Химический состав объектов биосферы

Конспект лекций по курсу

«Геохимия окружающей среды»

Оглавление

1. Геохимическое поле биосферы Земли. 4

1.1. Химический состав объектов биосферы.. 4

1.1.1.Литосфера. 5

1.1.2.Гидросфера. 11

1.1.3.Атмосфера. 13

1.1.4.Живое вещество. 14

1.2. Геохимическая классификация химических элементов. 16

1.3. Формы нахождения химических элементов в биосфере. 19

1.4.Геохимические аномалии. 21

1.5. Факторы миграции химических элементов в биосфере. 24

1.6.Геохимические барьеры.. 29

1.6.1. Концентрирование химических элементов на физико-химических геохимических барьерах 31

1.6.2. Концентрирование химических элементов на механических геохимических барьерах 41

1.6.3. Концентрирование элементов на биогеохимических барьерах. 43

1.6.4. Концентрирование элементов на техногенных барьерах. 44

2.Геохимия природных ландшафтов. 47

2.1. Процессы трансформации солнечной энергии в ландшафте. 48

2.2.Круговорот воды в природно-территориальных комплексах. 50

2.3. Биогеохимический круговорот атомов в ландшафте. 52

2.3.1.Круговорот углерода. 53

2.3.2.Круговорот азота. 54

2.3.3.Круговорот фосфора. 55

2.3.4.Круговорот серы.. 56

2.4.Процессы выветривания в природных ландшафтах. 57

2.5.Геохимические процессы в природных (фоновых) ландшафтах. 62

2.5.1. Геохимия гумидных ландшафтов. 62

2.5.2.Геохимия аридных ландшафтов. 68

2.6.Закономерности воздушной (атмосферной) миграции химических элементов в ландшафтах 70

2.7.Закономерности процессов водной миграции химических элементов в биосфере. 73

2.7.1. Геохимическая классификация природных вод. 74

2.7.2. Миграция химических элементов в природных водах. 80

2.7.3.Особенности геохимических процессов распределения и миграции химических элементов в природных и техногенных водных потоках рассеивания. 82

3.Геохимия техногенных ландшафтов. 86

3.1.Количественные показатели техногенного геохимического воздействия. 86

3.2. Устойчивость природных ландшафтов к техногенным геохимическим нагрузкам.. 92

3.3. Техногенные геохимические аномалии. 94

3.4. Геохимия городских ландшафтов. 97

3.4.1. Атмосферные выпадения. 97

3.4.2. Техногенные потоки в водах и донных отложениях. 102

3.4.3. Биогеохимия городской среды.. 103

3.4.4. Направления эколого-геохимической оценки городских ландшафтов. 104

3.5.Геохимия горно-промышленных ландшафтов. 106

3.5.1. Характерные особенности горно-промышленных ландшафтов. 106

3.5.2.Атмосферные потоки рассеивания при разработке месторождений. 109

3.5.3.Водные потоки рассеивания в горно-промышленных ландшафтах. 110

3.5.4. Геохимические процессы в отдельных горно-промышленных ландшафтах. 111

3.5.5. Эколого-геохимическая оценка воздействия горного предприятия на окружающую среду 116

1. Геохимическое поле биосферы Земли

Жизнь и деятельность людей, а также человеческого общества происходит на поверхности земной коры. Земная кора, имеющая толщину твердой части около 33 км, состоит из трех геосфер, различающихся по физическому состоянию и химическому составу:

1. Литосфера – каменная оболочка земной коры, состоящая из изверженных, метаморфических и осадочных горных пород.
2. Гидросфера – водная оболочка, включающая в себя воды Мирового океана, континентальные воды, а также подземные воды, насыщающие горные породы.
3. Атмосфера – газовая оболочка, состоящая в основном из азота, кислорода, аргона с примесями водяных паров, углекислого газа, благородных газов.

Геосферы земной коры являются продуктом и результатом длительной совместной эволюции, начавшейся по современным представлениям более 4 млрд. лет назад. Эта эволюция продолжается и в наше время и обусловлена постоянным взаимодействием перечисленных геосфер. Взаимодействие геосфер происходит, главным образом, на поверхности литосферы, где происходит взаимодействие твердой оболочки земной коры с водной и газовой оболочками. Также интенсивно взаимодействуют между собой на границе раздела атмосфера и гидросфера.

Область возникновения жизни, её последующая эволюция и расцвет также связаны с областью взаимодействия геосфер земной коры. Возникновение жизни на Земле, материальным воплощением которой являются многочисленные виды живых организмов, привело к появлению на поверхности земной коры новой системы, получившей название биосферы.

Биосфера – область нашей планеты, в которой существует или когда-либо существовала жизнь и которая постоянно подвергается или подвергалась воздействию живых организмов.

В.И. Вернадский, в своих трудах обосновал ведущую роль живых организмов в преобразовании земной поверхности [1].

Значение живых организмов для функционирования биосферы обусловлено их большим разнообразием, повсеместным распространением, длительностью существования в истории Земли, избирательным характером биохимической активности и исключительно высокой химической активностью по сравнению с другими компонентами природы.

Таким образом, понятие об окружающей среде (среда обитания человека) включает комплекс факторов, которые определяются конкретными особенностями взаимодействия четырех геосфер – биосферы, литосферы, гидросферы и атмосферы [2].

По современным данным количественные оценки объектов биосферы следующие[3]:

· литосфера (земная кора) – 28,46 × 10¹⁸ т;

· гидросфера – 1,41 × 10¹⁸ т;

· атмосфера – 5,2 ×10¹⁵ т;

· живое вещество – 2,44 ×10¹² т.

Каждый из объектов биосферы Земли - литосфера, гидросфера, атмосфера и живое вещество имеет свой, характерный только для этого объекта химический состав.

При характеристике химического состава отдельных составляющих биосферы, вводится понятие геохимического поля.

Геохимическое поле - земное пространство, характеризуемое содержанием химических элементов или их соединений (С_х) в виде функции пространственных координат (x, y, z) и времени (t):

C_x = f(x, y, z, t) > 0

Для геохимического поля характерно, что встречаемость (вероятность обнаружения) для любого химического элемента и в любой точке поля равна 100%. Необнаружение элемента при проведении конкретного химического анализа связано лишь с недостаточной чувствительностью применяемой методики анализа. Эта закономерность носит название закона Вернадского.

В преобладающей части пространства геохимического поля объектов биосферы концентрации химических элементов примерно постоянны (для каждого элемента значение концентрации свое).

Средние значения концентраций химических элементов в объектах биосферы носят название кларков (в честь американского ученого - геохимика Ф.У.Кларка, исследования которого положили начало изучению химического состава земной коры).

Кларк элемента - это среднее содержание элемента в том или ином объекте биосферы.

Если в какой - то части геохимического поля фиксируется отклонение содержания элемента (С_х) от его кларка (в сторону понижения или увеличения), то такое явление называется геохимической аномалией.

Примером геохимических аномалий служат месторождения полезных ископаемых.

В геохимическом поле под воздействием различных по природе сил возникают миграционные потоки химических элементов или геохимические потоки рассеивания.

Многие процессы в геохимическом поле протекают в условиях подвижного равновесия или стремятся к регулярному режиму. Поэтому для конкретной геологической эпохи геохимическое поле в целом не зависит от времени, но для отдельных частей геохимического поля временной параметр играет важную роль, в частности, при формировании техногенных геохимических аномалий.