В курсовой работе рассматривается введенное в естественные науки в 1961 году академиком А. И. Перельманом новое фундаментальное понятие геохимические барьеры
 Скачать 0.57 Mb.
|
|
Размещено на http://www.allbest.ru СОДЕРЖАНИЕ Аннотация Введение Геохимические барьеры как показатель загрязнения земельных ресурсов: Геохимические барьеры Физико-химические барьеры Механические барьеры Биогеохимические барьеры Социальные барьеры Комплексные геохимические барьеры Определение загрязнений с помощью геохимических барьеров Заключение Список литературы Расчетная часть АННОТАЦИЯ В курсовой работе рассматривается введенное в естественные науки в 1961 году академиком А.И. Перельманом новое фундаментальное понятие – геохимические барьеры. Дается классификация барьеров с выделением четырех основных классов: физико-химических, биологических, механических и социальных. Все они, за исключением физико-химических, только начинают изучаться, и вся приведенная информация отображает всю изученность вопроса на данное время. В каждом из классов для барьеров разных видов приводятся особенности концентрации определенных элементов и их соединений, характеристики барьеров, дающие возможность количественно оценить каждый из них. Показывается возможность прогнозировать на конкретных природных и техногенных (антропогенных) геохимических барьерах концентрацию определенных геохимических элементов и их соединений. Рассматриваются возможности формирования техногенных геохимических барьеров. Также в качестве практического применения навыков выполнения инженерных расчетов по специальности «Экология» проводится расчет индексов загрязнения атмосферы, воды и почвы. ВВЕДЕНИЕ Актуальность. В курсе геохимии рассматриваются закономерности перемещения и концентрации атомов (чаще ионов) различных химических элементов в зависимости от внешних и внутренних факторов. Экологическая геохимия (понятие геохимических барьеров относится именно к этой отрасли науки) как часть общей геохимии занимается изучением данной проблемы в верхней оболочке Земли, населенной животными и растительными организмами, – биосфере. Изучая особенности распределения элементов, как в пределах отдельных участков, так и в их различных объединениях, можно установить основные геохимические законы и закономерности миграции и концентрации химических элементов в биосфере. Без знания и учета этих законов антропогенная деятельность будет постоянно вступать в противоречия с природой. геохимический барьер загрязнение атмосфера В экологической геохимии значительное внимание уделяется миграции и концентрации химических элементов, происходящих в биосфере под воздействием антропогенных процессов. Однако практически невозможно связать такое глобальное понятие, как биосфера, с влиянием на изменение процессов миграции и концентрации различных веществ (в частности, токсичных) отдельных предприятий и даже крупных промышленных и аграрных комплексов. В связи с этим геохимическую (в том числе и биогеохимическую) роль антропогенных процессов удобнее рассматривать на более низком уровне организации материи, а именно на ландшафтно-геохимическом. Именно на этом уровне геохимические барьеры лучше всего служат показателем загрязнения земельных ресурсов, потому что здесь они наиболее четко проявляются и здесь наиболее четко видны источники загрязнения. На данный момент развития человеческой цивилизации масштабы использования земельных ресурсов стали глобальными, а объемы отходов – катастрофическими. Понятие же геохимических барьеров помогает характеризовать и оценить воздействие этих отходов на окружающую среду. Но это все в теории, а на практике существует множество препятствий этому, и поэтому, чем скорее будут решены все вопросы анализа генезиса геохимических барьеров, тем скорее будут решаться вопросы экологизации цивилизации. История развития. Как уже указывалось, экологическая геохимия является одним из научных направлений геохимии – науки ХХ столетия. Время рождения геохимии можно назвать и более точно – это 1908-1911 года. Местом ее рождения считается Московский университет, его кафедра минералогии, которой в те годы руководил В.И. Вернадский. В числе основоположников геохимии нельзя не назвать аспиранта В.И. Вернадского, а впоследствии академика А.Е. Ферсмана и норвежского ученого В.М. Гольдшмидта. Оформлению геохимии как самостоятельной науки способствовали работы многих ученых, которых сначала называли натуралистами. Из их числа вышли многие геологи, экологи, физики, химики и математики. Исследования, проведенные ими, и создали тот научный фундамент, на котором начала строиться геохимия. Формированию геохимии как самостоятельной науки предшествовали работы, которые можно считать даже первыми собственно геохимическими исследованиями (наиболее важной из них является составление Ф.У. Кларком первой сводной таблицы среднего химического состава земной коры). Первые геохимические законы и закономерности были открыты В.И. Вернадским, А.Е. Ферсманом и В.М. Гольдшидтом, которых и считают основоположниками геохимии. Работы В.И. Вернадского предопределили возникновение и, как ожидается, бурное развитие экологической геохимии. Первой обобщающей работой в этой области была его монография «Биосфера» (1926), в которой дана довольно полная картина процессов, протекающих в биосфере. В работах Вернадского большое внимание уделяется влиянию на течение этих процессов антропогенной деятельности. Его работы также положили начало планомерному изучению химического состава живых организмов. А.Е. Ферсманом в 1933-1939 годах были впервые систематизированы в четырех томах «Геохимии» данные о миграции и концентрации химических элементов с объяснением причин (внешних и внутренних факторов), обуславливающих их. Особо следует отметить введение им термина «техногенез»(1922), который характеризует геохимическую деятельность человечества и начало изучения этого процесса. Лучшие работы В.М. Гольдшмидта связаны с установлением размеров ионных радиусов и определением их влияния на состав минералов. Можно считать, что под влиянием его идей началось бурное и плодотворное развитие кристаллохимии, первый закон которой был сформулирован им. Наибольший интерес для нас представляет этап бурного развития и разветвления геохимии, когда шло углубленное изучение распределения и миграции элементов в различных частях земной коры. Именно в этот период выходили труды А.И. Перельмана, в которых впервые упоминаются геохимические барьеры. Вообще же во второй половине ХХ века вышло множество трудов видных геохимиков современности, недооценить которые просто нельзя: в них описываются основные законы формирования геохимических барьеров, основные характеристики и основы анализа барьеров. Цель работы: Проанализировать возможность использования геохимических барьеров для оценки загрязнения земельных ресурсов. Задачи: 1. Проанализировать всю имеющуюся современную информационную базу по теории возникновения геохимических барьеров и сделать обобщающий вывод по этому вопросу. Рассмотреть факторы, влияющие на концентрирование элементов на геохимических барьерах. Проанализировать возможности количественной и качественной оценки геохимических барьеров, как мест концентрации загрязняющих веществ. Методы исследований: анализ научного материала системный анализ анализ публикаций Использованные материалы: Учебные пособия, монографии, научные публикации. ГЕОХИМИЧЕСКИЕ БАРЬЕРЫ КАК ПОКАЗАТЕЛЬ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ЗЕМЕЛЬНЫХ РЕСУРСОВ ГЕОХИМИЧЕСКИЕ БАРЬЕРЫ Классификация геохимических барьеров Геохимические барьеры – одно из основных понятий современной геохимии. Сам термин «геохимический барьер» был предложен А.И. Перельманом в 1961 году. По его формулировке, это «те участки земной коры, на которых на коротком расстоянии происходит резкое уменьшение интенсивности миграции химических элементов и, как следствие, их концентрация. Геохимические барьеры биосферы разделяются на два основных типа – природные и техногенные. И те, и другие располагаются на участках изменения факторов миграции. В первом случае смена факторов, а соответственно и смена одной геохимической обстановки другой обуславливаются природными особенностями конкретного участка биосферы. Во второй – такая смена геохимических обстановок происходит в результате антропогенной деятельности. Оба типа геохимических барьеров подразделяются Перельманом на три основных класса: физико-химические, биогеохимические и механические. Первый из них связан с изменением физико-химической обстановки. К настоящему времени детальная классификация разработана только для этого класса барьеров, а точнее, для случая осаждения химических элементов, мигрирующих в ионной форме в водах с различными окислительно-восстановительными и щелочно-кислотными условиями. Вариант этой классификации приведен на демонстрационном листе. Механические барьеры представляют собой участки резкого уменьшения интенсивности механической миграции. Они в основном связаны с антропогенным типом миграции химических элементов в минеральной или коллоидной форме. Перемещение коллоидов и минералов может происходить в воздушной и водной средах, а также на границе сред (скатывание обломков по склонам). Биогеохимические барьеры, в отличие от многих других, связаны в основном с природным типом миграции химических элементов. По своей сути они представляют собой накопление химических элементов растительными и животными организмами. Эти геохимические барьеры относятся к числу наиболее распространенных в биосфере. Концентрация химических элементов на геохимических барьерах непосредственно является частью биологического круговорота этих элементов. Накопление химических элементов (соединений) на геохимических барьерах часто приводит к их аномальным концентрациям. При определенных условиях концентрация и общее содержание элементов на барьере резко возрастают, образуются месторождения полезных ископаемых. До недавнего времени рассматриваемые процессы были только природными. Сейчас техногенные процессы достигли таких масштабов, что и на природных, и на техногенных барьерах под их воздействием возможно накопление определенных элементов (соединений) в промышленных концентрациях. Так формируются техногенные месторождения различных полезных ископаемых, в первую очередь – металлов. Геохимические барьеры могут существенно отличаться друг от друга не только концентрациями определенных элементов и их общим количеством на барьере, но и величиной самих барьеров. По этому критерию А.И. Перельман выделил макро-, мезо- и микробарьеры. К первым из них он отнес геохимические барьеры шириной до первых километров и длиной тысячи километров. Примером таких барьеров являются современные и древние зоны смешивания пресных речных вод с солеными морскими. Протяженность мезобарьеров доходит до десятков километров при ширине до сотен метров. Их примером являются краевые зоны болот, где отлагаются многие элементы, сносимые с водоразделов. Разделы микробарьеров колеблются от нескольких миллиметров до первых метров. Своеобразные микробарьеры возникают на отдельно разлагающихся на дне водоема раковинах или рыбах. Их также можно наблюдать в родниках, на месте выхода на дневную поверхность глеевых вод, из которых в присутствии свободного кислорода воздуха отлагается окислившееся трехвалентное железо Fe(OH)3. Иногда к одному и тому же барьеру поступают химические элементы (соединения) из разных миграционных потоков. В этих случаях возникают многосторонние барьеры. Довольно часто при поступлении нескольких миграционных потоков в одно место геохимический барьер образуется именно за счет слияния этих потоков. В таких случаях возможно образование не только многосторонних, но и комплексных барьеров. Последние представляют собой пространственное наложение друг на друга нескольких разных геохимических барьеров. Иногда барьеры разделяются в зависимости от положения в пространстве поступающих к ним миграционных потоков. Если они продвигаются в субгоризонтальном направлении, например по границе почв и подстилающих их горных пород, то говорят о латеральных геохимических барьерах. При вертикальном и слабонаклонном продвижении миграционного потока (независимо от того, сверху вниз или снизу вверх) формируются вертикальные, или радиальные барьеры. Само положение барьера относительно поступающего к нему миграционного потока может изменяться. Если барьер перемежается в направлении водного потока, но медленнее фильтрации вод, то перед барьером в водах повышается концентрация химических элементов. Сам же миграционный поток также может передвигаться, обычно перпендикулярно или под углом к геохимическому барьеру. С подобным явлением приходится часто встречаться, когда русла рек постепенно меняют свое положение при впадении в моря и озера. При этом на барьерах формируется своеобразная зональность распределения химических элементов. Вообще же следует отметить, что понятие о геохимических барьерах относится к числу важнейших в геохимии. Но изучение таких барьеров началось сравнительно недавно, и многие особенности накопления на них химических элементов еще не выявлены. Количественные характеристики геохимических барьеров К числу важнейших количественных параметров (см. таблица 1 на демонстрационном листе) относится градиент барьера. Он определяется по формуле: G = (m1 – m2) / L, где m1 – числовое выражение величины одного из показателей, определяющих изменение геохимической обстановки на барьере, установленное в миграционном потоке перед барьером; им могут быть величины pH, t, P, Eh, количество растворенного в воде кислорода, или сероводорода и т.д.; m2 – числовое выражение величины этого же показателя в миграционном потоке сразу же после барьера; L – мощность (ширина) барьера. Величина градиента барьеров может быть выражена в градусах/м; pH/м; Eh/м и других показателях. Еще одной количественной характеристикой геохимических барьеров является контрастность барьера S, определяемая по формуле: S = m1 / m2 Так как в итоге на геохимическом барьере в большинстве формируются геохимические аномалии, то о контрастности барьера можно судить и по контрастности образовавшихся геохимических аномалий: К = Са / Сф, где Са – среднее содержание рассматриваемого компонента в аномалии; Сф – фоновое содержание в ландшафте (определенном типе горных пород, почв, осадков, вод, растений и т.д.), аналогичном ландшафту, в котором расположен рассматриваемый барьер. Обычно интенсивность накопления химических элементов (их соединений) усиливается с возрастанием градиента и контрастности геохимических элементов. Для расчета концентрации элементов на барьере (h) была выведена следующая формула: h = К ∙ (С1 – С2) / (а1 – а2) где К – коэффициент, зависящий от «инертной» массы (почв, осадков, живого вещества и т.д.), на которой происходит накопление рассматриваемого вещества; С1, С2 – содержание рассматриваемого вещества в миграционном потоке соответственно до и после барьера; а1, а2 – общее содержание всех веществ, мигрирующих в потоке соответственно до и после барьера. Из приведенной формулы видно, что для концентрации какого-нибудь элемента на барьере не обязательно его высокое содержание в мигрирующих потоках. Если данный участок является барьером только для одного или нескольких элементов (соединений), а у большинства остальных элементов (соединений) на этом участке интенсивность миграции не изменяется, то даже при низкой концентрации рассматриваемого элемента в мигрирующем потоке его концентрация на барьере может со временем стать очень высокой, вплоть до образования рудных тел. Следует отметить, что сейчас возникает необходимость чаще пользоваться указанной особенностью геохимических барьеров при формировании техногенных барьеров. Особое внимание следует при этом уделять формам нахождения химических элементов в миграционном потоке, их относительному количеству и особенностям самой среды миграции, так как именно они во многом определяют процесс осаждения элементов (соединений) на различных геохимических барьерах. Принцип торможения химических реакций В миграционных потоках, как и в других природных геохимических системах, содержится ряд геохимических элементов, способных вступать в химические реакции между собой и осаждаться на образующихся геохимических барьерах. Некоторых элементов в системе может быть настолько много, что их хватает для реализации всех возможных реакций. Эти элементы в данной системе являются избыточными. Например, на поверхности Земли таким элементом является кислород. Его содержание не лимитирует протекание реакций окисления, и он продолжает оставаться одним из основных газов в атмосфере. В системах кислых магм избыточен SiO2. Его хватает для реализации всех реакций и после этого он еще остается, выделяясь в виде кварца. К дефицитным в данной системе элементам относятся те, низкое содержание которых не позволяет реализовать все термодинамически возможные реакции. Элементы, избыточные в одной природной системе, могут быть недостаточными в другой. Так, в глубинах Земли становится дефицитным О2, а в основных магмах - SiO2. В 1941 году А.И.Перельман сформулировал принцип торможения химических реакций (принцип Перельмана), учитывающий наличие в системе избыточных и недостаточных химических элементов: если в системе один из реагентов присутствует в количестве, недостаточном для реализации всех возможных реакций, то осуществляются лишь те реакции, для которых характерно максимальное химическое сродство. Сущность принципа его автор иллюстрирует примером, хорошо известным из курса химии. Если к раствору с равными концентрациями Cl- и J- добавлять по каплям AgNO3 (в данной системе он будет дефицитным реагентом), то сначала начнет осаждаться AgJ. Это будет связано с его более низкой растворимостью по сравнению AgCl. На первом этапе реакция осаждения AgJ «тормозит» осаждение AgCl, так как при отсутствии J шло бы осаждение AgCl. В дальнейшем, по мере расходования J, концентрация Ag+ в растворе начинает расти (растворимость AgJ – величина постоянная). Наступит момент, когда вместе с AgJ станет осаждаться AgCl. После того, как будет израсходован весь J- (ионы перейдут в осадок), начнется осаждение чистого AgCl. В отличие от лабораторного эксперимента в природных условиях процесс полного расходования ионов в системе практически не происходит – их новые порции поступают извне. Создаваемая в этих условиях обстановка для продолжительного проявления принципа торможения более благоприятная, чем в лаборатории при исследовании рассмотренного выше дробного осаждения. |