Эколого - геохимические исследования

 

Все эколого-геохимические исследования проводятся на ландшафтно-гехимической основе [9]. Методология и методика геохимических исследова-ний природных ландшафтов наиболее полно разработана М.А.Глазовской [9]

 

и В.А. Алексеенко [1]. Практика народного хозяйства, поиски полезных ис-копаемых, мониторинг состояния среды, различные аспекты сельского хозяй-ства и медицины - ставят специфические задачи изучения миграции и кон-центрации химических элементов в природных и антропогенных ландшафтах. Теоретические, методические и прикладные вопросы использования геохимии ландшафта при геохимических поисках рудных месторождений, а также при оценке фонового состояния ландшафтов и техногенного влияния на природ-ную среду рассмотрены в работах [1, 15, 16, 20,].

 

В настоящей работе нет необходимости детально рассматривать все эти во-просы. Часть из них изложена в предыдущих главах через систему коэффициен-тов и показателей, применяемых в эколого-геохимических исследованиях.

 

Для получения целостной картины состояния, функционирования, дина-мики и эволюции окружающей среды эти исследования должны носить сис-темный характер. В связи с этим в настоящей главе в сжатой форме приводит-ся схема эколого-геохимического исследования, которую можно использовать при изучении любых территориальных единиц. Эта схема имеет проблемно-ориентированную экологическую направленность. Для решения других при-кладных задач, например, при геохимических поисках полезных ископаемых, применяются свои модификации схемы.

 

Цель настоящей главы создать у студентов общие представления о струк-туре и этапах эколого-геохимических исследований, а также показать место рассмотренных проблем и концепций в их дальнейшей специализации по гео-химии окружающей среды. Сложность и комплексный характер схемы созда-ют определенные трудности для разработки практических заданий по этой те-ме, и занятие рекомендуется проводить в виде заключительной беседы, семи-нара или в период проведения учебной практики по геохимии окружающей среды. Предлагаемая схема представляет собой относительно полный вариант организации эколого-геохимического исследования и состоит из нескольких взаимосвязанных этапов, рассматриваемых в качестве базовых не только в геохимических, но и в цикле экологических исследований [27]. Она включает три основные этапа; 1) эколого-геохимический анализ территории; 2) эколо-го-геохимическая оценка (или диагноз) состояния природной или природно-антропогенной среды; 3) эколого-геохимический прогноз. Ниже раскрывают-ся основные положения первого и частично второго этапов.

 

В основе эколого-геохимического анализа лежат два важнейших методи-ческих принципа: дифференциации и историзма [23]. Первый заключается в признании геохимической однородности географической оболочки Земли на локальном, региональном и глобальном уровнях. Поэтому методика геохими-ческих исследований должна быть дифференцирована применительно к ти-пам, классам, родам и видам элементарных и геохимических ландшафтов, каскадным системам разной размерности и заключаться в познании их ланд-шафтно-геохимической структуры. Второй заключается в том, что исследова-ние современной геохимической структуры ландшафтов должно включать анализ геохимической истории их развития.

 

Как и любое географическое исследование, эколого-геохимический ана-лиз состоит из основных блоков: 1) подготовка к полевым исследованиям;

 

2) проведение полевых исследований; 3) аналитическая, графико-математическая и картографическая обработка полевых материалов и их объ-яснение.

 

На стадии подготовки к полевым работам обычно формулируются цель и задачи исследований, составляется их программа, выбираются наиболее адек-ватные поставленной цели методы исследований и оптимальный режим вы-полнения, анализируются общегеографические и отраслевые аналитические и картографические материалы.

 

Методика проведения полевых эколого-геохимических исследований за-висит от целей, задач и масштабов работы. Однако независимо от этих вопро-сов в основе геохимического изучения ландшафтов лежит выделение и типо-логия наименьших территориальных единиц или систем. В геохимии ланд-шафта, как уже отмечалось, такими единицами служат элементарные ланд-шафты Б.Б.Полынова [26] или элементарные ландшафтно-геохимические сис-темы (ЭЛГС) М.А.Глазовской [9]. Исследования ЭЛГС заключаются в сопря-женном анализе распределения и миграции веществ в вертикальном профиле почв, их мощности, факторов геохимической дифференциации и степени вы-раженности радиальных геохимических барьеров, характера и амплитуды биологического круговорота веществ, возможных геохимических реликтов.

 

Итогом этих исследований является представление о радиальной геохи-мической структуре вертикального профиля элементарного ландшафта, вы-раженной с помощью разнообразных показателей его геохимического состоя-ния - уровней содержания химических элементов, коэффициентов связи меж-ду различными подсистемами ландшафта (коэффициентов водной миграции, радиальной почвенно-геохимической дифференциации и др.), а также особен-ностей их пространственно-временной изменчивости. Называть изучение радиальной дифференциации ЭЛГС М.А.Глазовская предложила кратко R-анализом [9].

 

Следующая задача - анализ катенарной геохимической дифференциации каскадных систем, их типология в соответствии с рассмотренными в гл.3 принципами (типизация катен по особенностям поверхностного стока, степе-ни их дифференцированности и характеру латеральной сопряженности авто-номных и подчиненных ЭЛГС и др.). Результатом этих исследований являют-ся геохимические модели, отражающие фоновые параметры латерального распределения химических элементов и соединений в отдельных блоках, ком-понентах и подсистемах ландшафта (растениях, генетических горизонтах почв, почвах в целом и т.п.).

 

Для каскадных систем можно выделить три типа ландшафтно-геохимических моделей или природных эталонов, отличающихся по степени монолитности, дифферецированности, геохимической истории развития и ха-рактерным временам миграционных процессов, что определяет различные ме-тоды и подходы к их изучению. Каждая из этих моделей нацелена на решение определенных задач и имеет свои прикладные аспекты.

 

Первый тип функциональные модели,отражающий кратковременнуюпериодичность геохимических процессов с малым характерным временем (су-тки, сезоны, годы), иногда называют экологическим временем (масштаб жиз-недеятельности и влияния на окружающую среду отдельных организмов). Практически эти модели основываются на результатах стационарных и полу-стационарных исследований.

 

Второй тип -миграционные модели,базирующиеся на изучении сум-марного эффекта современного функционирования и динамики гео-химических процессов как результата явлений, протекающих в течение более длительного времени (десятки, сотни и первые тысячи лет), сопоставимого, например, с периодом формирования генетического профиля современных почв (педологическое время). Как и функциональные модели, они должны разрабатываться только для монолитных каскадных систем, с однородным ли-то- и палеогеографическим фоном. Эти модели не учитывают кратковремен-ную периодичность геохимических процессов. Создание миграционных моде-лей основано на сопряженном анализе перераспределения химических эле-ментов в системах типа автономный ландшафт - подчиненный ландшафт и базируется главным образом на расчете коэффициентов местной миграции.

 

Третий тип модельных систем распространен наиболее широко.Он ха-рактерен для ЛГС гетеролитным субстратом, часто включающим геохимиче-ские реликты прошлых геологических эпох в виде древних коры выветривания, мезозойских и кайнозойских отложений. Такие ЛГС имеют сложную гео-химическую историю, в значительной степени определившую современную эколого-геохимическую ситуацию. Анализ современной миграции элементов

 

в таких ландшафтах затруднен влиянием геохимических реликтов. Поэтому изучение подобных систем заключается, главным образом в установлении степени дифференциации геохимического фона, выявлении природно-аномальных участков в зависимости от типов, классов, родов и видов ланд-шафтов. Учитывая разнообразие таких гетеролитных и гетерогенных ЛГС, эти модели можно назвать моделями структурной дифференциации.

 

ЛГС региональной размерности практически всегда гетеролитны. Это в известной степени определяет слабую изученность современных миграцион-ных процессов на региональном уровне. Для микроэлементов региональные модели практически не разработаны. Лучше изучена региональная миграция солей в степях и пустынях [15].

 

Важной составной частью эколого-геохимических исследований, особен-но в гетеролитных ландшафтах со сложной и длительной историей развития, является историко-геохимический анализ. В геохимии ландшафта он разраба-тывается двумя взаимосвязанными направлениями: исторической геохимией ландшафта, делающей основной акцент на изучении роли реликтовых образо-ваний в современных ландшафтах, и палеогеохимией ландшафта, занимаю-щейся реконструкцией ландшафтно-геохимических "срезов" отдельных эта-пов геологической истории и геохимической эволюцией ландшафтов. Прин-ципы историко- и палеогеохимических исследований и опыт такого анализа разработаны для степных и пустынных ландшафтов Казахстана и Средней Азии [15].

 

Следующий этап эколого-геохимического исследования - экологическая оценка современного геохимического состояния территории.Она включает всебя две основные стадии.

 

Первая - геохимическая индикация состояния среды. Комплексная гео-химическая индикация степени антропогенного воздействия на природную среду заключается в реализации двух взаимосвязанных подходов. Один из них связан с выявлением и инвентаризацией антропогенных источников загрязне-ния природной среды (промышленные и сельскохозяйственные предприятия, автотранспорт, энергетика и др.), структуры, состава и количества загрязните-лей, поступающих от этих источников в природную среду. Эти данные, полу-чаемые путем химического анализа выбросов, стоков и отходов, т.е. как бы на "входе" (эмиссии) в изучаемые природные системы. Другой подход - оценка степени и характера реального распределения (эмиссии) загрязняющих веществ в основных средах - атмосферном воздухе, снежном покрове, водах, растениях и почвах, с выявлением, и картографированием в них техногенных геохимических аномалий.

 

Вторая стадия – анализ геохимической трансформации природных ланд-шафтов под влиянием техногенеза, заключающейся в перестройке радиальной

 

и латеральной структуры ландшафта, направленности, механизмов и скорости геохимических процессов и связанных с ними геохимических барьеров. Наи-более детально методика и результаты подобных исследований рассматрива-ются в работах по изучению геохимической трансформации лесных почв Прикамья в районах нефтедобычи [31, 24] и техногенной изменчивости ланд-шафтов в Канcко-Ачинском районе под влиянием теплоэнергетики. Широко распространены и известны явления подкисления почв, связанные с атмотех-ногенной поставкой соединений серы (кислотные дожди), а также их подще-лачивания в результате поступления карбонатной пыли от цементных заводов

 

и тепловых электростанций [36].

 

Результатом этих исследований обычно является оценка совместимости или несовместимости природных условий и техногенных геохимических по-токов, степени изменчивости и устойчивости природных систем к техногене-зу. Следует отметить, что в техногенно измененных ландшафтах, особенно в промышленных и урбанизированных зонах, применение традиционных ланд-шафтно-геохимических подходов сталкивается со значительными методиче-скими трудностями. Они связаны в первую очередь с тем, что в условиях мощного техногенного пресса через атмосферу миграционную схему Полы-нова можно использовать с большими ограничениями (проблемы автономно-сти элювиальных ландшафтов, сопряженности ЭЛГС и др.). Все это делает ак-туальной разработку геохимической классификации ландшафтов, измененных техногенезом.

 

Задача третьего этапа эколого-геохимического исследования - на основе прошлых и современных природных и природно-антропогенных тенденций изменения состояния природной среды дать прогноз ее развития на опреде-ленный период. Подобные исследования практически еще не вышли за рамки методических разработок. Они базируются на представлениях об устойчиво-сти природных систем к техногенным воздействиям и анализе их ответных реакций, в первую очередь биоты, на эти воздействия. Такой подход отражен

 

в представлениях М.А.Глазовской о технобиогеомах - территориальных сис-темах со сходной ответной реакцией на однотипные техногенные воздействия.

Весьма перспективны медико-геохимические аспекты этой проблемы, за-ключающиеся в анализе зависимости здоровья человека от техногенных, агро-генных и других факторов риска и связанных с ними заболеваний.

 

Необходимой составляющей ландшафтно-геохимического прогнози-рования должна стать разработка сценарных экологических моделей состоя-ния природной среды на ближайшую перспективу и отдаленное будущее на основе материалов эколого-геохимического анализа и оценки отдельных рай-онов. Результаты экологического моделирования должны использоваться в качестве теоретической основы разработки мероприятий по охране природы от токсичных веществ, их локализации и нейтрализации (создание искусст-венных геохимических барьеров и др., экономической оценки ущерба от хо-зяйственной деятельности и, в конечном итоге, для управления качеством природной среды региона).

 

С некоторыми рассмотренными выше эколого-геохимическими пробле-мами и задачами студенты познакомятся в дальнейшем на учебной полевой почвенной и геохимической практике после второго и третьего курсов, а так-же в лекционных курсах по геохимии окружающей среды и др..

 

Оглавление

 

 

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................................................................................... 3

1. ГЕОХИМИЯ ЛИТОСФЕРЫ....................................................................................................................... 5

 

Тема 1. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ........................ 5

1.1. Кларки литосферы.................................................................................................................................... 7

 

1.2. Пространственно-временная изменчивость кларков........................................... 9

1.3. Эпигенетическая трансформация кларков................................................................... 10

 

1.4. Лабороторно-практические занятия................................................................................... 11

2. ГЕОХИМИЯ ГИДРОСФЕРЫ.................................................................................................................. 14

 

Тема 1. ВОДНАЯ МИГРАЦИЯ........................................................................................................................... 14

1.2. Гидрогеохимическая систематика элементов............................................................ 16

 

1.3. Интенсивность водной миграции........................................................................................... 17

1.4. Лабораторно-практические занятия................................................................................... 20

 

Тема 2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ГИДРОСФЕРЕ................................................. 23

2.1. Свойства воды и состав природных вод........................................................................ 23

 

2.2. Лабораторно- практические занятия................................................................................ 28

2.3. Kлассификации природных вод.............................................................................................. 31

 

2.4. Лабораторно-практические занятия................................................................................... 34

2.5. Основные процессы формирования химического состава

 

природных вод...................................................................................................................................................... 37

2.6. Лабораторно-практические занятия................................................................................... 45

 

3. ГЕОХИМИЧЕСКИЕ БАРЬЕРЫ.......................................................................................................... 47

Тема 1. РАДИАЛЬНАЯ ГЕОХИМИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА................................................................ 48

 

1.2. Лабораторно-практические занятия................................................................................... 50

Тема 2. Латеральная геохимическая миграция....................................................................... 54

 

2.1. Лабораторно-практические занятия................................................................................... 59

4. ГЕОХИМИЯ ТЕХНОГЕНЕЗА................................................................................................................ 63

 

Тема 1. ТЕХНОГЕННАЯ МИГРАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ............................................................................ 63

5. ЭКОЛОГО - ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ................................................ 69