close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

1597.Геохимия окружающей среды

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО
ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«СТАВРОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
ГЕОХИМИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
учебное пособие
Ставрополь, 2014
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2
УДК 550.4 (075.8)
ББК 26.30 я 73
П 627
Рецензент
доктор географических наук, А.В. Лысенко
Геохимия окружающей среды : учебное пособие / сост.: О.А.
Поспелова ; Ставропольский государственный аграрный университет. –
Ставрополь: изд-во СтГАУ, 2013. – 60 с.
Рассматриваются основные закономерности геохимических процессов и явления в геосфере.
Учебное пособие предназначено для студентов направления
022000.62 – «Экология и природопользование» в качестве основного литературного источника по дисциплине «Геохимия окружающей среды».
Составлено в соответствии с требованиями, предъявляемыми к ООП
ВПО направления подготовки 022000.62 – «Экология и природопользование» (квалификация (степень) - бакалавр), и включают краткое содержание
курса лекций, методические разработки к лабораторным занятиям, оценочные средства для текущего и итогового контроля знаний, глоссарий.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3
ОГЛАВЛЕНИЕ
Пояснительная записка
4
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ЛЕКЦИОННОГО КУРСА
7
ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ
87
Занятие 1-2. Геохимические классификации химических элементов
Занятие 3-4. Минеральная форма нахождения. Связь свойств
минералов с их кристаллохимическими показателями
Занятие 5-6. Биогенная форма нахождения
Занятие 7-8. Распространенность химических элементов
Занятие 9-10. Миграция химических элементов в ландшафтах
Занятие 11-15. Радиоэкологический фактор в биосфере и основные геохимические закономерности формирования радиационной обстановки в агропромышленном комплексе при
ядерных инцидентах
87
92
95
98
102
106
ОЦЕНОЧНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ
УСПЕВАЕМОСТИ, ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ
ПО ИТОГАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ И УЧЕБНОМЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ
РАБОТЫ СТУДЕНТОВ
122
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К КУРСУ «ГЕОХИМИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ»
127
ГЛОССАРИЙ
130
ЛИТЕРАТУРА
134
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4
Пояснительная записка
1.
Цель освоения дисциплины
Целями освоения дисциплины «Геохимия окружающей среды» являются: формирование основ научного мировоззрения, являющегося фундаментом естественнонаучной эрудиции; развитие у студентов научного языка
будущего специалиста; дать необходимый минимум знаний по геохимии, который способствовал бы усвоению профилирующих дисциплин, а в практической работе обеспечивал понимание геохимических аспектов природных
явлений; привить навыки геохимических расчетов, способствующих выработке первичных профессиональных умений.
2.
Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата
Учебная дисциплина «Геохимия окружающей среды» относится к
Б2.Б.ОД.4 – Математическому и естественнонаучному циклу.
Для успешного освоения дисциплины должны быть сформированы
компетенции в области физики, химии, учения об атмосфере, геологии на
повышенном уровне.
Для изучения данной учебной дисциплины необходимы следующие
знания, умения и навыки, формируемые предшествующими дисциплинами:
- «Физика» (ЕН):
Знания: знание законов сохранения массы, импульса, тепловой энергии, механической энергии;
Умения: умение применить законы физики к открытым системам;
Навыки: студент должен ставить познавательные задачи, выдвигать
гипотезы, описывать результаты эксперимента, формировать выводы
- «Химия» (ЕН):
Знания: знание строения молекулы воды, основных свойств воды, агрегатного состояния и фазовых переходов.
Умения: выполнять подготовительные и основные операции при проведении химического эксперимента; проводить взвешивание и работать на
приборах, предназначенных для исследований; рассчитывать соотношение
компонентов и готовить растворы заданной концентрации; Навыки: проводить статистическую и графическую обработку результатов эксперимента.
- «Учение об атмосфере» (ПЦ):
Знания: теплового и водного режимов атмосферы, основных циркуляционных систем в различных широтах, процессов климатообразования, климатической системы Земли;
Умения: дать оценку климатическим условиям местности, составить
уравнение теплового баланса территории.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5
Навыки: постановка эксперимента, проведение метеорологических наблюдений, графическая обработка результатов эксперимента.
- «Геология» (ЕН):
Знания: строения земной коры, классификации минералов, условия породообразования;
Умения: дать оценку геологических условий местности, определение
минералов.
Навыки: чтения геологических карт.
- Учение о гидросфере (ПЦ)
Знания: гидрологических процессов, химического состава природных
вод;
Умения: дать оценку трансформации химического состава вод в зависимости от климатических условий.
Навыки: определения химического состава природных вод, экотоксикологической оценки водных объектов.
Для успешного освоения дисциплины должны быть сформированы:
ОК-3, ПК-2 на пороговом уровне и ОК-1, ОК-7, ПК-3, ПК-5, ПК-7 на повышенном уровне.
Перечень последующих учебных дисциплин, для которых необходимы
знания, умения и навыки, формируемые данной учебной дисциплиной:
- «Геоэкология»;
- «Охрана окружающей среды»;
- «Экологический мониторинг»;
- «Безопасность жизнедеятельности»;
- «Ландшафтно-экологическое планирование для оптимизации природопользования»;
- «Устойчивое развитие»;
- «Техногенные системы и экологический риск»;
- «Региональное и отраслевое природопользование».
3.
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование
элементов следующих компетенций
А) общекультурных (ОК) - понимать социальную значимость своей
будущей профессии, обладать высокой мотивацией к выполнению профессиональной деятельности (OK-3);
Б) профессиональных (ПК)
- обладать базовыми знаниями фундаментальных разделов физики, химии и биологии в объеме, необходимом для освоения физических, химических и биологических основ в экологии и природопользования; владеть ме-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6
тодами химического анализа, а также методами отбора и анализа геологических и биологических проб; иметь навыки идентификации и описания биологического разнообразия, его оценки современными методами количественной обработки информации (ПК-2);
– знать теоретические основы геохимии и геофизики окружающей среды, владеть методами геохимических и геофизических исследований, владеть
методами общего и геоэкологического картографирования (ПК-13).
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Знать: задачи экологической геохимии, основные формы нахождения
химических элементов в земной коре, распространенность химических элементов, геохимические циклы миграции химических элементов в биосфере,
концентрации химических элементов в биосфере, геохимические барьеры,
поведение химических элементов в период формирования ноосферы.
Уметь: дать эколого-геохимическую оценку состояния окружающей
среды на основе экспериментальных данных.
Владеть: владеть методами геохимических и геофизических исследований, владеть методами общего и геоэкологического картографирования.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
7
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ЛЕКЦИОННОГО КУРСА
Лекция 1. Общие сведения о предмете
1. Геохимия, ее место в системе наук
2. Понятие природного комплекса и их классификация
1. Геохимия, ее место в системе наук
Геохимия окружающей среды или экологическая геохимия – это
часть другой крупной научной системы – общей геохимии.
В курсе геохимии рассматриваются закономерности перемещения
и концентрации атомов (чаще ионов) различных химических элементов
в зависимости от внешних и внутренних факторов. Внутренние факторы
определяются особенностями строения самих атомов (ионов), внешние
– зависят от условий среды,
включая формы нахождения как
изучаемых элементов, так и элементов, создающих среду, в которой
они находятся.
Очень часто геохимию определяют как химию Земли. В этом определении есть доля истины. Но есть и существенные различия между химией и
геохимией. Простое перенесение всех химических закономерностей на поведение химических элементов в Земле не позволит ни объяснить их истинное
поведение в различных оболочкоах, ни дать прогноз их поведения в результате каких-то изменившихся условий. А.И. Перельман даже особо отмечает
(1990) различия «химического» и «геохимического» мышлений. Чем же объясняются отличия поведения химических элементов в Земле, а точнее – даже
в отдельных ее оболочках от их поведения в лабораторных условиях?
1) Крайне неравномерная распространенность химических элементов в
земной коре. В лабораториях обычно не возникает проблемы для осуществления реакций с равными молярными концентрациями элементов. В земной
коре содержание одних элементов в миллиарды раз меньше, чем других. В
этих условиях у части из них остаются нереализованными многие химические свойства. Так, элементы с малой концентрацией часто не могут образовать достаточное число собственных минералов, попадая в виде примесей
(закономерных и случайных) в «чужие» минералы.
2) Многие внешние факторы, такие как температура, давление, освещенность и др., в условиях земной коры ограничены гораздо более узкими
рамками, чем те, которые существуют в лабораториях. Разница будет особенно большой, если рассматривать не всю земную кору, а только ее внешнюю часть – биосферу, в которой обитают живые организмы. Следует отметить, что в экологической геохимии рассматривается в основном именно эта
сфера Земли. Ограниченность изменения основных внешних факторов миграции ведет к ограничению проявления многих свойств элементов.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
8
3) В определенной части земной коры химические элементы находятся
не только в виде солей (минералов) или растворов, но и образуют довольно
разнообразные формы нахождения – системы относительно устойчивых химических равновесий. Пока элементы остаются в этих системах, они не могут проявлять свои собственные свойства. Для этого должны быть разрушены формы совместного нахождения элементов. Многие из них в условиях
отдельных оболочек Земли довольно устойчивы.
4) В природных условиях практически никогда не происходят реакции
только между отдельными определенными элементами. В них участвуют
(хотя и в различной мере) очень многие химические элементы (в соответствии с законом Кларка-Вернадского в каждом природном объекте присутствуют все химические элементы). Конечно же, не все они, в прямом смысле,
участвуют в определенных химических реакциях. Многие из этих элементов
ускоряют или замедляют реакции, другие создают определенные щелочнокислотные и т.п. условия, часть из них входит в состав новых образований в
виде закономерных и случайных примесей.
5) Все химические реакции в биосфере происходят или с участием живых организмов, или в среде, созданной под их влиянием.
Подводя итог сказанному о науке «геохимия», можно отметить,
что она изучает всю историю атомов (ионов) химических элементов
Земли. Именно такое определение дал геохимии ее основатель –
величайший ученый Владимир Иванович Вернадский.
Экологическая геохимия как часть общей геохимии занимается изучением данной проблемы в верхней оболочке Земли, населенной животными и
растительными организмами – биосфере. Изучая особенности распределения
и миграции химических элементов в биосфере, можно установить самые
общие закономерности, характеризующие ее в целом. Однако биосфера –
очень неоднородная система. Внешние факторы миграции элементов весьма
существенно изменяются в ее пределах как по вертикали, так и по горизонтали – по поверхности Земли. Для установления закономерностей распределения и миграции химических элементов в отдельных, отличающихся друг
от друга частях биосферы необходимо в первую очередь такие части. Это
должны быть своеобразные «блоки» или «кирпичики», сохраняющие основную особенность биосферы (ее биокосность) и отличающиеся друг от друга
внешними факторами миграции элементов. Кроме того, эти составляющие
обязательно должны отвечать еще одному требованию – объединяться между
собой по определенным признакам, и эти объединения также должны представлять единую природную систему.
Опыт многочисленных исследований показал, что для такого изучения
наиболее удобным является ландшафтный уровень. При этом геохимические
ландшафты должны рассматриваться как составляющие биосферы. Сами же
ландшафты, по определению А.И. Перельмана, «…такое же фундаменталь-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
9
ное понятие естествознания, как «химический элемент», «живой организм»,
«почва», «минерал». Являясь биокосными образованиями, ландшафты
вполне отвечают первому требованию условного разделения биосферы на
отдельные блоки.
Геохимические ландшафты отвечают и второму из перечисленных требований: их объединение с учетом различных факторов миграции элементов,
заложенных в классификационных уровнях, дает относительно самостоятельные геохимические системы.
Центром геохимических ландафтов считаются почвы, также представляющие собой сложную биокосную систему. Для их верхнего гумусового горизонта характерно максимальное напряжение геохимических процессов.
Изучение этих процессов позволяет переходить к закономерностям распределения химических элементов в ландшафте и в его отдельных частях. Следовательно, экологическая геохимия довольно тесно связана с почвоведением и геохимией почв.
Составной частью геохимических ландшафтов являются также растительные и животные организмы, Ж коры выветривания, поверхностные и
подземные воды и, отчасти, - почвоподстилающие горные породы. Без изучения геохимических особенностей этих составных частей ландшафта часто
невозможно прогнозировать поведение химических элементов в конкретном
ландшафте в целом. Следовательно, экологическая геохимия теснейшим образом связана с гидрохимией и гидрогеохимией, изучающими поверхностные и подземные воды, а также с биогеохимией, геохимией горных пород и
кор выветривания.
В современном естествознании структура биосферы представляется в
следующем виде. Океаны и континенты – горизонтальная стурктурная особенность планеты, определяющиая в общих чертах строение биосферы. Но,
конечно же, структура биосферы гораздо сложнее. Г.Д. Рихтер (1969) предложил в основу классификации природных подразделений биосферы положить структуру их вертикальной ярусности.
2. Понятие природного комплекса и их классификация
В учении о биосфере используют понятие «Природный комплекс» в
смысле определенного ее подразделения – подсистемы. Выделяют следующие природные комплексы первого ранга: континентальный и океанический.
Наиболее крупные подразделения в этой классификации отделы природных комплексов:
1)
наземные;
2)
водные;
3)
ледовые;
4)
переменного режима с систематической и периодической сменой
ярусной структуры.
В континентальной области биосферы выделяют следующие
природные комплексы второго ранга:
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
10
1)
сухопутные (почвы, коры выветривания);
2)
земноводные (речная сеть, озера);
3)
ледовые (суша, покрытая ледниками);
4)
с переменным режимом (периодический снежный покров).
В океанической области также четок выделяются природные комплексы второго ранга:
1)
водные;
2)
ледовые;
3)
с переменным режимом.
Между океанической и континентальной областями выделяется и переходная область биосферы. Это шельфовая область океана. В шельфовой области различаюдт следующие природные комплексы:
1)
земноводные – ежесуточно заливаемая во время приливов часть
береговой зоны (литоральная зона);
2)
мелководные – акватория океана с глубиной около 200 м;
3)
ледовая – многолетний припай льда в Антарктике и Арктике;
4)
переменного режима – акватории морей, систематически покрывающиеся льдом.
В шельфовой области вся толща воды населена фотосинтезирующими
бактериями, поэтому водно-поверхностный ярус непосредственно переходит
в донный ярус.
Континентальная область биосферы занимает 149 млн. кв. км (133 – сухопутная, 16 – ледовая). Переходная (без литоральной) – 28 млн. кв. км.
Таким образом, рассмотрев структуру биосферы, приходим к выводу,
что одна из основных особенностей биосферы – ее неоднородность, мозаичность.
Вернадский, рассматривая биосферу как геологическую оболочку, ясно
понимал, что структура этой оболочки не отражает всей сложности идущих
в ней процессов. Поэтому он ввел понятие об организованности биосферы.
Еще в 1931 году в работе «Об условиях появления жизни на Земле» Вернадский определил организованность биосферы как устойчивость динамической
системы, равновесие.
Организованность биосферы в геологическом времени подтверждается
тем, что вся биосфера охватывается и тропосферой, и гидросферой, и литосферой, и живым веществом. Эти части ее взаимопроникают и взаимодейтсвуют между собой, образуя единое целое.
Таким образом, понятие «организованность» подразумевает, что окружающая природа не есть хаос разрозненных элементов, но представляет собой единое и связное целое. Организованность природы не есть только
внешний эмпирический факт, но это – ее основное свойство. Оно наиболее
ярок выступает в явлении живого, где каждая крупица может рассматриваться как своеобразный микрокосм. Следовательно организованность биосферы
подразумевает единство, равноценность и связь ее частей.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
11
До сих пор мы рассматривали предмет «Экологическая геохимия» преимущественно как часть геохимии, почти не вспоминая об определяющем
его понятии «экологическая». В современном понятии экология – это наука,
изучающая условия существования животных и растительных организмов,
взаимосвязи между этими организмами, а также между ними и средой их
обитания.
Одним из важнейших показателей не только комфортности существования, но даже выживания является характеристика среды проживания животных или произрастания растений. Если мы начнем производить оценку среды
с точки зрения химического состава на атомно-ионном уровне и с учетом
форм нахождения химических элементов – это будет геохимическая оценка
условий существования организмов. Ее проведение – одна из основных задач, стоящих перед экологической геохимией. Такую оценку можно проводить, подходя с глобальных позиций. При этом она должна быть сделана исходя из особенностей распределения, миграции, концентрации и форм нахождения химических элементов в биосфере в целом.
Первая часть оценки необходима для установления самых общих геохимических критериев существования живых организмов. Таким образом будут
определены первые геохимические реперы для оценки возможности развития
жизни, подобной той, которая есть на Земле. И вот здесь мы подходим к
второй части этой оценки – космической оценке геохимических параметров
возможности появления (а в первом приближении к комфортности) жизни
(аналогичной той, что развилась на Земле) на других космических объектах.
Эта часть глобальной оценки геохимических параметров существования
жизни на Земле только в настоящее время начинает иметь практическое значение. По мере обживания космического пространства она будет резко возрастать.
Оценка геохимических условий существования огранизмов проводится
и при более крупномасштабных исследованиях. В этих случаях определяются геохимические условия жизни организмов в отдельных частях биосферы.
Лекция 2. Химические элементы в биосфере
1. Общие сведения о формах нахождения
2. Самостоятельные минеральные виды
3. Изоморфная форма нахождения
1. Общие сведения о формах нахождения
Для решения проблем, стоящих перед экологической геохимией, необходимо изучать поведение химических элементов в различных горных породах и составляющих их минералах, в почвах, подземных и поверхностных
водах, растениях и т.д. С точки зрения современного естествознания, все
перечисленные образования представляют собой конкретные виды материи,
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
12
состоящие из определенных химических элементов. Однако их атомы находятся не в изолированном друг от друга состоянии, а в разнообразных сочетаниях между собою. Часть из них (этих сочетаний) является относительно
устойчивой и рассматривается в геохимии как форма нахождения химических элементов.
Под формой нахождения химических элементов понимаются системы
понимаются системы различных относительно устойчивых химических равновесий этих элементов.
Относительно устойчивыми они считаются потому, что практически все
элементы, составляющие земную кору, вовлекаются в большой и малый
циклы миграции. При этом ранее существовавшие сочетания элементов разрушаются и возникают новые. Но многие элементы могут находиться в относительном химическом равновесии в пределах довольно длительного (даже с
геологической точки зрения) времени.
Отдельные формы нахождения являются более или менее независимыми
друг от друга. Сочетание элементов в каждой из них подчиняется различным
физико-химическим закономерностям и является возможным только при определенных внешних условиях (внешних факторах миграции).
Вообще в природе существует довольно много различных форм нахождения химических элементов. В земной коре их несколько меньше. При изучении экологической геохимии нам достаточно рассмотреть только важнейшие из них. В свое время рядом ученых были предложены свои классификации форм нахождения химических элементов в земной коре. Так, первоначально фаормы нахождения химических элементов в земной коре были объединены Вернадским в четыре главнейших:
- горные породы и минералы (к ним были отнесены природные воды и
газы);
- живое вещество, или биогенная форма нахождения;
- магматические (существенно силикатные) расплавы;
- состояние рассеяния.
Б.А. Гаврусевич (1968) предложил дополнительно выделять как
отдельные формы нахождения изоморфные примеси, водные растворы
и газовые смеси. По мере развития геохимии, а особенно под влиянием
проблем, разрешаемых в той ее части, которая считается прикладной,
потребовалось рассматривать самостоятельно еще больше форм
нахождения элементов в земной коре. Кроме форм, предложенных
Гаврусевичем,
были выделены коллоидная форма с жидкой
дисперсионной средой и форма нахождения в виде техногенных
соединений,
не имеющих природных
аналогов. Обособление
последней обусловлено все увеличивающимся воздействием на верхние
оболочки Земли антропогенной деятельности и возрастанием в
результате этого влияния на миграцию и концентрацию химических
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
13
элементов в биосфере новых техногенных соединений.
2. Самостоятельные минеральные виды
Самостоятельные минеральные виды являются наиболее
распространенной косной (неживой) природной формой нахождения
химических элементов. В настоящее время насчитывается около 2000
видов минералов различных комбинаций и нахождений в самородном
состоянии. Наибольшее число минералов (свыше 1500) образовано при
участии кислорода. Более 1000 минералов содержит водород и более
500 – кремний. Еще 16 элементов входят в состав более чем 100
минералов (каждый). Более десяти элементов образуют всего несколько
собственных минералов. Следует сразу отметить,
что только
распространенностью элементов нельзя объяснить их способность
образовывать самостоятельные минералы.
Часть техногенных соединений иногда также называют минералами, но
искусственными. Они могут иметь природные аналоги или быть отличными
от природных соединений.
Именно твердые минералы представляют собой среду, в которой и за
счет которой развивается основная масса живых организмов материков. Минералы являются основным источником химических элементов для создания
различных техногенных соединений. Большие скопления определенных минералов создают аномальную экологическую обстановку.
Существует довольно много классификаций минералов. Среди них наибольшее распространение получили кристаллохимические, учитывающие
свойства минералов, их химический состав и внутреннюю структуру.
Использование человеком различных минералов известно с давних времен. Вначале они использовались из-за своих специфических физических
свойств. Позднее из минералов стали выделять конкретные химические элементы и их соединения. В настоящее время нет ни одной отрасли промышленности, в которой не применялись бы минералы либо непосредственно в
природном виде, либо после соответствующей переработки.
Минералы или продукты их переработки используются: в сельском хозяйстве (минеральные удобрения); топливно-энергетическом комплексе; используются в медицине (соли йода, мирабилит и др.); в пищу (поваренная
соль).
Считают, что в обозримом будущем разработка месторождений, извлечение из недр Земли минералов и их самое разнообразное использование будет не уменьшаться, а увеличиваться. При этом происходит и будет возрастать миграция и самих минералов, и составляющих их химических элементов. Такая техногенная миграция очень часто приводит к резкому возрастанию концентрации определенных элементов в отдельных районах и к появлению не характерных для природных условий ассоциаций химических эле-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
14
ментов, образующих повышенные концентрации на некоторых участках
биосферы.
Все возрастающая потребность в минеральном сырье приводит к тому,
что начинают разрабатываться месторождения хотя и с более низким содержанием определенных минералов, но с большими их суммарными запасами.
В конечном счете на больших площадях меняются минералогогеохимические условия, к которым за многие годы «привыкли» все живые
организмы этих районов. Поскольку сами изменения происходят катастрофически быстро, то многие животные и растительные организмы погибают,
не успевая приспособиться к новым условиям.
С точки зрения экологической геохимии, следует отметить еще их две
особенности: 1) Сочетания некоторых (в первую очередь породообразующих) минералов создают в каждом регионе соответствующий минералогогеохимический фон, который не только определяет многие условия существования организмов, но часто контролирует и их видовое разнообразие; 2)
доступность для живых организмов химических элементов, составляющих
минералы, зависит от свойств этих минералов, от их устойчивости в условиях биосферы.
Результатом антропогенного воздействия на минералы является переход
химических элементов из минеральной формы в коллоидную, в водные растворы и биогенную форму нахождения.
Несколько условно все минералы можно разделить на кристаллические
и аморфные. Кристаллические представляют собой однородные, анизотропные, бесконечные постройки, в которых структурные единицы (ионы, атомы или их группы), занимая строго определенные, геометрически закономерные места в пространстве, создают в совокупности кристаллическую
структуру (решетку). В минералах, относящихся к аморфным, расположение структурных единиц не является вполне хаотичным. В них также существует определенная упорядоченность в расположении атомов, ионов или их
групп, но только близлежащих, а периодичность повторения закономерно
расположенных групп структурных единиц на больших расстояниях является
нарушенной.
Первый принцип кристаллохимии был окончательно сформулирован
В.М. Гольдшмдтом в 1932 г.
Структура кристаллической решетки определяется числом ее структурных единиц, их размерами и поляризационными свойствами.
Уточнение данного принципа дается в следующих правилах:
- кристаллическая решетка минералов, при прочих равных условиях,
стремится к максимуму симметрии и наиболее плотной упаковке слагающих
ее единиц (атомов, ионов и их групп).
- упорядоченная структура стремится к минимуму потенциальной энергии вследствие тенденции слагающих ее единиц нейтрализовать свой заряд
за счет непосредственных соседей (правило Полинга).
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
15
Второй принцип кристаллохимии был сформулирован в 1933 г. А.Ф.
Капустинским.
Энергия кристаллической решетки и зависящие от нее свойства кристаллических веществ определяются количеством различных структурных
единиц, составляющих решетку, их валентностями и часто – поляризационными свойствами.
Основные свойства минералов тесно связаны и их кристаллохимическими показателями.
Энергия кристаллических решеток. Этот показатель характеризует (вместе с другими факторами) ряд свойств минералов и особенностей их образования. А.Е. Ферсманом был установлен ряд положений, которые он сам иногда называл «эмпирическими правилами». К их числу относятся следующие:
В диссоциированных расплавах, растворах и флюидах последовательность кристаллизации минералов следует за понижением энергии их кристаллических решеток. То есть: элементы с небольшими величинами ЭК в
результате геохимической эволюции постепенно становятся все более определяющими в низкотемпературных геохимических процессах, протекающих
в биосфере.
В группах минералов, имеющих одинаковое кристаллическое строение
и сходную формулу, с возрастанием энергии решетки (и следовательно, с
увеличением ЭК составляющих ее ионов увеличивается твердость этих минералов. Механическая твердость определяет устойчивость минералов к истиранию. Следовательно, при прочих равных условиях соединения с большей энергией кристаллических решеток позже могут быть разрушены механическим путем, а составляющие их элементы оказывать наибольшее влияние на жизнедеятельность организмов.
Растворимость соединений в целом согласуется с уменьшением энергии
их кристаллических решеток. Следовательно, с увеличением ЭК анионов и
катионов растворимость образуемых ими соединений будет уменьшаться.
Таким образом, в биосфере, характеризующейся обилием воды, наблюдается тенденция к относительному накоплению в растворенном состоянии (наиболее доступном для живых организмов) химических элементов с небольшими значениями ЭК.
По мере перехода от высокотемпературых процессов к наиболее распространенным в биосфере экзогенным (т.е. по мере увеличения роли ионов с
небольшими величинами ЭК) происходит закономерная эволюция окраски
образующихся минералов от черных и темно-зеленых к белым и бесцветным.
Это положение играет роль в экологии, т.к. окраска окружающей среды относится к внешним факторам, оказывающим как прямое влияние на живые
организмы, так и влияние через различную скорость солнечного нагрева
темно- и светлоокрашенных минералов.
Химическая связь в кристаллических решетках. От типа химической
связи зависят и некоторые свойства минералов:
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
16
Для минералов с ионной связью характерны небольшой удельный вес,
хорошая растворимость в воде, сравнительно высокие температуры плавления, малая летучесть. Наиболее распространенным в биосфере природным,
существенно ионным раствором является морская вода. К минералам с ионной связью в кристаллических решетках относятся природные фториды,
хлориды, бромиды и иодиды щелочных металлов.
Кристаллы с атомной (ковалентной) связью отличаются прочностью решеток, относительной твердостью, высокой температурой плавления и малой летучестью.
У большинства минералов с металлической связью в решетках высокая
электро- и теплопроводность и относительно большая твердость. К ним относятся довольно редкие в условиях биосферы самородные металлы (золото,
серебро, медь, железо, минералы группы платины).
Минералы с промежуточным типом связи преобладают в биосфере для
них характерно одновременно несколько типов связи. Их различные сочетания позволяют выделить несколько разновидностей решеток:
а) Для минералов с молекулярными решетками (в узлах которых находятся молекулы с атомной или ионной связью, удерживаемые между собой
слабыми вандер-ваальсовскими связями) характерны слабая устойчивость
самой решетки и невысокая твердость. Самые распространенные – лед, молибденит, графит.
б) Свойства минералов с ионно-ковалентной связью являются промежуточными между свойствами атомных и ионных кристаллов. Эти минералы
резко преобладают в группе с промежуточным типом связи. К ним относится
большинство окислов, часть сульфидов, силикаты и кремнезем со связью
кислород-кремний.
Ионные радиусы. Часто этот кристаллохимический показатель является
при прочих равных условиях, определяющим для ряда свойств минералов.
С увеличением радиусов ионов повышается растворимость соединений,
составленных этими ионами, и при этом понижаются их твердость, прочность, температуры плавления и кипения.
При наличии в составе минералов крупных комплексных анионов наиболее устойчивыми являются соединения с катионами, имеющими большой
ионный радиус.
Минералы, представляющие собой сочетание крупных анионов с небольшими катионами ( в природе это обычно происходит при вхождении в
кристаллическую решетку молекул воды), отличаются повышенной растворимостью, хотя и легко подвергаются обезвоживанию.
Основная часть минералов, образовавшихся в глубинных слоях Земли,
попав в условия биосферы, начинает разрушаться, так как сочетания составляющих их элементов должны соответствовать изменившимся условиям.
К ним следует в первую очередь отнести возросшую роль свободного кислорода и низкотемпературных водных растворов, а также появление совер-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
17
шенно нового и чрезвычайно сильного по своему воздействию геохимического фактора – деятельности живых организмов.
С точки зрения приспосабливания к условиям биосферы элементов, находящихся в минералах, можно выделить, кроме растворения, следующие
основные реакции.
Окисление – это процесс передачи электронов атомами, входящими в
минерал, кислороду. Реакция идет преимущественно в водной среде, а элементы с меняющейся валентностью переходят к ее более высокому состоянию. Довольно часто этот процесс идет ступенчато, с образованием промежуточных минералов.
Гидролиз – один из наиболее распространенных процессов изменений
минералов в биосфере. Его можно рассматривать как реакцию между ионами
воды (Н и ОН) и ионами минералов. Примером может служить гидролиз полевых шпатов с образованием каолинита.
Гидратация – процесс присоединения воды к минералам. В биосфере
может происходить самостоятельно, а может сопровождать ранее рассмотренные реакции. Довольно часто гидратации способствуют процессы жизнедеятельности растений.
Карбонатизация – процесс взаимодействия ионов СО3 и НСО3 с минералами. Его конечным результатом является растворение вступающих в реакцию минералов с образованием из составляющих их минералов карбонатов.
Восстановление – процесс восстановления в условиях биосферы относительно редок, так как идет при условии отсутствия свободного кислорода.
Такие условия иногда возникают в донных отложениях (этому может способствовать техногенная деятельность) и почвенных горизонтах. Восстановление контролируется главным образом наличием органического вещества и
бактериальной деятельностью.
Диализ – это процесс разделения раствора на коллоидный и истинный. В
лабораториях для этого используются специальные мембраны. непроницаемые для коллоидных частиц. В природных условиях своеобразными мембранами являются поверхности самих глинистых частиц. При этом ионы металлов из коллоидов глинистых минералов могут отделяться в виде истинных
растворов. Явление получило распространение в мелководных пресных водоемах с большими объемами глинистого геля.
Описанные процессы приводят к разрушению ранее существовавших
минералов и образованию новых, более устойчивых в условиях биосферы.
При этом часть составляющих их элементов переходит в другие формы: водные растворы, коллоидную, биогенную, а иногда и в газовые смеси.
3. Изоморфная форма нахождения
Изоморфные смеси в минералах представляют собой закономерные
замещения аналогичных элементов (даже их «блоков») друг другом в
кристаллических решетках. Явление установлено немецким химиком Э.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
18
Митчерлихом в 1819 г. Сейчас процесс изоморфного замещения
подразделяют на изовалентный и гетеровалентный. При изовалентном в
кристаллических решетках замещаются ионы равной валентности, при
гетеровалентном – разной.
Возможность изоморфного замещения зависит от ряда причин или
факторов. Для удобства рассмотрения их разделяют на внешние и
внутренние.
Изоморфные смеси в природе широко распространены. Рассмотрим
наиболее важные в настоящее время направления использования
явления изоморфизма в различных отраслях хозяйственной
деятельности.
Значительная часть редких и рассеянных элементов добывается из
изоморфных смесей, особенно из высокотемпературных магматических
минералов. Так, значительное количество гафния добывается из
циркона, где гафний находится в виде изоморфной смеси к циркону.
При этом мировые цены на гафний почти в 2000 раз выше, чем на
циркон.
Потенциальные возможности изоморфных примесей как
источника многих химических элементов (часто даже добываемых
попутно) чрезвычайно велики. Однако отработка руд с развитым
изоморфизмом часто способствует специфическому загрязнению
территорий, прилегающих к рудникам, обогатительным фабрикам,
металлургическим комбинатам.
При существующих в настоящее время методиках извлечения
«попутных элементов» значительная (часто большая) часть этих
элементов уходит в отвалы, вылетает с дымом из труб, удаляется с
промышленными
стоками.
Будучи
освобожденными
из
кристаллических
решеток,
изоморфные
примеси
начинают
самостоятельную миграцию в биосфере, точнее в ноосфере. В связи с
этим в районах рудников обогатительных фабрик, металлургических
комбинатов почвы, воды, растения имеют повышенные концентрации
многих элементов, не извлекаемых из руд.
Содержание элементов, изоморфно входящих в одни и те же
минералы из разных месторождений может изменяться в очень
широких пределах, поэтому следует обращать особое внимание при
изменении поставщиков руд (концентратов) на комбинаты.
Необходимо в хозяйственной деятельности учитывать и то, что
элементы, изоморфно входящие в какой-либо минерал, могут начать
самостоятельно мигрировать практически только после разрушения
этого минерала. Например, цинк, вносимый в почвы как
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
19
микроудобрение, в условиях биосферы изоморфно входит, замещая
магний, в глины. После этого он становится недоступным для растений,
хотя общее его содержание в почвах довольно высокое. Таким образом,
использование
цинксодержащих
микроудобрений
в
местах
распространения магниевых глин становится бессмысленным.
Явление изоморфизма следует учитывать при использовании
удобрений, в связи с проблемами охраны окружающей среды. Основная
часть минеральных удобрений изготовляется из природных фосфатов и
апатитов, в которых в виде изоморфных примесей содержится целый
ряд редких и редкоземельных элементов, включая литий, стронций,
мышьяк и др. Несовершенные технологии производства удобрений
способствуют накоплению этих элементов в удобрениях, с которыми
они поступают в почвы, а затем при разложении удобрений – в воды и
различные живые организмы.
Внутренние факторы изоморфизма определяются свойствами самих
элементов (ионов). При этом ни один из факторов не является
достаточным, хотя практически все они обычно необходимы.
- Электростатический баланс соединения не должен меняться в
результате изоморфных замещений. Выполнение этого положения при
изовалентном изоморфизме обуславливается замещением ионов равной
валентности, например Zn2+ - Cd2+. При гетеровалентом изоморфизме
сохранение баланса возможно следующими путями: а) во-первых, идет
замещение не одного, а нескольких элементов; во-вторых, число
замещаемых ионов равно числу замещающих ионов, как равны и суммы
валентностей, замещаемых и замещающих ионов. Примером такого
случая может быть изоморфное замещение в плагиоклазах: (Ca2+ и
Al3+) – (Si4+ и Na+); б) число замещаемых ионов не равно числу
замещающих ионов, хотя и сохраняется электростатический баланс. Это
возможно в двух случаях: когда в решетке имеется вакантное место или
когда в ней в процессе изоморфного замещения образуется вакантное
место. Примером может служить изоморфное замещение кремния
алюминием и натрием, занимающим вакантное место: Si4+ – (Al3+ и
Na+).
- Замещающий и замещаемый ионы должны иметь примерно
равные радиусы. В.М. Гольдшмидт показал, что такая разница обычно
не превышает 15%. Позже было установлено, что изоморфизм,
происходящий при высоких температурах, возможен в отдельных
случаях и при разнице в 40%, однако большинство таких смесей при
падении температур распадается с образованием в минерале-хозяине
микровключений. Фактор не является достаточным, поскольку известно
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
20
много элементов, имеющих аналогичные ионные радиусы, но не
образующие изоморфных смесей.
- Замещающий и замещаемый ионы обычно характеризуются
близкими величинами ЭК и при этом очень часто у замещающего иона
ЭК несколько больше. Это явление, дающее «энергетическую
выгодность» кристаллической решетке, А.Е. Ферсман назвал полярным
изоморфизмом.
- Взаимозамещающиеся ионы должны обладать подобными
поляризационными свойствами.
- Изоморфное замещение возможно между ионами с близкими
величинами потенциалов ионизации.
- При изоморфном замещении не должен нарушаться тип
химической связи между элементами в кристаллической решетке.
Внешние факторы изоморфизма. К настоящему времени изучено
(относительно ограниченно) влияние на изоморфизм таких факторов,
как температура, давление, концентрация веществ в среде протекания
процесса.
С увеличением температуры возрастает степень смесимости
веществ. Многие элементы, не замещающие друг друга в решетках
минералов при низких температурах, при высоких образуют
изоморфные смеси. Такое положение позволило А.И. Перельману
отметить, что «Магматизм – основная область проявления изоморфизма
в земной коре». Большей изоморфной емкостью обладают
породообразующие минералы основных пород, за ними – кислых.
Большим числом редких элементов, изоморфно входящих в минералы
при их повышенной концентрации отличаются щелочные породы.
Влияние давления на процесс изоморфного замещения изучено
гораздо меньше, чем температуры. Однако известно, что повышение
давления способствует изоморфизму, происходящему увеличением
координационного числа.
Повышение концентрации в среде минералообразования элемента,
изоморфно входящего в кристаллическую решетку, способствует
изоморфизму. Процесс протекает более интенсивно, если в
рассматриваемой среде понижена концентрация «главного», т.е.
замещаемого элемента.
Таким образом, изоморфные примеси в минералах (особенно
переменного состава) отражают особенности химизма среды
минералообразования, т.е. расплавов и растворов, из которых и в
которых они образуются и условий эпигенетического изоморфизма в
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
21
результате которого минералы преобразовываются в биосфере после их
формирования.
Процесс изоморфизма, протекающий в биосфере, и изоморфные
примеси, находящиеся в ее пределах, характеризуются особенностями,
которые определяются внешними условиями среды. Рассмотрим эту
связь подробнее.
1.
Температуры в пределах биосферы колеблются в
относительно узком интервале и обычно не превышают 1000С. В этих
условиях возможно образование изоморфных смесей как одновременно
с формированием минерала-хозяина, так и в уже существующем
минерале.
2.
Увеличение концентрации элемента в окружающей среде,
происходящее на локальных участках в биосфере, также ведет к
усилению изоморфизма.
3.
Изоморфные смеси, образовавшиеся в условиях высоких
температур и давлений, попав в условия биосферы, начинают
распадаться. А.Е. Ферсман назвал это явление «автолизией». Однако
причин распада изоморфных смесей в биосфере гораздо больше, к
числу основных относятся следующие:
- изменение валентности у части элеметов, входящих в смесь, при
окислении. Так, в оливине железо в условиях биосферы переходит в
трехвалентную форму и смесь начинает распадаться;
- изменение величины рН может по-разному сказаться на
растворимости изоморфно-смешивающихся соединений. Так, в кислых
растворах биосферы ZnS более растворим, чем CdS, и изоморфная смесь
(Zn, Cd)S распадается;
- изменение связей в кристаллических решетках, происходящее в
биосфере при окислении изоморфных смесей, приводит к из распаду;
- химические реакции, протекающие в биосфере, могут вызвать
образование из изоморфной смеси новых соединение. Таким образом
часто идет разделение смеси на Cl, Br, и I;
- распад изоморфных смесей возможен в биосфере и под
воздействием биогенных процессов, что особенно характерно для
смесей, содержащих йод.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
22
Лекция 3. Химические элементы в биосфере
1. Водные растворы
2. Газовые смеси
3. Коллоидная и сорбированная формы нахождения элементов
1. Водные растворы
Водные растворы составляют отдельную оболочку Земли –
гидросферу. Ее большая часть приходится на долю мирового океана,
меньшая – на поверхностные и подземные воды континентов. В сумму
на долю морей и океанов приходится около 71% земной поверхности.
По данным Гольдшмидта, на 1 см2 поверхности земли приходится 273 л
природных водных растворов, распределяющихся следующим образом,
л (кг): морская вода – 268,45 (278,11); пресная вода – 0,1 (0,1);
континентальный лед – 4,5 (4,5); водяные пары – 0,003 (0,003).
Вода является основным природным растворителем минералов,
газов техногенных соединений, не имеющих аналогов в природе.
Считается, что в воде взаимодействие между ионами в 80 раз слабее,
чем в кристаллах, поэтому для растений и животных облегчено
выборочное поступление необходимых им ионов.
Все основные свойства воды обусловлены ее структурой, которая
окончательно до сих пор не выяснена. По общепринятой теории для
стурктуры воды характерна только ближняя упорядоченность,
осложняемая тепловым движением. В процессе растворения часть
ионов растворенных веществ соединяется с молекулами воды, образуя
гидративные ионы. По мере увеличения концентрации такого раствора
структура воды (из-за гидратации) все более изменяется. Когда же
число молей воды, приходящихся на один моль соли, становится
равным сумме координационных числе гидратированных ионов,
структура
рассола
приближается
к
структуре
твердых
кристаллогидратов. Это является одной из причин уменьшения
растворимости веществ в таких рассолах.
Часть молекул воды состоит не из легкого изотопа водорода
(протия), а из тяжелого (дейтерия). Такая вода получила название
тяжелой. Считается, что тяжелая вода является ядом для организмов.
Она отличается и по ряду свойств: кипит при 101,42 0С, замерзает при
3,80С, хуже обычной воды испаряется, скорость химических реакций и
растворимость солей в ней меньше. Больше всего тяжелой воды в
соленых озерах, меньше – в атмосферных осадках полярных стран. В
водах океана отношение дейтерия к протию – 0,000158.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
23
Пресную воду, запасы которой на Земле около 2%, люди
используют не только для питья, но и в техногенных процессах. Ее
общее годовое потребление составляет около 3500 км3 и, таким
образом, на одного человека приходится порядка 800 м3 воды.
Рассмотрим на что она расходуется.
Около 70% воды, используемой человеком, приходится на долю
сельского хозяйства. По данным С.А. Брылова, при выращивании
растительной массы в 1 кг лишь на транспирацию уходит, в
зависимости от вида растений и внешних условий, от 150 до 1000о м3
воды. У нас в стране основные объемы воды в сельском хозяйстве
расходуются на орошение по следующим нормам, м3/га: зерновые –
1500-3500; многолетние травы – 2000-8000; хлопок – 5000-8000; рис –
8000-15000. Очень часто орошение проводится без учета ландшафтногеохимических особенностей орошаемых участков, что часто приводит
к засолению земель и накоплению в них тяжелых металлов.
Значительное количество воды требуется также для разведения рыб и
водоплавающих птиц, а также для водоснабжения.
Более 20% воды используется промышленностью. По данным
разных исследователей расход воды на 1 т готовой продукции
составляет, м3: синтетического волокна – 500-5000; хлопчатобумажной
ткани – свыше 1000, пластмасс – 500-1000, бумаги – 400-800. Больше
количество воды требуется для охлаждения атомных реакторов. Для
одной атомной электростанции мощностью в 1000 МВт каждую минуту
требуется 320 тыс. л холодной воды, а в сутки соответственно около 4,6
млрд. л.
Значительное количество пресных вод, включая питьевую,
расходуется на удовлетворение бытовых нужд населения. На одного
жителя благоустроенного города приходится около 200 л в сутки. В
бальнеологической практике и рекреационных целях используются
минерализованные воды.
В целом рост использования пресной воды на планете за год
составляет 0,5-2% и постоянно растет. Интенсивное потребление
поверхностных пресных вод приводит к изменению их химического
состава и загрязнению производственными, бытовыми и атмосферными
водами.
В производственных водах большинства предприятий обычно
содержатся нерастворенные минеральные вещества, нефтепродукты и
тяжелые металлы в различных концентрациях. В число особо
токсичных веществ входят цианиды, фенолы, хром. В последнее время
стала увеличиваться концентрация ряда рассеянных элементов.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
24
Бытовые воды отличаются повышенным содержанием различных
органических соединений, а часто и более широким развитием
коллоидной формы нахождения химических элементов.
Загрязнение атмосферными водами происходит в основном за счет
веществ, смываемых дождевыми и снеговыми водами с твердой
поверхности биогенных (природных) и техногенных ландшафтов.
Особое
загрязнение
вызывается
водами,
поступающими
с
сельскохозяйственных угодий. С ними поступает большое количество
удобрений, что приводит к эвтрофикации рек, водохранилищ, озер,
прудов, каналов, а затем – к возникновению целого ряда геохимических
барьеров, а которых происходит накопление меди, хрома, молибдена и
др.
Своеобразное
химическое
загрязнение
вод
вызывается
экстрагируемыми из древесины веществами при сплаве леса. При
суммарной концентрации этих веществ 9 г/л в течение суток
происходит отравление рыб.
По особенностям фазового состояния воды в биосфере, можно
выделить зоны водяного пара, твердых (лед) и жидких
структурированных вод. К числу важнейших особенностей всех этих
зон следует отнести довольно тесную взаимосвязь между ними и
круговорот вод, приводящий к необходимому для всех живых
организмов обновлению природных водных растворов.
Зона жидких структурированных вод. Эта зона имеет наибольшее
значение для живых организмов, а приходящиеся на ее долю воды
составляют более 95% объема гидросферы. Она включает воды
Мирового океана, поверхностные и подземные воды суши,
отличающиеся друг от друга по составу и виду существования
растворенных веществ. Наиболее распространенными в водных
растворах являются ионы. Это обусловлено тем, что распад на ионы
происходит при растворении минералов не только с ионной, но и
другими видами связи в кристаллических решетках. Следовательно,
можно считать одной из важнейших эколого-геохимических
закономерностей то, что живые организмы в процессе своего
развития потребляют химические элементы в основном в виде
ионов. Значительная часть ионов в растворах связана с молекулами
воды
(гидратированные
ионы).
Количество
молекул
воды
пропорционально размеру гидратированных ионов, а сила связи между
ними увеличивается с уменьшением радиуса иона.
Довольно много элементов (особенно токсичных редких и тяжелых
металлов) переносится в природных водах в виде комплексных
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
25
соединений. Согласно теории А.Вернера, центральный атом такого
соединения (обычно катион, называемый комплесообразователем)
окружен ионами противоположного заряда или нейтральными
молекулами (лиганды или адденды),
образующими внутреннюю
координационную сферу. Часть лигандов, не попавшая во внутреннюю
сферу, образует внешнюю сферу. Сумма аддендов называется
координационным числом. Для комплексных соединений в водных
растворах обычно характерна первичная диссоциация, при которой
лиганды внешней сферы отделяются от комплекса. С изменением
внешних условий может произойти вторичная диссоциация, при
которой от комплексообразователя начинают отделяться адденды
внутренней сферы. Диссоциация на каждой последующей ступени все
более затрудняется. Таким образом, наличие в природных водах
комплексных соединений увеличивает в этих растворах общее число
ионов, в первую очередь за счет аддендов внешней сферы.
Особое значение имеют комплексы металлов с органическими
аддендами. Особенно активны к комплексообразованию почвенные
гуминовые кислоты и фульвокислоты, а также аминокислоты,
образующиеся при распаде белков.
Часть химических элементов находится в природных водах в виде
молекул. Основные из них – газы и соли.
Распределение молекул газов в воде озер и водохранилищ зависит
от ее вертикальной устойчивости. Летом часто возникает поверхность
разрыва, выше которой вода перемешивается и обогащается
кислородом, а ниже – расслоена и не перемешивается. В результате в
придонных слоях воды возможно появление сероводорода и метана.
Такая обстановка способствует появлению в донных отложениях
сульфатов, сульфидов и свободной серы. При отсутствии техногенного
загрязнения, даже в крупных равнинных реках на большой части их
протяжения, идет перемешивание слоев воды и их обогащение
кислородом.
Соли находятся в водных растворах в гидратированном состоянии.
Следует помнить еще одно положение: хотя элементы
минерального питания поступают в растения в основном из почвенных
растворов, в последних находится менее 0,2% питательных веществ
почвы. Около 98% биоэлементов содержат органические остатки, гумус,
различные минералы. Их можно рассматривать как своеобразный,
постепенно используемый резерв. Иногда из-за специфических
ландшафтно-геохимических условий он продолжительное время может
быть почти неиспользованным организмами.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
26
Зона твердых вод (лед). Существование зоны развития
многолетней мерзлоты обусловлено величиной инсоляции и
геологической историей региона. В ее пределах могут существовать
(даже при отрицательных температурах) минерализованные растворы
жидких структурированных вод и водяные пары. Скорость химических
реакций во льду (за исключением некоторых биохимических) резко
замедлена по сравнению с жидкими водами. В связи с этим поступление
химических элементов из горных пород через толщу льда в почвы идет
в значительной мере через поровые воды капилляров. Результатом
такой миграции является накопление большинства элементов в
горизонте В1. Гумусовый горизонт (А) и основание сезонно-талого слоя
(горизонта В2) обычно обеднены легкоподвижными соединениями.
Зона водяного пара. Зона охватывает атмосферу и почвы;
содержатся пары воды и в 70-80% горных пород, составляющих
литосферу. Среди атмосферной воды несколько условно выделяют воду
облаков, туманов, дождевую и росу. О составе воды облаков можно
судить по составу дождевой воды. Даже при небольшом влиянии
промышленных предприятий ионный состав ее может колебаться в
значительных пределах. К основным ионам относятся натрий, калий,
магний, кальций, хлор. Кроме ионов в воде облаков содержатся
молекулы газов, а также кристаллики ряда солей, в числе которых
относительно слабо растворимые негигроскопические сульфат и
карбонат кальция. Частицы гигроскопических солей вызывают
абсорбцию водяных паров, которые, превращаясь в капельки дождя,
падают на землю. При этом идет дополнительное вымывание частиц
гигроскопических солей. Рассматриваемый процесс приводит к
накоплению в атмосфере Ca и SO4. Большинство солей (ионов и
обломков кристаллов) в дождевой воде являются вымытыми из
атмосферы, а не мигрирующими из облаков. Техногенные процессы
приводят к загрязнению паров воды в атмосфере, увеличивая
концентрацию кислот, аммиака, нитрита.
2. Газовые смеси
Газовые смеси целиком составляют верхнюю оболочку Земли –
атмосферу; значительное количество газов заполняет пустоты и полости
в почвах, в осадочных и магматических породах. Кроме того, газы
находятся в литосфере в сорбированном состоянии и в многочисленных
включениях в минералах. Для живых организмов наиболее важны
атмосферные и почвенные газы. Порядка 80-90% газов сосредоточено в
тропосфере – нижнем слое атмосферы (до высот 5-17 км).
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
27
При низких давлениях, в условиях разрежения и повышенных
температур поведение газов подчиняется законам «идеальных газов».
Молекулы этих газов настолько разъединены, что их можно
рассматривать в качестве самостоятельных точек, которые ведут себя
как упругие тела в соответствии с законами механики и находятся в
постоянном хаотическом движении. С изменением условий (повышение
давления, понижение температуры) становится необходимым учитывать
объем молекул и силы взаимодействия между ними. Молекулярный вес
сухого атмосферного воздуха – 28,966; плотность – 1,2255 кг/м3.
А.И. Перельман (1989) объединил современные процессы
образования газов в три основные группы: физико-химические,
биогенные и техногенные. В процессе образования газовой оболочки
Земли главенствующая роль принадлежит физико-химическим
процессам. Они не только господствуют в глубоких частях земной
коры, но и широко распространены в биосфере. К ним относятся
радиоактивный распад, радиолиз воды, ядерные реакции в атмосфере,
разрушение минералов при выветривании, различные окислительновосстановительные реакции.
С биогенными процессами связано поступление в атмосферу почти
всего кислорода, а также значительных количеств углекислого газа,
азота, сероводорода и метана.
В результате техногенных процессов атмосфера обогащается
оксидами углерода, азота, серы, углеводородами, альдегидами и т.д.
В последние десятилетия влияние антропогенных процессов на
изменение состава газов атмосферы стало не только сопоставимым с
природными процессами, но по ряду параметров уже превосходит их.
Можно выделить два направления в воздействии антропогенных
факторов на атмосферу: первое – извлечение определенных газов и
второе – поступление в атмосферу различных веществ.
Атмосферный воздух является основным источником получения в
свободном состоянии кислорода, азота, неона, аргона, криптона и
ксенона. Благодаря довольно быстрому перемешиванию воздуха и
комплексному его использованию, этот процесс не оказывает
особенного влияния на атмосферу. Однако в условиях полупустынных
ландшафтов и при преимущественном извлечении кислорода
рассматриваемая техногенная деятельность оказывает существенное
влияние на уменьшение содержания этого газа в составе атмосферы.
Основные техногенные источники загрязнения атмосферы могут
быть объединены в три группы.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
28
К первой группе относятся те, которые образуют загрязняющие
вещества в результате сжигания топлива – авиация, автомобильный,
морской (речной) и частично железнодорожный транспорт. Основное
загрязнение атмосферы связано с автомобильным транспортом: в
странах СНГ – 13,3%, в США – 50%. Токсичные компоненты в составе
выхлопных газов бензиновых двигателей составляют около 18% их
объема, а в дизельных – около 1%. К числу основных загрязняющих
веществ, находящихся в выхлопных газах относятся оксиды углерода и
азота, углеводороды, свинец, альдегиды, бенз(а)пирен, сажа, часто
фосфор, бром, хлор.
Ко второй группе загрязнителей относятся промышленные
предприятия. Все промышленные выбросы в атмосферу можно
разделить на следующие виды: разнообразную пыль (химические
элементы в минеральной форме); дымы (дисперсная форма); запахи;
газообразные соединения и отдельные химические элементы;
компоненты с фотохимическим эффектом.
В составе пыли чаще всего преобладают оксиды кремния,
алюминия, кальция, калия, натрия, свинца, цинка, селена, мышьяка,
марганца, железа, углерод. Дымы или аэросуспензии чаще всего
представлены отрицательно заряженными частицами оксидов кальция,
цинка, магния, железа и положительно заряженными оксидами кремния,
фосфора и углеродом. Неприятные запахи обусловлены присутствием в
газах меркаптанов, фенолом, акролеином и другими органическими
соединениями.
Третья группа источников загрязнения связана с процессами
утилизации бытовых и промышленных отходов. В эту группу входят
зоны захоронения отходов и различные мусоросжигающие установки.
От последних в атмосферу поступает наибольшее в этой группе
количество загрязняющих веществ. Вещества, поступающие в
атмосферу при использовании установок, представлены в основном
альдегидами, углеводородами, органическими кислотами, оксидами
углерода, азота, серы, аммиаком, пылью.
Как правило, в загрязнении воздуха участвуют различные сочетания
источников из этих групп. Их загрязняющее воздействие, при прочих
равных условиях, во многом зависит от ландшафтно-геохимических
особенностей регионов.
Газы атмосферы. На их долю приходится подавляющая масса
газовых смесей биосферы. В состав атмосферы входят следующие
элементы и компоненты: азот, кислород, аргон, неон, гелий, криптон,
водород, ксенон, оксиды углерода и азота, метан.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
29
Особо следует отметить присутствие в атмосфере озона.
Занимаемый им объем составляет всего (2-5)х10-5%. Распределен он
неравномерно: у поверхности Земли его содержание обычно не
превышает 10-6%, а наибольшая концентрация наблюдается на
расстоянии 20-25 км. Мощность озонового слоя при обычных условиях
составляет 1,7-4 мм. Несмотря на столь незначительное содержание,
роль атмосферного озона в развитии живых организмов огромна. Для
него характерна сильная абсорбция света с длиной волн 2000-3000 А,
т.е. губительных для организмов ультрафиолетовых лучей. Задерживая
коротковолновую радиацию солнца, озоновый слой делает возможным
существование биосферы.
Газы почв. Важной составной частью почв являются газы. Их
состав существенно отличается от состава газов атмосферы, а
занимаемый ими объем определяется степенью увлажнения почв.
Общий объем пор и пустот в почвах колеблется от 25 до 60%,
заполняются они газом и почвенными растворами. Основными
компонентами почвенных газов являются азот (78-80%), кислород (0,120%) и углекислый газ (0,1-15%).
По сравнению с атмосферным воздухом в почвенном резко
повышено содержание СО2. Он выделяется корневыми системами
высших растений и аэробными организациями, которые энергично
поглощают почвенный кислород. Таким образом, увеличение
содержания окиси углерода контролируется интенсивностью
биологических процессов, протекающих в почве. Это в свою очередь
определяет неравномерность и непостоянство содержания диоксида
углерода и кислорода: максимум отмечается в теплое время года и в
более глубоких горизонтах, у которых затруднен обмен с атмосферой.
На содержание диоксида углерода оказывают влияние ландшафтногеохимические особенности. Его высокое содержание характерно для
лесостепных ландшафтов.
Если затруднен газообмен почв и атмосферы (это бывает при
избыточной увлажненности, когда водой заняты микро- и макропоры,
или при очень плотном сложении почв), в составе газов почв резко
уменьшается содержание кислорода и появляются метан, сероводород,
аммиак, что связано с развитием анаэробных процессов.
Над некоторыми месторождениями полезных ископаемых и над
разрывными нарушениями в почвы из более глубоких горизонтов Земли
поступают газы – углеводороды, среди которых чаще преобладают
метан, гелий, азот, сероводород, оксид углерода, водород, аргон, ртуть,
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
30
ксенон, криптон. На это явлении основаны геохимические методы
поисков.
Газы недр. Рассматривая содержание газов в горных породах
следует отметить газы нефтяных и газовых месторождений. Основными
из них являются углеводородные газы.
3. Коллоидная и сорбированная формы нахождения элементов
Одной из основных особенностей коллоидного состояния веществ
является гетерогенность – коллоидная система должна состоять не
менее чем из двух фаз. При этом одна из них содержит частицы
размером 0,1-1 мкм (дисперсная фаза), распределенные в другой –
дисперсионной среде. Вещества, составляющие разные фазы имеют
реальную физическую поверхность раздела. Кроме того, для
коллоидных систем характерна свободная поверхностная энергия, а для
отдельных частиц – наличие определенного заряда. С этими
особенностями связаны процессы сорбции – концентрирование
определенных веществ из дисперсионной среды на поверхности раздела
фаз. Связь этих веществ с сорбировавшими их частицами может быть
сильной и сохраняется довольно продолжительное время.
При газообразной дисперсионной среде выделяются аэрозоли с
твердыми и жидкими частицами. В жидкой среде дисперсная фаза
может быть твердой, жидкой, газообразной. Кроме того, выделяются
дисперсные системы с твердой средой (в случае природных форм это
минералы), в которой частицы также находятся в твердой, жидкой,
газообразной фазах. Их самостоятельная миграция возможна только
после разрушения минерала-хозяина.
Рассматриваемая форма нахождения химических элементов
получила относительно широкое распространение в биосфере.
Коллоиды встречаются в атмосфере, в океанических и континентальных
водах. Широко распространены они и на суше. Так, «наиболее важные
составные части ландшафта, определяющие его своеобразие, или
находятся в коллоидном состоянии или в процессе своего образования
прошли через коллоидное состояние» (А.И. Перельман).
Следует подчеркнуть, что накопление в биосфере коллоидов
пропорционально интенсивности и длительности протекания в
геохимических
ландшафтах
биологического
круговорота
элементов. Это правило было сформулировано А.И. Перельманом и
имеет очень большое значение при изучении развития химических
ландшафтов и миграции химических элементов. В ландшафтах зрелых
стадий влажных тропиков почти 100% почв и кор выветривания состоит
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
31
из коллоидов и метаколлоидных минералов. К последним относятся
вещества, размеры частиц которых несколько больше, чем у коллоидов.
Антропогенные процессы в целом приводят к увеличению
коллоидной формы нахождения элементов. Рассмотрим это на
характерных примерах.
Наибольшие площади с постоянной техногенной нагрузкой
занимают сельскохозяйственные угодья. Даже самый легкий трактор
после обработки 1 га земли оставляет после себя 13-14 т пыли. Ее
легкие частицы очень быстро поднимаются в воздух, образуя аэрозоли.
Частицы, сорбирующие тяжелые металлы, во многих случаях начинают
преобладать на полях. За счет этого процесса (при прочих равных
условиях) происходит обогащение гумусового горизонта многими
тяжелыми токсичными металлами. В Ростовской области таким путем
на каждом квадратном километре в верхнем 30-сантиметровом слое
почвы в среднем накопилось 7,8 т только свинца.
С полей коллоиды почв сносятся также в реки и водохранилища. В
данном случае (кроме источника заиливания) они становятся
переносчиками различных сорбированных ими веществ (часто
токсичных). Число таких веществ в континентальных водах возрастает.
Огромное количество дисперсных частиц и капель выбрасывается в
атмосферу различными предприятиями, расположенными в городах. В 1
м3 воздуха только среднее содержание сажи и капель серной кислоты
(каждого вещества отдельно) над городами страны в 1988 г. было
примерно равно общему количеству всех природных аэрозольных
частиц в 1 м3 воздуха атмосферы. Количество пыли (без сажи)о
превосходило этот показатель на порядок.
В последнее время коллоидные системы стали использоваться для
селективного извлечения из растворов токсичных веществ. Важность
этого направления применения коллоидов стала особо ясной после
Чернобыльской катастрофы.
С коллоидными системами постоянно приходится встречаться в
производстве пищевых продуктов, при переработке нефти, получении
искусственного волокна и пластмасс, мыловарении, в текстильной
промышленности и т.д.
Самопроизвольное уменьшение свободной поверхности энергии
может происходить за счет концентрирования веществ на поверхности
раздела фаз. Этот процесс получил название адсорбция. Различают
молекулярную и ионную адсорбции. Адсорбция молекул более
характерна для слабодиссоциирующих веществ. Одновременно с
адсорбцией может протекать другой процесс концентрирования
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
32
веществ – абсорбция, т.е. поглощение газа или пара всем объемом
твердого тела. Довольно часто их объединяют одним термином –
сорбция.
Значимость этого процесса в биосфере чрезвычайно важна.
Например, в почвах (основной части геохимических ландшафтов суши)
концентрация многих химических элементов (в первую очередь
тяжелых металлов) в несколько раз выше в высокодисперсных
частицах, чем в остальных ее компонентах.
Процессы сорбции относятся к числу основных, очищающих воды
океана от многих токсичных элементов. С их помощью в водах океанов
контролируется концентрация свинца, хрома, меди, кобальта, никеля,
цинка, германия, бора, молибдена, лития. В речных водах со взвесями
связана основная масса рассеянных элементов (около 98% - селена,
ниобия, германия, хрома, кобальта, никеля, рубидия, бария; 70% - меди,
цинка, молибдена, серебра, стронция).
Селективность – одна из важнейших особенностей процесса
сорбции. Рассмотрим основные факторы, определяющие состав и
количество веществ, сорбируемых определенными коллоидными
частицами.
- Состав сорбируемых ионов и молекул зависит от состава
дисперсной фазы. К важнейшим природным сорбентам относятся
коллоиды оксида меди, гидроксид железа, кремнезем, доломит.
Концентрация в почвах сорбированных элементов связана в основном с
глинистыми частицами и гумусом.
- Чем больше сорбируемые вещества понижают поверхностную
энергию раздела фаз, тем больше их сорбируется.
- Чем лучше растворитель (дисперсная среда) смачивает твердую
поверхность частиц, тем меньше сорбируется растворенного вещества
из этой среды. Этот фактор описывается правилом Ребиндера: чем
ближе по своей природе адсорбент к растворителю, тем меньше
сорбируется на нем веществ, растворенных в этом растворителе.
- Избирательное поглощение определенных веществ из растворов
определяется не только составом дисперсной фазы, но и щелочностью
среды.
- Из растворов преимущественно сорбируются ионы, имеющие
общую с сорбентом атомную группировку (правило Пескова-Фаянса).
- Лучшую способность к сорбированию из растворов проявляют
поливалентные ионы, а среди ионов одинаковой валентности –
имеющие общий радиус. Это правило позволяет для ионов одинаковой
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
33
валентности составлять сорбционные ряды, в которых каждый
последующий член сорбируется хуже предыдущего.
- Состав сорбируемых веществ во многом определяется зарядом
коллоидных частиц. К положительно заряженным относятся частицы
гидроксидов алюминия, железа, хрома, оксида марганца, к
отрицательно заряженным – частицы кремнезема, большинства
сульфидов, гидроокислов марганца, железа (2), а также гуминовые
коллоиды и большинство глинистых минералов. Определенный заряд
часто имеют дисперсные частицы в тропосфере.
Сорбция газов. Из концентрирование в тропосфере на твердой
поверхности частиц происходит с очень большой скоростью (при
отсутствии пор) и иногда приводит к сжижению адсорбционного слоя.
Процесс этот обратимый и лучше протекает при понижении
температуры. В случае проникновения газов в поры скорость процесса
резко уменьшается, но возможно более интенсивное поглощение газов
всем объемом частиц. Сорбция газов может переходить в хемосорбцию.
Громадное количество аэрозолей с твердыми частицами, поступая в
тропосферу, становится ядрами конденсации. При этом они
подвергаются воздействию конденсирующейся воды и растворенных в
ней хлор- и сульфат-ионов. В результате в выпадающей «атмосферной
воде» 50% всей массы микроэлементов находится в растворенном
состоянии. Таки образом, в атмосфере процесс сорбции газов
коллоидными частицами очень часто завершается процессами
растворения, и на поверхность Земли многие элементы из тропосферы
поступают в форме водных растворов.
В отличие от ранее рассмотренных форм нахождения элементов,
коллоидная менее устойчива в природных условиях, однако это не
мешает перемещаться им на большие расстояния. Аэрозоли переносятся
в тропосфере на десятки тысяч километров; это и природные коллоиды
(пыльца растений, споры бактерий и плесени), и техногенные.
Процесс, приводящий к уменьшению числа дисперсных частиц в
единице объема, называется старением. В одних случаях старение
происходит уже за первые часы, в других – коллоиды сохраняются
десятилетиями. Рассмотрим основные факторы устойчивости
коллоидных систем.
1.
Под влиянием силы тяжести происходит оседание
(седиментация) всех коллоидных частиц, независимо от их природы.
Его скорость зависит от вязкости дисперсионной среды, разности
плотности частиц и среды, размера частиц.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
34
2.
В
случае
растворимости
частиц
возможна
перекристаллизация системы, растворение мелких и рост более крупных
частиц. У последних существенно возрастает скорость седиментации.
3.
За счет слипания частиц (коагуляции) идет быстрое
увеличение их размеров. В присутствии электролитов скорость
процесса возрастает. Особенно неустойчивыми являются аэрозоли.
Каждое соприкосновение дисперсных частиц может привести к их
слипанию.
Лекция 4. Химические элементы в биосфере
1. Состояние рассеяния
2. Биогенная форма нахождения химических элементов
1. Состояние рассеяния
В.И. Вернадский, выступая в 1909 г. на съезде русских
естествоиспытателей и врачей, говорил: «В каждой капле и пылинке
вещества на земной поверхности, по мере увеличения тонкости наших
исследований, мы открываем все новые и новые элементы. Получается
впечатление микрокосмического характера их рассеяния. В песчинке
или капле, как в микрокосмосе, отражается общий состав космоса. В
ней могут быть найдены все те элементы, какие наблюдаются на земном
шаре».
В дальнейшем первые сводки о количественном распространении
химических элементов в земной коре были сделаны Ф.У. Кларком. В
память об этих работах двух великих ученых Н.И. Сафронов предложил
закон о всеобщем рассеянии химических элементов именовать законом
Вернадского-Кларка. Применительно к учению о биосфере его можно
сформулировать так: в любом природном объекте земли содержатся все
химические элементы, находящиеся в ее коре. Считается, что пределом
рассеяния можно считать концентрацию, соответствующую одному
атому в 1 см вещества.
Исходя из закона Вернадского-Кларка, можно сделать один из
важнейших для экологии выводов: все живые организмы в процессе
своего развития и эволюции существовали в условиях, определяемых
наличием всех химических элементов, находящихся в земной коре.
Естественно, что концентрация различных элементов в среде
обитания этих организмов могла колебаться в широких пределах. В
этих условиях организмы, живущие в конкретных регионах
«привыкали», порой на протяжении миллиона лет, к определенным
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
35
концентрациям, а также формам нахождения химических элементов в
окружающей их среде. Однако при этом не бывает элементов
«полезных» и «бесполезных». Для нормального развития организмов
нужны все элементы. Вопрос может только стоять о их необходимых и
вредных концентрациях.
Следует отметить, что отрицательное воздействие на развитие
организмов может оказать как очень высокое, так и очень низкое
содержание практически каждого химического элемента. С
проникновением человека, а вместе с ним и большого ряда организмов
в космос и широким использованием различных «сверхчистых» веществ
техногенного происхождения химических элементов и связанных с ним
последствиях, закон становится особенно актуален.
2. Биогенная форма нахождения химических элементов
Биогенная форма нахождения химических элементов – это
элементы, содержащиеся в животных и растительных организмах.
Впервые она была рассмотрена В.И. Вернадским при изучении
биосферы. К живому веществу биосферы, по определению В.И.
Вернадского относится совокупность всех ее живых организмов.
Области развития живого вещества на Земле могут ограничиваться
пятью параметрами: количеством углекислого газа и кислорода;
наличием воды в жидкой фазе; термическим режимом; наличием
«прожиточного минимума» – элементов минерального питания;
сверхсоленостью вод.
На поверхности Земли практически нет участков, где бы
перечисленные факторы препятствовали развитию живых организмов.
Исключение составляют горы Мак-Кинли на Аляске (круглый год вода
в твердой фазе), заповедник Уайт-Сандс в США (в гипсовых песках нет
элементов минерального питания) и др.
По последним исследованиям границы биосферы следующие:
Мировой океан полностью заселен организмами; в атмосфере жизнь
выявлена не только в пределах тропосферы, но и в стратосфере, однако
активная жизнь большинства организмов проходит в атмосфере до
высот около 13 км; в пределах континентов нижняя граница биосферы
проходит по меняющимся глубинам, которые контролируются в
основном особенностями подземных вод.
Люди сами относятся к живым организмам и их жизнь
ограничивается многими внешними условиями, характерными для
биосферы. К их числу относятся и концентрация химических элементов
и их формы нахождения в среде обитания. Однако существование
людей невозможно без взаимосвязи и между собою, и с другими
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
36
организмами. Чисто биологические особенности такой связи обычны
для всех организмов и в этом смысле не отличаются от взаимосвязей,
изучаемых в экологии животных.
Но в отличие от других животных жизнедеятельность людей
включает в себя и техногенные процессы. По отношению к организмам
несколько условно их можно свести к следующим: непосредственное
уничтожение определенных видов; создание необычных внешних
условий существования организмов (в том числе необычных по
концентрациям и формам нахождения химических элементов), также
приводящих к мутациям и уничтожению отдельных видов;
искусственное выведение и переселение новых видов живых
организмов.
Практически все развитие человечества связано с уничтожением
определенных животных организмов. В настоящее время с техногенным
вмешательством людей исчезновение определенных видов животных
происходит катастрофически быстро, а это не 7уможет не нарушить
равновесия в природе. Уничтожение видов имеет геохимические
последствия для биосферы в целом. Рассмотрим это на примере.
Надземная биомасса дубравы (условно ее можно взять за среднюю
для лесов) составляет 264 т/га (7 т – листья, 27 т – ветви и побеги, 230 т
– древесина); корневая масса – около 50 т/га; сгнивающие корни – 1
т/га; годичная подстилка 3,9 т; органические соединения, сносимые в
подстилку водой, стекающей по листьям и стволам – 53,5 кг/га за год, а
общая биомасса подстилки 11,4 т/га. Только в надземной массе дубравы
содержится около 6 т/га неорганических веществ (см. таблицу).
Вся эта биомасса при сплошной рубке не только выводится с места
ее произрастания, но и частично переходит в другие формы нахождения
химических элементов. Таким образом, в России в результате
антропогенных процессов уничтожается в год около 1 млрд т биомассы
лесов, в составе которой порядка 20 млн т минеральных веществ.
Содержащиеся в этой биомассе одни цветные металлы превосходят их
годовую добычу на отдельных рудниках.
Создание необычной для отдельных участков и крупных регионов
геохимической обстановки. Этот процесс также характерен для всей
истории развития человечества. Однако лишь в последние десятилетия
началось глобальное техногенное изменение условий существования
организмов. Изменение условий существования видов за счет
техногенного изменения ландшафтно-геохимической обстановки
приводит или вымиранию их или начинается процесс их существенного
изменения – мутация. Наиболее высокоорганизованные виды погибают
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
37
скорее, а менее организованные, включая вирусы и бактерии, часто
изменяясь, приспосабливаются к новым условиям.
Содержание ряда химических элементов в надземной части
дубравы, кг/га
Химический
Надземные части растений
элемент
Листва Ветви и побеги Древесин
Общее
а
количество
Na
1
8
23
32
K
43
90
493
626
Ca
70
493
3290
3853
Mg
9
25
117
151
P
10
40
174
224
N
93
153
517
763
Fe
1,2
2,6
14,1
18
Mg
2,4
2,3
14,1
19
Zn
0,4
1,3
4,7
6
Cu
0,1
0,5
4,7
5
Суммарное
количество
230,1
815,7
4651,6
5698
минеральной
массы
Все последствия мутации пока невозможно даже предположить, но
изменения вирусов и бактерий могут также привести к болезням и
гибели более высокоорганизованных растений и животных, включая
человека.
Искусственное выведение и переселение новых видов. Можно
считать, что и этот процесс непрерывно сопровождал все развитие
человечества. Однако лишь с подключением к нему генной инженерии
начинают возникать проблемы, связанные с выживанием человечества.
С учетом научных разработок В.И. Вернадского и ряда других
исследователей, можно выделить ряд специфических особенностей
живого вещества:
- живое вещество биосферы характеризуются огромнейшей
свободной энергией;
- в живом веществе скорость протекания химических реакций в
тысячи раз выше, чем в неживом;
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
38
- основные химические соединения, определяющие состав живого
вещества (белки, ферменты и др.), устойчивы в природных условиях
только в живых организмах;
- для живых организмов характерны две формы движения:
пассивная, определяемая их ростом и размножением, и активная,
осуществляемая за счет направленного перемещения. Первая
характерна для всех организмов, вторая – в основном для животных.
Особенностью пассивного движения организмов является стремление
заполнить большинство пространства, а скорость размножения обратно
пропорциональна размерам организмов. Движение второй формы
происходит за счет перемещения организмов. У раздельнополых оно
осуществляется самками, приносящими потомство в новых районах;
- для организмов характерно гораздо большее химическое
разнообразие, чем для неживой природы. Химический состав живого
вещества определяют более 2 млн различных органических соединений,
а количество природных минералов составляет всего около 2 тысяч.
Тела живых организмов могут состоять из веществ, находящихся
одновременно в трех фазовых состояниях;
- при огромном разнообразии химического состава организмов
они построены в основном из белков, содержащих одни и те же
аминокислоты. Передача наследственной информации идет по одному
пути – с использованием генетического кода;
- нормальное развитие организмов в природе возможно только в
их сообществе с другими организмами (биоценоз);
- живое вещество существует лишь в форме непрерывного
чередования поколений. Поэтому оно генетически связано с
организмами прошлых геологических эпох;
- со сменой поколений идет и эволюция живого вещества. Этот
процесс наиболее характерен для высших организмов, а чем
примитивнее организм, тем он более консервативен.
Живое вещество может существовать в клеточной и бесклеточной
формах.
Вирусы, вызывая тяжелые болезни, способствуют отмиранию
наиболее слабых особей, и тем самым с их помощью (в значительной
мере) происходит в биосфере естественный отбор.
Бактерии. В природных условиях бактерии способствуют переходу
ряда тяжелых металлов из минеральной формы в водные растворы.
Гетеротрофные бактерии обладают рядом геохимических функций,
имеющих принципиальное значение для существования биосферы.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
39
Автотрофные бактерии – создают органическое вещество за счет
следующих процессов: 1) Хемосинтез – органическое вещество
образуется из углекислого газа и воды за счет энергии окисления; 2)
Фоторедукция – органическое вещество создается за счет сероводорода
при поглощении зелеными пигментами световой энергии; 3)
Фотосинтез – синтез органического вещества из неорганического с
выделением кислорода.
Гетеротрофные бактерии представлены в основном сапрофитами и
выполняют следующие биогеохимические функции:
- углекислотная – выделение углекислого газа в атмосферу
(особенно велико в этом значение почвенных бактерий);
- углеводородная – бактериальное разложение органических
остатков, приводящее к образованию углеводородных соединений.
Углеводородные газы постепенно перемещаются к земной поверхности,
изменяя на пути многие геохимические процессы, в том числе и
перераспределение металлов в почвах;
- сероводородная – ряд сульфатредуцирующих бактерий, отнимая
при окислении органики кислород у сульфатов, выделяет сероводород;
- водородная – разложение бактериями органического вещества с
образованием атомарного водорода, который является активным
агентом,
приводящим
к
восстановлению
сульфатов
при
жизнедеятельности сульфатредуцирующих бактерий;
- азотная
–
при
микробиологическом
разложении
азотсодержащего белкового вещества идет образование аммиака,
накапливающегося в атмосфере и гидросфере. Взаимодействуя с
кислотами, аммиак образует хорошо растворимые соли аммония,
которые используются растениями;
- окислительно-восстановительная – разложение органического
вещества сопровождается окислением этого вещества, серы, сульфидов,
части карбонатов, а также восстановлением ряда элементов переменной
валентности (железа, марганца, меди).
Растения. На долю растений приходится подавляющее количество
биомассы; зоомассы (при пересчете на сухое вещество примерно в 1000
раз меньше. Растения определяют биологический круговорот
химических элементов. Основной геохимический процесс – фотосинтез.
Процесс фотосинтеза – один из грандиознейших среди всех
происходящих на Земле. Так, только за 9 млн лет «через растения»
проходит масса воды, равная всей гидросфере, а за 6-7 лет вся
углекислота атмосферы. За 4500 лет за счет фотосинтеза может
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
40
обновиться весь кислород атмосферы. Основные с точки зрения
экологической геохимии последствия этого процесса следующие:
- в пределах биосферы реакция фотосинтеза идет непрерывно и в
течение года в ней участвуют громадные количества исходных и
конечных веществ;
- образующиеся при фотосинтезе органические вещества
представляют собой не только сложные химические соединения, но и
являются живым веществом планеты;
- в составе синтезирующихся органических веществ кроме
углерода, водорода и кислорода находятся все элементы земной коры.
Они участвуют в биологическом круговороте атомов;
- выделяющийся
при
фотосинтезе свободный кислород
определяет своеобразные условия биосферы, аналогов которым на
других космических телах пока не установлено.
Особенности и последствия процесса фотосинтеза представляются
в виде одного из важнейших эколого-геохимических законов, который
по предложению А.И. Перельмана назван законом Вернадского:
миграция химических элементов в биосфере происходит при
непосредственном участии живого вещества, или же она протекает в
среде, геохимические особенности которой обусловлены живым
веществом, существовавшим и существующим в биосфере со времени
ее образования.
В растениях содержатся все химические элементы земной коры.
Можно выделить несколько факторов, определяющих концентрацию
химических элементов в растениях.
1)
Концентрация химических элементов определяется видом
растения. Биологические свойства растений, влияющие на химический
состав растений, отражают их приспособительные реакции,
выработавшиеся в ходе эволюционного процесса. Только немногие
виды растений приспособлены к почвам, содержащим химические
элементы в аномально высоких количествах. В таких условиях растения
либо в ограниченном количестве поглощают избыточные элементы,
либо обезвреживают их путем осаждения или изоляции в
компартментах клетки и в клеточной стенке. Приспосабливаясь к
изменениям среды в ходе эволюционного развития, растительные
организмы создают новые формы – физиологические формы. Среди
физиологических форм растений особую группу составляют
эндемичные виды (эндемики) – виды или разновидности растений,
имеющие очень узкий ареал распространения. Ограниченность ареала
обусловлена геохимической средой, обусловленной пониженной или
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
41
повышенной концентрацией одного или нескольких химических
элементов.
Неодинаково накапливают химические элементы и отдельные
органы растений (стебли, корни, листья). Обусловлено это прежде всего
тем, что химические элементы являются носителями различных
физиологических функций (Mg, Mn, C, O, H, Fe, Cu - участвуют в
фотосинтезе), C, O, H, N, Mn, Cu, Zn - в углеводородном обмене и
образовании органических кислот ферментов; Fe, Mn, Mo, Cu, Zn катализаторы различных биохимических реакций и т.д.). Д.А. Сабинин
предложил в зависимости от распределения по органам растений
химических элементов разделить все растения на две группы:
базипетальные и акропетальные. Причины перераспределения
химических элементов в растениях еще недостаточно выяснено, но,
возможно, обусловлено тем, что они при разных их концентрациях в
среде выполняют различную физиологическую роль. Возможно, имеет
значение и различная скорость передвижения химических элементов
внутри растения. Те элементы, которые переводятся в органическую
форму (N, P, S), хорошо транспортируются, так же как и щелочные
ионы и Cl-. Плохо перемещаются тяжелые металлы и
щелочноземельные ионы, особенно кальций, который поэтому
накапливается в листьях (в конце пути ксилемного транспорта). С
возрастом в листьях все больше накапливаются Ca, S и малоподвижные
в растении элементы Fe, Mn, B, тогда как подвижные элементы (N, P, K)
сильнее всего сконцентрированы в молодых листьях. Поэтому
соотношение Са/К в течение года в листьях коренным образом меняется
в пользу Са.
2)
На содержание в растениях целого ряда элементов (в первую
очередь
металлов)
оказывают
геохимические
(ландшафтногеохимические) условия произрастания. При этом особая роль
принадлежит почвам. А.Л. Ковалевский установил, что зависимость
между содержанием химических элементов в почвах и растениях можно
выразить адсорбционной кривой (рис.). На ней выделяются три
диапазона содержания химического элемента в питательной среде: 1 –
малого содержания (среда – лимитирующий фактор) , 2- переходного
содержания, 3 – большого содержания (среда не является
лимитирующим фактором), у растений существует порог концентрации.
Растения по особенностям поглощения определенных химических
элементов можно разделить на концентраторы и деконцентраторы. В
первых данный химический элемент всегда находится в повышенных
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
42
концентрациях по сравнению с обычными растениями, а во вторых – в
пониженных.
Поступление в растения (обычные, а не концентраторы)
повышенных количеств определенных элементов довольно часто
вызывает ряд физиологических и морфологических изменений. Они
настолько характерны, что могут служить индикаторами загрязнения
окружающей среды.
3)
Содержание в растениях целого ряда элементов определяется
закономерностями связи между элементами: а) в результате нарушения
обычных связей между элементами в организме изменяется
концентрация других элементов, причем их содержание в питательной
среде обычно остается прежним; б) скорость накопления растениями
химических элементов, загрязняющих определенные зоны, зависит и от
размера загрязняющих частиц. Химический состав почвенных
растворов, концентрация в них элементов во многом зависят от свойств
самих элементов: их валентности, атомной массы, ионного радиуса. Чем
меньше значение этих показателей, тем выше растворимость элемента.
При одинаковой валентности лучше растворяются элементы, имеющие
меньшую атомную массу и меньший радиус.
В природе часто возникают ситуации, когда в растворе
значительно больше какого-либо химического элемента (одного или
нескольких), чем требуется растению, и наоборот. Химический элемент,
находящийся в недостаточном количестве для нормального развития
растения, называется дефицитным. Добавление подвижных форм
дефицитных элементов в среду увеличивает продукцию живого
вещества. К дефицитным чаще всего принадлежат O, N, P, K, F, B, I, Cu
и многие другие элементы. В большинстве случаев недостает именно
подвижных форм, хотя валовое содержание элемента в почве может
быть достаточно высоким. Это обусловлено влиянием внешних
факторов геохимической среды: кислотностью (щелочностью),
величиной окислительно-восстановительного потенциала, присутствие
других элементов.
Избыток элементов в геохимической среде также может
сдерживать развитие растений и снижать их урожайность. Элементы,
удаление которых из среды увеличивает продукцию живого вещества,
называются избыточными. Чаще всего это: Cl, S, Na, Cu, Ni, Fe, F, Al.
Один и тот же элемент может быть дефицитным в одних условиях и
избыточным в других.
Существенно
повышенные
концентрации
определенных
химических элементов на отдельных участках в биосфере привели к
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
43
тому, что в процессе эволюции некоторые растения стали произрастать
только при высоких содержаниях этих элементов. Такие растения
получили название растений-индикаторов. Среди них выделяются
универсальные и локальные. Первые произрастают исключительно в
районах с повышенным содержанием конкретного элемента. Вторые
(локальные) часто широко распространены и только в отдельных
районах, при определенных ландшафтно-геохимических условиях
становятся индикаторами повышенных концентраций химических
элементов.
Поступив в растение, химические элементы переходят в
биогенную форму нахождения. Эта форма очень сложна и неоднородна.
Она состоит как бы из многих других форм, объединяемых одним
живым организмом.
Основу биогенной формы составляют атомы, образующие самые
разнообразные органические соединения. Часть атомов (в том числе и
газов) находится в растениях в виде раствора, а часть – в минеральной
форме.
Грибы. Их биосферной функцией является разложение отмерших
органических веществ. Значительное количество химических элементов
грибы получают из почвенных растворов. К числу грибовконцентраторов обычно относятся маслята, подберезовики, лисички – в
них всегда повышено содержание цинка. В зонах техногенного
загрязнения в грибах отмечается повышенная концентрация ряда
тяжелых
металлов.
Грибы
отличаются
устойчивостью
к
неблагоприятным условиям среды обитания. Во льдах Антарктиды их
споры были обнаружены на глубинах свыше 300 м. Считается, то они
находятся там более 12 тыс лет. При этом они не утратили
жизнеспособности. Жизнеспособные споры грибов были обнаружены в
верхних слоях атмосферы.
Животные. Среди животных выделяются одноклеточные
(простейшие) и многоклеточные.
Одноклеточные животные в большинстве обитают в водной среде.
Особое значение в процессах выборочной концентрации элементов
имеют морские простейшие, концентрирующие в наружном скелете
определенные элементы: фораминиферы – карбонат кальция,
радиолярии – оксид кремния и сульфат стронция, некоторые
корненожки – сульфат бария в виде гранелл. Во многом благодаря
одноклеточным животным поддерживается определенная концентрация
ряда соединений в Мировом океане, а также концентрируются
миллиарды тонн карбоната кальция и оксида кремния.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
44
Многоклеточные животные объединяют свыше 1,3 млн различных
видов, из которых свыше 1 млн относится к насекомым. С точки зрения
экологической геохимии можно выделить несколько основных
функций, выполняемых животными:
- переводят растительную органику в рассеянное состояние,
транспортируют ее на большие расстояния и в направлениях,
противоположных поверхностному и подземному стокам;
- потребляя первичное и вторичное органическое вещество,
животные возвращают его в биосферу в форме соединений, наиболее
благоприятных для усвоения автотрофами;
- животные участвуют в процессе стабилизации подвижного
равновесия в биосфере, не допуская «перепроизводства» отмершей и
неразложившейся органики. Вмешательство человека в эту функцию
(например, уничтожение животных-хищников) практически всегда
имеет отрицательные последствия;
- многоклеточные животные в процессе жизнедеятельности
формируют среду своего обитания. Происходит это за счет
преимущественного поглощения определенных элементов и выделения
продуктов метаболизма;
- велика
значение
преимущественного
поглощения
многоклеточными животными определенных химических элементов, их
концентрации и последующего отложения в определенных участках
биосферы;
- животные являются аккумуляторами солнечной энергии и одним
из первичных источников месторождений нефти а газа (концентрация Н
и С).
Все химические элементы, находящиеся в животных, относятся к
биогенной форме. В основном они образуют различные органические
соединения, растворы и минералы. Наиболее долго ассоциации
химических элементов, возникшие в животных, сохраняются, если они
были в минеральной форме. Самыми распространенными минералами,
находящимися в животных являются апатит, карбонаты кальция,
минеральные разновидности кремнеземе, соли мочевой, щавелевой,
винной, холиевой и других органических кислот. У пчел, птиц, рыб,
моллюсков выявлен магнетит.
В молодых организмах обычно преобладают аморфные минералы,
которые со временем раскристаллизовываются. Все минералы в
организмах можно разделить на физиогенные и патогенные. Роль и
особенности формирования многих из них еще не выяснены, но
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
45
вероятна возможность их использования для диагностики и лечения
многих заболеваний.
Лекция 5. Распространенность химических элементов
1. Понятие кларковых содержаний элементов
2. Основные закономерности распространения элементов в
земной коре
1. Понятие кларковых содержаний
Из закона В.И. Вернадского о всеобщем рассеянии химических
элементов, мы знаем, что во всех природных объектах, живых и косных,
есть все элементы. Однако распределены они в различных объектах
неодинаково и крайне неравномерно. Для решения различных
экологических проблем нужно знать содержание химических элементов
в интересующей системе или в отдельном объекте, а также
определенные, эталонные содержания этих же элементов в подобных
системах или объектах. К числу особо важных из них относят горные
породы, поверхностные и подземные воды, атмосферу, почвы, растения.
Первой
объективной
количественной
геохимической
характеристикой земной коры стало среднее содержание химических
элементов, показывающее, какой процент от массы земной коры
составляет масса данного элемента. Эти величины впервые были
определены в 1869 г. для десяти наиболее распространенных
химических элементов Ф.У. Кларком: O, Mg, Si, K, Al, Na, Fe, Ti, Ca, F.
Позже, в 1908 г. он опубликовал более полную сводку. При этом в
массу земной коры были включены гидросфера и атмосфера. Так как
последние составляют в сумме чрезвычайно малую часть массы твердой
коры, то установленные средние содержания практически и отражают
состав именно земной коры. К настоящему времени определено среднее
содержание всех элементов в земной коре.
Учитывая заслуги Кларка по установлению
первых
количественных геохимических характеристик земной коры, А.Е.
Ферсман предложил называть среднее содержание химического
элемента как в земной коре в целом, так и в ее самостоятельных
крупных частях, «кларком».
Массовые кларки – показывают процентное содержание элементов
в земной коре от ее общей массы. Они наиболее часто используются,
так как отражают наиболее общие закономерности распределения
вещества в важнейшей для живых организмов оболочке.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
46
Однако, выполняя расчеты, следует помнить, что при некоторых
процессах в земной коре идет взаимодействие атомов, а их число не
соответствует массовым кларкам. В этих случаях удобнее пользоваться
атомными кларками, показывающими, какой процент составляют атомы
данного элемента от их общего числа в земной коре. Эти определения
были сделаны А.Е. Ферсманом и П.Н. Чирвинским.
Кроме того, для литосферы были определены объемные кларки.
Они показывает, какой процент в объемном выражении (в расчет
берутся электростатические поля атомов) занимает данный элементов в
объеме всей литосферы.
2. Основные закономерности распространения элементов в
земной коре
В.И. Вернадский разделил элементы по декадам, выделив
последовательно в каждую элементы с содержаниями «по десяткам»: в
первую те, содержание которых больше 10%, во вторую – от 1 до 10%, в
третью – от 0,1 до 1% и т.д. (см. Таблицу).
Распространенность элементов в земной коре по первым декадам
В.И. Вернадского
Декады
Число
Сумма
Число
Сумма
элементов
массовых
элементов
атомных
по массовым
кларков
по атомным
кларков
кларкам
кларкам
I
2
75,13
3
86,75
I+II
9
98,13
9
98,86
I+II+III
15
99,61
12
99,69
I+II+III+IV
26
99,94
18
99,97
I+II+III+IV+
38
99,99
31
99,99
V
Разделение по декадам сделано с учетом массовых и атомных
кларков, которые несколько изменились за последние годы, но в целом
картина и закономерности сохранились полностью. Рассмотрим эти
закономерности.
1. Элементы распространены в земной коре крайне неравномерно.
На долю только кислорода и кремния приходится около 70% массы
земной коры. Если к ним добавить еще шесть – Al, Ca, Mg, K, Na, Fe, то
их суммарная масса составит около 98% массы коры. Добавив к ним
еще 29 наиболее распространенных элементов, получим прибавку всего
более 1%.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
47
Девять наиболее распространенных в литосфере химических
элементов: O, Si, Al, Ca, Mg, K, Na, Fe, Ti называют
породообразующими. На их долю приходится 99,5% массы земной
коры.
Элементы с массовым кларком меньше 1 10-2% часто называют
редкими. Однако при таком подходе к редким должно относиться более
70% химических элементов, известных в земной коре. Поэтому А.И.
Гинзбург предложил относить к редким элементы, мало используемые
человечеством. Довольно часто употребим термин «микроэлементы».
Перельман рекомендует употреблять его только с указанием
конкретной природной системы. Так, алюминий – микроэлемент в
организмах и макроэлемент литосфере.
2. По отношению к усредненному распространению выделяют
элементы резко преобладающие – избыточные и с особо малым
содержанием – недостаточные.
- К избыточным относятся O, Al, Si, Fe, Ba, Th. Несколько условно
к ним иногда причисляют K, Ca, Pb. За исключением алюминия
и калия все они имеют четные атомные номера, а атомные массы
большинства кратны четырем.
- К недостаточным относятся резко дефицитные инертные газы
He, Ne, Kr, Xe, Ar, Li, Be, B. Малая распространенность
благородных газов объясняется двумя гипотезами: 1) отток их от
Земли – «гелиевое дыхание Земли»; 2) потеря их еще при
формировании планеты. Низкие кларки Li, Be, B обычно
объясняются недостаточной устойчивостью их атомных ядер.
- Ведущим химическим элементов земной коры является
кислород. Его массовый кларк определяется в пределах 46,2849%, атомный – 53,3%, а объемный – 92%. Это позволяет
считать земную кору кислородной сферой.
3. Содержание химических элементов в земной коре неравномерно
убывает по мере увеличения их порядкового номера и атомных масс.
Так, из шести элементов, составляющих 98% объема коры, наибольший
порядковый номер 20, а наибольшая атомная масса – 40 (у кальция). О
резко преобладании легких элементов свидетельствует и средняя
атомная масса земной коры, равная 17,25. В биосфере, представляющей
верхний слой земной коры с существенной ролью гидросферы и
атмосферы, преобладание легких элементов выражено еще более
контрастно. Следовательно, процесс эволюционного развития живых
организмов происходил в среде с резким преобладанием легких
химических элементов над тяжелыми.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
48
4. В таблице Д.И. Менделеева элементы с четными порядковыми
номерами и четными значениями атомной массы являются более
распространенными, чем элементы с нечетными значениями атомной
массы. Эта закономерность была установлена итальянцем Г. Оддо и
американцем В. Гаркинсом и получила название Оддо-Гаркинса. Всего
массовые кларки четных элементов составляют в сумме более 86%.
5. Особым преобладанием в земной коре отличаются элементы,
атомная масса которых кратна четырем: O (16), Mg (24), Si (28), Ca (40).
6. Среди изотопов одного элемента обычно преобладают те,
массовое число которых кратно четырем:
16
32
34
О – 99,75
S – 95,1
S – 4,22
17
33
36
О – 0,04
S – 0,75
S – 0,02
18
О – 0,20
7. У нечетных и четных элементов начала таблицы Менделеева
наибольшие кларки характерны для шестых по порядковому номеру
элементов: у нечетных – H (1), N (7), Al (13), К (19), Mn (25); у четных –
O (8), Si (14), Ca (20), Fe (26).
Таким образом, в земной коре резко преобладают легкие элементы с
четными порядковыми номерами и атомными массами, представленные
изотопами типа 4n с устойчивыми ядрами и удерживающиеся
гравитационным полем Земли.
Рассмотренные
закономерности распределения
химических
элементов характеризуют биосферу в среднем, без учета отдельных
регионов с преобладанием пород конкретного типа. В зависимости от
геологического строения и преимущественного развития в отдельных
регионах пород того или иного типа среднее содержание некоторых
химических элементов в их пределах может существенно отличаться от
среднего содержания этих же элементов в других регионах и от кларка
земной коры в целом.
Чтобы охарактеризовать общие геохимические особенности таких
регионов, было введено такое понятие, как местные, или региональные
кларки. Они представляют собой средние содержания химических
элементов в земной коре определенных регионов и могут быть
массовыми, атомными, объемными.
Для того чтобы количественно охарактеризовать геохимические
особенности отдельных геохимических систем и подчеркнуть их
отличие от среднего химического состава литосферы, Вернадским в
1937 г. было введено такое понятие, как кларк концентрации. Он
представляет собой отношение местного кларка химического элемента к
кларку земной коры этого же элемента.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
49
Лекция 6. Геохимические циклы миграции
1. Геологический цикл миграции
2. Биологический цикл миграции
1. Геологический цикл миграции
Все химические элементы, образующие различные устойчивые
системы или «формы нахождения» могут совместно перемещаться как в
самой биосфере, так и выходить за ее пределы. Кроме того,
относительная устойчивость форм нахождения предопределяет
возможность их распада с объединением химических элементов в новые
формы совместного нахождения.
Таким образом, можно считать, что химические элементы в
биосфере находятся почти постоянно в состоянии движения, которое и
является их миграцией. Перемещение элементов в биосфере можно
представить в виде почти замкнутого цикла. При этом часть элементов
не только постоянно поступает из мантии и космоса в биосферу, но и
мигрирует из нее как в глубинные зоны земной коры, так и в космос.
Любое перемещение какой-либо массы вещества происходит за
счет затраченной энергии, формы которой могут быть довольно
разнообразны: тепло, свет, электричество и т.д. Известные источники
энергии, расходуемой на Земле, довольно малочисленны и , по А.А.
Саукову, могут быть сведены в четыре основные группы: 1) энергия
гравитационных сил; 2) космическая энергия; 3) энергия
радиоактивного распада; 4) теплота глубин земного шара.
Энергия гравитационных сил проявляется в расслоении Земли на
оболочки, когда преимущественно легкие атомы слагают верхние
оболочки, а тяжелые – ядро. С этой энергией связано в большинстве
случаев и механическое перемещение вещества на поверхности
планеты.
Космическая энергия. Роль ее трудно переоценить, практически вся
космическая лучистая энергия, попадающая на Землю может быть
сведена к энергии солнечных лучей. Ею в основном определяются
тепловые режимы мирового океана и атмосферы, а следовательно и
перемещения огромных масс воды и газовых смесей. С нею связан
процесс фотосинтеза. В результате взаимодействия космического
излучения с газами атмосферы возникают нейтроны, участвующие в
ядерных реакциях.
С энергией радиоактивного распада многие ученые связывают
большинство тектонических движений. Несмотря на относительно
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
50
небольшие количества существующих сейчас в горных породах
радиоактивных элементов, суммарного количества выделенной ими
энергии за геологическую историю Земли достаточно для расплавления
массы горных пород.
Энергию остаточной теплоты глубин земного шара одни ученые
связывают с радиоактивными процессами, другие – с остаточной
теплотой звезды. Во всяком случае, верхние оболочки Земли получают
тепловую энергию из глубин планеты, и с нею связаны очень многие
геологические процессы, приводящие к миграции химических
элементов.
Из магматических расплавов при их кристаллизации часть
элементов отделяется в виде газовых смесей и водных растворов. В
дальнейшем эти элементы могут непосредственно перейти в атмосферу
и гидросферу или образовать новые минералы, или же в виде
изоморфных примесей и газово-жидких включений войти как в новые,
так и в ранее существовавшие минералы.
В результате тектонических подвижек и эрозии образовавшиеся на
глубине породы попадают в поверхностную обстановку биосферы, где
составляющие их элементы и соединения перераспределяются агентами
выветривания. Значительное перераспределение элементов в условиях
развития процессов выветривания связано с относительной
растворимостью соединений в воде. Легко растворимые соединения
переходят в гидросферу, находясь в форме истинных и коллоидных
растворов. В пределах континентов большая часть продуктов
выветривания переходит в осадки в стадии седиментации и диагенеза,
минуя растворение и переход в гидросферу.
Из атмосферы ряд компонентов удаляется в течение всего
геологического времени – кислород (при процессах окисления железа,
марганца, соединения серы; образовании воды и т.д.); диоксид углерода
(образование угля, нефти, рассеянного в осадочных породах
органического вещества, карбонатов); азот (за счет жизнедеятельности
ряда бактерий и образований оксидов азота); водород и гелий (удаление
из гравитационного поля Земли). Из атмосферы удаляются и
коллоидные частицы, попавшие в нее из космоса, литосферы и
гидросферы. Компоненты, удаленные из атмосферы, образуют
соединения, являющиеся, как правило, составными частями осадочных
пород.
В космическое пространство попадают в значительно количестве
водород и гелий. Последнего в атмосфере осталось меньше 0,1 его
количества, выделившегося при радиоактивном распаде в течение
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
51
геологического времени. Из космоса в атмосферу, а затем и на земную
поверхность попадают космическая пыль и метеориты. Масса всех
химических элементов, поступающих из космоса за год, колеблется от
400 до 4000 т.
Вещества, поступившие в растворы при выветривании горных
пород из атмосферы, космоса, при подводных извержениях и
кристаллизации магматических расплавов, постепенно вместе с
обломочным материалом переходят в осадки, образующие новые
горные породы. Осадки отлагаются в открытых морских водоемах,
озерах, а также выпадают из подземных вод. Наиболее интенсивное
выпадение веществ в осадок наблюдается при смене геохимических
условий. В случае диагенетических изменений идет не только
уплотнение, но и перераспределение веществ, при котором может
происходить как концентрация, так и рассеяние элементов.
Во вновь образовавшихся породах также продолжаются процессы
миграции элементов, результатом которых являются такие
эпигенетические изменения пород как перекристаллизация, старение
коллоидов, гидратация, дегидратация, рост конкреций, возникновение
новых, устойчивых в данных условиях минералов. Ранние
эпигенетические изменения происходят под влиянием изменившихся
термодинамических условий, а также под воздействием растворов и
газов, проникающих в породы при кристаллизации магмы.
Дальнейшие изменения пород, вплоть до метаморфизма, могут
происходить как без изменения валового химического состава пород,
так и с привнесением вещества (обычно контактовый метаморфизм).
При этом возможна как концентрация элементов, так и их рассеяние.
Значительное повышение температуры и давления может вызвать
плавление пород, с образованием при последующей кристаллизации
расплавов,
различных
типов
изверженных
пород
и
газогидротермальных растворов. Переход пород в расплавленное
состояние возможен и в результате их растворения во внедрившихся
расплавах.
Рассмотренный геохимический цикл миграции элементов
(кристаллизация расплавов – выветривание с поступлением части
элементов в атмосферу и гидросферу – седиментация и диагенез –
эпигенетические изменения, вплоть до плавления пород) можно считать
основным, поскольку таким путем осуществляется круговорот
большинства элементов в земной коре. Но в процессе миграции могут
возникать и мелкие второстепенные циклы. Участвуя в них, часть
элементов может миновать отдельные «ступени» основного цикла.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
52
В добиогенный период планеты в геологических, гидрологических,
геохимических, атмосферных круговоротах определяющая роль
принадлежала водной и воздушной миграции и аккумуляции.
В условиях развитой биосферы круговорот веществ направляется
совместным действием биологических, геологических и геохимических
факторов. Соотношение между ними может быть разным, но действие
обязательно совместным!
Вспомним, что в соответствии с законом В.И. Вернадского о
влиянии организмов на миграцию элементов в биосфере все элементы
биосферы или «прошли» через живые организмы, или перемещаются в
среде, свойства которой обусловлены этими организмами. Именно это
позволяет особо выделять биологический круговорот элементов.
2. Биологический цикл миграции
Образование и разрушение органического вещества протекает в
каждом ландшафте. Эти процессы протекают одновременно и
представляют собой единство.
Противоположные процессы – биогенная аккумуляция и
минерализация образуют единый биологический круговорот элементов
в ландшафте. История любого химического элемента в ландшафте
складывается из бесчисленного множества таких круговоротов,
различных по своему масштабу и продолжительности.
Круговороты не представляют собой замкнутых циклов; в
результате каждого из них ландшафт не возвращается в прежнее
состояние, а приобретает некоторые новые свойства. Часть веществ
надолго изымается из миграции, закрепляясь в почве в форме
труднорастворимых соединений, некоторые вещества удаляются из
ландшафта в реки и, таки образом, уже не включаются в новые циклы
миграции данного ландшафта. Поэтому миграция химических
элементов в ландшафте характеризуется не только цикличностью, но и
определенной общей направленностью, приводящей к изменению
химического состава и свойств ландшафта, к переходу его в новое
состояние. Это необратимое изменение химического состава
ландшафта, его геохимическая эволюция в большинстве случаев
осуществляется именно в результате круговорота веществ.
Все вышесказанное можно обобщить в один из основных законов
геохимии ландшафта – закон биологического круговорота элементов в
ландшафте. Этот закон сводится к следующему: миграция большинства
химических элементов в элементарном ландшафте представляет собой
круговорот, в ходе которого элемент многократно входит в состав
живых
организмов
(«организуется»)
и
выходит
из
них
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
53
(«минерализуется»). Эти круговороты для различных элементов и в
различных ландшафтах отличаются различной продолжительностью.
Они никогда не бывают обратимыми, ландшафт не возвращается в
прежнее состояние, а приобретает некоторые новые свойства. Само
поступательное развитие ландшафта в значительной степени
осуществляется через систему подобных круговоротов.
Установление этого закона связано с именами В.Р. Вильямса и Б.Б.
Полынова.
Для характеристики биологического круговорота используют
следующие основные показатели:
1. Емкость биологического круговорота
– максимальное
количество химических элементов ландшафта, находящихся
одновременно в составе живого вещества (его общая масса);
2. Скорость биологического круговорота – максимальное
количество живого вещества, образующегося и разлагающегося
в единицу времени.
В зависимости от соотношения этих показателей могут быть
установлены четыре основных типа биологического круговорота:
1. Лесной, характеризующийся большой емкостью и средней
скоростью;
2. Степной, луговой, пустынный, характеризующийся средней и
низкой емкостью и большой скоростью;
3. Тундровый, характеризующийся средней и низкой емкостью и
очень малой скоростью (замедленный круговорот);
4. Примитивно-пустынный, характеризующийся низкой емкостью
и большой скоростью.
Интенсивность
биологического
круговорота
во
многом
определяется содержанием в ландшафте дефицитных и избыточных
элементов. Дефицитными называются такие элементы, добавление
подвижных форм которых в ландшафт ускоряет биологический
круговорот, повышает его емкость. Борьба с дефицитностью элементов
идет по двум направлениям: добавлением извне в ландшафт
недостающих элементов и повышением подвижности инертной части. К
числу дефицитных относятся O, N, P, K, Ca, Mg, Cu, Co, I, F.
Избыточным называются такие элементы, удаление которых из
ландшафта ускоряет биологический круговорот, повышает его
емкостью К избыточным относятся Cl, S, Na, Cu, Fe, F.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
54
Лекция 7. Виды и типы миграции химических элементов
Факторы миграции
1.
2.
3.
4.
Виды миграции химических элементов
Типы миграции химических элементов
Внутренние факторы миграции
Внешние факторы миграции
1. Виды миграции химических элементов
А.И. Перельман (1979) выделил четыре основных вида миграции
химических элементов: 1) механическую; 2) физико-химическую; 3)
биогенную; 4) техногенную, связанную с социальными процессами.
Механическая миграция (механогенез) подразумевает механическое
перемещение химических элементов без изменения форм их
нахождения. Так, например, перемещаются обломки минералов в
поверхностных водах и атмосфере, воды рек, газы атмосферы и т.д.
Физико-химическая
миграция
включает
миграцию
и
сопровождающие ее химические реакции для таких форм нахождения
химических элементов, как водные растворы, газовые смеси, диффузия,
процессы радиоактивного распада, явление изоморфизма, процессы
сорбции.
Биогенная миграция объединяет всю миграцию химических
элементов, связанную с жизнедеятельностью организмов (растительных
и животных).
Техногенная
миграция
химических
элементов
вызвана
деятельностью людей. Ее роль непрерывно возрастает, и во многом она
контролирует поведение химических элементов в биосфере.
2. Типы миграции
В экологической геохимии особое внимание приходится уделять
непосредственно формам нахождения мигрирующих элементов, так как
часто от этого зависит доступность химических элементов организмам.
Связывая перемещение химических элементов с формами их
нахождения, выделяют три основных типа миграции (В.А. Алексеенко,
1989).
Первый тип миграции представляет собой изменение формы
нахождения элементов без их значительного перемещения,
например переход элемента из минеральной формы в водные растворы.
Для характеристики этого типа миграции можно использовать
коэффициенты перехода элементов из одной формы в другую. Впервые
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
55
такой коэффициент был приведен Б.Б. Полыновым для биогенной
формы:
КБП =Р/П,
где КБП – коэффициент биологического поглощения; Р – содержание
элемента в золе растения; П – содержание этого же элемента в почвах
(породах), на которых произрастает растение.
Рассматриваемый процесс часто играет весьма значительную роль в
природной и техногенной миграциях элементов. В случае, если КБП>1,
идет выборочное «перекачивание» элементов из почв. При
последующем отмирании растений минеральная часть опада в
подстилке лесов будет характеризоваться более высокой концентрацией
этих элементов, чем нижележащие почвенные горизонты. Даже только в
отдельных регионах эта разница может измеряться в миллионах тонн
металлов.
После
Чернобыльской
катастрофы
значительная
часть
радионуклидов перешла в биогенную форму (в растениях)
непосредственно в районе аварии, тем самым уменьшилась дальность
их миграции. На первом этапе это чрезвычайно благоприятно сказалось
на локализации последствий катастрофы. Однако не была учтена
возможность еще одного скорого изменения форм нахождения
радионуклидов, а они в результате начавшихся пожаров перешли в
коллоидную форму (аэрозоли). При этом дальность и скорость
миграции радионуклидов резко возросли, а сама миграция перешла в
следующий тип.
Второй тип миграции представляет собой перемещение
элемента без изменения формы его нахождения. Примерами такого
типа миграции может служить указанное перемещение аэрозолей в
атмосфере, обломков минералов в поверхностных водах или элементов,
находящихся в растворе, при движении поверхностных и подземных
вод.
Со вторым типом миграции химических элементов также бывают
связаны экологические катастрофы. Так, в конце 1993 г. в Индии
наступающее море затопило участок плодородной земли размером
более 2000 га сроком на 15 часов. При этом не только были снесены
дамбы и плодородный слой почв с урожаем пшеницы и хлопчатника, но
перемещающиеся водные растворы солей (морская вода) заменили
пресные почвенные растворы, вызвав засоление почв. Причинами этого
наводнения считают уничтожение прибрежных мангровых рощ,
пасущимся скотом, разработку на побережье песчаных карьеров,
уничтожение малых рек.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
56
Третий тип миграции объединяет два предыдущих и состоит в
перемещении элементов с изменением форм их нахождения,
например перемещение элементов в подземных водах, растворяющих
минералы на месторождениях, переход из минеральной формы в
биогенную при мощном чехле рыхлых отложений и т.д.
Этот
тип
миграции
химических
элементов
является
преобладающим в биосфере. Его значение становится особо важным,
когда хотят проследить достаточно долгий путь миграции химических
элементов (их соединений). Такие построения справедливы и для
прослеживания миграционных путей токсичных и радиоактивных
веществ.
Так, в рассмотренном выше примере с миграцией радионуклидов в
районе Чернобыля можно предположить, что произойдет их
значительный атмосферный перенос и очередной переход в биогенную
форму из коллоидной. При этом возможна непосредственная
концентрация радионуклидов в организме человека (через легкие в
кровь) либо накопление их в различных сельскохозяйственных
продуктах, затем дальняя техногенная миграция (перевозка продуктов)
и последующее поступление в организмы.
При рассмотрении миграции элементов необходимо установить
причины, обуславливающие данный процесс, так как их различные
комбинации могут привести к усиленной миграции одних элементов и
концентрации других в пределах даже небольшого участка. Без знания
причин миграции элементов часто невозможно объяснить образование
повышенных содержаний элементов в горных породах, почвах, водах,
растениях и животных.
Все причины миграции А.Е. Ферсман условно разделил на
внутренние, связанные со свойствами атомов и их соединений и
внешние, определяющие обстановку миграции.
3. Внутренние факторы миграции
Электростатические (кристаллизационные) свойства ионов. Эту
группу факторов необходимо учитывать только при миграции
элементов в виде свободных ионов. Такая миграция характерна для
различных форм нахождения элементов и типична для водных
растворов, магматических расплавов, газовых смесей, живого вещества.
Так как рассматриваемая группа факторов во многом определяется
размерами ионных радиусов, ее следует относить не к точным физикохимическим константам, а к полуколичественным показателям.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
57
Ионный потенциал Картледжа. По его значению, определяемому
отношением заряда иона (валентности) к его радиусу, умноженному на
10, если он выражается в нанометрах, химические элементы (их ионы)
объединяются в три группы с величиной потенциала: первая – до 3;
вторая – от 3 до 12; третья – больше 12. Все они отличаются по
способности образовывать комплексные соединения, истинные
растворы, соединяться с молекулами воды, а в конечном счете – по
доступности для большинства живых организмов.
Энергетические коэффициенты ионов. Последовательность
кристаллизации минералов из растворов и расплавов, как правило,
контролируется (в первом приближении) энергией их кристаллических
решеток. Значение ЭК возрастает с увеличением валентности и
уменьшением ионного радиуса. Ионы с большими значениями ЭК
раньше выпадают из растворов и обычно первыми образуют соединения
в ходе кристаллизации магмы. При процессах выветривания они, как
менее подвижные, чаще накапливаются в элювии.
Радиус иона. При свободной миграции с увеличением радиуса
дальность миграции возрастает, а при диффузии, наоборот,
уменьшается.
В растворах значительная часть ионов может переноситься и в виде
комплексных соединений. В этом случае они обычно недоступны
многим живым организмам. Однако довольно скоро в природных
условиях начинается первичная диссоциация, приводящая к появлению
в растворе свободных ионов за счет их отрыва из внешней сферы
комплекса. С изменением термодинамических и геохимических условий
миграции, т.е. на геохимических барьерах, будет происходить
вторичная диссоциация комплексного иона, в результате которой в
растворе появятся в виде самостоятельных ионов лиганды из
внутренней сферы и сам комплексообразователь.
Таким образом, даже при значительной роли комплексных
соединений в водной миграции часть элементов всегда находится в виде
простых ионов, а на определенных геохимических барьерах в такую
форму переходит подавляющее большинство элементов. Дальнейшая
миграция простых ионов (при неизменных внешних факторах) начинает
подчиняться закономерностям, определяемым их электростатическими
свойствами, а сами химические элементы становятся более доступными
для всех организмов.
Свойства связи соединений. Эти свойства характеризуют
способность соединений противостоять усилиям, направленным на их
разрушение. Чем ярче они выражены, тем устойчивее минералы и тем
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
58
позже проявятся собственные миграционные особенности каждого из
элементов, входящих в рассматриваемые соединения.
Связь элементов зависит от целого ряда факторов, к числу которых
относятся особенности внутреннего строения соединений и энергия его
кристаллической решетки. Свойства связи определяются податливостью
минералов к химическому выветриванию, его механической
прочностью. Наибольшей механической прочностью обладают
соединения с большой энергией кристаллической решетки, плохо
выраженной спайностью и повышенной твердостью. Учитывая
способности минералов противостоять механическому и химическому
разрушениям, А.А. Кухаренко приводит относительный ряд дальности
миграции минералов во фракции больше 0,1 мм.
Относительный ряд дальности миграции минералов
Дальность миграции
Минералы
Малая
Киноварь, пирит, оливин, барит, флюорит,
роговая обманка
Умеренная
Магнетит, апатит, ставролит, касситерит, золото,
лимонит,
Высокая
Гематит, топаз, турмалин, платина, циркон,
корунд, алмаз
Учитывая, что связь элементов в соединении во многом
контролируется температурой среды, все элементы по термическим
свойствам делят на шесть групп: 1 – летучие, легкомигрирующие газы
(гелий, аргон, кислород, др.) с низкими температурами перехода из
одной фазы в другую; 2 – подвижные металлоиды (фосфор, хлор, фтор,
сера, йод), образующие легколетучие соединения с другими
элементами; 3 – щелочные и щелочно-земельные металлы с
труднолетучими оксидами и соединениями галогенов; 4 – летучие
металлы (ртуть, индий, висмут); 5 – обычные металлы (железо, свинец,
кобальт, никель и др.); нелетучие в условиях земной коры, но иногда
образующие довольно легколетучие соединения с металлоидами; 6 –
труднолетучие в свободном состоянии, но дающие некоторые летучие
соединения (группа платины, вольфрама).
Химические свойства соединений. При их рассмотрении всегда
необходимо
учитывать
геохимические
и
термодинамические
особенности среды в которой идет миграция. Например, на земной
поверхности кислородные соединения более устойчивы, чем сульфиды.
Гравитационные свойства атомов. Оказывают влияние на
перемещение элементов при кристаллизации, выветривании и
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
59
седиментации: каждый атом притягивается с силой, пропорциональной
его массе.
Радиоактивный распад ядер атомов. Приводит к образованию
новых элементов, отличающихся друг от друга и от исходных
элементов миграционными свойствами. В земной коре известно 17
долгоживущих изотопов. В результате их распада образуются: 1)
промежуточные продукты; 2) стабильные изотопы или конечные
продукты.
4. Внешние факторы миграции
Эти факторы обусловливаются средой, окружающей мигрирующие
элементы.
Радиационные изменения среды. В биосфере радиоактивное
излучение приводит к взаимодействию частиц или фотонов с атомами
химических элементов, образующих разнообразные формы нахождения.
Течение этого процесса зависит, во-первых, от массы, заряда и энергии
проникающих частиц. Во-вторых, процесс определяется плотностью,
средним ионизационным потенциалом облучаемого вещества и
атомным номером составляющих его элементов.
Температура. С повышением температуры в биосфере
увеличивается миграционная способность элементов, находящихся в
растворах, повышается скорость химических реакций и взаимная
растворимость элементов при изоморфных замещениях. Однако в
отдельных случаях усиление миграции происходит только в
определенном температурном интервале. К числу подобных явлений
следует отнести в первую очередь биогенную миграцию.
Давление. Этот фактор оказывает значительное влияние на миграцию
элементов в расплавах, растворах и газовых смесях. С изменением
давления может происходить изменение фазового состояния вещества без
изменения температуры; возможно также изменение скорости и даже
направлений течения химических реакций. Повышение давления
способствует
изоморфному
вхождению
элементов
в
чужие
кристаллические решетки. В принципе роль давления можно
сформулировать так: повышение давления системы, находящейся в
состоянии равновесия, приведет к смещению равновесия в сторону
уменьшения объема. Учитывать этот фактор миграции обычно следует при
рассмотрении гидротермальных, магматических и метаморфических
процессов.
Степень электролитической диссоциации. Миграция элементов в
расплавах и растворах во многих случаях обуславливается степенью
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
60
электролитической диссоциации вещества. Она зависит от свойств
растворителя и растворяемого вещества, температуры раствора и его
концентрации. Степенью ионизации определяется последовательность
выпадения веществ в осадок (элементы, находящиеся в ионной форме,
быстрее переходят в твердую фазу).
Концентрация водородных ионов. Этот фактор характеризует
кислотность (щелочность) среды и во многих случаях контролирует
осаждение из растворов химических соединений и коагуляцию
коллоидов. Кроме того рН среды влияет на подвижность многих
металлов. Большинство их, растворяясь в кислых растворах, образуют
катионы, но с повышением рН они обычно выпадают в осадок в форме
гидроксидов или основных солей. В щелочной среде элементы,
обладающие амфотерными свойствами, могут снова перейти в
растворимое состояние и образовать комплексные анионы.
Щелочностью среды во многом определяется миграция глинозема и
кремнезема: при рН=5-9 первый практически нерастворим, а второй
становится подвижным. С изменением кислой среды на щелочную
многие окислительно-восстановительные реакции меняют свое
направление.
Поверхностные силы природных коллоидных систем. Имеют
большое значение при миграции элементов в водной среде. Одной из
важнейших особенностей процесса сорбции является селективность:
определенными коллоидами поглощаются преимущественно определенные
ионы и молекулы.
Окислительно-восстановительная обстановка. Определяется
режимом серы и кислорода. Окислительная (кислородная) обстановка
способствует накоплению катионогенных элементов переменной
валентности (железо, марганец, кобальт) и увеличению растворимости
анионогенных (молибден, селен, сера). В бескислородной (глеевой)
обстановке ускоряется разложение минеральной части почв: алюмо- и
ферросиликатов;
увеличивается
миграционная
способность
катионогенных и уменьшается – анионогенных элементов. В
восстановительной (сероводородной) обстановке сероводород вступает
в реакцию с металлами, обычно вызывая их осаждение из растворов.
Жизнедеятельность организмов. Миграция элементов в зоне
гипергенеза тесно связана с жизнедеятельностью организмов, в
результате которой освобождаются из соединений кислород, азот,
диоксид углерода, влияющие на миграцию многих элементов, включая
металлы. Органические кислоты, выделяемые корнями растений,
разрушают кристаллические решетки многих минералов, способствуя
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
61
переходу элементов из минеральной формы в растворы. Кроме того,
различные растения выборочно аккумулируют элементы, которые затем
при опаде накапливаются в гумусовом горизонте. В результате
биогеохимических процессов может происходить разделение изотопов,
накопление и рассеяние многих элементов.
Комплекс типоморфных элементов или ионов в почвах и водах.
К типоморфным относятся «распространенные элементы, наиболее
интенсивно мигрирующие и накапливающиеся в ландшафте» (А.И.
Перельман, 1975). Набор определенных типоморфных элементов
определяет многие условия миграции и оказывает непосредственное
влияние на концентрацию ряда металлов.
Геоморфологические особенности. К числу важнейших внешних
факторов миграции элементов в зоне гипергенеза следует относить
геоморфологические особенности изучаемых участков. Здесь отметим,
что эти условия часто определяют, в какой форме (минеральная,
истинные или коллоидные растворы) на конкретном участке
происходит преобладающая миграция рассматриваемых элементов.
Лекция 8. Особенности миграции элементов в биосфере
1. Особенности, связанные с биохимическими процессами.
Правило Перельмана
2. Особенности механической миграции
3. Диффузия
4. Ведущие элементы. Второе правило Перельмана
5. Особенности эволюции процессов миграции элементов
1. Особенности, связанные с биохимическими процессами.
Правило Перельмана
Основной особенностью миграции химических элементов в
биосфере можно считать наличие ее биогенной формы. Она определяет
биологический круговорот элементов, процессы фотосинтеза и
обуславливаемое ими накопление свободного кислорода в атмосфере и
гидросфере.
Разложение организмов (вторая составная часть БИК), наоборот,
приводит к поглощению свободного кислорода и формированию в
пределах биосферы восстановительных обстановок (глеевой и
сероводородной).
Указанные процессы влияют а ход миграции химических элементов
в биосфере. Ходом биологического круговорота химических элементов
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
62
в земной коре обуславливается своеобразная вертикальная зональность
окислительно-восстановительных обстановок. Ее следует относить к
числу
важнейших
геохимических
характеристик
биосферы.
Окислительная обстановка в почвах ландшафтов суши часто с глубиной
сменяется глеевой и, как правило, резко восстановительной в
подземных водах.
В
аквальных
ландшафтах
(прудах,
заливах,
озерах,
водохранилищах) водные растения, выделяя в результате фотосинтеза
кислород,
насыщают
верхние
горизонты
воды
свободным
(растворенным) кислородом и формируют в них окислительную
обстановку. В нижних частях этих ландшафтов разалагающееся на дне
органическое вещество потребляет кислород, часто создавая в илах
восстановительную глеевую или сероводородную обстановку.
Тенденция, установленная для отдельных ландшафтов, в принципе
характерна и для биосферы в целом. В ее верхних частях, где за счет
фотосинтеза накопился кислород, преобладает окислительная
кислородная обстановка. В нижних же частях, где происходит
захоронение органического вещества и развиваются анаэробные
процессы, создается резко восстановительная среда с сульфидами,
сероводородом, метаном.
Анализируя описанную зональность, А.И. Перельман вывел
следующее правило: геохимическая работа живого вещества создала
преобладание резко окислительной обстановки на земной
поверхности, сменяющейся с глубиной на восстановительную.
Накопление органического вещества также оказывает влияние на
условия, определяющие миграцию химических элементов в биосфере.
За счет фотосинтеза в подавляющей части ландшафтов суши, а также в
аквальных ландшафтах идет образование основной ассы живого
вещества, его разложение и минерализация. При этом част
органических веществ сохраняется и захороняется. На участках, где
фотосинтез отсутствует (глубоководные илы, подземные воды),
образование живого вещества может продолжаться. В этих условиях
оно создается за счет либо отмершего органического вещества, либо
других организмов. В этом случае минерализация преобладает над
образованием живого вещества. Однако и в этих условиях не все
органическое вещество разлагается, часть его сохраняется и
захороняется.
Захороняющееся органическое вещество, в соответствии с законом
биологического круговорота, можно рассматривать как геохимический
аккумулятор солнечной энергии.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
63
Значительная часть органических веществ, содержащихся в
осадочных горных породах, первично накапливалась в почвах – в
основном в виде гумуса. На его долю приходится 85-90% общего запаса
органических веществ почв. В состав гумуса входят гуминовые
кислоты, фульвокислоты и гуматы. При этом 10-15% органических
веществ почв составляют белки, аминокислоты, углеводы, органические
кислоты, жиры, смолы, лигнин, пигменты.
В моря органические вещества из почв выносятся в основном
реками, где их растворенная часть составляет 60-90% общего
количества. По пути миграции часть растворенного гумуса служит
питанием для водных организмов. Массовое осаждение растворенного
и взвешенного органического вещества начинается на геохимических
барьерах в зоне смешивания пресных вод континента с морскими. На
этих же барьерах отмечается концентрация меди, цинка, никеля, хрома,
свинца. Значительная часть органических веществ, сносимых реками с
континентов, становится основой будущей нефти.
2. Особенности механической миграции
Перенос
с
поверхностными
водами.
Рассматриваемый
миграционный процесс связан в основном с постоянными водотоками,
или, в конечном счете, с реками. В поверхностных водных потоках
преобладает второй тип миграции – перемещение (волочение по дну)
обломков минералов и взвеси без изменения форм нахождения. Особо
велика роль миграции в виде взвеси. В поверхностных водных потоках
в виде механической взвеси переносится основная часть тяжелых
металлов. Их осаждение происходит на механических барьерах и
контролируется, как правило, геоморфологическими особенностями
пути миграции. Перемещение в поверхностных водах коллоидов в
основном (по массе осаждающихся элементов) контролируется
щелочностью вод.
Аэрозольный перенос. Относится к числу важнейших биосферных
процессов миграции. Основной источник аэрозолей – континенты, а
точнее – почвы. Основная часть аэрозолей находится на высоте до 2 км
над поверхностью Земли. Считается, что пыль в среднем держится в
атмосфере 4-7 суток, а вообще продолжительность нахождения
большинства аэрозолей колеблется по данным ряда исследователей от 1
до 40 суток.
Небольшое количество аэрозолей, поднявшихся на высоты более 7
км, попадает в струйные воздушные потоки, которые переносят
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
64
частицы на расстояния свыше 5 тыс. к. Коллоиды, попавшие в
стратосферу, могут не осаждаться на поверхность Земли до 14 лет.
В биосфере выделяются участки преимущественного отложения
эолового материала, представленного пылевидными глинистыми
частицами. Протяженность участков отложения таких аэрозолей может
достигать сотен километров при мощности эоловых толщ десятки
метров. Это позволяет говорить о том, что в отдельных районах роль
эолового переноса веществ (соответственно и отложения) становится
ведущей в природном процессе миграции элементов.
3. Диффузия
Диффузионная миграция – это перемещение частиц (коллоидов,
молекул, атомов и ионов) в земной коре и биосфере в направлении
убывания их концентрации. Особенный интерес представляет диффузия
в твердых телах. Во многом это связано с созданием поверхностных и
особенно подземных накопителей различных загрязняющих и в первую
очередь жидких веществ.
В твердых телах обычно выделяют три вида диффузии: 1)
поверхностную, 2) вдоль внутренних граней, 3) сквозь кристаллические
решетки.
Первый вид обычно сопровождает инфильтрацию, которая
протекает более быстро и превосходит диффузию по массе
мигрирующих веществ. Сама диффузия в этом случае во многом
зависит от сорбции минералами веществ из мигрирующего потока, от
«рельефа кристаллов». Ее значение в природной и техногенной
миграциях относительно невелико.
Диффузия вдоль внутренних граней связана с «волоснопленочными» водами и происходит при высоких давлениях. В
природных условиях биосферы она встречается не так уж часто, но с
увеличением роли техногенеза значение данного вида миграции может
возрасти. При этом скорость и дальность перемещения будут больше у
элементов с малыми размерами радиусов.
Диффузия сквозь кристаллические решетки возможна в том случае,
если решетки имеют дефекты, а также при наличии элементов с малыми
радиусами.
В целом роль диффузии в миграции элементов возрастает при
высоких температурах и давлениях.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
65
3. Ведущие элементы. Второе правило А.И. Перельмана
В числе внешних факторов миграции химических элементов
рассматривался комплекс типоморфных элементов, соединений и ионов
в почвах и водах. Ведущие элементы определяют условия миграции и
концентрации подавляющего большинства других элементов в
различных геохимических системах самых разных уровней. Так,
геохимическое разнообразие биосферы в целом определяется
кислородом, углекислым газом и серой. В океане типоморфными
являются кислород, растворенный в воде, натрий, хлор; в таежных
болотах – железо (2), водород, марганец; в зонах засоления, связанных с
орошением земель – кальций, натрий, хлор, сульфат-ионы и т.д.
Требования, предъявляемые к ведущим элементам, определяющим
геохимическое своеобразие отдельных природных и техногенных
геохимических систем, определяются вторым правилом А.И.
Перельмана: геохимическая особенность системы определяется
ведущими элементами, имеющими высокие кларки, активно
мигрирующими и накапливающимися в этой системе.
5. Особенности эволюции процессов миграции элементов
На протяжении истории Земли шла постепенная эволюция
процессов миграции химических элементов. Во многом она связана с
изменением роли отдельных внешних факторов. Рассмотрим кратко, как
под действием изменяющихся факторов шла эволюция процессов
миграции химических элементов и какое влияние это могло оказать на
развитие организмов.
К одному из первых процессов перемещения элементов в Земле
относится их вертикальная дифференциация в зависимости от массы.
Она привела к формированию ядра и оболочек, обволакивающих друг
друга. Их плотность увеличивается с глубиной. В результате такой
дифференциации в магматических породах земной коры возникли: 1)
резкое преобладание легких химических элементов; 2) большой
абсолютный разброс содержаний тория, бария, урана, свинца, хрома,
никеля, стронция; 3) малый разброс содержаний серы, селена, йода,
ртути, мышьяка; 4) повышенные концентрации радиоактивных
элементов, а следовательно, повышенная температура на поверхности
Земли.
Таким образом, первые живые организмы развивались и
приспосабливались к условиям с преобладанием легких элементов.
Повышенные концентрации тяжелых металлов, как правило, для
них токсичны. Особое влияние на последующее развитие жизни
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
66
оказали те элементы, разброс содержаний которых был мал в
магматических образованиях. Рассматриваемые условия на
поверхности Земли соответствуют в целом ее развитию в катархее (4,33,5 млрд лет назад.
Становление Океана, образование вместо резко восстановительной
слабокислородной атмосферы и довольно быстрое развитие живых
организмов привели к развитию таких факторов миграции, как водная
растворимость, атмосферный и водный перенос. Возросла роль
биогенных факторов. Все это привело к возникновению кор
выветривания, донных осадков, первых почв. При этом в пределах
поверхности Земли возросли абсолютный и относительный разбросы
химических элементов, особенно таких как хлор, бор, молибден, бром,
йод. Это могло стать одной из причин эволюции организмов и,
возможно, в первую очередь – водных. С образованием карбонатных и
глинистых пород на поверхности Земли увеличился разброс содержаний
в континентальной части биосферы кислорода, углерода, водорода,
серы, селена, йода, азота, ртути. Эти изменения обстановки могли
играть важную роль в эволюции организмов в архее (3,5-2,5 млрд лет
назад).
В протерозое (2,5-1,7 млрд лет назад) начался один из важнейших
для биосферы процессов миграции – фотосинтез, приведший в рифее
(1,7-0,7 млрд лет назад) к созданию кислородной атмосферы. Тогда же и
появились животные.
На протяжении истории Земли вполне вероятными были ее
столкновения с крупными космическими телами. Их результатом олжно
было стать резкое, скачкообразное увеличение роли второго типа
миграции (атмосферный перенос химических элементов в минеральной
и коллоидной формах). При этом вся атмосфера могла представлять
собой единое пылевое облако. Оно существенно уменьшало
проникновение на земную поверхность солнечных лучей. Это должно
было привести к понижению температуры, вплоть до наступления
оледенения. В таких условиях происходит уменьшение скорости
течения химических реакций и интенсивности фотосинтеза (первый тип
миграции).
Эти изменения приоритетов в типах и видах миграции химических
элементов могли приводить к относительно медленному (миллионы
лет) вымиранию и мутациям флоры и фауны. Они должны были
практически одновременно захватить всю биосферу, но степень их
проявления в разных частях поверхности Земли могла быть различной.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
67
Если состав метеоритов резко отличался от состава земной коры,
особенно если в нем преобладали химические элементы с малым
абсолютным разбросом в коре, то скорость вымирания и мутация
определенных видов должны были возрастать, как от получения ядов в
больших количествах.
Все перечисленное дает основание считаться с гипотезой Л.
Альвареса о «великом меловом вымирании» (в том числе динозавров) в
результате столкновения Земли с гигантски метеоритом, содержание
иридия в котором в тысячи раз превосходит содержание его в
литосфере. Об этом свидетельствует увеличение обогащения иридием в
десятки и сотни раз осадков, формировавшихся в это время.
По данным Перельмана, иридиевые аномалии образовались на
границе венда и кембрия (570 млн лет назад), перми и триаса (248 млн
лет назад), в туроне (90 млн лет назад), эоцене (40 млн лет назад). Если
учесть, что в каменных метеоритах иридия содержится в несколько
тысяч раз больше, чем в литосфере, то становится возможным связать
эти аномалии с крупными космическими катастрофами. Последствиями
таких катастроф могли быть изменения в развитии животных и
растительных организмов, аналогичные изменениям, отмечаемым в
пределах аномалий, отвечающих рудным районам, месторождениям и
отдельным рудным телам.
Прошлый век и особенно его последние десятилетия
ознаменовались резко возросшей техногенной (социальной) миграцией
химических элементов. Она стала соизмеримой с другими видами
миграции, происходящими в биосфере. К ее последствиям следует
отнести также образование локальных геохимических аномалий с
концентрациями определенных химических элементов, в тысячу раз
превышающими их кларковое содержание, и региональных
геохимических аномалий, захватывающих сотни тысяч квадратных
километров (например сельскохозяйственные угодья). В региональных
аномалиях содержание химических элементов гораздо ниже и пока
лишь не более чем вдвое превосходит фон. Последствия антропогенной
миграции химических элементов приближаются к последствиям
космических катастроф.
Таким образом, можно считать, что эволюция процессов миграции
на протяжении истории Земли в итоге оказала и продолжает оказывать
весьма существенное влияние на эволюцию организмов.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
68
Лекция 9. Геохимические барьеры
1. Классификация геохимических барьеров
2. Количественные характеристики геохимических барьеров
3. Принцип торможения химических реакций (принцип
Перельмана)
1. Классификация геохимических барьеров
Термин «геохимические барьеры» был предложен А.И.
Перельманом в 1961 г. В пределах большинства барьеров происходит
довольно резкое изменение типа миграции химических элементов, а
затем связанные с ним изменения интенсивности миграции и осаждение
(концентрация) определенных химических элементов или их
соединений.
Геохимические барьеры биосферы разделяются на два основных
типа – природные и техногенные. И те, и другие располагаются на
участках изменения факторов миграции. В первом случае смена
факторов, а соответственно и смена одной геохимической обстановки
другой обуславливаются природными особенностями конкретного
участка биосферы. Во втором – такая смена геохимических обстановок
происходит в результате антропогенной деятельности.
Оба типа геохимических барьеров подразделяются Перельманом на
три основных класса: физико-химические, биогеохимические и
механические.
Физико-химические связаны со сменой физико-химической
обстановки. К настоящему времени детальная классификация
разработана только для этого класса барьеров, а точнее, для случая
осаждения химических элементов, мигрирующих в ионной форме в
водах с различными окислительно-восстановительными и щелочнокислотными условиями.
Механические
барьеры
представляют
участки
резкого
уменьшения интенсивности механической миграции. Они в основном
связаны со вторым типом миграции химических элементов, а в пределах
биосферы – чаще всего с миграцией элементов в минеральной или
коллоидной форме. Перемещение коллоидов и минералов может
происходить в воздушной и водной средах, а также на границе сред
(скатывание обломков по склонам).
Биогеохимические барьеры, в отличие от многих других, связаны
в основном с первым типом миграции химических элементов. По своей
сути они представляют собой накопление химических элементов
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
69
растительными и животными организмами. Это геохимические барьеры
относятся к числу наиболее распространенных в биосфере.
Концентрация химических элементов на биогеохимических барьерах
непосредственно является частью биологического круговорота этих
элементов.
Накопление химических элементов (соединений) на геохимических
барьерах часто приводит к их аномальным концентрациям. При
определенных условиях концентрация и общее содержание элементов
на барьере резко возрастают, образуются месторождения полезных
ископаемых. До недавнего времени рассматриваемые процессы были
только природными. Сейчас техногенные процессы достигли таких
масштабов, что и на природных, и на техногенных барьерах под их
воздействием возможно накопление определенных элементов
(соединений) в промышленных концентрациях. Так формируются
техногенные месторождения различных полезных ископаемых, в
первую очередь – металлов.
Геохимические барьеры могут существенно отличаться друг от
друга не только концентрациями определенных элементов и их общим
количеством на барьере, но и величиной самих барьеров. По этому
критерию А.И. Перельман выделил макро-, мезо- и микрбарьеры.
Макробарьеры – геохимические барьеры шириной до первых
километров и длиной тысячи километров. Примером таких барьеров
являются современные и древние зоны смешивания пресных речных
вод с солеными морскими.
Мезобарьеры. Протяженность их доходит до десятков километров
при ширине до сотен метров. Их примером являются краевые зоны
болот, где отлагаются многие элементы, сносимые с водоразделов.
Микробарьеры. Их размеры колеблются от нескольких
миллиметров до первых метров. Своеобразные микробарьеры
возникают н отдельно разлагающихся на дне водоема раковинах или
рыбах. Их также можно наблюдать в родниках, на месте выхода на
дневную поверхность глеевых вод, из которых в присутствии
свободного кислорода воздуха отлагается окислившееся трехвалентное
железо.
Если к одному и тому же барьеру поступают химические элементы
(соединения) из разных миграционных потоков, то возникают
многосторонние барьеры. Если при поступлении нескольких
миграционных потоков в одно место геохимический барьер образуется
именно за счет слияния этих потоков, то возможно формирование
комплексных барьеров. Эти барьеры представляют собой
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
70
пространственное наложение друг на друга нескольких разных
геохимических барьеров.
В зависимости от положения в пространстве поступающих к ним
миграционных потоков барьеры разделяют на:
- латеральные
–
миграционный
поток
движется
в
субгоризонтальном направлении, например по границе почв и
подстилающих их горных пород;
- вертикальные или радиальные – при вертикальном и
слабонаклонном
продвижении
миграционного
потока
(независимо от того, сверху вниз или снизу вверх).
Само положение барьера относительно поступающего к нему
миграционного потока может изменяться. Если барьер перемещается в
направлении водного потока, но медленнее фильтрации под, то перед
барьером в водах повышается концентрация химических элементов.
Сам же миграционный поток также может передвигаться, обычно
перпендикулярно или под углом к геохимическом барьеру. С подобным
явлением приходится часто встречаться, когда русла рек постепенно
меняют свое положение при впадении в моря и озера. При этом на
барьерах формируется своеобразная зональность распределения
химических элементов.
Понятие о геохимических барьерах относится к числу важнейших в
геохимии. Изучение таких барьеров началось сравнительно недавно, и
многие особенности накопления на них химических элементов еще не
выявлены.
2. Количественные характеристики геохимических барьеров
К числу важнейших количественных параметров относится
градиент барьера, который характеризует изменение геохимических
показателей в направлении миграционного потока. Он определяется по
формуле:
G=dm/dl или G=(m1-m2)/L,
где m1 – числовое выражение величины одного из показателей,
определяющих изменение геохимической обстановки на барьере,
установленное в миграционном потоке перед барьером. Им могут быть
величины рН, температуры, давления, количество растворенного в воде
кислорода или сероводорода и т.д.
m2 - числовое выражение величины этого же показателя в миграционном
потоке сразу же после барьера;
L - мощность (ширина) барьера.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
71
Величина градиента барьеров может быть выражена в градусах/м, рН/м
и др.
Еще одной количественной характеристикой геохимических
барьеров является контрастность барьера S (А.И. Перельман),
определяемая по формуле:
S= m1/m2
Так как в итоге на геохимическом барьере в большинстве случаев
формируются геохимические аномалии, то о контрастности барьера
можно судить и по контрастности образовавшихся геохимических
аномалий:
К=Са/Сф,
где Са – среднее содержание рассматриваемого компонента в аномалии,
Сф – фоновое содержание в ландшафте (определенном типе горных
пород, почв, осадков, вод, растений и т.д.), аналогичном ландшафту, в
котором расположен рассматриваемый барьер.
Для расчета концентрации элементов на барьере (h) была
выведена следующая формула:
С1-С2
h=К------а1-а2
где К – коэффициент, зависящий от «инертной» массы (почв, осадков,
живого вещества и т.д.), на которой происходит накопление
рассматриваемого вещества; С1 и С2 – содержание рассматриваемого
вещества в миграционном потоке соответственно до и после барьера; а1
и а2 – общее содержание всех веществ, мигрирующих в потоке
соответственно до и после барьера.
Из приведенной формулы видно, что для концентрации какогонибудь элемента на барьере не обязательно его высокое содержание в
мигрирующих потоках. Если данный участок является барьером только
для одного или немногих элементов (соединений), а у большинства
остальных элементов (соединений) на этом участке интенсивность
миграции не изменяется, то даже при низкой концентрации
рассматриваемого элемента в мигрирующем потоке его концентрация
на барьере может со временем стать очень высокой, вплоть до
образования рудных тел.
Указанной особенностью геохимических барьеров необходимо
чаще пользоваться при формировании техногенных барьеров. Особое
внимание следует при этом уделять формам нахождения химических
элементов в миграционном потоке, их относительному количеству и
особенностям самой среды миграции, так как именно они во многом
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
72
определяют процесс осаждения элементов (соединений) на различных
геохимических барьерах.
3.Принцип торможения химических реакций
(принцип Перельмана)
В миграционных потоках, как и в других природных геохимических
системах, содержится ряд геохимических элементов, способных
вступать в химические реакции между собой и осаждаться на
образующихся геохимических барьерах. Некоторых элементов в
системе может быть настолько много, что их хватает для реализации
всех возможных реакций. Эти элементы в данной системе являются
избыточными. Например, на поверхности Земли таким элементом
является кислород. Его содержание не лимитирует протекание реакций
окисления, и он продолжает оставаться одним из основных газов в
атмосфере. В системах кислых магм избыточен оксид кремния. Его
хватает для реализации всех реакций и после этого он еще остается,
выделяясь в виде кварца.
К дефицитным в данной системе элементам относятся те, низкое
содержание которых не позволяет реализовать все термодинамически
возможные реакции. Элементы, избыточные в одной природной
системе, могут быть недостаточными в другой. Так, в глубинах Земли
становится дефицитным кислород, а в основных магмах – оксид
кремния.
В 1941 г. Перельман сформулировал принцип торможения
химических реакций, учитывающий наличие в системе избыточных и
недостаточных элементов: если в системе один из реагентов
присутствует в количестве, недостаточном для реализации всех
возможных реакций, то осуществляются лишь те реакции, для
которых характерно максимальное химическое сродство.
Сущность принципа иллюстрируется следующим примером,
известным из курса химии. Если к раствору с равными концентрациями
хлора и йода добавлять по каплям нитрат серебра (в данной системе он
будет дефицитным реагентом), то сначала начнет осаждаться AgI. Это
связано с его более низкой растворимостью по сравнению с AgCl.
На первом этапе реакция осаждения AgI «тормозит» осаждение
AgCl, так как при отсутствии йода шло бы осаждение AgCl. В
дальнейшем, по мере расходования йода, концентрация ионов серебра в
растворе начинает расти (растворимость – величина постоянная).
Наступит момент, когда вместе с AgI станет осаждаться AgCl. После
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
73
того как будет израсходован весь йод (ионы перейдут в осадок,
начнется осаждение истого AgCl.
В отличие от лабораторного эксперимента в природных условиях
процесс полного расходования ионов в системе практически не
происходит – их новые порции поступают извне. Создаваемая в этих
условиях обстановка для продолжительного проявления принципа
торможения более благоприятная, чем в лаборатории при исследовании
рассмотренного выше дробного осаждения.
Вероятно, с действием принципа торможения связаны некоторые
парагенные ассоциации она многосторонних барьерах.
Лекция 10. Физико-химические геохимические барьеры
1. Общие сведения и классификация физико-химических
барьеров
2. Характеристики основных физико-химических барьеров
1. Общие сведения и классификация физико-химических
барьеров
Физико-химические барьеры формируются в местах резкого
уменьшения интенсивности физико-химической миграции. Это участки
земной поверхности, где резко меняются температура, давление,
окислительно-восстановительные, щелочно-кислотные и другие
условия.
Барьеры классифицируются на виды по накоплению химических
элементов. Последнее определяется во многом тем, в какой среде
проходят миграционные процессы. В зависимости от содержания в воде
O2, H2, H2S и других газов, Fe2+, Fe3+, S2-, HS-, H+, OH- выделяют
различные типы вод по окислительно-восстановительным условиям.
Тип кислородных вод (с окислительной обстановкой). Для этого
типа характерно присутствие в водах свободного кислорода или других
сильных окислителей. Многие элементы находятся в высоких степенях
окисления:
Fe3+,
Cu2+,
S6+.
Осадочные
горные
породы,
сформировавшиеся в окислительных условиях имеют красную, бурую,
желтую окраски.
Восстановительная среда может быть двух основных типов. Тип
сероводородных (сульфидных) вод характеризуется присутствием
H2S, S2-, HS-. В такой обстановке железо и многие другие металлы часто
не мигрируют, так как образуют трудно растворимые сульфиды.
Окраска горных пород – черная.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
74
Тип глеевых вод характеризуется наличием СН4, Fe2+, H2,
растворенных органических соединений. В глеевой обстановке легко
мигрируют многие металлы, причем часто в форме органо-минеральных
соединений. Окраска горных пород – белая, сизая, серая, голубая,
зеленая.
По накоплению химических элементов физико-химические барьеры
классифицируются на виды:
- кислородные (окислительные) барьеры;
- сероводородные восстановительные (сульфидные);
- глеевые восстановительные;
- щелочные;
- кислые;
- испарительные;
- сорбционные.
2. Характеристики основных физико-химических барьеров
Сероводородные барьеры. Если на барьерах осаждение
химических элементов происходит с участием сероводорода (в виде газа
или водного раствора), то барьер считается сероводородным. На
сероводородном
барьере
происходит
осаждение
элементов,
поступающих с кислородными и глеевыми водами имеющими разные
кислотно-щелочные характеристики. В биосфере такие воды находятся
в изобилии, а следовательно, появление сероводородных барьеров
лимитируется наличием самого сероводорода.
Сероводород может находиться в природных водах в свободном
состоянии, в виде раствора и диссоциированном состоянии.
В сильнокислых водах чаще преобладает сероводород, в
нейтральных и слабощелочных (рН=6,5-8,5) - HS-, а в сильнощелочных
(рН свыше 8,5) – ион S2-. В результате взаимодействия растворенных
солей металлов с сероводородом часто образуются труднорастворимые
сульфиды.
Сероводород может поступать из глубинных слоев Земли в
следующих случаях:
1) образовываться в результате непосредственного взаимодействия
водорода и серы при высоких температурах: Н2 + S = Н2S;
2) разлагаться в присутствии SO2 и при понижении температуры с
осаждением самородной серы (лавовые озера вулканов)
2Н2S + SO2 = 3S(тв) + 2Н2О;
3) образовываться в результате действия разбавленных кислот на
сульфиды FeS + 2HCl = FeCl2 + Н2S (газ).
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
75
В целом значение этих барьеров, так же как и роль сероводорода,
поступающего из глубинных слоев Земли, невелико. Гораздо большее
значение в биосфере имеют барьеры, связанные с процессами
жизнедеятельности сульфатредуцирующих бактерий. Такие бактерии,
разлагая органическое вещество и сульфаты (они являются основным
источником серы для сероводорода), выделяют углекислый газ и
сероводород. При этом они отбирают у сульфатов кислород (он идет на
окисление органики), а выделяющаяся энергия идет на поддержание
жизнедеятельности бактерий:
3Na2SO4 +C6H12O6 = 3Na2CO3 + 3H2O + 3CO2 + H2S + Q (кДж).
Глобальное распространение и генетическое разнообразие
сероводородных барьеров в биосфере позволяет, в дополнение к ранее
рассмотренным, объединять их по отношению к породам (осадкам), в
которых они образуются и где происходит отложение сульфидов.
- осадочно-диагенетические сероводородные барьеры возникают в
осадках при бактериальном разложении в них органического
вещества;
- эпигенетические сероводородные барьеры возникают в уже
сформировавшихся горных породах и отличаются генетическим
разнообразием,
хотя
все
формируются
благодаря
жизнедеятельности сульфатредуцирующих бактерий;
- магматический сероводородный барьер находится за пределами
биосферы.
Примеры сероводородных барьеров:
1. Довольно крупные природные сероводородные геохимические
барьеры формировались и формируются в настоящее время в
дельтах крупных рек, когда на границе сероводородных илов и
кислородных вод происходит накопление сульфидов таких
металлов как железо, медь, свинец, цинк, кадмий и др. Такой
барьер известен в месте впадения р. Дон в Таганрогский залив
Азовского моря;
2. Техногенные сероводородные барьеры формируются в реках у
крупных населенных пунктов, что может вызывать отравление
гидробионтов и людей;
3. Месторождения с сероводородными барьерами. Значительная их
часть относится к гидротермальным, когда термальные воды
являются источником выпадающих в осадок сульфидов железа,
меди, свинца, цинка, серебра;
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
76
4. Громадный природный сероводородный барьер –
На глубинах более 150-170 м морские воды
обеднены свободным кислородом (менее 15%
содержания). Начиная примерно с глубины 200
зоны в водах появляется сероводород.
Черное море.
существенно
нормального
м ниже этой
Глеевые барьеры. Возникают в тех случаях, когда на участки с
восстановительной бессероводородной обстановкой попадает поток
кислородных или глеевых вод. При этом щелочно-кислотное состояние
этих вод может быть различным. Если на барьер поступают глеевые
воды, слабоглеевая обстановка должно сменяться на сильноглеевую.
Глеевые условия обычно возникают на участках разложения
органических веществ без доступа кислорода или при его
недостаточном поступлении, а также в зонах поступления водорода по
разломам из глубинных слоев. Показателями глеевой обстановки может
служить наличие углеводородов (чаще метана), а в водных потоках,
кроме того, растворенных органических соединений, Fe2+, H2 . Горные
породы глеевой обстановки имеют белую, сизую, серую и зеленую
окраски. При переходе Fe2+ в Fe3+окраска резко меняется, становясь
ржаво-бурой.
Примеры глеевых барьеров:
1. К числу наиболее распространенных глеевых барьеров относятся
краевые части болот. Из поверхностных кислородных вод в этих
частях, при смене окислительной обстановки глеевой начинается
осаждение меди, молибдена, серебра, хрома, урана, мышьяка. На
глеевых барьерах, как правило, четко выражена их
двусторонность. Кроме рассмотренного потока кислородных
вод, из глеевой зоны идет встречная миграция элементов,
подвижных в бескислородной обстановке. К их числу относится
кобальт, концентрирующийся за пределами глеевой зоны на
кислородном барьере;
2. Глеевые барьеры встречаются и среди луговых почв солонцов и
солодей, когда в нижних горизонтах почв за счет увлажнения,
связанного с подъемом трещинно-грунтовых вод, создается
глеевая обстановка.
Кислородные барьеры. К числу получивших наибольшее
распространение в биосфере относятся и кислородные геохимические
барьеры. Объясняется это тем, что такие барьеры образуются каждый
раз, как только миграционные потоки с бескислородными водами
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
77
(глеевыми или сероводородными) попадают в зоны со свободным
кислородом. Поскольку такими зонами является практически вся
атмосфера (в том числе часть почвенной атмосферы) и верхние
горизонты большинства поверхностных вод (включая воды Океана), то
формирование кислородных барьеров на земной поверхности
лимитируется в основном наличием миграционного потока
бескислородных вод.
Окислительный барьер может также возникнуть при смене
резковосстановительных
условий
слабовосстановительными
и
слабоокислительных – резкоокислительными.
В настоящее время в пределах биосферы среди кислородных
барьеров преобладают природные.
Из металлов на кислородных барьерах осаждаются железо и
марганец с переменной валентностью и совместно с ними, но гораздо
реже – кобальт. Сера и селен могут концентрироваться на кислородном
барьере если к нему подходит поток сероводородных вод.
Примеры кислородных геохимических барьеров:
1. На многих сероводородных источниках происходит осаждение
хлопьев серы т.е. происходит окисление сероводорода до
свободной серы (часто с участием серобактерий). Изредка на
таких барьерах совместно с серой и селеном может
концентрироваться железо.
2. Наиболее распространенный кислородный барьер – образуемый
в результате окисления глеевых вод, поступающих на
поверхность по разрывным нарушениям. На поверхности такие
барьеры представляют собой железные шляпы, состоящие в
основном из гематита и лимонита.
3. Многочисленные родники с выходами на поверхность глеевых
вод. Дно таких родников обычно сплошь покрыто оседающими
рыхлыми гидроксидами железа, из-за чего сами воды часто
получают название «железистых» или «железных вод» (курорт
Горячий ключ».
4. Глеевые горизонты болотных почв, отличаются высокой
подвижностью железа и марганца. При их поступлении на
дневную поверхность формируется кислородный барьер, на
котором концентрируются оба окислившихся металла.
5. В иле на дне озер, водохранилищ, в дельтовых частях рек часто
возникает глеевая обстановка, вызванная расходованием
свободного кислорода на окисление накопившихся в нем (иле)
многочисленных органических соединений. Вся площадь
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
78
контакта такого ила с водами, содержащими свободный
кислород, представляет собой кислородный барьер. Подобный
барьер формируется на краевых частях болот.
Щелочные барьеры. На участках, где кислая среда сменяется
щелочной, слабощелочная – резкощелочной или сильнокислая –
слабокислой, начинают формироваться щелочные геохимические
барьеры. Другими словами, геохимические барьеры возникают при
резком скачкообразном увеличении значений рН. В этих условиях из
водных растворов на щелочных барьерах осаждаются многие минералы,
относящиеся к карбонатам, гидроксидам, фосфатам, арсенатам,
ванадатам.
Примеры щелочных барьеров:
1. Щелочные геохимические барьеры, образовавшиеся в результате
встречного движения потоков кислых и слабощелочных вод. На
них концентрируются молибден, марганец, кобальт, свинец,
стронций. Такие барьеры часто являются месторождениями.
2. Щелочные барьеры образуются и на контакте ультраосновных
пород с известняками в результате боковой миграции кислых
вод.
3. Своеобразный щелочной техногенный геохимический барьер
был создан из песчано-карбонатной смеси. Ею заполняются
траншеи, расположенные на склонах ниже участков (обычно
виноградников),
обрабатываемых
медьсодержащими
препаратами. Медь, попадая на такой барьер, осаждается в виде
малахита.
Кислые барьеры. Кислые геохимические барьеры формируются в
тех случаях, когда нейтральные и щелочные условия скачкообразно
меняются на слабокислые и кислые, а также при довольно резкой смене
слабокислой обстановки на сильнокислую или даже при резкой смене
сильнощелочных условий слабощелочными. Другими словами, можно
сказать, что кислые геохимические барьеры возникают при резком
уменьшении величины рН.
На кислых барьерах чаще концентрируются анионогенные
химические элементы, как например, кремний, германий, молибден и
др. Такие барьеры характерны как для условий биосферы, так и для
гидротермальных систем. Роль кислого барьера в формировании
контрастных геохимических аномалий и руд считается меньшей, чем
щелочного.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
79
Примеры кислых геохимических барьеров:
1. Довольно часто небольшие по размерам кислые барьеры
образуются в почвах с внутрипочвенной щелочно-кислотной
дифференциацией. Например почвенный профиль колочных
солодей Северного Казахстана. Величина рН в нем до глубины
30-40 см равняется 5-6, а на глубине более 40 см повышается до
8-9. Продвижение к поверхности элементов, растворимых в
щелочной среде, происходит до появления кислой обстановки.
Затем начинается их осаждение и концентрация в этих условиях
иттрия, селена, бериллия, циркона;
2. Своеобразное сочетание кислого и восстановительного барьеров
может возникнуть за счет деятельности сульфатредуцирующих
бактерий на водонефтяном контакте. Поступающий в воду
углекислый газ способствует понижению величины рН и
формированию кислого барьера. При этом в результате
осаждения оксида кремния происходит окремнение пород (часто
известняков); может происходить концентрация молибдена и
урана.
3. На кислых барьерах при переходе от резкощелочной обстановки
к слабощелочной и нейтральной, возможны промышленные
концентрации из гидротерм олова, циркона, тория, бериллия,
тория, лития, вольфрама.
Испарительные барьеры. Представляют собой участки, на
которых увеличение концентрации химических элементов происходит в
результате процессов испарения. Распространены они в регионах с
засушливым климатом (пустынях, сухих степях и саваннах), но
встречаются и в черноземных степях и даже лесостепях. Их временное
появление возможно даже в тайге и тундре. Однако в этом случае в
дождливый период идет промывание почв и аномальные концентрации
химических элементов на испарительных барьерах могут исчезнуть.
Испарительные геохимические барьеры могут образовываться в
различных окислительно-восстановительных условиях. Если в почве
имеется глеевый горизонт, происходит глеевое засоление. При наличии
черного, гидротроилитового (FeS nH2O) горизонта, характеризующегося
также сероводородным запахом, можно говорить о восстановительном
сероводородном
засолении.
Но
гораздо
чаще
встречаются
испарительные барьеры, сформировавшиеся (и формирующиеся) в
условиях кислородной окислительной обстановки.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
80
Если грунтовые воды располагаются достатоно глубоко и их
уровень не подвержен большим колебаниям, возникает своеобразная
солевая
зональность.
Наиболее
труднорастворимые
соли
концентрируются в нижних частях барьера, а легкорастворимые – в
верхних.
В
результате
образуются
следующие
горизонты
испарительного барьера (снизу вверх): 1) карбонатный; 2) сульфатный,
гипсовый; 3) хлоридно-сульфатный. На первом отлагаются
труднорастворимые карбонаты, на втором – вместе с гипсом
осаждаются стронций и молибден; на третьем – молибден, олово, медь,
свинец, барий, стронций. При близком к поверхности залегании
грунтовых вод возможно совмещение всех трех горизонтов.
Примеры испарительных геохимических барьеров:
1. Наиболее простым и очень распространенным примером
образования испарительного геохимического барьера может
быть засоление в результате поднятия грунтовых вод выше
уровня их капиллярного подъема на поверхность. С поверхности
идет атмосферное испарение вод, а растворенные соли
накапливаются в почвах. Чем выше концентрация растворимых в
воде солей, тем более мощной будет зона барьера и быстрее
произойдет засоление почв. Глубина, с которой возможно
капиллярное поднятие вод к поверхности, а следовательно, и
засоление почв, получила название критического уровня
залегания грунтовых вод. В.А. Ковда на основании обработки
большого статистического материала установил приближенную
математическую зависимость критической глубины уровня
залегания грунтовых вод от среднегодовой температуры. От нее
зависят продолжительность и интенсивность формирования
испарительного барьера. Установленная зависимость имеет вид:
У=170+8t 15, где У – критический уровень залегания грунтовых
вод, см; t - число, соответствующее среднегодовой температуре.
Обычно в засушливых районах критический уровень колеблется
от 2-3 см.
2. Техногенные испарительные барьеры образуются в результате
чрезмерного орошения почв, вызывающего подъем уровня
грунтовых вод выше критического и может быть связан с
созданием водохранилищ, особенно в равнинных регионах, а
также со сбросами сточных вод. Своеобразные техногенные
испарительные
барьеры
сформировались
на
рисовых
оросительных системах Северного Кавказа, Казахстана,
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
81
Украины. Причиной вторичного засоления почв в этих случаях
является восходящее движение минерализованных вод.
Сорбционные барьеры. Формируются на участках встречи
водного или газового потока с сорбентами. Имеются как в водных
потоках, так и при аэрозольном переносе. Как правило бывают
комплексными (обычно сорбционными и механическими) барьерами.
Барьеры этого вида характерны для гумусового и иллювиального
горизонтов почв.
Примеры сорбционных барьеров:
1. Рассматриваемые барьеры характерны для краевых зон болот
(сорбентом является торф), гумусовых и глинистых горизонтов
почв, кор выветривания;
2. Сорбционные процессы, происходящие в Океане и речных
водах;
3. Сорбционные барьеры в атмосфере представлены аэрозолями
природного и техногенного происхождения, сорбирующие
молекулы определенных газов.
Термодинамические геохимические барьеры. Формирование
этих барьеров происходит при довольно резком изменении давления и
температуры в конкретных геохимических системах. К настоящему
времени в биосфере природные термодинамические барьеры
преобладают над техногенными. Последние, как правило, возникают в
процессе выполнения отдельных технологических операций и пока
существенного влияния на общее состояние биосферы не оказывают.
Примеры термодинамических геохимических барьеров:
1. Образование из растворов, продвигающихся по трещинам в
горных породах, травертина (карбоната кальция). Процесс
происходит при быстром падении давления, связанном с
раскрытие трещин при приближении (выходом) на поверхность
подземных
гидрокарбонатно-кальциевых
вод;
если
формирование термодинамического барьера происходит в
рудных районах, то продвигающиеся растворы обогащены
рудными элементами;
2. Термодинамические барьеры образовываются в местах разгрузки
термальных вод при их остывании.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
82
Лекция 11. Механические барьеры. Социальные геохимические
барьеры
1. Общие сведения
2. Барьеры для веществ, перемещающихся в водных потоках
3. Барьеры для веществ, перемещающихся в воздушных
потоках
4. Социальные геохимические барьеры
1. Общие сведения
Механические барьеры формируются в условиях резкого
уменьшения интенсивности механической миграции веществ.
Классификация этих барьеров пока еще не разработана. Так как сами
барьеры всегда представляют механическую преграду для веществ,
перемещающихся в миграционном потоке, то их удобно разделять в
зависимости от форм нахождения мигрирующих веществ и элементов
потока, в котором эти вещества перемещаются.
Классификация механических барьеров
Характеристик Характеристика веществ, перемещающихся в потоке
а
Минерал Растворе Коллоид Животны Техноген
миграционного
ы,
нные
ыи
еи
ные
потока (среды изоморф газовые сорбиров растител соединен
миграции
ные
смеси и
анные
ьные
ия
примеси
пары
ими
организм
в
вещества
ы
минерала
х
Водные
I 1+++
I 3+
I 4+
I 5++
растворы (I)
Газовые смеси
К 1++
К 2++
К 3+++
К 4+
К 5++
(К)
Условные обозначения: «-« – барьер практически не получил развития; + - роль барьера
незначительна; ++ - барьер получил широкое развитие в биосфере; +++ - один из
основных механических барьеров.
2. Барьеры для веществ, перемещающихся в водных потоках
На механических барьерах осаждаются переносимые водными
потоками минералы с находящимися в них изоморфными примесями,
коллоиды с сорбированными ими веществами, живые и отмершие
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
83
животные и растительные организмы, техногенные соединения, не
имеющие природных аналогов.
Осаждение минералов происходит практические на всем
протяжении водных потоков, постоянных и временных, которые могут
быть на суше (реки, ручьи и т.д.) и в Океане (течения, волно-прибойная
деятельность). На природных барьерах идет дифференциация в
зависимости от массы перемещаемых обломков. Если же рассматривать
обломки одного размера, то дифференциация будет происходить от
удельного веса. При этом большое влияние могут оказывать
ландшафтно-геохимические
особенности
места
расположения
механического барьера.
За счет дифференциации на природных механических барьерах
могут формироваться высокие концентрации отдельных минералов. В
случае
их
промышленных
запасов
образуются
россыпные
месторождения самородных золота и платины, алмазов, гранатов,
цирконов и т.д. Иногда промышленную ценность представляют
изоморфные примеси, содержащиеся в основных минералах россыпей
(примером может служить гафний, извлекаемый из циркона). Следует
отметить, что большая часть золота у нас в стране добывается из
россыпных месторождений. Протяженные россыпи образуются в
прибрежных зонах морей благодаря гидродинамической деятельности
морских вод. Многие из таких россыпей имеют большое промышленное
значение. Размеры барьеров колеблются от микро- до макро. Как
правило, природные концентрации химических элементов на
механических барьерах не представляют опасности для живых
организмов, так как находятся в труднорастворимых минералах.
Техногенные барьеры в основном связаны с гидротехническими
сооружениями. На континентах это чаще всего плотины,
перегораживающие реки. Поскольку они преграждают путь как мелким,
так и крупным обломкам, то дифференциация веществ на эти
техногенных барьерах гораздо меньше, чем на природных.
Промышленных скоплений химических элементов на техногенных
барьерах этого типа пока не выявлено. Строительство плотин в нижних
частях рек и возникновение на них механических барьеров препятствует
выносу терригенного материала в моря. Это в свою очередь может
приводить к разрушению пляжей. Так как практически все крупные
реки северо-западной части бассейна черного моря перегорожены
плотинами, для предотвращения разрыва пляжей в прибрежных
ландшафтах этой части моря создаются (с учетом морских течений)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
84
специальные железобетонные сооружения, которые не только
предотвращают размыв, но и способствуют восстановлению пляжей.
Осаждение коллоидов из водных потоков на природных
механических барьерах не получило широкого распространения. На
техногенных барьерах, связанных с плотинами, происходит довольно
интенсивное отложение глинистых коллоидных частиц. Особенно
широкое развитие этот процесс получил в водохранилищах, созданных
в равнинных условиях.
Концентрация животных и растительных организмов, переносимых
водными потоками, на механических барьерах невелика. Гораздо
больше на механических барьерах отлагается отмерших организмов.
Довольно значительное распространение это явление получило
процессе формирования ряда морских пляжей.
Механические барьеры для веществ техногенного происхождения
начали развиваться только в последнее время, когда значительная масса
твердых техногенных соединений стала попадать в водные потоки.
Концентрация их происходит как на техногенных, так и на природных
механических барьерах. Поскольку размеры и масса отдельных
обломков и изделий колеблются в очень больших пределах, они
осаждаются на различных по значимости барьерах практически по всей
протяженности загрязненных постоянных и временных потоков, а также
на пляжах. В настоящее время масса веществ, накапливающихся на
механических барьерах, возрастает, и проблема их ликвидация вскоре
может стать одной из основных при решении многих экологических
задач.
3. Барьеры для веществ, перемещающихся в воздушных
потоках
Из воздушных потоков на механических барьерах осаждаются
обломки минералов, растворенные газовые смеси и пары, твердые
коллоидные частицы, животные и растительные организмы,
техногенные соединения. Как правило, эти барьеры относятся к
природным.
Осаждение обломков минералов (песка) часто происходит на
мезобарьерах. Одним из примеров такого, но перемещающегося
барьера, являются дюны. Началом формирующегося механического
барьера могут становиться деревья, кусты и даже телеграфные столбы.
При переносе в воздушных потоках паров воды барьерами обычно
служат горные системы. Классическим примером является район города
Рио-де-Жанейро, зажатый между горами и Атлантическим океаном.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
85
Выпадение на барьере из облаков осадков в виде дождя приводит к
экологическим бедствиям. Катастрофические наводнения в этом районе,
связанные с продолжительными ливнями, происходят довольно часто.
Широко распространены в природе механические барьеры, на
которых отлагаются коллоидные частицы, перемещающиеся в
воздушных потоках. Довольно часто на таком барьере откладываются и
мелкие обломки минералов, но основную часть обычно составляют
коллоиды (пыль).
Концентрация на механических барьерах относительно крупных
организмов происходит совместно с мелкими обломками минералов, а
споры и пыльца растений часто прекращают миграцию вместе с
неорганическими коллоидными частицами. По массе количество
веществ, осаждающихся на барьерах, чрезвычайно мало. Однако, их
роль в развитии биосферы значительна.
Осаждение техногенных соединений, мигрирующих в воздушных
потоках, все возрастает. Как правило, этот процесс приводит к
ухудшению состояния среды, окружающей человека.
4. Социальные геохимические барьеры
В научной литературе и в обиходе широк используется термин
«социальная миграция химических элементов». По аналогии с
социальной миграцией целесообразно введение понятия «социальный
геохимический барьер» - зона складирования и захоронения отходов –
как промышленных, так бытовых. Рассмотрим, что объединяет эти
барьеры с природными и техногенными и что отличает их.
1. На этих барьерах прекращается перемещение целого ряда
веществ, участвующих в определенном виде миграции –
социальной (техногенной).
2. В данном случае прекращают миграцию не все участвующие в
ней вещества, а только часть из них.
3. Барьеры созданы искусственно там, где в природных условиях
они не возникали, по крайней мере для всех тех веществ,
которые на них концентрируются.
4. По способу образования (вывоз и складирование) они
отличаются от других техногенных барьеров.
5. По специфике концентрации веществ и способу образования эти
барьеры не имеют аналогов и среди природных барьеров.
6. Концентрирующиеся на них вещества не объединяются ни
одним общим физическим или химическим свойством (это
является обязательным условием концентрации веществ на
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
86
природных и техногенных барьерах). Все вещества на
техногенных барьерах объединяет только одно социальное
условие: ненужность обществу на данном этапе его развития.
7. Образование
рассматриваемых
барьеров
и
состав
накапливающихся на них веществ являются отражением
конкретного уровня развития как определенного сообщества
людей, так и всего человечества.
Особенности социальных барьеров:
- химические элементы (соединения), накапливающиеся на
социальных барьерах в повышенных концентрациях, не
соответствуют ни одной природный ассоциации, характерной
для пород, руд, организмов;
- распределение большинства химических элементов на барьере
отличается крайней неравномерностью. Так, уже на первых
метрах содержание многих металлов изменяется в сотни и
тысячи раз Это приводит к их мозаичному распределению на
территории, что обычно не характерно для биосферы;
- на барьерах, занимающих достаточно большую площадь
(крупные свалки), неравномерно распределяются отдельные
участки с различной геохимической обстановкой. Они
отличаются режимом кислорода и серы (наряду с кислородной
встречаются глеевая и сероводородная обстановки), щелочнокислотными условиями. Все это создает условия с
непрогнозируемыми
процессами
миграции
химических
элементов как на самом барьере, так и в окружающих его
ландшафтах;
- еще одной особенностью является чрезвычайно высокая
концентрация элементов в форме самых разнообразных
техногенных соединений, не имеющих природных аналогов;
- миграция химических элементов от этих барьеров идет в
основном в виде растворов, а для ряда соединений – и в
газообразной форме. Скорость миграции может быть самой
различной в зависимости от климата,
ландшафтногеохимических
(в
основном
гидрологических
и
гидрогеологических) и температурных условий. Последние часто
определяются различными химическими реакциями и горением
свалок.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
87
ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ
Занятие 1-2. Геохимические классификации химических элементов
Цель занятия: углубить знания в области геохимических классификаций химических элементов
Опорные знания. Практически всегда можно составить множество
классификаций для одних и тех же объектов на основе использования различных классификационных признаков. При этом обязательным условиями
корректности подобных классификаций являются качественная однородность признаков, положенных в основу классификации, исчерпывающая
полнота, а также отсутствие перекрытий между подразделениями.
Известны классификации химических элементов Гольдшмидта, Вернадского, Ферсмана, Перельмана, Щербакова и т.д.
Основой большинства геохимических классификаций является Периодическая таблица химических элементов Д.И. Менделеева, где атомы по их
химическим свойствам разбиты на группы и ряды, и которая, поэтому может
рассматриваться как наиболее ранний вариант не только химической и, но и
геохимической классификации. Исходя из периодической системы различными исследователями предпринимались неоднократные попытки геохимической классификации элементов, которая давала бы возможность по положению элементов в периодической системе объяснить поведение его в природных процессах и его естественные ассоциации с другими элементами.
Такова, например, классификация, предложенная А.Е. Ферсманом. Он
взял периодическую таблицу в ее развернутой форме, как это делал вначале
сам Менделеев и горизонтальной чертой, проходящей между 3 и 5 периодами, разделил ее на верхнюю и нижнюю части. Нижнюю часть, в свою очередь, вертикальной чертой (по благородным газам) он разделил на правое и
левое поля.
Верхнее поле – обычное – кончается на никеле (№ 28). Здесь расположены элементы, наиболее распространенные в литосфере, гидросфере и атмосфере. Левая часть этого поля занята преимущественно неметаллами
(анионами), а правая – металлами (катионами).
Для нижнего левого поля характерны халькофильные металлы, преимущественно дающие соединения с серой, селеном, теллуром. Здесь преобладают элементы сульфидных месторождений (Cu, Zn, As, Sn, Pb и т.д.).
Для нижнего правого поля характерны элементы остаточных кислых
магм и гранитных пегматитов – Zr, Nb, Ta, U, TR и т.д.). Однако, здесь же
расположены и элементы платиновой группы, характерные для ультраосновных магм и более близкие к соседним с ними элементам верхнего (обычного)
поля.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
88
В подавляющем большинстве собственно геохимических классификаций не учитываются трансурановые элементы. Большинство авторов также
не включает в них такие элементы, как Tc, Fr, At, содержания которых в природных средах ничтожно малы.
Классификация Вернадского. Подразделение химических элементов по
характеру их поведения в процессах миграции.
Благородные газы – He, Ne, Ar, Kr, Xe. Соединения с другими атомами
образуют исключительно редко, поэтому в природных химических процессах
значительного участия не принимают.
Благородные металлы – Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Au. Соединения редки.
Преимущественно присутствуют в форме сплавов, и образуются в основном
в глубинных процессах (магматических, гидротермальных).
Циклические элементы – H, B, C, N, O, F, Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, K, Ca,
Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, As, Se, Sr, Mo, Ag, Cd, Ba, (Be, Cr, Ge, Zr, Sn, Sb,
Te, Hf, W, Re, Hg, Tl, Pb, Bi). Наиболее многочисленная группа и преобладающая по массе. Для каждого элемента характерен определённый круг химических соединений, возникающих и распадающихся в ходе природных
процессов. Таким образом, каждый элемент проходит цепочку превращений,
в конечном счёте возвращаясь к исходной форме нахождения – и далее. Циклы не являются полностью обратимыми, так как часть элементов постоянно
выходит из круговорота (и часть так же снова в него вовлекается).
Рассеянные элементы – Li, Sc, Ga, Br, Rb, Y, Nb, In, J, Cs, Ta. Безусловно, господствуют рассеянные атомы, не образующие химических соединений. Незначительная доля может участвовать в образовании самостоятельных минеральных соединений (большинство – в глубинных процессах, а J и
Br – в гипергенных).
Редкоземельные элементы – La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho,
Er, Tu, Yb, Lu. Тяготеют к рассеянным. Основная черта – совместная миграция.
Радиоактивные элементы - Po, Rn, Ra, Ac, Th, Pa, U. Основная специфика в том, что в геохимическом процессе происходит постоянное превращение одних элементов в другие, что делает процессы их химической миграции наиболее сложными.
Элементы условности данной классификации:
наличие химических элементов, занимающих промежуточное положение между группами, т.е. способных вести себя в миграционных процессах
двояко; в этих случаях для отнесения такого элемента к одной из двух возможных групп «решающим аргументом будет история главной по весу части
атомов или наиболее яркие черты их геохимической истории» (наличие доли
субъективизма в таком критерии очевидно).
выделение в особую группу радиоактивных элементов не учитывает
разной устойчивости изотопов; у ряда элементов существенной является доля как стабильных, так и нестабильных изотопов, и, естественно, геохимиче-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
89
ская история соответствующих долей общего числа атомов данного элемента
будет различной (K, Rb, Sm, Re и др.). Сейчас, в связи с процессами радиогенного загрязнения, необходимо учитывать и миграцию искусственных радиоактивных изотопов.
Классификация Гольдшмидта. Наиболее широко применяемая классификация. Элементы сгруппированы на основе их способности формировать
естественные ассоциации в природных процессах. Это определяется рядом
факторов:
Строение электронных оболочек, обуславливающее химические свойства элементов.
Положение элементов на кривой атомных объёмов.
Химическое «сродство» к тем или иным конкретным элементам, т.е.
преимущественная склонность именно с этими определёнными элементами
образовывать соединения (может измеряться значениями энергии образования определённых типов их соединений, например, оксидных).
Элементы подразделены на 5 групп:
Литофильные - Li, Be, B, O, F, Na, Mg, Al, Si, P, Cl, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr,
Mn, Br, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, I, Cs, Ba, TR, Hf, Ta, W, At, Fr, Ra, Ac, Th, Pa, U.
Включены кислород и галогены, а также ассоциирующие с ними элементы,
то есть преимущественно образующие кислородные и галоидные соединения. Последние – это те, которые расположены на пиках и нисходящих участках кривых атомных объёмов, а также имеют максимальные величины
энергии образования оксидных соединений.
Халькофильные (или тиофильные, «любящие» серу) – S, Cu, Zn, Ga,
Ge, As, Se, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Te, Au, Hg, Tl, Pb, Bi, Po). Те, которые ассоциируют преимущественно с медью и серой. Это – сера и её аналоги (селен, теллур), а также элементы, преимущественно склонные образовывать не оксидные, а сульфидные соединения. Для последних характерны 18-электронные
внешние оболочки катионов, расположение на восходящих участках кривых
атомных объёмов. Величины энергии образования кислородных соединений
низкие. Некоторые способны существовать в самородном виде.
Сидерофильные - Fe, Co, Ni, Mo, Ru, Rh, Pd, Re, Os, Ir, Pt. Ассоциируют
с железом. Все принадлежат к элементам с достраивающимися dоболочками. Занимают промежуточное положение между лито- и халькофильными: минимумы на кривой атомных объёмов, промежуточные значения энергии образования кислородных соединений. В равной мере распространены и в оксидных, и в сульфидных ассоциациях.
Атмофильные – все инертные газы, N, H. Все являются газами, свойственно по преимуществу атомарное или молекулярное (вне соединений) состояние (видимость того, что Н представляет исключение, связана с тем, что
атомарный водород теряется, рассеиваясь в космическом пространстве).
Неправомерным является дополнение этой классификации группой
биофильных элементов.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
90
Б.Б. Полынов в основу своей классификации положил условные единицы миграции элементов, которые вычислил путем деления содержания компонента в горной породе на его количество в омывающих породы водах. Это
позволило ему объединить химические элементы по геохимической подвижности в группы, названные им рядами миграции (табл. 1).
Таблица 1- Миграционные ряды элементов в коре выветривания по
Б.Б. Полынову
Ряд элементов
Состав ряда
Показатель порядка величины миграции
Энергично выносимые
Cl, Br, I. S
2n * 10
Легко выносимые
Ca, Na, K, Mg
n
Подвижные
Si (силикатов), P, Mn
n*10-1
Инертные
F, Al, Ti
n*10-2
Практически неподвижSi (кварца)
n*10-3
ные
Более подробная геохимическая классификация элементов по особенностям их миграции в ландшафтах была дана А.И. Перельманом. Она соответствует поведению химических элементов в условиях зоны гипергенеза. В
основу классификации положены интенсивность, контрастность, виды миграции элементов в различных геохимических обстановках, а также их свойства и кларки.
В основе этой классификации лежит деление на воздушные мигранты,
которые мигрируют как в газообразном состоянии, в виде летучих соединений, так и с водным раствором; и водные мигранты, которые в газообразном
состоянии не мигрируют или мигрируют слабо.
В классификации учтена зависимость миграционной способности химических элементов в разных окислительно восстановительных средах.
Воздушные мигранты делятся на активные и пассивные. Активные образуют химические соединения: кислород, азот, углерод, водород, иод. Из
них в основном состоит живое вещество, природные воды. Они в значительной мере определяют рН и Ен природных вод. Пассивные - не образуют химических соединений: аргон, неон, ксенон, криптон, гелий, радон. Не играют
существенной роли в ландшафте.
Водные мигранты мигрируют в почвенных, грунтовых и поверхностных водах и делятся на катионогенные и анионогенные. Делятся на 8 групп.
1. Очень подвижные, Кх= n( 10-100). Относятся только к анионогенным
элементам - это хлор, бром, сера. Активно накапливаются при испарении,
входят в состав легкорастворимых минералов.
2. Подвижные. Кх=n( 1-10). Среди катионогенных: кальций, натрий,
магний, стронций, радий. Среди анионогенных: фтор и бор. Эти элементы
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
91
образуют легко и труднорастворимые соли. Энергично мигрируют в природных водах.
3. Слабо подвижные. Кх=n(0.1 -1)
K, Ba, Rb, Li, Be, Cs Si, P, Ge, Sn, Sb, As
4. Подвижные и слабоподвижные в окислительной обстановке Кх=n(0.1
-1), инертные в сероводородной среде Кх меньше 0.n, осаждаются на щелочных барьерах, мигрируют в окислительной обстановке. Элементы относятся
к катионогенной группе - цинк, медь, никель, свинец, кадмий хорошо мигрируют в кислых водах и осаждаются на щелочном барьере. Ртуть, серебро мигрируют в кислых и щелочных водах окислительной обстановки.
5. Подвижные и слабо подвижные в окислительной обстановке, инертные в восстановительной среде, осаждаются на сероводородных и глеевых
средах Кх=n (0.1-1). В этой группе встречаются только анионогенные элементы - ванадий, молибден, селен, уран, рений, осаждаются на сероводородной и глеевых барьерах.
6. Подвижные и слабоподвижные в восстановительной глеевой среде
Кх= 0.n - n, инертные в окислительной и восстановительной сероводородных
средах. К катионогенным - железо, марганец, кобальт. Осаждаются на кислородных и сероводородных барьерах.
7. Малоподвижные в большинстве обстановок Кх= n(0.1 -0.01)
Алюминий, титан, хром, технеций- катионогенные, частично мигрируют в
сильно кислой среде. Цирконий, ниобий, тантал, вольфрам, гольмий, европий
- анионогенные, частично мигрируют в щелочной среде.
8. Не мигрируют, не образуют химических соединений. Для них характерно самородное состояние - осмий, платина, палладий, рутений, золото,
цирконий.
Кроме упомянутых геохимических классификаций существуют и многие другие (Заварицкого, Вашингтона, Берга, Щербакова и др.), но они, как
правило, носят либо слишком общий, либо слишком частный характер и в
современной геохимии практически не используются.
Вопросы для контроля знаний
1. Какие принципы положены в основу классификаций В.И. Вернадского, А.Е. Ферсмана, Б.Б. Полынова, А.И. Перельмана.
2. Что такое халькофильные, сидерофильные, атмофильные химические элементы.
3. Приведите примеры практического использования классификаций
химических элементов.
Геохимия биосферы (электронный учебно-методический комплекс)
http://www.kgau.ru/distance/ebtf_01/mahlaev/geohimiya-bad/01_05.html
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
92
Занятие 3-4. Минеральная форма нахождения. Связь свойств минералов с их кристаллохимическими показателями
Цель занятия: закрепить знание основных принципов кристаллохимии,
получить представление о методах расчета энергетических коэффициентов
Справочный материал:
Таблица 2 - Величины ионных радиусов, Å (Алексеенко, 2000)
Ион
Ac 3+
Ag 1+
Al 3+
As 3+
Au 1+
Au 3+
B 3+
Ba 2+
Be 2+
Bi 3+
Bi 5+
Br 1Br 7+
C 4+
Au1+
Ca 2+
Cd 2+
Ce 4+
Cl 1Cl 7+
Co 2+
Co 3+
Cr 2+
Cr 3+
Cr 6+
Cs 1+
Cu 2+
F 1F 7+
Fe 2+
Fe 3+
H 1Mo 4+
№ элемента
По Гольдшмидту
89
47
13
33
79
79
5
56
4
83
83
35
35
6
79
20
48
58
17
17
27
27
24
24
24
55
29
9
9
26
26
1
42
1.13
0.57
0.69
1.43
0.34
1.96
0.20
1.06
1.03
1.02
1.81
0.82
0.64
0.83
0.35
1.65
0.70
1.33
0.83
0.67
1.54
0.68
По Бокию и
Белову
1.11
1.13
0.57
0.69
1.37
0.85
0.21
1.38
0.34
1.20
0.74
1.96
0.39
0.15
1.37
1.04
0.99
0.88
1.81
0.26
0.78
0.64
1.83
0.64
0.52
1.65
0.80
1.33
0.07
0.80
0.67
1.36
0.68
Ион
№ элемента
По Гольдшмидту
Mo 6+
Hg 2+
I 1K 1+
Li 1+
Mg 2+
Mn 2+
Mn 3+
Mn 4+
Mn 7+
N 3N 5+
Na 1+
Ni 2+
Ni 3+
O 2P 3P 5+
Pb 2+
Pt 4+
S 2S 6+
Sb 3+
Se 4+
Se 6+
Si 4+
Sn 2+
Sn 4+
Sr 2+
W 4+
W 6+
Zn 2+
Zr 4+
42
80
53
19
3
12
25
25
25
25
7
7
11
28
25
8
15
15
82
78
16
16
51
34
34
14
50
50
38
74
74
30
40
1.12
2.20
1.33
0.78
0.8
0.91
0.70
0.52
0.15
0.98
0.78
0.35
1.32
0.35
1.32
1.74
0.34
0.90
0.39
0.74
1.27
0.68
0.83
1.87
По Бокию и
Белову
0.65
1.12
2.20
1.33
0.68
0.74
0.91
0.70
0.52
0.46
1.48
0.15
0.98
0.74
1.36
1.86
0.35
1.26
0.64
1.86
0.30
0.90
0.69
0.35
0.39
1.02
0.67
1.20
0.68
0.65
0.83
0.82
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
93
Таблица 3 - Растворимость ряда металлов и их соединений в холодной
воде (г/100 г) (Алексеенко, 2000)
Ионы
I
Br
Cl
F
K
Na
Li
Ba
Sr
Ca
Mg
128,0
53,0
34,0
96,0
179,0
94,6
35,7
4,28
162,0
155,0
83,2
0,27
167,0
98,0
31,2
0,16
178,0
87,9
52,7
0,01
209,0
182,0
74,5
0,002
120,8
101,0
54,6
0,007
Опорные знания. Энергетические коэффициенты (ЭК) базируются на
величинах радиусов ионов и относятся к важнейшим понятиям в геохимии.
Их величины определяются по предложенным А.Е. Ферсманом формулам,
которые при использовании ангстремов имеют следующий вид:
ЭКаниона = W2/2Ri;
ЭКкатиона = (W2/2Ri) [0,75(Ri+0,2)] .
Если величины радиусов выражать в нанометрах, то формулы будут
выглядеть так:
ЭКаниона = W2/20Ri;
ЭКкатиона = (W2/20Ri) [0,75(10Ri+0,2)] .
Энергетические коэффициенты – величины безразмерные, однако, умножив их на 1071,74, получаем килоджоули. Можно считать, что это определенный пай энергии (энергетическая константа иона), который вносится каждым ионом при формировании кристаллических решеток.
ЭК получили очень широкое применение в геохимии. Они используются для определения энергии кристаллических решеток, твердости и растворимости минералов, дальности миграции и зональности концентрации ионов,
доступности элементов растениям, а также при решении ряда экологогеохимических вопросов.
Задание 1. Определить последовательность кристаллизации минералов
в пневматолито-гидротермальном процессе в зависимости от энергии их кристаллических решеток: HgS, PbS, ZnS, FeS, MoS2.
Задание 2. Построить ряд растворимости галоидов в зависимости от
энергии их кристаллических решеток:
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
94
KI, KBr, KCl, KF
NaI, NaBr, NaCl, NaF
LiI, LiBr, LiCl, LiF
BaI2, BaBr2, BaCl2, BaF2
SrI2, SrBr2, SrCl2, SrF2
CaI2, CaBr2, CaCl2, CaF2
MgI2, MgBr2, MgCl2, MgF2
Задание 3.
Определить тип основных реакций, происходящих в процессе приспособления минералов в биосфере:
Ca2Al2Si2O8 + 2H2O + CO2 → H2Al2Si2O8·H2O + CaCO3
2Fe2O3 + 3H2O → 2Fe2O3·H2O
2Fe2O3·3H2O + C → 4FeO + CO2 + 3H2O
FeO + CO2 → FeCO3
2KAlSi3O8 + 3H2O → 2KOH + H2Al2Si2O8·H2O +4SiO2
FeS2 → FeSO4 → Fe2(SO4)3 → Fe(OH)3
2 KAlSi3O8 + 3 H2O → 2 KOH + H2Al2Si2O8·H2O + 4 SiO2
Na2SO4 + 10 H2O → Na2SO4 ·10 H2O
4 FeCO3 + 6 H2O + O2 → 4 Fe(OH)3 + 4CO2
4 FeSiO3 + O2 → 2 Fe2O3 + 4 SiO2 – 2144 кДж
2 Fe2O3 ·3 H2O + C → 4 FeO + CO2 + 3 H2O
FeSO4 + 2 C → FeS + 2 CO2
2 CaCO3 + Mg(SO4)+ 2 H2O → CaMg(CO3)2 + CaSO4 · 2 H2O
Вопросы для контроля знаний:
1. Сформулируйте принципы кристаллохимии.
2. Каким образом взаимосвязаны ЭК и растворимость минералов.
3. Как могут быть применены знания энергетических коэффициентов в
прикладной экологии.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
95
Занятие 5-6. Биогенная форма нахождения
Цель занятия: закрепить полученные знания о химическом составе живого вещества биосферы.
Справочный материал:
Таблица 4 - Средний состав золы живых организмов суши и коэффициенты биологического поглощения (А.И. Перельман, 1974)
Химический
элемент
Кларк
литосферы
Средний
состав
золы наземных
растений
Ca
K
Si
Mg
P
S
Na
La
Ti
F
Zn
Rb
Cu
V
Li
Mo
Y
Cs
Se
U
Hg
Ra
Sc
Zr
Nb
3,60
2060
27,6
2,10
0,08
0,05
2,64
1,8 · 10-3
0,6
0,027
0,005
0,02
0,007
0,015
6 ·5 · 10-3
3 · 10-4
2 · 8 · 10-3
7 · 10-4
6 · 10-5
3 · 10-4
7 · 10-6
1 · 10-10
6 · 10-4
0,02
1 · 10-8
n.10
n.10
n
n
n
n
n
n.10-2
0,0n
0,0n
n. 10-3
n. 10-3
n. 10-3
n. 10-3
n · 10-4
n · 10-4
n · 10-4
n · 10-4
n · 10-5
10-5
n · 10-6
n · 10-11
n · 10-6
n · 10-4
n · 10-5
Коэффициент
биологического
поглощения
n
n
0,n
n
n10
n10
n
0,0n
0,0n
0,n
n
0,n
0,n- n
0,n
0,n
n-0,n
0,n
0,n
<n
0,0n
0,n
0,n
0,0n
0,0n
0,0n
Химический
элемент
Кларк литосферы
Средний
состав золы наземных растений
Cl
Fe
Al
Ba
Sr
Mn
B
Cr
Ge
Ni
Pb
Sn
As
Co
Ru
Rh
Pd
Hf
Ta
W
Re
Os
Ir
Pt
0,045
5,4
8,80
0,05
0,04
0,09
3,10 -4
0,02
7 · 10-4
0,008
1,6 · 10-3
4 · 10-3
5 · 10-4
0,003
5 · 10-7
1 · 10-7
1 · 10-6
3 · 2 · 10-4
2 · 10-4
1 · 10-4
1 · 10-7
5 · 10-6
1 · 10-7
5 · 10-7
n
0,n- n
0,n
0,0n
0,0n
n.10-2
0,0n-0,00n
n. 10-4
n. 10-3
n. 10-3
n. 10-4
n · 10-4
5 · 10-4
n · 10-4
n · 10-9
n · 10-9
n · 10-8
n · 10-7
n · 10-7
n · 10-7
n · 10-10
n · 10-8
n · 10-10
n · 10-10
Коэффициент
биологического
поглощения
n10
0,n
0,0n
0,n
n
0,n- n
n
0,0n
0,0n
0,n - n
0,0n
0,0n
n-0,n
0,n- n
0,0n
0,0n
0,0n
0,0n
0,0n
0,0n
0,0n
0,0n
0,0n
0,0n
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
96
Таблица 5. Интенсивность биологического поглощения элементов растениями (А.И. Перельман, 1974)
Название группы растений
Бактерии
Водоросли:
Грибы
Лишайники
Мхи
Папоротники
Хвощи
Плауны
Голосемянные.
зеленые
бурые
багряные
листоватые
кустистые
все дерево
хвоя
Покрытосемянные водные
злаки
лилейные
гречишные
лебедовые
крестоцветные
бобовые
зонтичные
вересковые
сложноцветные
Культурные растения
Злаки
бобовые
P
12,5
18,7
15,0
20,0
206,2
32,5
28,7
53,2
45,0
22,5
21,2
77,5
32,5
43,7
26,2
57,5
32,5
20,0
50,0
58,7
38,7
46,2
28,7
S
13,3
92,2
70,0
14,1
25,5
44,4
32,2
25,5
26,4
24,4
17,7
68,8
64,4
25,5
26,6
26,6
21,1
55,5
44,4
18,8
22,2
25,5
37,7
Коэффициент биологического поглощения, Ax
Cl
K
Ca
Na
Mg
5,6
1,6
0,2
2,1
228,8
1,9
6,4
0,4
0,8
444,4
7,0
2,3
0,4
1,5
148,8
4,2
1,9
0,5
2,0
248,8
1,0
0,8
1,0
1,1
3,8
4,4
0,7
1,3
8,8
3,6
3,3
1,3
1,1
88,8
3,0
4,4
0,9
1,9
226,6
13,6
2,7
1,2
2,3
91,1
4,3
2,2
0,5
0,7
31,1
5,2
1,1
0,3
1,1
5,9
7,3
2,1
2,5
5,8
0,8
75,5
5,9
5,6
1,9
2,4
135,5
8,8
1,2
1,19
0,9
162,2
1,18
3,1
1,8
1,6
64,4
9,6
5,5
1,92
3,5
324,4
4,7
2,0
7,5
1,8
175,5
8,8
4,7
2,96
1,9
91,1
10,3
5,0
1,3
1,6
173,3
10,9
5,16
1,9
55,5
6,1
4,6
1,5
3,0
402,2
7,5
1,1
7,0
1,9
Si
0,02
0,09
0,03
0,02
0,04
0,24
0,60
0,4
0,13
1,0
0,22
0,15
0,4
0,14
0,68
0,09
0,05
0,08
0,10
0,18
0,21
0,07
Fe
0,1
0,09
0,1
0,1
0,2
0,6
0,5
1,0
0,11
0,11
0,15
0,39
0,07
0,8
0,4
0,2
0,27
0,17
0,29
0,19
0,37
0,33
40,0
42,5
28,8
35,9
122,2
179,1
0,53
0,33
0,07
0,33
12,2
7,02
1,3
2,8
0,69
2,6
0,9
1,4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
97
Опорные знания. Химический состав отдельных организмов может значительно отличаться от среднего состава живого вещества.
Элементы, концентрация которых в золе живых организмов (Ax) превышает 1, могут быть названы элементами «биологического накопления».
Среди них выделяют I группу энергично и II сильно накопляемых. Содержание остальных элементов в золе обычно ниже, чем в горных породах.
Некоторые элементы III группы имеют Ax более 1 и также могут концентрироваться биогенным путем (медь, никель, кобальт), однако интенсивность их биологического накопления ниже, чем у элементов II группы.
Большинство элементов III группы и все элементы IV группы только захватываются, а не накапливаются организмами. В итоге можно получить ряды
биологического поглощения элементов.
Задание 1. Построить ряды биологического поглощения элементов живым веществом биосферы. Результаты представить в виде таблицы.
Ax
Элементы био- I. Энергично
логического
накопляемые
накопления
II.
Сильно
накопляемые
III. Слабого
накопления
Элементы био- и среднего
захвата
логического
IV. Слабого
захвата
захвата
V.
Очень
слабого захвата
100-10
10-1
1-0,1
0,1-0,01
0,01-0,001
Задание 2. Построить гистограмму интенсивности биологического поглощения химических элементов растениями.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
98
Занятие 7-8. Распространенность химических элементов
Цель занятия: получить представление о распространении химических
элементов в компонентах биосферы.
Справочный материал:
Таблица 6 - Кларковые содержания химических элементов в земной
коре
№
Элемент
Кларк, масс.,%
№
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
49,5000
25,8000
7,5700
4,7000
3,3800
2,6300
2,4100
1,9500
0,8800
0,4100
0,1900
0,0900
0,0870
0,0850
0,0480
0,0300
0,0290
0,0280
19
Ba
20
Zr
21
Cr
22
Ni
23
Sr
24
V
25
Zn
26
Cu
27
W
28
Li
29
Ce
30
Co
31
Sn
32
Y
33
Nd
34
Nb
35
Pb
ИТОГО:
O
Si
Al
Fe
Ca
Na
K
Mg
H
Ti
Cl
P
C
Mn
S
N
Rb
F
Элемент
Кларк, масс.,%
0,0260
0,0210
0,0190
0,0150
0,0140
0,0140
0,0120
0,0100
0,0064
0,0060
0,0043
0,0037
0,0035
0,0026
0,0022
0,0019
0,0018
99,98%
Таблица 7 - Кларковые содержания химических элементов в морской
воде (по В.А.Алексеенко, 2000)
№
Элемент
Кларк, масс.,%
№
Элемент
Кларк, масс.,%
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
O
Si
Al
Fe
Ca
Na
K
Mg
H
Ti
Cl
P
C
Mn
S
85,7 · 10-4
2 · 10-4
2 · 10-7
2 · 10-7
4,12 · 10-2
1,077
3,8 · 10-2
1,29 · 10-1
10,8 · 10-4
1 · 10-7
1,94
6 · 10-6
2,8 · 10-3
2 · 10-8
9,05 · 10-2
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
Ba
Zr
Cr
Ni
Sr
V
Zn
Cu
W
Li
Ce
Co
Sn
Y
Nd
2 · 10-8
3 · 10-9
3 · 10-8
1,7 · 10-7
8 · 10-4
2,5 · 10-7
4,9 · 10-7
5 · 10-8
1 · 10-8
2 · 10-3
1 · 10-10
5 · 10-9
1 · 10-9
1,3 · 10-10
3 · 10-10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
99
16
17
18
N
Rb
F
5 · 10-8
3,0 · 10-9
1,3 · 10-3
34
35
Nb
Pb
Продолжение таблицы 7
1 · 10-9
3 · 10-9
Опорные знания. Среднее содержание химического элемента в земной
коре или отдельной его части называют кларком (К). Главная особенность
распространенности химических элементов на Земле заключается в огромной
контрастности кларков. Так, из 89 элементов, существующих в природе в естественном состоянии 99,48 % приходится на долю О (кларк 47%), Si (29,5),
Al (8,05), Fe (4,65), Са (2,96), Na (2,50), К (2,50), Mg (1,87), Ti (0,45). В то
время как остальные 80 элементов занимают менее 1 %. Кларки большинства
элементов не превышают 0,01– 0,0001 % (Перельман, Касимов, 1999).
Анализ распределения химических элементов позволил В. И. Вернадскому прийти к выводу о всеобщем рассеянии химических элементов, о том,
что все элементы есть везде. В любой песчинке или капле могут быть найдены все те же химические элементы, какие наблюдаются на Земле или в космосе. Вопрос связан лишь с улучшением и уточнением методов определения
их содержания. Это положение о всеобщем рассеянии химических элементов
Н.И. Сафронов предложил именовать законом Кларка-Вернадского.
Кларки элементов тесно связаны со строением атомного ядра. Так в
земной коре преобладают ядра с небольшим и четным числом протонов и
нейтронов. Особенно велики кларки элементов, атомная масса которых делится на 4 (O, Mg, Si, Ca и др.).
Для количественной характеристики степени отличия в той или иной
конкретной природной системы или ее части от кларка литосферы В. И. Вернадский предложил использовать кларк концентрации (КК), представляющий собой отношение весового содержания данного элемента в природном
объекте (Сi) к кларку литосферы (К): КК = Сi/ К.
Кларк концентрации позволяет судить о степени концентрации (КК >
1) или рассеяния (КК< 1) химического элемента в исследуемом объекте относительно литосферы. В том случае когда, содержание химического элемента
значительно меньше кларка, для получения целых чисел и большей кратности показателя рассчитывается величина обратная кларку концентрации –
кларк рассеяния (КР). Данный коэффициент показывает, во сколько раз
кларк элемента, больше его содержания в изучаемом природном объекте: КР
= К / Сi.
При эколого-геохимических исследованиях часто приходится сравнивать разные системы по распределению в них многих химических элементов.
Для этого рекомендуется строить геохимические спектры (рис. 1), на которых показаны кларки концентрации (КК) и кларки рассеяния (КР) изучаемых
элементов.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
100
Задание 1. На миллиметровой бумаге построить гистограммы распределения элементов в различных компонентах биосферы. Сделать выводы о
сходстве и различиях химического состава основных компонентов биосферы.
Задание 2. Построить графики геохимических спектров в осадочных
породах континентов (рис. 1, табл. 8). Указать различия и сходства в распределении химических элементов в различных типах осадочных пород.
Рисунок 1 – Пример построения геохимических спектров аллювиальных суглинков (а) и образованного на них гумусового горизонта аллювиальных почв (б)
Таблица 8. Кларки химических элементов в земной коре по А. П. Виноградову (Перельман, 1989) и осадочных породах континентов (по
В.А.Алексеенко, 2000)
Содержание химических элементов, мг/кг
Элемент
Cd
S
Hg
Mo
Ni
V
Sr
Земная кора
Сланцы + глина
Песчаник
Карбонаты
0,013
470
0,083
1,1
58
90
340
0,3
3000
0,4
2
95
130
450
0,05
240
0,03
0,2
2
20
20
0,035
1200
0,04
0,4
20
20
610
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
101
Pb
Ba
Cu
Cr
Zr
Co
Ti
Zn
Cl
K
P
F
Fe
Mn
Ca
16
650
47
83
170
18
4500
83
170
25000
930
660
46500
1000
39600
20
800
57
100
200
20
4500
80
160
22800
770
500
33300
670
25300
7
50
5
35
220
0,3
1500
15
10
10700
170
270
9800
50
39100
Продолжение таблицы 8
9
10
4
11
19
0,1
400
20
150
2700
400
330
3800
1100
302300
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
102
Занятие 9-10. Миграция химических элементов в ландшафтах
Цель занятия: закрепить знания о миграции химических элементов,
внутренних и внешних факторах, влияющих на их миграцию; получить представление о круговоротах химических элементов в различных ландшафтах.
Опорные знания: Для характеристики интенсивности водной миграции
А. И. Перельман (1961) предложил использовать коэффициент водной миграции (Kx), равный отношению содержания элемента х в минеральном остатке воды (mx) к его содержанию в горных породах или почвах (nx), дренируемых этими водами. Так как содержание элемента в водах обычно измеряется в граммах на литр или дм3, а содержание в породах в процентах, то расчетная формула имеет вид:
Kx= mx·100/a·nx,
где а – сумма минеральных веществ, растворенных в воде (в г/л).
Миграция химических элементов зависит от внешних и внутренних
факторов. К внутренним факторам относят свойства химических элементов,
зависящие от строения атомов, к внешним – ландшафтно-геохимические условия миграции.
Задание 1.
Определить порядок осаждения ионов при их свободной миграции: I(2,2); Ag+ (1,13); Cu+ (0,96); Zn2+ (0,83); Sb3+ (0,90); Cd2+ (0,99); Sn2+ (1,02);
Bi3+ (1,20); Hg2+ (1,12); Pb2+ (1,26); Cu2+ (0,8); W6+ (0,65); Fe2+ (0,8); Sn4+ (0,67);
Fe3+ (0,67); Co2+ (0,78); Mo4+ (0,68); Mg2+ (0,74); As3+ (0,69); Ni2+ (0,74).
Задание 2.
Пользуясь таблицей 9, рассчитать баланс химических элементов в тундровой зоне, сделать выводы об их миграции.
Таблица 9 - Баланс химических элементов в тундровой зоне (кг/га/год)
ЭлеменСоставляющие баланса
ты
Приход
Расход
с фотосинте- с осад- в атмосфе- с поверхност- с подземзом
ками
ру при
ным стоком
ным сторазложеком
нии опада
С
1060
1,5
850
11,2
7,0
N
4,0
2,9
1,0
P
0,06
0,02
K
3,5
6,3
2,1
Ca
4,0
28,5
9,5
S
10,0
5,2
1,8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
103
Задание 3.
Пользуясь таблицами 10 и 11, рассчитать баланс химических элементов в лесной зоне под лесом и в пашне. Сделать выводы о миграции химических элементов.
Таблица 10 - Баланс химических элементов в лесной зоне под лесом
(кг/га/год)
Элементы
Составляющие баланса
Приход
Расход
с осадками
с отчуждени- с поверхност- с подземным
ем леса
ным стоком
стоком
N
4,0
55,3
3,0
0,5
P
0,15
3,0
0,66
K
5,0
15,0
8,6
1,0
Ca
7,0
29,0
15,0
16,0
Mg
2,0
1,5
7,0
10,0
S
12,0
2,8
14,0
9,0
Таблица 11 - Баланс химических элементов в лесной зоне под пашней
(кг/га/год)
Элементы
N
P
K
Ca
Mg
S
Составляющие баланса
Приход
Расход
с осадс удобрес урожа- с поверхностками
ниями
ем
ным стоком
4,0
0,15
5,0
7,0
2,0
12,0
20,0
6,0
15,0
400,0
15,0
10,0
100,0
18,0
90,0
30,0
13,0
6,0
20,0
1,7
127,0
110,0
23,0
9,0
с подземным стоком
1,8
0,05
10,0
140,0
7,0
7,0
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
104
Задание 4.
Пользуясь таблицей 12, рассчитать баланс химических элементов в
пашне лесостепной зоны. Сделать выводы о миграции химических элементов.
Таблица 12 - Баланс химических элементов в лесостепной зоне под
пашней (кг/га/год)
Элементы
N
P
K
Ca
Mg
S
Составляющие баланса
Приход
Расход
с осадс удобрес урожа- с поверхностками
ниями
ем
ным стоком
4,0
8,0
33,0
4,0
15,0
19,6
4,6
10,4
18,4
20,7
78,3
10,3
57,3
18,3
8,3
4,6
9,6
3,4
39,2
62,4
20,8
5,1
с подземным стоком
0,6
0,1
1,0
0,1
2,8
Задание 5.
Пользуясь таблицей 13, рассчитать баланс химических элементов в
пашне степной зоны. Сделать выводы о миграции химических элементов.
Таблица 13 - Баланс химических элементов в пашне степной зоны
(кг/га/год)
Элементы
N
P
K
Ca
Mg
S
Составляющие баланса
Приход
с осадками
с удобрениями
4,0
30,0
10,0
4,0
15,0
30,0
4,0
22,0
-
Расход
с урожаем
с поверхностным стоком
59,0
10,0
11,0
3,0
26,0
62,0
19,0
51,0
3,5
32,0
3,0
8,0
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
105
Задание 6.
Пользуясь таблицей 14, провести анализ распределения масс химических элементов в биологическом круговороте засушливой саванны
Таблица 14 - Распределение масс химических элементов в биологическом круговороте засушливой саванны (кг/км2)
Элементы
N
P
K
Ca
Mg
S
Зеленая
часть
4286
357
3157
3422
680
886
Корни
Элементы
2614
268
1868
1928
540
318
Si
Al
Fe
Mn
Na
Cl
Зеленая
часть
2214
246
164
101
279
516
Корни
2021
180
121
107
195
427
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
106
Занятие 11-15. Радиоэкологический фактор в биосфере и основные
геохимические закономерности формирования радиационной обстановки в агропромышленном комплексе при ядерных инцидентах
Опорные знания. Овладение энергией атомного ядра вовлекло в сферу
радиационных контактов практически всю территорию Земли. Радиационные
агенты - один из экологических факторов биосферы. Этот фактор не только
сам непосредственно влияет на биогеохимическую обстановку, но интенсивность его действия в ряде важных радиоэкологических ситуаций (распределение и миграция радионуклидов в агроценозах, процессах метаболизма и
др.) тесно связана с исходной биогеохимической обстановкой.
Источники излучений в биосфере. Повсюду на Земле имеется
естественный (природный) радиационный фон, создающий дозу
естественного (природного) облучения всего живого. Этот фон обусловлен
космическим излучением и излучением радиоактивных атомов –
радионуклидов (нуклид – это атом), которые присутствуют в биосфере.
Космическое излучение, существующее повсюду на поверхности Земли, является вторичным космическим излучением, которое ослаблено земной атмосферой и, являясь относительно постоянной величиной во времени,
даёт ≈ 1/3 естественного фона. С увеличением высоты местности – возрастает, переходя в космосе в первичное космическое излучение
Радионуклиды, присутствующие в биосфере, условно разделяют на две
категории - естественные и искусственные.
К группе естественных радионуклидов принято относить космогенные
и первичные радионуклиды земной коры
Космогенные радионуклиды, т. е. космогенные радиоактивные атомы
принято называть так потому, что они получаются в результате взаимодействия первичного космического излучения с атомами (О, N, Аr) земной атмосферы. Биогенно значимые естественные радионуклиды поступают на Землю из атмосферы (3Н, 14С, 24Na и др., всего около 20 легких элементов). Принято считать, что их количество постоянно, и находятся в равновесии в результате геохимических циклов соответствующих стабильных изотопов.
К группе естественных относят также составляющие компоненту природного радиационного фона радионуклиды с очень длительным периодом
полураспада, содержащиеся в составе Земли как планеты с момента ее образования (первичные). Наиболее важны среди них 40К, тяжелые естественные
радионуклиды трех радиоактивных семейств: 238U, 235U, 232Th, находящихся в
равновесии с продуктами их распада (226Ra, 222Rn, и др., всего около 50 тяжелых элементов). Количество первичных радионуклидов определяется соответствующей геохимической обстановкой данной местности. Например, для
многих районов Северного Кавказа оно превышает соответствующие средние значения вследствие наличия месторождений радиоактивных элементов.
В результате естественных процессов (тектоническая деятельность, изверже-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
107
ние вулканов, землетрясения, выветривание пород, почвообразование и т.д.)
количество первичных радионуклидов в различных местах Земли сильно изменяется, увеличиваясь в некоторых геохимических провинциях в десятки
раз по сравнению со среднемировыми значениями.
Искусственные радионуклиды, т. е. радионуклиды техногенного происхождения составляют группу радионуклидов, образующихся в результате
деятельности человека по использованию ядерной энергии и попавших в
биосферу. К числу наиболее важных источников относятся выделения радионуклидов в процессах атомной промышленности (ядерного топливного
цикла – ЯТЦ, включающего все технологии: от добычи урановых руд, получения и обогащения урана, получения электроэнергии на АЭС и т.д., до захоронения отходов), последствия от испытаний и применения ядерных взрывов, работ по исследованию и применению радиоактивных веществ. В последние годы растет число ядерных технологий, применяемых в различных
отраслях хозяйственной деятельности человека, при этом не исключено поступление радионуклидов в биосферу.
Таким образом, к искусственным радионуклидам относят прежде всего
радиоактивные 1) продукты ядерного деления (ПЯД), возникающие в реакциях деления ядер 235U, 238U, 239Рu и др. Это около 200 радиоактивных элементов середины таблицы Менделеева (от Zn до Тb). Вместе с ними образуются 2) продукты «наведённой» активности, имеющие примерно такой же
состав как и ПЯД, но возникающие в результате реакции взаимодействия
нейтронов с атомами в зоне реакции деления в процессах типа (n,γ). Наименее изучена группа 3) трансурановых элементов (ТУЭ) новых элементов
группы актиноидов (Np, Pu, Am, Cm и др.), обладающих в основном αактивностью, очень высокой радиотоксичностью и, в ряде случаев, большим
периодом полураспада.
Рост химизации сельского хозяйства ведет к увеличению применения
удобрений и мелиорантов с повышенным содержанием естественных радионуклидов. Это связано, в частности, с тем, что некоторые виды горного сырья, используемого при получении минеральных удобрений (в первую очередь фосфорных), обогащены 238U, 232Th и дочерними продуктами их радиоактивного распада.
Очень серьезным источником техногенных радионуклидов для окружающей среды явились крупные радиационные аварии в атомной промышленности и ядерной энергетике - авария на Южном Урале в 1957 г., в Виндскейле (Великобритания) в 1957 г. и на Чернобыльской атомной электростанции в 1986 г. Остаточные количества радионуклидов сохраняются на полигонах, где проводились испытания ядерного оружия, и прилегающих к ним
территориях (в России это Семипалатинский полигон, о. Новая Земля).
Таким образом, биосфера всегда находится под влиянием радиационного экологического фактора, величина которого может изменяться в резуль-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
108
тате самых различных причин природного и антропогенного характера. Человек обязан изучать и контролировать радиационный фактор.
Типичные ситуации радиоактивного загрязнения биосферы. Изучение естественного радиационного фона Земли показало, что большая часть
населения (>90 %) проживает на территориях с естественным радиационным
экологическим фактором без радиационных геохимических аномалий. В связи с этим наибольший практический интерес имеет проблема антропогенного
воздействия на биосферу. Рассмотрим типичные ситуации антропогенного
радиоактивного загрязнения биосферы, характеризующихся специфическими
условиями воздействия на агропромышленное производство:
1) разовое образование очагов загрязнения местности в результате радиационного инцидента (аварии).
Продолжительность радиоактивного выброса в этой ситуации может
быть оценена интервалом времени в несколько дней или недель.
Степень опасности определяется количеством радионуклида и совокупностью условий инцидента, т.е. может быть локальной, региональной или
глобальной.
2) непрерывное локальное загрязнение сельскохозяйственной территории вокруг объектов атомной промышленности и ядерно-энергетических установок, работающих в нормальном (штатном) режиме.
Продолжительность радиоактивного выброса в данной ситуации может
продолжаться годами и даже десятилетиями.
При нормальной эксплуатации предприятий ядерной энергетики загрязнение окружающей территории вокруг АЭС за счет газоаэрозольных выбросов и жидких сбросов настолько незначительно, что его практически
трудно определить как на фоне, обусловленном современными глобальными
радиоактивными выпадениями, так и с учетом вариаций естественного радиационного фона.
В связи с этим отсутствуют какие-либо ограничения в сельскохозяйственном использовании территории вокруг этих объектов, в том числе и в
пределах санитарно-защитных зон (по согласованию с санитарными органами).
Возможное целенаправленное изменение системы агропромышленного
производства вокруг объектов – потенциальных источников радиоактивных
выбросов в основном преследует (или должно преследовать) цель снижения
ущерба в случае крупных радиационных аварий.
3) непрерывное, медленно убывающее во времени радиоактивное загрязнение сельскохозяйственной территории как следствие глобальных выпадений, обусловленных введением в атмосферу продуктов ядерных взрывов. При глобальных радиоактивных выпадениях после ядерных испытаний
происходит повсеместное загрязнение биосферы долгоживущими радионуклидами. В этой ситуации дополнительное облучение охватывает все население земного шара. Улучшение радиационной обстановки в целом происходит
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
109
со временем, при условии прекращений испытаний ядерного оружия, ведущих к выбросу радионуклидов в окружающую среду.
Таким образом, очевидно, что все возможные варианты проявления антропогенного изменения радиационной обстановки по сути сводятся к варианту: 1) разовое образование локальных очагов загрязнения местности в результате радиационной аварии, но, разумеется, с градацией инцидентов по их
интенсивности (мощности). Очевидно, что такое деление в общем соответствует классификации техногенных геохимических аномалий по А.И. Перельману на: 1) локальные; 2) региональные; 3) глобальные.
Таким образом, радиационные инциденты (аварии) представляют наиболее общий сценарий антропогенного воздействия на радиационный экологический фактор биосферы.
Изменение радиоэкологической обстановки при радиационной
аварии. При радиационной аварии с выбросом радиоактивных веществ в окружающую среду и загрязнением биосферы принято выделять несколько
этапов в развитии радиационной ситуации. В этот период выполняются мероприятия по обеспечению радиационной безопасности населения по линии
МЧС и ГО а также проводят мероприятия в сфере агропромышленного производства с целью обеспечения минимального загрязнения продукции и при
необходимости ограничения дозовых нагрузок на сельскохозяйственных животных, которые, в принципе, имеют сходные черты. При выполнении комплекса защитных мероприятий в АПК на загрязненных территориях для
специалистов сельского хозяйства, естественно, предусматривается обеспечение условий работы, отвечающих нормам радиационной безопасности.
В самом неблагоприятном варианте разрушения активной зоны реактора (1986 г, ЧАЭС, глобальная авария) выброшенные радиоактивные вещества
представлены смесью долгоживущих радионуклидов, накопившихся в процессе работы реактора, а также, смесью короткоживущих β- и γ-излучателей
из числа продуктов деления, и α-излучателей из состава непрореагировавшего ядерного топлива). Соответственно выделяют три периода:
1) период «йодной опасности», или ранняя (острая) фаза аварии. В
этот период мощности доз на местности достигают максимальных значений,
а решающую роль в загрязнении растений играет аэральный путь - прямое
осаждение радионуклидов на надземные части. Продолжительность острой
фазы составляет до одного года после выброса. Степень радиоактивного загрязнения растений зависит от времени года, когда произошла авария. Наибольшие концентрации радионуклидов в растениях отмечают в тех случаях,
когда радиоактивные выпадения происходят в весеннее и летнее время (в период вегетации).
В раннюю фазу аварии не исключено лучевое поражение сельскохозяйственных животных, так как поглощенные дозы могут достигать высоких
значений (вплоть до летальных). В острую фазу аварии важная роль принадлежит некоторым короткоживущим биологически значимым радионуклидам
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
110
(особенно радионуклидам I, в первую очередь 131I. Быстрый переход радионуклидов йода в молоко и их последующее накопление в щитовидной железе
как животных, так и человека могут привести к ее радиационному поражению. Поэтому ранняя фаза аварии считается периодом «йодной опасности».
2) Вторую фазу радиационной аварии называют промежуточной, она
охватывает до 2-4 лет после выброса. Для нее характерно снижение мощности дозы облучения, поэтому основную роль в загрязнении растений начинает играть поглощение радионуклидов из почвы. Радиоэкологическая обстановка в агросфере начинает стабилизироваться.
3) период или отдаленная фаза наступает по истечении 4-5 лет после
аварийного загрязнения, когда радиоактивное загрязнение растениеводческой и животноводческой продукции определяется долгоживущими радионуклидами (90Sr и 137Cs). Присутствие в выброшенной в окружающую среду
смеси 90Sr и 137Cs приводит к тому, что радиационная опасность на загрязненных сельскохозяйственных угодьях сохраняется в течение очень длительного времени (десятки лет).
Длительность двух начальных периодов у разных по мнению ряда авторов варьирует, т.к. несколько изменяются сами критерии. Например, первый период ограничивают 2-3 месяцами, т.к. активность 131I за это время падает ≈ 300 раз, второй период - некорневого поступления радионуклидов завершается с концом первого вегетационного периода после загрязнения, т.е.
длится всего около года. Третий период начинается с началом второго вегетационного периода растений после аварии, т.е. через год после аварии.
Таким образом, характер и особенности радиационной обстановки во
времени после однократного загрязнения внешней среды являются основанием для подразделения ситуации на так называемые периоды, например периоды йодной или стронциевой (цезиевой) опасности, или периоды, когда
доминируют поверхностный (аэральный) или почвенный пути загрязнения
продуктов питания. Имеется, однако, при крупных радиационных авариях
совокупность критериев радиационно-гигиенического, природного, социально-экономического и организационного характера, которая делает целесообразным деление аварийной ситуации на два периода с точки зрения осуществления мероприятий по ликвидации ее последствий (табл. 15).
Таким образом, хотя при радиационных авариях возникают различные
ситуации изменения радиационной обстановки, в зоне распространения радионуклидов целесообразно рассматривать меры по ликвидации последствий
аварии последовательно в два периода
Порядок действий при ликвидации последствий радиационной
аварии. В случае крупной радиационной аварии внезапному и интенсивному
загрязнению подвергается окружающая объект (источник аварии)
территория. При ликвидации последствий аварии одной из первых по
важности и очередности задач являются обоснование, организация и
осуществление экстренных защитных мероприятий в целях предупреждения
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
111
облучения населения в дозах, способных вызывать лучевую болезнь (1
период). После этого приступают к решению задач по обеспечению
плановых мероприятий нормализации условий проживания населения и
ведения производства в долгосрочной перспективе (2 период).
Таблица 15 - Основные критерии оценки обстановки и мероприятия при
ликвидации последствий радиационной
Второй период
Критерии
Первый период
Радионуклидный состав
Короткоживущие
дионуклиды
ра- Долгоживущие радионуклиды
Загрязнение сельскохозяйст- Поверхностное (аэраль- Почвенное
венной продукции
ное)
Облучение населения
Острое
Хроническое
Нормативы облучения
Аварийные
Последствия, которые подле- Соматические
жат предупреждению у населения
Методы оценки обстановки
Экспрессные
"Нормы радиационной
безопасности НРБ-99"
(категория лиц Б)
Отдаленные (стохастические)
Детальные
Вид
радиационно- Текущий
гигиенического контроля
Назначение
радиационного Бракераж
контроля в сфере агропромышленного производства
Предупредительный
Оценка дозовых нагрузок на По средним значениям
население
По критической группе
Зонирование территории
Контроль внутреннего облуче- По временным допус- По годовому поступния у населения
тимым концентрациям лению радионуклидов
радионуклидов в продуктах
Экспертиза
По суммарной концен- По критическому ратрации радионуклидов дионуклиду
Мероприятия
Экстренные
Плановые
Условия проживания
С ограничениями
Без ограничений
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
112
Принятие решений
Централизованно (ко- Местными органами
миссия по ликвидации управления
последствий аварии)
Приоритетные вопросы
Радиобиологические
Социально – экономические
Первый период. Внезапность и неожиданность аварийных ситуаций,
непредсказуемость масштабов и интенсивности радиоактивного загрязнения,
быстрота формирования дозовых нагрузок обусловливают необходимость
экстренного изучения радиационной обстановки и определения ее опасности.
Для оценки обстановки, принятия решения и особенно для осуществления
защитных мероприятий требуется определенное время, которое зависит от
масштабов аварии. В идеальном случае это время должно быть меньше, чем
сроки формирования опасных для здоровья дозовых нагрузок. В свою очередь эти сроки зависят как от темпов формирования дозовых нагрузок (от радионуклидного состава выпадений), так и от интенсивности загрязнения. Поэтому в тех случаях, когда времени для оценки обстановки нет или оно резко
ограничено, сам факт радиационной аварии в сочетании с приближенными
оценками ее опасности и распространения служит основанием для проведения таких первоочередных защитных мер, как: укрытие населения в убежища, запрещение потребления молока, йодная профилактика и др.
В сельском хозяйстве такими мерами могут быть: перевод животных на
стойловое содержание и временное прекращение кормления кормами, которые подверглись непосредственному воздушному загрязнению.
Экстренная оценка радиационной обстановки и прогноз динамики её изменения представляет первоочередную задачу органов МЧС и ГО, которые
обязаны иметь соответствующие предварительные планы действия сил и
средств. При наличии в регионе объектов потенциальной радиационной
опасности МЧС и ГО проводит периодические учения с привлечением руководства региона, руководства и специалистов радиационно–опасных предприятий, силовых ведомств и МЧС.
Экстренная оценка радиационной обстановки означает определение
уровней радиации, т.е. мощности доз внешнего γ –излучения на местности,
может быть проведена в короткие сроки при помощи авиационной или автомобильной γ-съемки. Эти данные позволяют оценить дозовые нагрузки на
население в различные интервалы времени.
Большое значение имеет оперативное определение радионуклидного состава выпадений с целью прогнозирования формирования дозовых нагрузок
во времени, а также для установления критических радионуклидов, которые
в данной ситуации создадут максимальные дозы в организме и критических
органах при поступлении радиоактивных веществ человеку с пищей, воздухом и водой. При наличии такой информации необходимо хотя бы по еди-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
113
ничным измерениям установить связь между мощностью дозы внешнего излучения и содержанием критического радионуклида в основных продуктах
питания с тем, чтобы по результатам γ-съемки определить размеры территории, где загрязнение продуктов питания будет превышать установленные на
период аварии допустимые уровни.
Подобные экспресс-методы дают весьма приближенные, но своевременные представления о радиационной обстановке, особенно по внутреннему
облучению, из-за возможной неравномерности загрязнения местности и различий в радионуклидном составе и физико-химическом состоянии выпадений. В связи с этим возникает необходимость организации текущего контроля для непосредственного (непрогностического) определения содержания радиоактивных веществ в различных продуктах питания. Этот контроль осуществляется на территории, размеры которой должны заведомо превышать территорию, определенную по экспрессному прогнозу для определения фактической оценки качества продовольствия в соответствии с установленными
временными допустимыми уровнями (ВДУ) содержания радионуклидов. Неопределенность в характере и масштабах загрязнения территории делает необходимым в таких случаях сразу, по данным сплошного текущего контроля,
принятие решения о пригодности проверенных партий продовольствия (бракераж). Необходимость бракеража продовольствия и кормов по результатам
повсеместного текущего контроля во многом обусловлена отсутствием надежного и своевременного прогноза их загрязнения, а также для предотвращения возможного загрязнения продуктов питания и пищевого сырья радионуклидами в результате аварии.
Конечная цель первого периода ликвидации последствий радиационной
аварии – предупреждение соматических последствий облучения (лучевой
болезни) у населения. Продолжительность этого периода, когда выполняются
мероприятия по предупреждению переоблучения за счет внешнего облучения и облучения щитовидной железы, исчисляется днями или неделями.
Второй период. Достижение конечной цели первого периода не исключает временного проживания населения на загрязненной территории, где
уровни внешнего и внутреннего облучения выше тех значений, которые гарантируют радиационную безопасность для условий длительного проживания населения по существующим нормативам.
Осуществление экстренных мероприятий первого периода не означает
полную ликвидацию последствий аварии, так как необходимо в дальнейшем
выполнять комплекс мероприятий следующего, второго периода.
Задачей второго этапа является создание условий длительного и безопасного проживания населения, т.е. обеспечение перехода от временных
нормативов облучения к нормативам, установленным "Нормами радиационной безопасности НРБ-99" для лиц категории Б, и последующую реализацию
принципа снижения дозы облучения до возможно низкого уровня. В отличие
от экстренных мероприятий первого периода, диктуемых характером ава-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
114
рийной ситуации, мероприятия второго периода являются плановыми. Они
предусматривают (табл.15) уточнение закономерностей поведения радионуклидов в системе почва–человек, составление долгосрочного прогноза радиационной обстановки, оценку эффективности различных мероприятий и рекомендаций, проведение при необходимости дезактивационных и агромелиоративных работ, перепрофилирование агропромышленного производства и т.п.
Возможно также дополнительное отселение людей, эвакуация которых
была нецелесообразной по критериям радиационной безопасности первого
периода, но может быть необходимой по нормативам, установленным для
длительного проживания на загрязненной территории.
Окончательная цель мероприятий по ликвидации последствий аварии
предусматривает, однако, не только снижение дозовых нагрузок до безопасных при длительном проживании уровней, но и создание нормальных условий проживания, трудовой деятельности и отдыха людей, т.е. обеспечение
нормального социально–психологического климата. Для решения этой задачи требуется определенное время, которое зависит от масштабов аварии и
экономических ресурсов. До достижения этой цели население вынуждено
временно (возможно, в течение нескольких лет) проживать на загрязненной
территории в условиях, предусматривающих введение различного рода ограничений, нарушающих привычный образ жизни. К таким ограничениям могут относиться исключение потребления некоторых местных продуктов питания, ограничения в использовании окружающей территории (например, в
рекреационных целях), необходимость проведения постоянного радиометрического и дозиметрического контроля и др. Для предотвращения или снижения неизбежных в этом случае социально-психологических последствий уже
в первый период аварии необходимо определить предел загрязнения для этой
территории, обеспечивающий безопасное и длительное проживание.
Знание типичных радиоэкологических ситуаций позволяет заблаговременно прогнозировать относительную значимость внешнего и внутреннего
облучения населения и планировать на этой основе соответствующие профилактические мероприятия. В то же время реальный вклад этих источников
радиационного воздействия в суммарную дозу может существенно варьировать даже для одного типа радиоэкологической ситуации, например от преимущественно внешнего облучения (при проживании и ведении трудовой
деятельности на загрязненной территории и снабжении населения привозными "чистыми" продуктами) до преобладания внутреннего облучения (при потреблении содержащих радионуклиды продуктов питания за пределами загрязненного региона). Следует учитывать также, что возможности уменьшения внутреннего облучения, обусловленного потреблением загрязненных
продуктов питания, гораздо шире, чем внешнего. Это также может существенно изменять опасность от указанных путей радиационного воздействия.
Значение тех или иных видов облучения при всех прочих равных условиях
будет существенно варьировать от условий проживания, трудовой деятель-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
115
ности и питания населения.
Таким образом, в первом периоде радиационной аварии реализуются мероприятия аварийные, направленные на защиту от лучевой болезни, а во втором – стабилизационные, обеспечивающие долговременное проживание населения.
Проблемы и задачи прогноза радиоэкологической обстановки. При
организации мероприятий, обеспечивающих долговременное проживание на
загрязненной радионуклидами территории (2 период), необходимо иметь
прогноз развития радиоэкологической обстановки. Это предполагает наличие
картографической основы, где представлены, как правило, мощности доз γоблучения и содержание радионуклидов в почвенно-растительном покрове
(плотность загрязнения). Составление таких карт - одна из важнейших задач
радиационного мониторинга окружающей среды в зоне радиационного инцидента (аварии).
Наиболее оперативный и эффективный метод определения масштабов и
характеристики радиоактивного загрязнения биосферы и сельскохозяйственных угодий - γ-съемка, проводимая наземным и воздушным путями. На основании измеренных при γ-съемке мощностей доз γ-излучения и с учетом соотношения различных β- и γ-излучателей в смеси радионуклидов, выпавших на
местности, подсчитывают содержание разных радионуклидов в объектах агропромышленной сферы.
Следующий этап радиационного мониторинга - отбор проб сельскохозяйственных объектов (растения, продукция животноводства и т. п.) и определение содержания в них радионуклидов. При этом используют как спектрометрический метод оценки концентрации радионуклидов, так и более
трудоемкие радиохимические методы. Особое внимание при этом уделяют
определению содержания «критических» радионуклидов, т. е. тех, которые
обусловливают дозу внутреннего облучения, связанную с потреблением агропромышленной продукции, которая концентрирует именно эти «критические» радионуклиды.
При радиационном мониторинге сельскохозяйственных угодий особое
внимание обращают на обследование личных подсобных хозяйств, так как во
многих случаях содержание радионуклидов в сельскохозяйственных продуктах здесь выше, чем в хозяйствах с коллективной формой собственности.
Разновидностью радиоэкологических карт могут быть карты, на которых
указывают уровни загрязнения основных дозообразующих пищевых продуктов (например, молока) или коэффициенты перехода (Кп) наиболее радиологически значимых нуклидов (90Sr, l37Cs) из почвы в сельскохозяйственную
продукцию.
Как известно, переход радионуклидов в сельскохозяйственную продукцию прямо пропорционален плотности загрязнения ими сельскохозяйственных угодий. Поэтому на основании оценки радиационной обстановки во втором периоде выделяют зоны радиоактивного загрязнения на местности в зоне
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
116
радиационного инцидента (аварии) по плотности загрязнения ими сельскохозяйственных угодий.
В основу организации агропромышленного производства на загрязненных угодьях также положен зональный принцип, согласно которому особенности ведения сельского хозяйства и интенсивность защитных мероприятий,
направленных на получение продукции, отвечающей радиологическим стандартам, определяются плотностью радиоактивного загрязнения, исходя из
которой территорию разделяют на зоны с определенным содержанием радионуклидов.
Разделение на зоны по плотности радиоактивного загрязнения предопределяется неодинаковым накоплением биологически значимых радионуклидов в основных сельскохозяйственных продуктах (молоко, мясо, продукция растениеводства и др.). Так, в регионе аварии на Чернобыльской АЭС в
1986 г. в АПК были выделены 4 зоны с различной плотностью загрязнения
по критическому радионуклиду – цезию 137Cs, а в зоне ВУРС (Восточно
Уральский радиационный след) по критическому радионуклиду – стронцию
90
Sr (табл. 16).
Таблица 16 - Зонирование территории радиационной аварии
плотность загрязнения
Наименование зоны, мероприятия
137
90
Cs
Sr
2
1 зона)
никаких ограничений на ведение < 5 Ки/км
< 1 Ки/км2
сельского хозяйства не вводят, зона радиаци- <(185)
<(37) (кБк/м2)
онного контроля – ЗРК
(кБк/м2)
2 зона)
допускается выращивание зерновых 5 – 15 Ки/км2 1 – 2 Ки/км2
и кормовых культур на пахотных землях и ве- (185 – 555) (37
–
74)
2
2
дение молочного и мясного животноводства (кБк/м ),
(кБк/м )
без каких-либо ограничений на естественных
лугах после их перепахивания и высева однои многолетних культур, проживание без ограничения, но объясняется вред радиации, ЗРК
3 зона) допускается возделывание зерновых 15 – 40 Ки/км2 2 –.4 Ки/км2
культур на семена и фураж; ведение свино- (555 –.1480) (74 –
148)
2
2
водства и птицеводства; молочное животно- (кБк/м )
(кБк/м )
водство при условии переработки молока в
масло и мясное животноводство с заключительным откормом на привозном рационе; запрет производства частного сектора и въезда
новых жителей, поощрение отселения, ЗРК.
4 зона)
граница санитарно – защитной зо- >40 Ки/км2
>4 (кБк/м2)
ны: ведение агропромышленного производст- >(1480)
>(148)
2
ва и проживание запрещены; залесение ланд- (кБк/м )
(кБк/м2)
шафта и радиационный контроль – вахтовым
методом.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
117
Несмотря на очевидные преимущества зонального подхода к ведению
АПК на загрязненных угодьях, позволяющего применять дифференцированную систему функционирования различных отраслей сельского хозяйства,
минимизирующую концентрацию радионуклидов в сельскохозяйственной
продукции и рационе питания человека, он обладает существенным недостатком, который обусловлен следующими обстоятельствами.
Как известно, переход радионуклидов в сельскохозяйственную продукцию прямо пропорционален плотности загрязнения ими сельскохозяйственных угодий. Кроме того, этот переход также существенно зависит от общих
условий геохимической миграции радионуклидов, наличия и свойств геохимических барьеров природной среды, прежде всего типа почвы. Поэтому если загрязнение охватывает регион, где имеются разные условия для миграции радионуклидов, то при одном и том же уровне содержания радионуклидов в агроценозе, их концентрация в одном и том же виде сельскохозяйственной продукции может существенно различаться. Поступление радионуклидов в организм человека с сельскохозяйственной продукцией в различных
радиоэкологических ситуациях играет существенную роль в формировании
суммарной поглощенной дозы у человека. Поэтому в данном случае дозовый
фактор также будет различным в зависимости от интенсивности миграции
радионуклида, хотя плотность загрязнения будет одинаковой.
В этой связи более корректным было бы зонирование загрязненных территорий биосферы (сельскохозяйственных угодий) по дозовому принципу,
т.е. по дозам внутреннего (или общего, суммарного) облучения населения.
Однако с практической точки зрения, особенно в первый аварийный период
загрязнения окружающей среды, внедрение этого принципа затруднительно.
Реализация перехода на дозовый подход к ведению АПК возможна на
более поздних этапах второго периода после сбора и анализа радиоэкологической информации по параметрам миграции критических радионуклидов по
сельскохозяйственным цепочкам, структуре рациона населения, инфраструктуре АПК и т. д. Различия в интенсивности дополнительных дозовых нагрузок на население за счет внутреннего облучения в зоне радиационной аварии
определяются:
-природно-климатическими условиями регионов,
-системой ведения агропромышленного производства,
-сложившимися особенностями использования окружающей территории
-национальными привычками в питании.
Таким образом, радиационно-гигиенические принципы и методы оценки
и прогнозирования радиационной обстановки, нормирования облучения и
организации радиационного контроля на загрязненных территориях основаны на применении «зонального принципа» по величине плотности критического радионуклида (цезий, стронций) и должны рассматриваться применительно к конкретным радиоэкологическим ситуациям.
Перспективы применения геохимического метода при прогнозиро-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
118
вании радиоэкологической обстановки. Значимость основных видов радиационного воздействия на население, таких, как внутреннее облучение при
поступлении радионуклидов в организм с вдыхаемым воздухом, пищевыми
продуктами и водой и внешнее облучение, можно оценить путем сопоставления данных радиационной обстановки и загрязнения продуктов питания с соответствующими нормативами. Такое сравнение для ситуации с непрерывным выбросом в атмосферу ряда наиболее важных радионуклидов показывает, что вклад в облучение человека за счет ингаляционного поступления составляет не более 1-2 % для 1311 и 95Zr, 3 % - для 144Се, 7 % - для 90Sr и 0,1 % для 137Cs.
Ингаляционный путь поступления указанных радионуклидов в организм
человека несуществен по сравнению с пищевым. При выбросе короткоживущего 1311 радиационная опасность практически полностью обусловлена поступлением его с рационом, а роль других путей облучения от этого радионуклида очень мала. Такие радионуклиды, как 144Се и 106Ru, прочно закрепляются в почвенном поглощающем комплексе и практически не поступают в
растения из почвы. Загрязнение этими радионуклидами растений и далее
других звеньев пищевой цепи возможно лишь в результате ветрового подъема пыли с почвенного покрова и ее осаждения на поверхности растений. Роль
внешнего облучения населения для 137Cs возрастает со временем в результате
накопления этого радионуклида при непрерывных выпадениях. При однократном выпадении 137Cs на следующий вегетационный период загрязнение
рациона человека будет обусловлено в основном почвенным поступлением
радионуклида, что приведет примерно к 4-кратному снижению его содержания в рационе и увеличению роли внешнего γ – облучения.
Анализ возможных ситуаций по ведущим радиационным факторам показывает, что пищевое поступление радионуклидов при радиоактивных выбросах во внешнюю среду важно практически для любых радионуклидов или их
смесей.
В некоторых ситуациях продукция растениеводства и животноводства
может стать основным источником дополнительного (искусственного) облучения человека в зоне радиационной аварии. Например, при доминирующем
значении "молочной цепочки" при питании в случае поступления 1311 и других радиоизотопов йода во внешнюю среду возможно переоблучение населения, особенно детского контингента, из-за накопления радиойода в щитовидной железе. Аналогичная радиоэкологическая ситуация возможна и для
других трофических цепочек всех радионуклидов. Поэтому прогнозирование
миграции радионуклидов имеет особую важность при планировании всех мероприятий второго периода. Особую важность имеет учет общих условий
геохимической миграции радионуклидов, наличия и свойства геохимических
барьеров природной среды, прежде всего типы почвы
Миграция радионуклидов в биосфере, особенно в агропромышленном
комплексе, представляет процессы передвижения радионуклидов по при-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
119
родным, сельскохозяйственным и пищевым (трофическим) цепочкам в биосфере и в сфере агропромышленного производства к растениям, животным и,
наконец, к человеку. Миграция радионуклидов – это многозвенный процесс,
причем описывающие его количественные характеристики весьма динамичны и переменны во времени и в пространстве, что зависит от влияния большого числа факторов различной природы (биогеохимические, производственно-хозяйственные и др.).
Необходимость описания совокупности процессов миграции радионуклидов в сельскохозяйственной сфере обусловила широкое применение системного подхода в проведении радиоэкологических исследований переноса
радионуклидов с помощью моделей транспорта радионуклидов в агроценозах. Одна из конечных задач применения таких моделей — прогнозирование
содержания радионуклидов в конкретном блоке агроценоза (в практическом
отношении наибольшее значение имеют блоки, характеризующие конечную
сельскохозяйственную продукцию — молоко, мясо, продукты растениеводства и т. п.). Пример такой модели, которая используется Научным комитетом ООН по действию атомной радиации для описания переноса радионуклидов по наиболее важным пищевым цепям от радиоактивных выпадений до
организма человека, показан на рисунке 2.
Рисунок 2 - Блочная модель транспорта радионуклидов в
окружающей среде
С учетом зависимости отдельных блоков миграции радионуклидов в агросфере и специфических особенностей их передвижения по отдельным
сельскохозяйственным цепочкам можно выделить 6 групп такого рода моделей: 1) модели миграции радионуклидов в почвах; 2) модели аэрального радиоактивного загрязнения посевов сельскохозяйственных растений; 3) модели миграции радионуклидов в системе почва — растение; 4) модели миграции радионуклидов в организме сельскохозяйственных животных; 5) модели
миграции радионуклидов по пищевым цепям; 6) модели миграции радионуклидов в агросфере (в локальном, региональном и глобальном масштабах).
Особый интерес представляют такие радиоэкологические ситуации, ко-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
120
гда под влиянием ряда факторов миграция радионуклидов по сельскохозяйственным цепочкам осуществляется с повышенной интенсивностью. Причинами такого ускоренного перемещения радионуклидов могут быть сравнительно высокая их подвижность в отдельных звеньях круговорота; своеобразные биогеохимические условия, способствующие ускорению переноса радионуклидов; отдельные технологические процессы в АПК, ведущие к увеличению накопления радионуклидов в конечных пищевых продуктах, и т. п.
Во всех этих случаях принято говорить о существовании «горячих» радиоэкологических районов, «горячих» сельскохозяйственных цепочек и т. п. Их
наличие имеет важное значение при радиационном мониторинге агросферы,
например при выборе площадок для АЭС и других предприятий полного
ядерного топливного цикла.
Своеобразные биогеохимические условия почвенно-растительного покрова того или иного региона могут в некоторых случаях обеспечить там более интенсивную миграцию радионуклидов по сельскохозяйственным цепочкам, чем на смежных территориях. Такие регионы получили название биогеохимических аномалий (хотя, строго говоря, чего-либо необычного в процессах миграции радионуклидов в этих районах нет, так как поведение радионуклидов подчинено общим биогеохимическим закономерностям, выделяется лишь очень высокое «аномальное» накопление радионуклидов в отдельных звеньях сельскохозяйственных цепочек по сравнению с аналогичными параметрами миграции в смежных ландшафтах).
Примером такой аномалии являются районы украинского и белорусского полесий (а также аналогичные территории в ряде регионов России - полесья Брянской, Рязанской, Владимирской и других областей). Распространение в этих регионах малоплодородных дерново-подзолистых и торфяных
почв легкого (песчаного и супесчаного) гранулометрического состава, подвижность 90Sr и '37Cs в которых заметно выше, чем в более тяжелых почвах,
обогащенных гумусом, кальцием и другими обменными основаниями и характеризующихся более высокими значениями рН, приводит к тому, что интенсивность миграции 90Sr и f37Cs в системе почва - растение в этих районах
значительно выше, чем в примыкающих к ним.
Как радиологически «горячие» ландшафты можно рассматривать лугопастбищные угодья. Своеобразие накопления радионуклидов луговой растительностью определяется наличием на лугах дернинного слоя, состоящего из
полуразложившихся остатков растений и собственно почвы. В этом специфическом депо радионуклиды, поступившие на луговые угодья после радиоактивных выпадений, задерживаются на длительное время, оставаясь повышенно доступными для растений (так, доступность для растений 90Sr и 137Cs
на лугах в 2... 10 раз выше, чем на пахотных землях). Поступление 137Cs в
растения зависит от вида луговых угодий и типа почв на них. Наиболее неблагоприятная радиоэкологическая ситуация сложилась на болотных лугах,
где даже коренное улучшение (мелиорация) не обеспечивает получение мо-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
121
лока, отвечающего радиологическим стандартам [временно допустимый уровень (ВДУ) 137Cs в молоке равен 370Бк/л]. Рыхление дернинного слоя и перевод естественных пастбищ в искусственные высокопродуктивные с сеяными
травами сильно снижают накопление радионуклидов луговыми растениями и
в результате ограничивают переход радиоактивных веществ в молоко и другие продукты животноводства.
Миграция радионуклидов в системе оросительная вода - почва - растение усиливается в условиях орошаемого земледелия. Особенно интенсивно
ускорение перехода радионуклидов в растения происходит при дождевании,
хотя и при поливе по бороздам, напуском, по чекам и т. п. также имеет место
повышение поступления радионуклидов в растения относительно богарных
условий. При дождевании радионуклиды поступают непосредственно в надземные части растений, минуя почвенное звено круговорота, т. е. исключается сорбция радионуклидов твердой фазой почвы. Особенно значим этот путь
миграции для радионуклидов, которые сравнительно инертны при почвенном
пути поступления в растения. Так, если для относительно более подвижного
в системе почва - растение 90Sr накопление в зерне озимой пшеницы при поливе дождеванием в 17...83 раза выше, чем при богарных условиях, то для
менее мобильного 137Cs это увеличение может достигать 700... 1400 раз. Более сильное накопление растениями в условиях дождевания, чем при богарном земледелии, показано для большого числа искусственных радионуклидов (продуктов деления, нуклидов с наведенной активностью), а также для
тяжелых естественных радионуклидов.
Таким образом, только при радиационных авариях возникают
последовательно и во всей полноте и многообразии радиационногигиенические проблемы, обусловленные практическим решением вопросов
ликвидации последствий радиоактивного загрязнения территории. Эти
проблемы непосредственно связаны с вопросами сельскохозяйственного
производства в условиях радиоактивного загрязнения как в ближайший, так и
в отдаленный периоды. Принятый сейчас метод зонирования территории по
плотности загрязнения критическим радионуклидом при прогнозировании
целесообразно дополнять использованием биогеохимических принципов.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
122
ОЦЕНОЧНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ
УСПЕВАЕМОСТИ, ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ ПО
ИТОГАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ И
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ
Раздел (модуль) 1. Введение
А) Темы для реферата:
- Перспективы развития геохимии.
- Взаимосвязь геохимии с другими науками.
- Практическое значение геохимии.
- Краткие сведения из истории геохимии.
Б) Вопросы для подготовки к устному опросу:
1. Сущность и научное новаторство идей В.И. Вернадского о живом веществе
2. Соотношение геохимии и биогеохимией, биологией и почвоведением?
3. Основные этапы развития научных взглядов на цикличность миграции вещества
под воздействием проявлений жизни.
4. В каких отраслях народного хозяйства используются результаты биогеохимических исследований?
Раздел (модуль) 2. Химические элементы в биосфере
А) Тестовые задания для подготовки к тестированию:
1. Введите правильный ответ:
### - это система различных относительно устойчивых химических равновесий элементов
2. Введите правильный ответ:
Состояние рассеяния, как форма нахождения химических элементов, было предложено
русским ученым ###
3. Введите правильный ответ:
В.А. Алексеенко выделил форму нахождения химических элементов в виде ###, не
имеющих природных аналогов
4. Установите соответствие между понятием и его содержанием:
1. Кристаллические минералы Существует определенная упорядоченность в расположении
структурных единиц, но только близлежащих, а периодичность повторения является нарушенной
2. Аморфные минералы
Нарушена упорядоченность в расположении близлежащих
структурных единиц, а периодичность повторения не является нарушенной
Однородные, анизотропные, «бесконечные постройки» в которых структурные единицы занимают строго определенные,
геометрически закономерные места в пространстве
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
123
5. Установите соответствие между химическими элементами и количеством образуемых ими минералов:
1. Кислород
Более 500
2. Кремний
Более 1000
Свыше 1500
6. Установите соответствие между химическими элементами и количеством образуемых ими минералов:
1. Водород
Несколько
2. Рубидий
Более 1000
Свыше 1500
7. Выберите правильный ответ:
Первый принцип кристаллохимии был сформулирован ### в 1932 году
- А.И. Перельманом
- В.М. Гольдшмидтом
- В.М. Вернадским
- В.А. Алексеенко
8. Выберите правильный ответ:
Второй принцип кристаллохимии был сформулирован ### в 1933 году
- А.И. Перельманом
- А.Ф. Капустинским
- В.М. Вернадским
- В.А. Алексеенко
9. Выберите правильный ответ:
Метод расчета энергии кристаллических решеток с позиций энергетических коэффициентов был предложен ###
- А.И. Перельманом
- А.Е. Ферсманом
- В.М. Вернадским
- В.А. Алексеенко
10. Выберите правильный ответ:
Первый принцип кристаллохимии гласит: структура кристаллической решетки определяется числом ее структурных единиц, их размерами и ###
- валентностью
- радиусом ионов
- диэлектрической проницаемостью
- поляризационными свойствами
Раздел (модуль) 3. Распространенность химических элементов
А) Тестовые задания для подготовки к тестированию
1. Выберите правильный ответ:
Особым преобладанием в земной коре отличаются элементы, атомная масса которых
кратна:
- двум
- четырем
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
124
- шести
- восьми
2. Введите правильный ответ:
Ведущим химическим элементом земной коры является ###
3. Введите правильный ответ:
### кларки представляют собой средние содержания химических элементов в земной
коре определенных регионов
4. Выберите правильный ответ:
отношение местного кларка химического элемента к кларку земной коры этого же элемента называется ###
- кларк концентрации
- объемный кларк
- атомный кларк
- массовый кларк
5. Установите соответствие между группой и элементами, принадлежащими этой
группе:
1. Избыточные
O, Al, Ba
2. Недостаточные
Li, Be, Bo
He, Ar, Fe, Si
6. Выберите правильные ответы:
На стадии мезокристаллизации в горных породах увеличивается содержание:
- MgO
- SiO2
- FeO
- CaO
7. Выберите правильный ответ:
Кларковые содержания химических элементов в почвах представляют собой усредненные значения кларков этих же элементов в ###
- горных породах
- грунтовых водах
- живом веществе
- атмосфере
8. Введите правильный ответ:
отношение кларковых содержаний элементов в Океане и земной коре называют ###
Раздел (модуль) 4. Миграция химических элементов в биосфере
А) Тестовые задания для подготовки к тестированию
1. Введите правильный ответ:
Химические элементы в биосфере находятся в состоянии движения, которое называют
###
2. Введите правильный ответ:
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
125
Космическая лучистая энергия, попадающая на Землю, представлена в виде ###
3. Введите правильный ответ:
Расслоение Земли на оболочки обусловлено проявлением ###
4. Установите последовательность стадий геохимического цикла:
- кристаллизация
- седиментация
- диагенез
- выветривание)
5. Установите последовательность стадий геохимического цикла:
- выветривание
- диагенез
- ранний эпигенез
- седиментация
5. Установите последовательность стадий геохимического цикла:
- ранний эпигенез
- проникновение глубинных магм
- кристаллизация)
- метаморфизм
7. Выберите правильный ответ:
Масса движущихся веществ, участвующая в биогеохимическом цикле и не связанная с
организмами, называется
- обменный фонд
- разменный фонд
- резервный фонд
- статичный фонд
8. Выберите правильный ответ:
Часть биогеохимического цикла, представляющая собой обмен веществом между организмами и их окружением, называется
- резервный фонд
- разменный фонд
- обменный фонд
- статичный фонд
9. Выберите правильные ответы:
В биогеохимических циклах выделяют следующие части:
- обменный фонд
- разменный фонд
- резервный фонд
- статичный фонд
10. Установите соответствие между группами и входящими в них элементами:
1. Дефицитные
O, N, P
2. Избыточные
Cl, S
Ca, Mg, Cl
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
126
Раздел (модуль) 5. Геохимические барьеры
А) Вопросы для подготовки к коллоквиуму:
1. Какие известны восстановительные геохимические барьеры.
2. Приведите примеры сероводородных геохимических барьеров.
3. Примеры кислородных геохимических барьеров
4. Для каких форм нахождения наиболее развиты геохимические барьеры в водных
потоках.
5. Для каких форм нахождения наиболее развиты геохимические барьеры в воздушных потоках.
6. Что такое биогеохимические барьеры
7. Классификации геохимических барьеров
Б) Темы для подготовки реферата:
1. Формирование новых геохимических барьеров в результате деятельности человека.
2. Роль техногенеза в накоплении тяжелых металлов в организме человека.
3. Формирование техногенных аномалий.
4. Формирование агрогенных аномалий.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
127
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К КУРСУ
«ГЕОХИМИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ»
1.
Дайте определение понятия «биосфера».
2.
Каковы соотношения биогеохимии с геохимией, биологией и
почвоведением?
3.
Охарактеризуйте основные этапы развития научных взглядов на
цикличность миграции вещества под воздействием проявлений жизни.
4.
В каких отраслях народного хозяйства используются результаты
биогеохимических исследований?
5.
Какие существуют виды расчета состава живых организмов?
6.
Укажите главные особенности состава живого вещества Земли.
Какие группы организмов определяют основные черты состава живого вещества планеты?
7.
Кем предложен и как определяется биологический параметр, характеризующий интенсивность биологического поглощения элементов?
8.
Какие зольные элементы наиболее активно вовлекаются в биологический круговорот и какие являются наиболее инертными?
9.
Каковы принципиальные различия главных и рассеянных элементов в земной коре?
10. Изложите представления В.И. Вернадского о рассеянии химических элементов и формах их нахождения.
11. Перечислите распространенные формы нахождения элементов в
земной коре.
12. Дайте определение геохимических параметров «кларк» и «кларк
концентрации» применительно к земной коре.
13. Приведите примеры геохимической неоднородности земной коры
как главного компонента состава окружающей среды.
14. Какие группы организмов в настоящее время выделяют большую
часть кислорода?
15. В каких формах находится кислород, выделенный фотосинтезирующими организмами за всю геологическую историю?
16. Каково происхождение первичной газовой оболочки Земли и какой химический состав она могла иметь?
17. Как изменялся состав Мирового океана под влиянием биогеохимической деятельности организмов на протяжении геологической истории?
18. Каково соотношение масс элементов, мигрирующих в растворимой форме и в составе взвесей в речных водах в настоящее время.
19. Как группируются (классифицируются) химические элементы по
значениям коэффициента водной миграции Полынова-Перельмана.
20. Почему ионная концепция недостаточна для объяснения закономерностей водной миграции химических элементов?
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
128
21. Дайте оценку почвам как глобальному биогеохимическому
фильтру газов, выделяемых в атмосферу.
22. Рассмотрите внутрипочвенные биогеохимические циклы газов,
осуществляющиеся бактериальными системами.
23. Какова общая направленность биогеохимической трансформации
минерального вещества почвы?
24. Назовите главные закономерности перераспределения тяжелых
металлов при биогеохимической трансформации минерального вещества
почвы.
25. Какие две противоположно направленные функции выполняет
гумус почвы по отношению к рассеянным металлам?
26. Каков механизм фиксации избыточных масс тяжелых металлов и
близких им поливалентных элементов в почвах?
27. Рассмотрите роль бактерий в процессах аккумуляции тяжелых
металлов.
28. Почему большую часть циклических процессов массообмена,
протекающих в биосфере, можно рассматривать как биогеохимические?
29. Дайте определение геохимическому круговороту.
30. Каковы основные параметры биологического круговорота?
31. Сформулируйте закон биологического круговорота.
32. Какие виды миграции Вы знаете? В чем их сущность?
33. Перечислите типы миграции.
34. Охарактеризуйте механическую миграцию.
35. Дайте определение биогеохимической миграции.
36. Что такое геохимический барьер?
37. Какими показателями характеризуются геохимические барьеры.
38. Классифицируйте геохимические барьеры.
39. В чем сущность правила торможения химических реакций. Кем
оно было сформулировано?
40. Какова роль техногенных барьеров для веществ, переносимых в
водных потоках.
41. Какие вещества переносятся в воздушных потоках и каков роль
барьеров в их накоплении.
42. Приведите примеры окислительных геохимических барьеров.
43. Приведите примеры восстановительных геохимических барьеров.
44. В чем сущность кислотных и щелочных барьеров. Приведите
примеры.
45. Дайте характеристику сорбционным геохимическим барьерам.
Приведите примеры.
46. Приведите примеры испарительных геохимических барьеров
природных и техногенных.
47. Что такое термодинамические геохимические барьеры.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
129
48. Каковы основные принципы концентрации химических элементов на биогеохимических барьерах.
49. В чем особенности социальных барьеров. Каковы их сходства с
природными.
50. Что такое барьерные и безбарьерные организмы.
51. В чем различие между базипетальными и акропетальными растениями?
52. Какова роль ландшафтно-геохимических условий в накоплении
живыми организмами химических элементов?
53. Каковы принципы классификации геохимических ландшафтов?
54. Дайте определение элементарному и геохимическому ландшафту.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
130
ГЛОССАРИЙ
Атмосфера – газовая оболочка, состоящая в основном из азота и
кислорода с примесями водяных паров, углекислого, редких и благородных
газов.
Гидросфера – водная оболочка, состоящая из природных вод.
Земная кора – неоднородная по агрегатному состоянию и составу
верхняя оболочка Земли, включающая литосферу, гидросферу, атмосферу.
Мантия – оболочка Земли, располагающаяся между земной корой и
ядром.
Биосфера – особая оболочка Земли, в которой существуют живые организмы.
Выветривание – процесс приспособления к условиям биосферы минералов и горных пород, образовавшихся в глубинных условиях.
Седиментация – образование всех видов осадков (осадкообразование)
в результате совокупного воздействия физических, химических и биологических процессов, происходящих в биосфере.
Эпигинез – процессы, происходящие в сформировавшейся горной породе.
Диагенез – процесс превращения осадков в горные породы.
Метаморфизм – совокупность процессов изменения горных пород за
пределами зон выветривания (в более глубинных зонах).
Минерал – физически или химически индивидуальный продукт земных химических реакций, состоящий из химических молекул.
Горные породы – плотные или рыхлые агрегаты, слагающие земную
кору.
Магматические горные породы – породы, образовавшиеся из магмы
в результате ее охлаждения и затвердевания.
Осадочные горные породы – образуются на поверхности земной коры
в результате следующих основных процессов: химического и механического
выпадения осадков из вод; жизнедеятельности растительных и животных организмов; переотложения продуктов выветривания.
Метаморфические горные породы – это породы, претерпевшие изменения под воздействием процессов метаморфизма.
Коры выветривания – это рыхлые продукты изменения горных пород, образующиеся под почвой за счет поступающих из нее растворов.
Полезное ископаемое – природное вещество, пригодное для использования в хозяйственной деятельности. Выделяют рудные, неметаллические,
горючие, гидроминеральные.
Геохимические индикаторы – химические элементы (их соединения),
по изменениям особенностей распределения которых в различных геохимических объектах ведутся поиски месторождений полезных ископаемых.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
131
Кларковое содержание (кларк) – среднее содержание химического
элемента в земной коре, какой-либо ее части или Земле в целом.
Кристаллическая (пространственная решетка) – закономерная
совокупность узлов, представленных
атомами, ионами, молекулами,
заполняющими
пространство.
Схематически
отражает
реальные
кристаллические структуры.
Атомные и ионные радиусы – выражают размеры радиусов несколько
идеализированных шаровидных атомов и ионов.
Координационное число – характеризует количество ионов,
непосредственно взаимодействующих с данным ионом в кристаллической
решетке.
Атомный объем элемента – частное от деления относительной атомной массы элемента на его плотность (объем, занимаемый 1 молем элемента
твердом состоянии).
Глеевая обстановка – восстановительная бессероводородная обстановка.
Сероводородная восстановительная обстановка – обстановка, обусловленная присутствием серовдорода или других соединений серы и характерным запахом сероводорода.
Окислительная кислородная обстановка – характеризуется присутствием свободного кислорода.
Диффузионная миграция химических элементов – перемещение
частиц (коллоидов, молекул, атомов, ионов) в направлении убывания их
концентрации.
Инфильтрационная миграция химических элементов – преобладающий способ перемещения растворенных веществ в литосфере.
Механическая денудация – отношение годового расхода взвешенных
частиц в створе реки (т) к площади бассейна (км2).
Химическая денудация – отношение годового расхода растворенных
веществ в определенном створе реки (т) к площади бассейна (км2).
Коэффициент водной миграции – используется для определения интенсивности миграции химических элементов в водных растворах.
Геохимическое сопряжение – закономерное для каждого геохимического ландшафта сочетание образующих его элементарных ландшафтов.
Местный ландшафт – совокупность элементарных ландшафтов, свойственных определенной геоморфологической структуре.
Площадь выявления ландшафта – наименьшая площадь, на которой
представлены все части данного ландшафта.
Мощность ландшафта – расстояние от зоны распространения земной
пыли в тропосфере до горизонта грунтовых вод.
Окружающая среда – совокупность природных и природноантропогенных тел, явлений и факторов, прямо или косвенно влияющих на
условия жизни человека и связанных с ним вещественным и энергетическим
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
132
обменом.
Природные ландшафты – территории, геолого-географические и биологические особенности которых определяются естественными биосферными процессами, антропогенные изменения в которых существующими методами исследования достоверно не фиксируются.
Агроландшафты – антропогенные ландшафты, у которых естественная растительность заменена каким-либо биотическим сообществом или отдельным видом сельскохозяйственного или лесохозяйственного значения.
Урболандшафты (урбосистемы) – территория, основные особенности
строения и свойства которой определяются наличием в ее пределах
человеческих поселений, прежде всего городов.
Загрязняющие вещества (поллютанты) – материальные носители загрязнения – связаны с наличием источников загрязнения.
Средства химизации – вещества, преднамеренно вносимые в окружающую среду с целью увеличения эффективности того ли иного вида производственной деятельности.
Отходы – неутилизируемая в данный момент и возвращаемая в окружающую среду часть используемых и перерабатываемых человеком материалов.
Складируемые отходы (жидкие и твердые) – часть отходов, которая
собирается с целью захоронения на свалках или депонирования на полигонах
– накопителях для последующей утилизации.
Стоки – часть жидких отходов, которые рассеиваются в окружающей
среде.
Выбросы – часть отходов, рассеиваемая в атмосфере.
Техногенез – процесс перемещения (перераспределения) и
концентрации химических элементов (их соединений), происходящих в
результате технической (технологической) деятельности людей.
Потенциал самоочищения – способность определенного ландшафта
без самоуничтожения разлагать отбросы и отходы, устранять их вредное
воздействие на жизнь.
Нагрузка рекреационная – степень влияния людей (их транспортных
средств и строительства) на природные (биогенные) ландшафты или
рекреационные объекты. Выражается числом людей (человеко-дней) на
единицу площади за определенный промежуток времени.
Эрозия антропогенная (техногенная) – ускоренное разрушение
почвы и подстилающих ее горных пород водами и ветром в результате
хозяйственной деятельности, проводимой без учета конкретной ландшафтногеохимической обстановки.
Мелиорация – значительное изменение природной среды с
намерением ее улучшения для ведения хозяйственной деятельности и жизни
людей.
Террасирование склонов – создание искусственным путем
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
133
определенных уступов на склонах. Проводится для обеспечения
устойчивости склонов, а также более благоприятных условий для
выращивания сельскохозяйственных, лесных, луговых и т.п. культур.
Террикон – конусообразный отвал из горных пород, извлекаемых при
проходке шахт, или отходов обогащения угля (руд).
Организм-индикатор – организм, обладающий очень узкими
пределами экологической приспосабливаемости на определенные изменения
в среде своего обитания.
Мониторинг- слежение за какими-либо объектами или явлениями.
Тяжелые металлы – металлы, имеющие плотность свыше 8000 кг/м3.
К ним относятся около 20 металлов. Их антропогенное поступление в
биосферу в подавляющем большинстве случаев приводит к отравлению
живых организмов, включая человека.
Технофильность – отношение годовой добычи элемента к его кларку в
земной коре.
Показатель относительного использования химических элементов
– показатель, представляющий собой отношение количества элемента (в
тоннах), завозимого в любой форме нахождения в определенный регион
(страну, область, город) в течение года, к его местному кларку (фоновому
содержанию).
Показатель относительного техногенного накопления химических
элементов – показатель, представляющий собой отношение количества
элемента (в тоннах), накопившегося в ландшафте или его определенной
части в результате техногенеза, к кларку (местному фоновому значению).
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
134
ЛИТЕРАТУРА
1.
ЭБС «Университетская библиотека ONLINE» Алексеенко В. А.
Геоботанические исследования для решения ряда экологических задач и поисков месторождений полезных ископаемых. Учебное пособие
М.: Логос, 2011. -243 с.
2.
ЭБС «Университетская библиотека ONLINE» Химия агросферы :
учебное пособие / М. В. Тютюнькова, С. Л. Белопухов, Н. К. Сюняев,
К. Л. Анфилов. - М.: РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, 2012. - 232 с.
3.
Хаханина, Т.И. Химия окружающей среды : учебник для бакалавров [учеб. пособие для студентов вузов по специальностям: 656600 "Защита окружающей среды" (специалист), 280300 "Техносферная безопасность" (специалист), 280201 (320700) "Охрана окружающей среды и рацион.
использование природных ресурсов (специалист), 280200 (553500) "Защита
окружающей среды" (бакалавр)] / Т. И. Хаханина, Н. Г. Никитина, Л. С. Суханова ; под ред. Т. И. Хаханиной ; Нац. исслед. ун-т МИЭТ. - 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Юрайт, 2013. - 215 с. - (Бакалавр. Базовый курс. Гр. УМО).
4.
ЭБС Университетская библиотека ONLINE Ферсман А. Е.
Геохимия России. Выпуск 1 / А. Е. Ферсман. - Петроград: Научное химикотехническое издательство, 1922. - 229 с
5.
Алексеенко В.А. Экологическая геохимия : Учебник. –М.: Логос,
2000. -627 с.
6.
Добровольский, В. В. Основы биогеохимии : учебник для вузов
/ В. В. Добровольский. - М. : Академия, 2003. - 400 с. - (Высшее образование.
Гр.).
7.
Безуглова, О. С.
Биогеохимия : учебник для вузов по
направлениям: "Почвоведение", "Биология", "География", "Агроэкономика",
"Агрохимия и агропочвоведение" / О. С. Безуглова, Д. С. Орлов. - Ростов н/Д.
: Феникс, 2000. - 320 с. - (Учебники, учебные пособия. Гр.)
8.
Ивашов, П.В. География, минералогия и геохимия почв
восточного участка зоны БАМ : моногр. / Институт водных и экологических
проблем. - Владивосток : Дальнаука, 2004. – 150 с.
9.
Ивашов П.В. Ландшафтно-геохимические исследования на
базальтовых массивах / РАН Институт водных и экологических проблем. Владивосток: Дальнаука, 2003. – 400 с (Гр).
10. Ковда, В. А. Биогеохимия почвенного покрова / В. А. Ковда ;
отв. ред. С. В. Зонн ; АН СССР ; Институт почвоведения и фотосинтеза. - М. :
Наука, 1985. - 264 с.
11. Чертко Н.К. Геохимия: учеб. пособие /Н.К. Чертко. Мн.: БГУ,
2008. -170 с.
Документ
Категория
Физико-математические науки
Просмотров
513
Размер файла
1 038 Кб
Теги
1597, среды, окружающий, геохимия
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа