- •Федеральное агентство по образованию
- •2 История развития гос
- •2.1 Предпосылки возникновения геохимии окружающей среды
- •2.2 Развитие геохимии окружающей среды
- •3 Связь с другими науками
- •Лекция № 2 Тема: ландшафтно-геохимические системы
- •1 Элементарные ландшафтно-геохимические системы (элементарные ландшафты)
- •2 Каскадные ландшафтно-геохимические системы
- •Лекция № 3 Тема: распределение химических элементов в земной коре
- •1 Понятие о кларке вещества
- •2 Закон Кларка-Вернадского
- •3 Распределения химических элементов в земной коре
- •Лекция № 4 Тема: миграция вещества
- •1 Закон Гольдшмидта. Внутренние и внешние факторы миграции
- •2 Виды миграции химических элементов.
- •3Типоморфные (ведущие) элементы, принцип подвижных компонентов
- •Лекция № 5 Тема: миграция вещества
- •1 Параметры миграции
- •2 Геохимические барьеры
- •3 Ореолы рассеяния
- •Лекция № 6 Тема: Распределение химических элементов в биосфере
- •1 Кларки живого вещества
- •2 Биогеохимические коэффициенты
- •3 Химический элементный состав организмов
- •Лекция № 7 Тема: Биогенная миграция
- •1 Геохимическая роль живого вещества
- •2 Биологический круговорот атомов
- •3 Количество живого вещества
- •Лекция № 8 Тема: Классификация биогенных ландшафтов
- •1 Классификация биогенных ландшафтов
- •Лекция № 9 Тема: Геохимия почв
- •1 Отличие элювиальных почв от коры выветривания
- •2 Геохимическая структура почв
- •Лекция № 10 Тема: геохимия атмосферы
- •1 Газовый состав атмосферы
- •2 Загрязнение атмосферы
- •Лекция № 11 Тема: геохимия гидросферы
- •1 Химический состав воды зоны гипергенеза. Интенсивность водной миграции химических элементов
- •2 Формирование химического состава поверхностных и грунтовых вод
- •3 Окислительно-восстановительные условия вод
- •4 Щелочно-кислотные условия вод
- •Лекция № 12 Тема: техногенная миграция (техногенез)
- •1 Эволюция техногенеза
- •2 Ноосфера
- •3 Энергетика техногенеза
- •4 Два геохимических типа техногенной миграции
- •Лекция № 13 Тема: техногенные источники загрязнения
- •1 Загрязнение окружающей среды
- •2 Промышленные отходы
- •3 Химизация почв
- •4 Коммунально-бытовые отходы
- •Лекция № 14 Тема: показатели техногенеза. Геохимические аномалии
- •1 Показатели техногенеза
- •2 Законы распределения химических элементов в подсистемах ландшафта
- •3 Техногенные геохимические аномалии
- •4 Количественные показатели загрязнения
- •Лекция № 15 Тема: геохимическая классификация городов и городских ландшафтов
- •1 Основания геохимической классификации городов
- •2 Геохимическая классификация городов
- •Лекция № 15 Тема: основные черты геохимии горнопромышленных ландшафтов
- •1 Классификация горнопромышленных ландшафтов
- •2 Эколого-геохимическая характеристика горнопромышленных ландшафтов
- •Лекция № 17 Тема: агротехногенез
- •1 Типы агротехногенеза
- •2 Источники загрязнения агроландшафтов
- •Лекция № 17 Тема: эколого-геохимический мониторинг
- •Лекция № 18 Тема: здоровье экосистем и человека
- •2 Влияние химических элементов на здоровье человека
- •3 Санитарно-гигиенические нормативы качества природной среды
- •Федеральное агентство по образованию
- •1.1 Геохимические спектры
- •1.2 Анализ радиальной и латеральной структуры ландшафтов
- •2 Гидросфера
- •3 Биосфера
- •4 Эколого-геохимическая оценка антропогенных ландшафтов
- •4.1 Геохимические нормативы качества природной среды
- •4.2 Санитарно-гигиенические нормативы качества природной среды
- •Федеральное агентство по образованию
- •«Распределение химических элементов в земной коре»
- •«Миграция вещества»
- •«Биогенная миграция химических элементов в биосфере»
- •«Геохимия гидросферы»
- •«ТехногЕнНая миграция»
- •II. Ответы на контрольные вопросы,
- •Федеральное агентство по образованию
1 Химический состав воды зоны гипергенеза. Интенсивность водной миграции химических элементов
Водные растворы образуют отдельную оболочку Земли – гидросферу. Ее большая часть приходится на долю мирового океана, меньшая – на поверхностные и подземные воды континентов. В сумме на долю морей и океанов приходится около 71 % земной поверхности. В большинстве случаев именно наличие воды контролирует развитие живых организмов. Вода является и основным природным растворителем минералов, газов и 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.
Около 70 % воды, используемой человеком, приходится на долю сельского хозяйства. По данным С. А. Брылова с соавторами (1985), при выращивании растительной массы в 1 кг лишь на транспирацию уходит, в зависимости от вида растений и внешних условий, от 150 до 1000 мЗводы. У нас в стране основные объемы воды в сельском хозяйстве расходуются на орошение по следующим нормам, мЗ/га: зерновые – от 1500 до 3500; многолетние травы – от 2000 до 8000; хлопок – от 5000 до 8000; рис – от 8000 до 15000. К сожалению, в подавляющем большинстве случаев орошение про водится без учета ландшафтно-геохимических особеннocтeй орошаемых участков, что часто при водит 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, мЗ: синтетического волокна – от 500 до 5000, хлопчатобумажной ткани – свыше 1000, пластмасс - от 500 до 1000, бумаги – от 400 до 800, никеля - около 4000, меди – 500, нефти около 18, каменного угля – 2.
Вода – это “кровь ландшафта”, она находится в сложных обратимых взаимоотношениях с организмами, горными породами, атмосферой. Большинство химических элементов мигрирует в ионных, молекулярных или коллоидных растворах. Важнейшими компонентами вод являются растворенные газы, особенно О2, СО2, Н2S. Значительная часть растворенных веществ находится в форме ионов, среди которых преобладают Са2+, Mg2+, Na+, HCО3-, SO4-, Cl-(“шестикомпонентный состав”). Все воды содержат также ионы Н+и ОН-, роль которых, несмотря на низкое содержание (обычно 10-5– 10-8г/л), чрезвычайно велика. Мало содержание распространенных в литосфере элементов – K, P, Si, Al, Ti, Ni, Co, Cu, Mo, Zn, U и других (обычно не более 10-5– 10-7г/л). Кроме ионов растворенные неорганические соединения находятся в форме молекул и коллоидных частиц. Велика роль и растворенного органического вещества (РОВ). Характерна также миграция тонкой мути и более крупных взвешенных частиц. Таким образом, воды ландшафта – это сочетание ионных, молекулярных и коллоидных растворов с суспензиями. Почти все воды – биокосные тела, т.е. содержат живое вещество.
В биосфере протекает грандиозный круговорот воды, связывающий материки и океаны. Проявляется круговорот и в пределах отдельных ландшафтов. При этом происходит поглощение солнечной энергии, которая затрачивается на испарение, а после конденсации водяных паров и выпадения осадков потенциальная энергия переходит в кинетическую энергию рек и ручьев. Круговорот воды можно сравнить с биком, причем бик в ландшафте является основным источником химической энергии, а круговорот воды – механической. Конечно, и вода совершает химическую работу (выветривание, растворение и т.д.), но эта работа осуществляется преимущественно за счет биогенной энергии: или за счет организмов, находящихся в воде, или за счет продуктов их жизнедеятельности — СО2, Н2S, гумуса и т.д. Как и бик, круговорот воды в геологическом времени не замкнут, большие массы воды поступают в биосферу при вулканизме, горообразовании и покидают ее при прогибании осадочных толщ (гидратные воды минералов).
В аридных ландшафтах при испарении воды формируется испарительный геохимический барьерF в соляных озерах, засоленных почвах, на котором концентрируются Са, Na, K, Mg, F, S, Sr, Cl, Zn, Li, N, U, Mo и другие элементы.
Интенсивность водной миграции химических элементов. О ней нельзя судить только по содержанию элементов в водах. Допустим, что в воде реки содержится 10-2г/л Si и 5.10-5г/л Zn. Следует ли из этого, что Si более энергичный мигрант, чем Zn? Если судить по содержанию в воде, то Si мигрирует энергичнее, но, с другой стороны, его намного больше в горных породах и почвах, откуда Si поступает в воды. Американский ученый Смит в 1917 г. разработал метод количественной оценки интенсивности водной миграции элементов, сопоставив средний состав речных вод с составом горных пород. Таким путем была установлена последовательность выноса отдельных элементов при выветривании. В дальнейшем Б.Б. Полынов вывел широко известные ряды миграции химических элементов в коре выветривания, которые позволили ученому разработать геохимию коры выветривания и геохимию ландшафтов. Развивая эти идеи, А.И. Перельман для характеристики интенсивности водной миграции элементов предложил коэффициент водной миграции(Кх), равный отношению содержания элементахв минеральном остатке воды к его содержанию в горных породах или почвах, дренируемых этими водами. Так как содержание элементахв водах (mх) обычно измеряется в граммах на литр, а содержание в породах (nx) в процентах, то расчетная формула имеет следующий вид:
Кх= mх*100 / а*nх
где а – сумма минеральных веществ, растворенных в воде (в г/л). Чем больше Кх, тем сильнее элемент выщелачивается из пород и почв, тем интенсивнее его водная миграция. Вернемся к примеру с Si и Zn. Примем, что оба элемента содержатся в горных породах речного бассейна в кларковых количествах (29,5 и 8,3.10-3%). Тогда, принимая сумму минеральных веществ речной воды в 0,5 г/л, получаем, что Zn мигрирует в 17 раз интенсивнее Si, хотя Si в воде больше, чем Zn:
Коэффициент водной миграции можно вывести из уравнения интенсивности миграции. Член этого уравнения можно рассматривать как количество элемента х, вынесенное речными или подземными водами в течение года (это величина бесконечно малая по сравнению с “b” – всем содержанием элементахв горных породах бассейна). Время в один год также бесконечно мало (dt) по сравнению с возрастом ландшафта. Поэтому, обозначив среднегодовой расход поверхностного или подземного потока через Q, получаем: dbx/dt = mx.Q,
где mx– содержание элементахв воде в г/л.
Так как величины Q и М общие для всех элементов, то интенсивность миграции yиzбудет составлять:
Отсюда, используя формулу для Кх, получаем: .
Следовательно, в ландшафте коэффициенты водной миграции элементов относятся друг к другу как интенсивности их миграции.