ЛЕКЦИЯ 3
Геохимические законы
1. О причинах пространственной упорядоченности химических элементов
В настоящее время экологическая наука в основном нацелена на выявление антропогенной составляющей в системе факторов изменении естественных свойств окружающей среды. Химическое загрязнение, т.е. нарушение сложившегося баланса вещества, лежит в основе большинства экологических проблем. В природе повсюду действует один и тот же закон, который может формулироваться по-разному, но суть его одна - абсолют движения и относительность покоя. В геохимии это закон миграции атомов, под которым понимается постоянное перераспределение атомов в пространстве. Под влиянием внешних источников воздействия и свойств самих атомов в пространстве возникают неоднородности в их плотности, которую мы называем концентрацией или содержанием. Последнее может измеряться разными единицами, но всегда относительно объема или массы вмещающей среды. Например, в мг/кг. Это будет обозначать, что в каждом кг природной среды имеется столько то мг того или иного вещества. Т.е это удельная плотность атомов вещества или его концентрация.
Наши представления о микромире строятся по аналогии с макромиром (та же планетарная модель атома или капельная модель ядра). В природных системах веществ, обладающих массой и энергией, согласно формуле Эйнштейна E=mc2 с последние вязаны между собой. На бытовом уровне мы их различаем органами чувств. Вещество через форму, физические и химические свойства, а энергию через силу воздействия. На самом деле это все единое, но в разных его проявлениях. Формула Эйнштейна та же формула силы в механике. Более сильный имеет большую массу, но не всегда. В формуле силы недостаток массы можно более эффектно компенсировать ускорением. Поэтому говорят про некоторых: людей «неповоротлив как тюлень», если он не способен быстро поворачиваться. Пуля весит граммы, но поражающая способность ее огромна.
Все природные системы в состоянии относительной устойчивости находятся в результате равновесия двух противоположных сил – центробежной и центростремительной.
Центробежные тенденции. Согласно второму закону термодинамики, движение атомов, как и иных микрочастиц, носителей энергии, направлено от большей их плотности к меньшей. В этом проявляется центробежная тенденция – самопроизвольное стремление природных систем к минимуму свободной энергии и максимуму энтропии, а в пределе в системе хаос и разброд, анархия. Каждая его частица сама по себе свободна, никем не координируется и система не способна совершать полезную работу dU= dQ - pdV , работа равна нулю (pdV), вся энергия системы превращается в пшик - в рассеянное тепло каждой частицы.
Центростремительные тенденции. С другой стороны мы видим, что природные системы устроены центростремительно (планетные системы, структура атома, стая животных во главе с вожаком, государственное устройство с политическим центром.) Существует всемирный закон геохимической зональности, по которому распределение в пространстве материи происходит по схеме плотный эпицентр и рыхлая периферия.. А плотность в свою очередь является следствием проявления сил связи между компонентами. Чем они сильнее, тем больше вещества в единице пространства, тем больше в них энергии. Масса атома в основном сосредоточена в ядре. Ядерная энергия по своей концентрации превосходит все виды химической энергии. Ядро Земли сложено наиболее плотным веществом - оно железоникелевое. Температура его максимальна высокая для планеты. Литосфера каменная – силикатная, она менее плотная и менее нагретая. Гидросфера – водная оболочка еще менее плотная, а самая легкая - атмосфера она занимает периферию нашей планеты.
Возьмите в целом солнечную систему, основная масса ее сосредоточена в нашей звезде – Солнце, далее в ней расположены внутренние железо-каменные планеты Меркурий, Венера, Земля, а внешние – газовые. Такое распределение в пространстве масс имеет универсальный характер. Это и есть примеры геохимической зональности, которая проявляется на двенадцати иерархических уровнях.
В социальных системах мы также видим взаимодействие центробежных и центростремительных сил. Почему возникли города и почему они превращаются в мегаполисы. Они выгодны энергетически. Чем сложнее и компактнее структура, тем больше в ней ресурсов, тем она более энергоемка. Советский Союз распался, хотя и был огромным и сложным социальным организмом, но некомпактным. Энергетические и людские ресурсы и сейчас в нашей стране используются неэффективно и это крайне опасно дальнейшей деградацией. Люди устремляется в крупные города и экономически более эффективные страны в надежде лучше устроиться. Сравните средние зарплаты в Москве и остальной России! Но Москва по сравнению с мировыми центрами промышленности, культуры и науки далеко не лучший город, отсюда утечка мозгов и передовых технологий.
Однако во всем есть свой предел. С точки зрения экологии и биологических законов чрезмерная концентрация ресурсов плохо. Болезни и эпидемии всегда там, где перенаселение. Очевиден основной вклад в загрязнение геосфер именно крупных мегаполисов с чрезмерной концентрацией населения и промышленного производства. Как разрешить это противоречие. Имеющие возможность решают это просто. Днем работают в городе, а на ночь или хотя бы в выходные, чтобы перевести дух бегут в загородные поместья, на дачи. Но убегать приходиться все дальше. Если для Воронежа и Семилуки загород, то для Москвы сто и двести км уже не предел.
Что же касается распространения загрязняющих веществ (ЗВ), то оно строго следует второму закону термодинамики, т.е. рассеивается. Итак, что имеем? Источники загрязнения (люди и их производительные мощности) концентрируются, а ЗВ рассеиваются. Вокруг городов образуются ореолы загрязнения, а сами города являются их эпицентрами. При этом площади ореолов загрязнения гораздо больше, чем площади, занимаемые городами.
В геохимии рудных месторождений модели заполнения пространства абсолютно те же. Рудные тела это эпицентры концентрации, вокруг них возникают ореолы рассеяния с меньшими концентрациями, убывающими к их периферии и внешняя зона это пространство с фоновыми (наименьшими ) концентрациями. Рудные тела и ореолы рассеяния вокруг них с точки зрения геохимии это геохимические аномалии как области пространства, где концентрации выше фоновых. В поисковой геохимии эти модели созданы давно, еще в 30 годы прошлого столетия. Понятие рудного тела и геохимического ореола не только геологическое, но одновременно и экономическое. С точки же зрения экологии геохимическая аномалия не просто концентрация выше фоновой, но это такая концентрация, которая вызывает дискомфортное состояние и даже гибель живых организмов. То есть понятия геохимической аномалии у геолога и эколога близкое, но со своими нюансами. Есть и третий подход, когда геохимическую аномалию не зависимо от профессиональных пристрастий, можно выделить чисто математически по законам вероятности, используя такие базовые понятия статистики как среднее и отклонение от среднего.
Итак, усилия экологов в настоящее время сосредоточены на оценке уровней загрязнения, а задача эта тонкая и порой политическая, так как нередко связана с правовыми отношениями общества и субъектов права. Например, предприятия, которые пока не успели перестроиться на современные ресурсосберегающие и природоохранные технологии, вынуждены платить штрафы за ущерб ОС. Поэтому они будут кровно заинтересованы в дискредитации предъявляемых экологами материалов. Следовательно, последние должны быть безупречными с точки зрения науки, метрологии и права. Мало получить анализы из лаборатории, которые покажутся страшными. Но надо будет еще уметь их обработать и показать, что называется товар лицом, убедить не только себя, но и других в значимости тех выводов, которые мы делаем на основании полученных данных. А это называется их смысловая интерпретация, что не менее важно, чем сами анализы.
2. Математические законы распределения и их параметры
2.1 Понятие среднего как оценка фоновых (нормальных концентраций)
И вещество и энергия могут рассеиваться и концентрироваться в координатах пространства и времени по определенным законам, которые можно описать математическими формулами. Практика показывает, что распределение малых химических компонентов в природных системах (а именно такие и приходиться изучать экологам-геохимикам) можно описать двумя математическими функциями: нормального и логнормального распределения случайной величины. Эти функции графически выглядят одинаково, имея колоколообразный вид (кривая Гаусса). Ордината на ней построена в значениях частоты встречаемости проб с теми или иными содержаниями атомов, абсцисса - концентрации. При нормальном законе модальное и медианное значение на кривой Гаусса совпадают, а это означает идеальную симметрию отклонения от наиболее вероятной частоты встречаемости проб с определенным содержанием в них изучаемого элемента в сторону как больших, так и меньших значений. При этом встречаемость проб с экстремальными значениями в меньшую или в большую сторону затухает по экспоненте. Медианное значение на этом графике равняется среднему арифметическому.
Особенность логнормального распределения в том, что симметричной кривой не получается, но если по оси абсцисс вместо концентраций взять их логарифмы, то снова получим кривую Гаусса, но среднее значение здесь уже не арифметическое, а геометрическое, которое можно вычислить как антилогарифм от среднего арифметического логарифмов содержания. В природе встречается распределение атомов, соответствующее как нормальному, так и логнормальному распределению, но технически аналитические лаборатории имеют ошибку определения концентраций, которая подчиняется логнормальному распределению, поэтому фоновое значение элементов всегда следует определять как средне геометрическое, т.е считать через логарифмы.
В геологии особенно при подсчете запасов полезного ископаемого применяется среднее взвешенное, в котором среднее считается не относительно числа проб в выборке, а относительно мощности интервалов проб с определенным содержанием элемента. Представьте себе простой объект в разрезе, состоящий из трех слоев разных пород: например слой глины мощностью 2м с содержанием свинца 10мг/кг, второй слой – доломит мощностью 0,2м, но с содержанием свинца 1000мг/кг и трети слой из песчаника мощностью 10м, но с содержанием 1мг/кг. Разница в концентрациях на порядки и среднее арифметическое и среднее геометрическое не могут показать истинного суммарного содержания свинца в этой пачке из трех слоев, что для металлургического завода более важно. Среднее взвешенное будет представлять себе отношение суммы произведений мощности каждого слоя на концентрацию свинца в нем к суммарной мощности трех слоев. В результате средневзвешенное будет равно С1М1+С2М2+С3М3/ М1+М2+М3=10*2+1000*0,2+1*10=18,85мг/кг. Зная массу в целом этих слоев, можно определить запасы металла в них. Для экологии большее значение будет иметь не запасы металла, а то, сколько его может попасть в почву из этих слоев, а из них в растения, а из растений в наш пищевой рацион. В этом случае нас будут интересовать формы металла в слоях, т.е насколько они растворимы и насколько тесно связаны с почвенным слоем. В почвенном слое для оценки концентрации свинца более важно знать среднее геометрическое содержание и то насколько оно отличается от предельно допустимого т.е от ПДК.