Объем в часах
 Скачать 1.96 Mb.
|
|
2.2 Развитие геохимии окружающей среды Возникновение геохимия окружающей среды стало возможным только благодаря успехам в развитии таких наук, как геохимия ландшафтов, биогеохимия, экология, а также работам по изучению вторичных геохимтеских ореолов рассеяния месторождений полезных ископаемых. Чрезвычайно большое влияние на ее становление оказали работы наших талантливейших современников Марии Альфредовны Глазовской, Всеволода Всеволодовича Добровольского, Александра Ильича Перельмана. Своими корнями геохимия ландшафта уходит в замечательные направления русской научной мысли, зародившиеся на рубеже ХХ столетия. Один из ее источников — наука о ландшафтах связана с трудами великого Василия Васильевича Докучаева (1846—1903), с его системным подходом к природе земной поверхности, стремлением изучать связи между живой и неживой природой. Среди учеников Докучаева в Петербургском университете был и будущий основоположник геохимии В.И. Вернадский (1863—1945). Таким образом, и геохимия, и наука о ландшафтах в России родились в одной научной Докучаевской школе. Ученик Вернадского, заложивший вместе с ним фундамент геохимии, А. Е. Ферсман (1883—1945) вплотную подошел к геохимии ландшафта. Двадцатые и более ранние годы относятся к предистории геохимии ландшафта. В собственной истории геохимии ландшафта можно выделить четыре этапа, первый из которых связан с деятельностью ее основателя — Бориса Борисовича Полынова (1877—1953). Полыновский этап. Это время становления геохимии ландшафта — конец 20-х — начало 50-х годов. Почва является “зеркалом ландшафта”, в ней осуществляется связь между “живой” и “мертвой” природой, и как природная система она родственна ландшафту. Детальное химическое изучение почвенных процессов всегда составляло одну из важных задач почвоведения, поэтому оно ближе всего стоит к геохимии ландшафта. Методологию геохимии ландшафта Полынов построил на сочетании докучаевского учения о зонах природы (ландшафтов) с учением В.И. Вернадского о геохимической роли живого вещества и представлениями А.Е. Ферсмана и В.М. Гольдшмидта о законах физико-химической миграции элементов в земной коре. Геохимия ландшафта в 50-е годы. В 1951 г. на географическом факультете МГУ А.И. Перельман впервые прочитал курс “Геохимия ландшафта”, в 1955 г. была опубликована его монография, в которой систематически излагались основы этого научного направления (“Очерки геохимии ландшафта”). В 1959 г. на факультете была создана кафедра, ныне носящая название “Геохимии ландшафтов и географии почв” (зав. кафедрой — профессор М.А. Глазовская, с 1989 г. — профессор Н.С. Касимов). В эти же годы началось практическое использование геохимии ландшафта при геохимических поисках рудных месторождений. Геохимия ландшафта в 60-е и 70-е годы. С начала 60-х годов начался быстрый рост геохимии ландшафта, использование теории и методов этой науки в практике, особенно при геохимических поисках рудных месторождений. Теоретические исследования проводились в Академии наук СССР и республиканских академиях наук, университетах и других научных организациях. В университетах и институтах, где преподавалась геохимия ландшафта, создаются кафедры и проблемные лаборатории. Геохимия ландшафта стала одной из теоретических основ геохимических методов поисков месторождений полезных ископаемых. За рубежом исследования в области геохимии ландшафта в этот период не получили значительного распространения. Современный этап. С середины 70-х годов быстрый рост геохимии ландшафта в СССР и России связан с появлением новой области практического ее применения — решением проблем охраны окружающей среды. Важно отметить, что теоретические и методические принципы, используемые при поисках руд, создали основу для быстрого внедрения ландшафтно-геохимических методов в науку об окружающей среде. Развитие геохимии ландшафта в это время происходит по пяти основным направлениям. 1. Развитие теории и методологии науки, совершенствование понятийного аппарата и классификации ландшафтов. Особое значение имели представления М.А. Глазовской о технобиогеомах — территориях, обладающих сходной ответной реакцией на техногенное воздействие, а также о каскадных ландшафтно-геохимических системах. Было введено понятие о геохимических барьерах и технофильности (А.И. Перельман). 2. Геохимия отдельных типов природных ландшафтов. Для осуществления фонового мониторинга природной среды необходимо знать закономерности естественных процессов миграции и концентрации химических элементов в природных ландшафтах, находящихся вне сферы локального техногенного воздействия, в том числе заповедных территорий. С этой целью были разработаны ландшафтно-геохимические основы фонового мониторинга природной среды, получены новые данные о геохимической структуре ландшафтов. Кроме традиционного для геохимии ландшафта изучения микроэлементов начаты исследования закономерностей распределения в ландшафтах токсичных органических соединений, таких как полициклические ароматические углеводороды. 3. Историческая геохимия и палеогеохимия ландшафтов. Это направление связано с реконструкцией геохимических особенностей ландшафтов былых геологических эпох. Разработаны методология и методика исследований, палеоландшафтно-геохимическое картографирование. 4. Геохимические поиски полезных ископаемых. Исследования в области поисковой геохимии позволили разработать принципы районирования территории по условиям проведения геохимических поисков, установить основные закономерности формирования вторичных ореолов рассеяния рудных месторождений в различных природных зонах, палеогеографических и палеогеохимических обстановках, разработать теорию геохимических барьеров, предложить критерии и методы оценки выявляемых при поисках руд геохимических аномалий, разработать принципы ландшафтно-геохимического картографирования и ряд других вопросов. 3 Связь с другими науками Для установления закономерностей распределения и миграции химических элементов в отдельных, отличающихся друг от друга частях биосферы наиболее удобным является ландшафтный уровень. Центром геохимических ландшафтов 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, 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 понятии экология — это наука, изучающая условия существования животных и растительных организмов, взаимосвязи между этими организмами, а также между ними и средой их обитания. Условия существования организмов можно рассматривать со многих и чрезвычайно различных позиций. 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, да еще и на современном 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. Чрезвычайно большое внимание в ГОС уделяется рассмотрению взаимосвязи между организмами и средой их обитания, включая отдельные циклы биологического круговорота элементов. Эти процессы также разбираются с позиции миграции химических элементов, но сами элементы в данном случае могут находиться в различных формах, что придает особую сложность их перемещению и концентрации. Еще одним важным разделом ГОС является биогеохимия. В нем рассматривается химический состав различных организмов и его изменения, связанные с меняющимися условиями существования этих организмов. Изучению указанной проблемы большое внимание уделял В.И.Вернадский. Все изложенное показывает, что геохимия окружающей среды, являясь в первую очередь геохимией, формируется «на стыке» целого ряда наук. Их уровень развития во многом определяет развитие отдельных направлений этой новой и чрезвычайно важной для выживания человечества науки. Лекция № 2 Тема: ЛАНДШАФТНО-ГЕОХИМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ 1. Элементарные ландшафтно-геохимические системы (элементарные ландшафты). 2. Каскадные ландшафтно-геохимические системы. По уровням организации и тесноте связей среди ландшафтно-геохимических систем выделяются элементарные и сложные (каскадные) системы. 1 Элементарные ландшафтно-геохимические системы (элементарные ландшафты) Изучение земной поверхности привело к представлению о единицах, из которых построена эта поверхность, своего рода “атомах ландшафта”. Разные ученые давали им разные наименования. У Бориса Борисовича Полынова это был “элементарный ландшафт”, у И. В. Ларина — “микроландшафт”, у Л. С. Берга и Н. А. Солнцева — “фация”, у В.Н. Сукачева — “биогеоценоз”. М. А. Глазовская такие единицы называет “элементарными ландшафтно-геохимическими системами” (ЭЛГС) и считает, что их целостность обеспечивается более тесными внутренними миграционными связями, чем между соседними элементарными системами. В дальнейшем мы будет употреблять термин “элементарный ландшафт”, в качестве главного критерия выделения которого Б. Б. Полынов предложил однородность почвы. По Б. Б. Полынову (1953) — элементарный ландшафт в своем типичном проявлении должен представлять один определенный тип рельефа, сложенный одной породой или наносом и покрытый в каждый момент своего существования определенным растительным сообществом. Все эти условия создают определенную разность почвы и свидетельствуют об одинаковом на протяжении элементарного ландшафта развитии взаимодействия между горными породами и организмами. Наименьшая площадь, на которой размещаются все части элементарного ландшафта, именуется площадью выявления. Чем сложнее элементарный ландшафт, чем интенсивнее в нем протекает миграция химических элементов, чем больше видовое и прочее разнообразие, т.е. чем больше в нем информации, тем больше и площадь выявления. Поэтому наименьшие площади выявления характерны для пустынь без высшей растительности (шоровые солончаки, такыры), а наибольшие — для лесных ландшафтов влажных тропиков с их огромным видовым разнообразием (биологической информацией). Площадь выявления — это важная константа, имеющая большое значение для классификации элементарных ландшафтов. Под мощностью элементарного ландшафта понимается расстояние от его верхней до нижней границы. Верхняя граница находится в тропосфере и определяется зоной распространения пыли земного происхождения (из данного или соседнего ландшафта), обитания организмов. Нижней границей в ряде случаев является горизонт грунтовых вод (включительно). Мощность элементарного ландшафта колеблется в значительных пределах и в общем подчиняется тем же закономерностям, что и площадь выявления: чем разнообразнее элементарный ландшафт, т.е. чем больше в нем информации и чем она сложнее, тем больше и мощность (мощность мала на такыре и велика в экваториальном лесу). Вследствие миграции химических элементов элементарный ландшафт неоднороден в вертикальном направлении, что создает радиальную геохимическую структуру (ярусы), характеризующуюся рядом ландшафтно-геохимических коэффициентов (R-анализ). Не все ярусы имеются в каждом элементарном ландшафте. В некоторых из них отсутствует водоносный горизонт (т.е. он находится за пределами ландшафта), в других он совмещен с почвой (поймы, некоторые болота), в третьих кора выветривания совмещена с почвой и т.д. Каждый ярус отличается от другого химическим составом. Более того, вертикальная дифференциация характерна и для отдельных ярусов. Так, горизонты одной и той же почвы обладают различным составом и различными физико-химическими условиями. Не менее дифференцирован и растительный покров, состоящий из ярусов (например, ярус мхов и ярус деревьев в тайге). Наиболее контрастна в вертикальном профиле ЭЛГС дифференциация подвижных форм химических элементов. Поэтому резкая дифференциация вещества и физико-химических условий по вертикали составляет характерную особенность элементарного ландшафта, его структуру. По условиям миграции химических элементов Б.Б. Полынов выделил три основных элементарных ландшафта (рис. 1): элювиальный, супераквальный (надводный) и субаквальный (подводный).
Элювиальный ландшафт приурочен к плоским водоразделам с глубоким залеганием грунтовых вод, не оказывающих заметного влияния на биологический круговорот вещества. Вещество и энергия в этом случае поступают из атмосферы и через атмосферу. Характерны прямые нисходящие водные связи. В элювиальных почвах происходит вмывание растворимых веществ и образование иллювиальных горизонтов. Каким бы плоским ни был водораздел, все же с него возможен смыв, в связи с чем в ходе своей истории почва постепенно теряет верхнюю часть горизонта А и почвообразовательные процессы глубже проникают в подстилающую породу. По образному выражению Б. Б. Полынова, “водораздельные почвы как бы разъедают эти водоразделы и снижают их превышение над базисом эрозии”. Если формирование ландшафтов продолжается в течение геологически длительного времени и вынос протекает непрерывно, то под почвой образуется мощная кора выветривания различного типа (латеритная, красноземная, каолиновая и т.д.). Элювиальные условия определяют жизненные формы организмов и их видовой состав. Надводные(супераквальные) элементарные ландшафты отличаются близким залеганием грунтовых вод. Последние оказывают существенное влияние на ландшафт, т.к. поставляют различные вещества, вымытые из коры выветривания и почв водоразделов. В супераквальных ландшафтах возможно значительное накопление химических элементов, обладающих наибольшей миграционной способностью. Примером супераквальных ландшафтов служат солончаки с аккумуляциями сульфатов, соды, хлоридов, нитратов и других солей. Поступление извне ряда химических соединений оказывает глубокое влияние на интенсивность и направление химических реакций, на внешние формы, анатомию и физиологию организмов, их общую массу. В супераквальных ландшафтах преобладают обратные водные связи. Для субаквальных (подводных) элементарных ландшафтов характерен принос материала с твердым и жидким боковым стоком: речной или озерный ил растет снизу вверх и может быть не связан с подстилающей породой. В субаквальных ландшафтах наблюдаются особые жизненные формы растений и животных и местами особые систематические группы. В водоемы поступают химические элементы с прилегающих водосборов, в первую очередь наиболее подвижные элементы, накопление которых типично для субаквальных ландшафтов. Местами поступает избыточное количество растворимых соединений, с которыми организмам приходится вести борьбу. Условия разложения остатков растений и животных в элювиальных и надводных ландшафтах различны; различны и получающиеся продукты (например, гумус и сапропель). Характерны обратные водные связи (положительные и отрицательные). Продукты выветривания и почвообразования элювиального ландшафта поступают с поверхностным и подземным стоком в пониженные элементы рельефа и влияют на формирование надводных и подводных ландшафтов. Поэтому последние именуются подчиненными. Ландшафты водоразделов, напротив, менее зависят от надводных и подводных ландшафтов, так как не получают от них химических элементов с жидким или твердым стоком. Поэтому элювиальные ландшафты водоразделов называются также автономными, их почвы и растительность образуют центр всего ландшафта. Независимость автономных ландшафтов от надводных и подводных весьма условна, так как поймы и водоемы оказывают определенное влияние на ландшафты водоразделов через циркуляцию водяных паров, распространение туманов, перенос ветром различных соединений, содержащихся в воздухе, миграцию флоры и фауны с прибрежных участков на водораздельные и т.д. Поэтому автономность водоразделов понимается именно в смысле отсутствия поступления жидкого и твердого стока от надводных и подводных ландшафтов. Таким образом, различия между автономными (элювиальными), надводными и подводными ландшафтами заключаются в характере аккумулятивных процессов и водных связей: в автономных аккумуляция связана с поступлением веществ из горных пород и атмосферы, а в надводных и подводных еще имеет место поступление из грунтовых и поверхностных вод. Для автономных ландшафтов характерны прямые нисходящие водные связи, для подчиненных – обратные. Наряду с основными элементарными ландшафтами существуют многочисленные переходные формы, приуроченные к склонам, поймам рек и т.д. Помимо элювиальных (автономных) М. А. Глазовская различает трансэлювиальные (ландшафты верхних частей склонов), трансэлювиально-аккумулятивные (нижних частей склонов), элювиально-аккумулятивные (сухих ложбин), аккумулятивно-элювиальные (местных замкнутых понижений с глубоким уровнем грунтовых вод). Супераквальные ландшафты она делит на транссупераквальные и собственно супераквальные (замкнутых понижений со слабым водообменом), а субаквальные — на трансаквальные (реки, проточные озера) и аквальные (непроточные озера). |
