильно различаются для разных типов территорий. Поэтому в дальнейшем мы будем следовать разработкам для городов и их обрамления, сельскохозяйственных и горнопромышленных территорий (Сает, Ревич, Яшин и др.,1990).

Научно-методические основы геохимического изучения ОС и ее компоненты Методологическая основа для организации геохимических исследований антропогенного преобразования природной среды – нового научного направления – проистекает из анализа геологической, геохимической и, в конечном счете, биогеохимической деятельности человечества.

Геохимия окружающей среды это новое направление, использующее систему терминов и понятий, которые органически связывают общегеохимическую понятийную базу с географической, биологической и гигиенической основами природоохранной деятельности.

Предметом прикладных геохимических исследований является окружающая среда – совокупность природных и природо-антропогенных тел, явлений и факторов, прямо или косвенно влияющих на условия жизни человека и связанных с ними вещественным и энергетическим обменом.

Понятие «окружающая среда» используется для обозначения экологических условий жизни человека или какой-либо интересующей человека группы живых организмов в условиях антропогенного воздействия.

Более широкое понятие «экология» включает комплекс факторов, обеспечивающих условия жизни или взаимодействия живых организмов с природными телами и системами. Более того, экология человека включает и социальные аспекты взаимоотношения человека с биосферой.

ОС – это система ландшафтов или территориальных образований, в которых формируется сочетание специфического, характерного для данной географической зоны взаимодействия природных и антропогенных элементов. В зависимости от характера и соотношения этих элементов, ландшафты с определенной условностью подразделяются на природные, агроландшафты, в которых существующими методами исследования достоверно фиксируются антропогенные изменения. Ценность природных ландшафтов определяется их значением как экологического ресурса (совокупность существующих компонентов, обеспечивающих типичное для данной территории экологическое равновесие в биосфере), а также как генетического фонда. С целью сохранения этих ресурсов среди природных ландшафтов выделяются заповедники, заказники, резерваты и другие особо охраняемые территории Природные ландшафты – единственный резерв развития курортно-рекреационной деятельности.

Природные ландшафты могут быть антропогенно преобразованы загрязнителями или механически повреждены. Степень деградации может варьироваться очень широко, вплоть до техногенной пустыни, лишенной естественной растительности, сильно химически загрязненной.

Агроландшафты – это ландшафты, у которых естественная растительность была заменена другими видами растений сельскохозяйственного или лесохозяйственного значения. Это могут быть полевые, овощные, садовые, поливные, богарные ландшафты.

Урболандшафты (урбосистемы) – территории, основные особенности строения и свойства которых определяются наличием в их пределах человеческих поселений, прежде всего городов. Это и собственно город, и его обрамление, которое испытывает наибольшее воздействие города.

ОС состоит из компонентов – структурных единиц, включающих основные материально-энергетические природные и природно-антропогенные системы абиогенного (косвенного), биогенного или смешанного (биокосвенного) происхождения и состава, необходимые для неопределенно долгого (в пределе бесконечного) поддержания жизнеобеспечения.

Основные природные компоненты ОС: геологический фундамент, почвы, поверхностные водные системы, подземные воды, атмосферный воздух и живые организмы.

Структурными элементами урболандшафтов являются промышленные предприятия или промзоны, транспортные магистрали (улицы), селитебные зоны, рекреационные зоны (зоны отдыха – бульвары, парки, сады, водоемы, лесопарки). Только в последние годы стараются учитывать «розу ветров», а также пространственно разделять промзоны, селитебные и рекреационные территории. Иногда последние размещаются в примыкающем к городу зеленом поясе.

Изучение загрязнения ОС Геохимическое изучение загрязнения ОС – комплекс взаимосвязанных, синхронизированных и территориально совмещенных исследований:

а) выявление и количественная оценка источников загрязнения;

б) прослеживание распространения загрязняющих веществ в компонентах ОС с оценкой их содержания, состояния и пространственной дифференциации;

в) выяснение степени биохимической концентрации загрязняющих веществ живыми организмами и определение экологических последствий такой концентрации.

Источники загрязнения Антропогенным называют всякое преобразование ОС, которое появляется в результате деятельности человека. Если происходит изменение химического состава одного или нескольких природных компонентов ОС, то такое воздействие человека является геохимическим. Обычно принято считать, что изменение химических свойств ОС, не связанное с естественными процессами, является загрязнением. Однако загрязнение – явление количественное (т.к. нет вредных веществ, есть вредные концентрации). Оно может возникнуть не только антропогенным способом. Поэтому будем пользоваться привычными терминами: природное или естественное загрязнение.

Примерами этого являются уже знакомые нам природные геохимических аномалии вокруг месторождений и в районах вулканической деятельности.

Материальные носители загрязнения – загрязняющие вещества (поллютанты), которые связаны с наличием «источников загрязнения». Это термин широкого и не очень определенного применения. Он означает и вид человеческой деятельности (радиотехническое производство, поливное овощеводство), и конкретные объекты (завод, свалка, автотранспорт), и материальные носители (отходы производства, средства химизации).

Средства химизации – это преднамеренно вносимые для увеличения эффективности производственной деятельности вещества (а загрязнение ОС – это побочный, непредвиденный результат).

Отходы, в данный момент, неутилизируемая и возвращаемая в ОС часть используемых и перерабатываемых человеком материалов. Загрязнение ОС – неизбежное следствие появления отходов. Они могут быть промышленными, коммунальными, бытовыми, сельскохозяйственными.

Различают складируемые отходы, выбросы, стоки. Первые часть отходов для возможной последующей утилизации (на свалках, полигонах-накопителях).

Стоки – часть жидких отходов, которые рассеиваются в ОС. Они состоят из дисперсионной среды (раствор) и дисперсионной фазы, которая чаще всего и является основным загрязнителем.

Выбросы – часть отходов, рассеиваемая в атмосфере. Они, как и стоки, чаще всего двухфазны (взвесь, пыль, аэрозоли).

Стоки и выбросы могут быть организованными (через технические устройства, позволяющие вести количественный учет загрязняющих веществ) и неорганизованными (стихийно попадают в ОС).

В зависимости от способа поступления в ОС, источники загрязнения подразделяются на локальные, точечные, площадные, линейные. Все промышленные источники выбросов и стоков – точечные. Неточечные связаны с сельским хозяйством, химизацией, поверхностным стоком с загрязненных территорий, вдоль дорог.

Загрязняющие вещества: органические, органоминеральные и минеральные. При изучении минеральных загрязнений исследуют отдельные химические элементы, а не соединения. При этом пользуются термином «тяжелые металлы», под которым понимают группу токсичных химических элементов (прежде всего, цветных и редких).

Вы уже знаете, что антропогенное геохимическое загрязнение является мощным, комплексным по составу.

Распространение загрязняющих веществ в ОС Оно происходит в результате миграции загрязняющих веществ, генерируемых источниками загрязнения.

Геохимическая миграция – это комплекс процессов, приводящих к перераспределению химических элементов в природных телах. Этот комплекс включает перевод элементов в форму, обеспечивающую их подвижность в данных условиях, транспортировку элементов и, в результате взаимодействия с веществом транспортирующего потока или с веществом вмещающей его природной среды, их осаждение.

Вся система, от источника поставки элемента до геохимического барьера, называется миграционным потоком, или цепью распространения, загрязняющего вещества.

Природные среды, накапливающие загрязняющие вещества (почвы, растительный покров, снеговой покров, донные отложения), являются депонирующими.

Перемещение происходит в транспортирующих средах (водно-миграционных и воздушно-миграционных потоках), а также путем биологического поглощения элементов растительностью, а потом дальше по цепям питания живых организмов (трофическая цепь распространения).

Распространение химических элементов в окружающей среде может происходить и техническим путем (разные виды транспорта).

Интенсивность миграции выражается в виде коэффициентов концентрации (накопления) или рассеяния. Как базовое принимается фоновое содержание – среднее содержание химических элементов в природных телах в пределах участка, однородного в геологическом и ландшафтно-геохимическом отношении.

Геохимический фон – это понятие местное, локальное. Коэффициенты концентрации, подсчитанные по отношению к кларку элемента в литосфере или части ее (почве, горной породе), называются кларками концентрации.

В результате миграции химических элементов по природным транспортным каналам в ОС образуются геохимические аномалии. При этом наибольшей динамичностью отличаются воздушные и водные потоки. В воздухе и воде химические элементы мигрируют в двух основных формах:

1. Растворенной входящей в состав из дисперсионной среды (газа, воды);

2. Взвешенной – механически перемещаемой дисперсной фазы.

Таким образом, концентрация загрязняющих веществ в потоках и интенсивность выпадения из них зависит от соотношения «раствор (газовая смесь) – взвесь», которые имеют неодинаковую миграционную способность. Это обстоятельство сказывается на составе и концентрации загрязняющих веществ в ближней и дальней зонах влияния конкретного источника загрязнения. На размерах и конфигурации аномалии сказывается также «роза ветров».

Приведем еще несколько терминов.

Геохимическая аномалия – участок территории, в пределах которого, хотя бы в одном из слагающих его природных тел, содержание химических элементов достоверно отличается от фонового.

Если источник воздействия связан с деятельностью человека, аномалии называются антропогенными. Среди них различаются:

1. Геохимический ореол рассеяния – поле аномальных содержаний загрязняющих веществ и их ассоциаций, отражающих воздействие на данную конкретную территорию источника или группы источников загрязнения за весь период их существования.

2. Зона загрязнения – часть геохимической аномалии, в пределах которой загрязняющие вещества достигают концентрации, оказывающей неблагоприятное влияние на живые организмы.

3. Геохимический поток рассеяния – термин, применяемый при описании аномалий в природных средах (водах, воздухе), транспортирующих загрязняющие вещества.

По типам геохимических потоков, формирующих аномалии, и их источникам они могут быть аэрогенными (выпадение из воздушных потоков), гидрогенными (из водных потоков), биогенными (концентрирование живым веществом), вейстогенными (загрязнение отходами при строительстве и т.п.) и агрогенными (внесение удобрений, ядохимикатов).

Надо помнить, что существуют природные геохимические аномалии (рудогенные вулканогенные), которые, в случае использования этих территорий под расселение или сельское хозяйство, могут рассматриваться как зоны загрязнения.

По природным средствам, вмещающим аномалии, ореолы и потоки могут быть:

• литохимическими (в почвах, горных породах, донных отложениях);

• сноухимическими (в снеговом покрове);

• гидрохимическими (в водах);

• атмохимическими (в воздухе);

• биохимическими (в живых организмах).

В последнем случае надо иметь в виду, что при изучении влияния промышленных выбросов на растительность трудно определить химические элементы, поглощенные растениями из почвы, от элементов, механически загрязняющих поверхность растений.

Так, у автодорог 30–60 % свинца удаляется, если отмыть листья, так как растения – механический техногенный барьер.

Надо не забывать, что аномалии – это ассоциации элементов. Анализ ассоциации элементов – основа картографирования техногенных аномалий. Геохимическая структура ассоциаций – важнейшая характеристика аномалии, позволяющая идентифицировать источники загрязнения, разделять «вклад» антропогенного воздействия и природных факторов. С другой стороны, анализ структуры аномалии позволяет дифференцировать территорию по степени экологической опасности, тогда как общие контуры техногенного ореола рассеяния определяют лишь общий размер и морфологию зоны воздействия одного или группы источников загрязнения.

В пределах ореола различают ядро и периферическую часть. Ядро является зоной наиболее сильного загрязнения, наблюдаемого в связи с данным источником.

Периферическая часть ореола – зона слабого и среднего загрязнения (об этом мы уже упоминали).

Выделяют также очаг ореолов (очаг загрязнения) – территорию сплошного загрязнения, создаваемую несколькими источниками, некое полузагрязнение среднего уровня, в пределах которого могут быть ядра загрязнения. Такие очаги загрязнения привязаны к промышленным зонам.

Для количественного анализа особенностей и интенсивности развития загрязнения в пространстве может быть использована «плотность загрязнения». Она рассчитывается как соотношение их площади к общей исследуемой площади загрязненной территории (например, площади административного района).

В конкретном случае может быть намечена или задана критическая плотность как отношение площади, выделенной под промышленную деятельность, к общей площади.

И наконец, форма аномалий обусловлена, с одной стороны, пространственными особенностями распределения источников загрязнения и потоков рассеяния, а с другой – ландшафтными условиями территории, испытывающей техногенное воздействие.

Еще раз отметим, что общая морфология ореолов химических элементов в аэрогенных аномалиях определяется розой ветров, причем центр высоких содержаний близок к кругу и обрамляет источник загрязнения.

Оценка результатов антропогенного геохимического воздействия на живые организмы Эколого-геохимической нормой условий обитания человека является кларковая концентрация. Этот уровень приблизительно определяет наиболее распространенную обстановку жизни. Природные отклонения от кларка не превышают 2–3 кратного уровня. Вам уже известно, что экстремальные геохимические ситуации в природе образуются чаще всего в связи с рудными месторождениями. На таких территориях население, как правило, не концентрируется.

Вы также знаете, что антропогенные геохимические преобразования ОС по своему уровню значительно превышают даже аномалии в районах рудных месторождений.

Рассеяние в природных системах твердых отходов, выбросов, стоков и средств химизации неизбежно приводит к формированию геохимических аномалий и биохимическому концентрированию ХЭ в ОС городов, сельскохозяйственных территорий и горнопромышленных районов, территории которых являются средой обитания значительной части человечества.

Выявление техногенных геохимических аномалий фиксирует пространственное положение зон воздействия источников загрязнения. На этих территориях современными методами исследования можно определить благоприятные последствия загрязнений ОС для живых организмов и для природных систем, определяющих условия жизни (состояние воздуха, воды, пищи). Эта задачи выходит за пределы нашего курса, ее решают особые науки: геогигиена (гигиена ОС, т.е. наука о медицинских последствиях воздействия человека на природные системы) и экология (наука, исследующая взаимосвязь между живыми организмами и средой их обитания).

Но без геохимии они этого сделать не могут.

Геохимические данные позволяют изучить пространственные связи между аномалиями и состоянием биоты – совокупности всех живых организмов, населяющих территорию.

Другими словами, для решения названной задачи необходимо сотрудничество и взаимопонимание между специалистами различного профиля.

Система контроля состояния ОС включает 3 регламентируемых (нормативных) показателя, оценивающих состояние:

1) источника загрязнения;

2) природных сред в зоне загрязнения;

3) биоты в зоне воздействия.

На участках, где превышаются гигиенические нормы (ПДК), запрещено размещение жилья, а иногда и разная деятельность.



Pages:     | 1 | 2 || 4 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.