В курсовой работе рассматривается введенное в естественные науки в 1961 году академиком А. И. Перельманом новое фундаментальное понятие геохимические барьеры
 Скачать 0.57 Mb.
|
|
Сорбционные барьеры Сорбционные геохимические барьеры формируются на участках встречи водного или газового потока с сорбентами. До последнего времени сорбционные барьеры выделялись только при миграции в водных потоках. Изучение миграции поллютантов техногенного происхождения показало большую роль сорбционных барьеров в концентрации в ландшафтах загрязняющих веществ при аэрозольном переносе. Правда, в большинстве подобных случаев мы имеем дело с комплексными (обычно сорбционными и механическими) барьерами. Примеры сорбционных геохимических барьеров: Наиболее часто встречающимися сорбционными барьерами являются участки, на которых водные растворы, как правило, с концентрацией ионов, далеко не достигающей насыщения (в этих случаях не идет осаждение их собственных минералов), встречаются с природными сорбентами (рисунок 6 на демонстрационном листе). Среди последних резко преобладают глины, гумусовые вещества и гидроксиды Fe и Mn. Рассматриваемые барьеры характерны для краевых зон болот (сорбентом является торф), гумусовых и глинистых почв, кор выветривания. Сорбционные процессы, происходящие в Океане и речных водах (несомненным является то, что они относятся к числу основных процессов, очищающих воды от многих токсичных элементов), также можно рассматривать как формирование громадного сорбционного макробарьера. Сорбционные барьеры таких же громадных барьеров, как рассматриваемые выше в Океане, формируются и в атмосфере. Многочисленные аэрозоли природного и техногенного происхождения сорбируют молекулы определенных газов. В результате миграция этих газов существенно ограничивается, так как контролируется перемещением сорбировавших их аэрозолей и временем нахождения последних в атмосфере. Таким образом, идет формирование подвижного сорбционного барьера для целого ряда газов. В свою очередь сорбированные молекулы газов создают вокруг аэрозолей своеобразную воздушную адсорбционную оболочку. Это позволяет аэрозолям (включая тонкую пыль), адсорбировавших газы, находиться в воздухе не 5 суток, как обычно, а 40 суток. Увеличение срока нахождения в атмосфере пыли способствует увеличению дальности ее переноса от места поступления до места концентрации на механических барьерах. В итоге могут появиться геохимические аномалии (и в первую очередь техногенные), оторванные от источников загрязнения. В атмосфере одновременно с процессами сорбции происходит сталкивание и соединение разноименно заряженных частиц. Эти процессы также приводят к образованию в атмосфере сорбционных макробарьеров. Однако в отличие от барьеров, связанных с сорбцией газов, дальность миграции частиц в атмосфере в этом случае не увеличивается, а резко уменьшается, так как происходит укрупнение частиц и увеличение их массы. Расчеты показывают, что скорость осаждения коллоидных частиц в воздухе в 600 раз больше, чем в воде. Следовательно, укрупнение аэрозолей приводит к их более локальному осаждению в ландшафтах суши. При этом происходит сближение (пространственное и генетическое) сорбционного и механического барьеров. Заряд частиц, попавших в атмосферу, может быть изначальным или приобретенным. Обычно основные вещества (CaO, ZnO, MgO и т. д.) заряжены отрицательно, а угольная пыль (дым) и кислые вещества (SiO2, P2O5 и т.д.) – положительно. Чем больше разноименно заряженных частиц будет находиться в определенной части атмосферы (над городом или даже отдельными предприятиями), тем чаще они сталкиваются, соединяются и оседают. Таким образом, чем больше разнообразных предприятий – источников разнозаряженных аэрозолей – находится рядом, тем меньше становится дальность переноса аэрозолей. Это, с одной стороны, уменьшает глобальные (с точки зрения пространственного распространения) последствия аэрозольного переноса техногенной природы, так как уменьшается дальность переноса. С другой стороны, на небольшой площади территории, обычно с максимальной плотностью населения, оседает максимум загрязняющих веществ. Их относительное рассеивание становится незначительным, но токсичное воздействие резко возрастает. Это, а также общее большое промышленных центров с разнообразными предприятиями позволяет относить последствия формирования рассматриваемого техногенного барьера к глобальным техногенным явлениям в биосфере. Термодинамические геохимические барьеры Формирование термодинамических барьеров происходит при довольно резком изменении давления и температуры в конкретных геохимических системах. К настоящему времени в биосфере природные термодинамические барьеры преобладают над техногенными. Последние, как правило, возникают в процессе выполнения отдельных технологических операций и пока существенного влияния на общее состояние биосферы не оказывают. Наиболее иллюстративным является образование из растворов, продвигающихся по трещинам в горных породах, травертина (карбонат кальция). Процесс проходит при быстром падении давления, связанном с раскрытием трещин или приближением (выходом) на поверхность подземных гидрокарбонатно- кальциевых вод. Наибольшую известность получили травертины, образовавшихся на термодинамических барьерах крупнейших курортов, связанных с минеральными водами (районы Эльбруса и Казбека, горы горячей в Пятигорске, Карловых Вар). Если формирование описываемых барьеров происходило в рудных районах, то продвигающиеся растворы обогащались рудными элементами, являющимися индикаторами оруднения в этих районах. При отложении на поверхности травертина вместе с ним выпадали из растворов и соответствующие металлы. Так, к примеру, травертины Коксу-Текелийского полиметаллического района обогащены Pb и Zn. Пример термодинамического барьера приведен среди барьеров, образующих комплексный, в разделе 6: отложение цинка при распаде его хлоридных комплексов, связанное с охлаждением горячих рассолов (56°С) в Красном море. 3. МЕХАНИЧЕСКИЕ БАРЬЕРЫ Механические барьеры формируются в условиях резкого уменьшения интенсивности механической миграции веществ. Подробная классификация этих барьеров пока еще не разработана. Так как сами барьеры всегда представляют механическую преграду для веществ, перемещающихся в миграционном потоке, то их удобно разделять в зависимости от форм нахождения мигрирующих веществ и элементов потока, в котором эти вещества перемещаются (таблица 3.1) Таблица 3.1 – Классификация механических барьеров
Условные обозначения: «-» - барьер практически не получил развития; «+» - роль барьера незначительна; «++» - барьер получил широкое развитие в биосфере; «+++» - один из основных механических барьеров. Механические барьеры в водных потоках На механических барьерах осаждаются переносимые водными потоками минералы с находящимися в них изоморфными примесями (барьер I1, таблица 3.1), коллоиды с сорбированными ими веществами (барьер I3), живые и отмершие животные и растительные организмы (барьер I4), техногенные соединения, не имеющие природных аналогов (барьер I5). Осаждение минералов происходит практически на всем протяжении водных потоков, постоянных и временных, которые могут быть на суше (реки, ручьи и т.д.) и в океане (течения, волноприбойная деятельность). На природных барьерах идет дифференциация в зависимости от массы перемещаемых обломков. Если же рассматривать обломки одного размера, то дифференциация будет происходить от удельного веса. При этом большое влияние могут оказывать ландшафтно–геохимические особенности места расположения механического барьера. За счет дифференциации на природных барьерах I1 могут формироваться высокие концентрации отдельных минералов. В случае их промышленных запасов образуются россыпные месторождения самородных Au и Pt, алмазов, гранатов, цирконов и т.д. (большая часть золота в России добывается из россыпных месторождений). Иногда промышленную ценность представляют изоморфные примеси, содержащиеся в основных минералах россыпей (примером может служить Hf, извлекаемый из циркона). Протяженные россыпи образуются в прибрежных зонах морей благодаря гидродинамической деятельности морских вод. Многие из таких россыпей имеют большое промышленное значение. Размеры барьеров различные (от микро- до макро-). Как правило, природные концентрации химических элементов на механических барьерах I1 не представляют опасности для живых организмов, так как находятся в труднорастворимых минералах. Техногенные минералы I1 в основном связаны с гидротехническими сооружениями. На континентах это чаще всего плотины, перегораживающие реки. Поскольку они преграждают путь как мелким, так и крупным обломкам, то дифференциация веществ на этих техногенных барьерах гораздо меньше, чем на природных. Промышленных скоплений каких-либо химических элементов на техногенных барьерах I1 пока не выявлено. При большой скорости отложения обломочного материала происходит быстрое заполнение водохранилищ терригенным материалом, поэтому теряет смысл построение плотин. Строительство плотин в нижних частях рек и возникновение на них механических барьеров препятствуют выносу терригенного материала в моря. Это в свою очередь может приводить к разрушению пляжей. Так как практически все крупные реки северно-западной части бассейна Черного моря перегорожены плотинами, для предотвращения разрыва пляжей в прибрежных ландшафтах этой части моря создаются (с учетом морских течений) специальные железобетонные сооружения, которые не только не предотвращают размыв, но и способствуют восстановлению пляжей. Таким образом, создаются новые механические техногенные барьеры I1. Осаждение коллоидов из водных потоков на природных механических барьерах I3 не получило широкого распространения, хотя, по мнению ряда исследователей, именно таким путем сформировались мощные толщи лёсса не только в поймах рек, но и в предгорьях. На техногенных барьерах, связанных с барьерами, происходит довольно интенсивное отложение глинистых коллоидных частиц. Особенно широкое развитие этот процесс получил в водохранилищах, созданных в равнинных условиях. Концентрация животных и растительных организмов, переносимых водными потоками, на механических барьерах I4 относительно невелика. Гораздо больше на механических барьерах отлагается отмерших организмов. Довольно значительное распространение это явление получило в процессе формирования ряда морских пляжей. Механические барьеры I5 начали развиваться только в последнее время, когда значительная масса твердых техногенных соединений стала попадать в водные потоки. Концентрация таких соединений, не имеющих природных аналогов, происходит как на техногенных, так и на природных механических барьерах. Поскольку размеры и масса отдельных обломков и изделий колеблются в очень больших пределах (от обломков различных механизмов и автомобильных покрышек до пробок от бутылок и синтетических кульков), они осаждаются на различных по значимости барьерах практически по всей протяженности загрязненных постоянных и временных потоков, а также на пляжах. К сожалению, масса веществ, накапливающихся на механических барьерах I5, возрастает, и проблема их ликвидации вскоре может стать одной из основных при решении многих экологических задач. В качестве примеров техногенных механических барьеров можно привести случаи размыва хвостохранилищ Огневского, Белогорского и Асубулакского рудников. Примерно третья часть хвостов по различным причинам подверглась утечкам и, в конечном счете, снесена малыми реками, дренирующими техногенные отходы, в прибрежную зону водохранилищ. Наиболее высокое загрязнение донных отложений произошло в местах впадения рек Аюды в Бухтарминское, Таинты и Маралушки в Усть-Каменогорское водохранилища. Ориентировочно можно считать, что суммарное поступление в Усть-Камногорское водохранилище техногенных минеральных образований из Асубулакского и Огневского промузлов составило около 5-7 млн. м3, которые могли содержать не менее 150 тонн тантала, 300 тонн олова, 200 тонн ниобия, 3000 тонн бериллия, 5000 тонн лития, 1500 тонн цезия и 3000 тонн рубидия. Основная масса минеральных образований снесена в водоемы и сорбирована глинами, а более крупная фракция отложена на механических барьерах в створах рек Таинты и Маралушка, где сформированы подводные песчаные косы. В качестве примера можно привести Огневскую косу, которая находится в месте впадания реки Таинты в усть-Каменогорское водохранилище. Образована она за счет размыва и сноса Асубулакских, Таинтинских и огневских хвостов, песков, вскрышных пород, а также аллювиально-деллювиальных отложений с Таинтинско-Таргынско-Асубулакского водозабора площадью более 40 км2. Наносами создана естественная « перемычка» русла реки Иртыш, прослеживающаяся в виде подводной косы до середины реки. Источником техногенного загрязнения Аюдинского залива Бухтарминского хвостохранилища явились хвосты обогащения, снесенные с Белогорских хвостохранилищ, располагающихся в 28 км в верховьях реки Аюда. Пик загрязнения залива, вероятно, приходился на 50-60-е годы, когда значительная часть хвостов была снесена названной рекой в залив и отложена в виде песчаных намывных пляжей и кос в местах сопряжения уровня вод основного водоема с речным стоком. Песчаные отложения прослеживаются в различных местах на расстоянии 1,5 км приустьевой поймы реки. Таким образом, все техногенные косы начали формироваться в 50-е годы в основном за счет хвостов обогатительных фабрик. В последующие годы среди наносов Огневской косы превалировали отвальные образования отработки Асубулакских россыпей, а Маралушинской и Аюдинской кос – природные аллювиальные отложения. Дальнейшее формирование кос будет зависеть от уровня затоплений во время половодий и паводков. Механические барьеры в воздушных потоках Из воздушных потоков на механических барьерах осаждаются обломки минералов (барьер К1), растворенные газовые смеси и пары (барьер К2), твердые коллоидные частицы (К3), животные и растительные организмы (К4), техногенные соединения (барьер К5). Как правило, эти барьеры относятся к природным. Осаждение обломков минералов (песка), переносимых в воздушных потоках, часто происходит на мезобарьерах. Одним из примеров такого, но перемещающегося барьера являются дюны. Скорость их передвижения в разных районах обычно колеблется от 18 до 35 метров в год. Обломки минералов переносятся и в агроландшафтах во время сильных пыльных бурь. В этом случае (при достаточном уменьшении силы ветра) началом формирующегося механического барьера могут становиться деревья, кусты и даже телеграфные столбы. При переносе в воздушных потоках паров воды барьерами обычно служат горные системы. Классическим примером является район города Рио-де-Жанейро, зажатый между горами и Атлантическим океаном. Выпадение на барьере из облаков осадков в виде дождя приводит к экологическим бедствиям. Катастрофические наводнения в этом районе, связанные с продолжительными ливнями, происходят довольно часто. Широко распространены в природе механические барьеры, на которых отлагаются коллоидные частицы, перемещающиеся в воздушных потоках (К3). Наибольший интерес представляют механические барьеры, образующиеся около предприятий и населенных пунктов. Почвы значительных по размерам заселенных территорий можно рассматривать как крупные техногенные литохимические аномалии, образовавшиеся преимущественно за счет осаждения коллоидных частиц их атмосферного воздуха. Основными источниками этих частиц являются различные промышленные предприятия и транспорт. Этот вид механических барьеров может служить прекрасным показателем антропогенного загрязнения среды. Довольно часто на таком барьере откладываются и мелкие обломки минералов (совмещаются механические барьеры К1 и К3), но основную часть все же составляют коллоиды (пыль). О громадном значении этого явления можно судить уже по тому, что после пыльных бурь в 1969 году на Дону и Кубани высота валов пыли, отложившейся на механических барьерах в Краснодарском крае, иногда доходила до 5 метров. Концентрация на механических барьерах К4 относительно крупных организмов происходит совместно с мелкими обломками минералов (барьер К1), а споры и пыльца растений (так же, как и бактерии) часто прекращают миграцию вместе с неорганическими коллоидными частицами. По массе количество веществ, осаждающихся на барьерах К4, чрезвычайно мало. Однако их роль в развитии биосферы значительна. Осаждение на механических барьерах К5 техногенных соединений, мигрирующих в воздушных потоках, все возрастает (чаще всего в газообразной и коллоидной формах). Как правило, этот процесс приводит к ухудшению состояния среды, окружающей человека. 4. БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ БАРЬЕРЫ На биогеохимических барьерах происходит резкое уменьшение интенсивности миграции химических элементов под воздействием организмов. Это обуславливается способностью организмов накапливать элементы в процессе жизнедеятельности. Это может быть относительно кратковременное накопление химических элементов растительными и животными организмами; при этом после их отмирания (а жизнь отдельных организмов может продолжаться от часов до столетий) сконцентрировавшиеся элементы практически сразу вовлекаются в процесс миграции и в первую очередь в биологический круговорот. Возможны и захоронения отмерших организмов. Тогда накопившиеся в них элементы могут быть связаны сотни миллионов лет. В таких случаях они находятся в залежах угля, торфе, органическом веществе, рассеянном в осадочных породах. При изучении биогеохимических барьеров основное внимание уделяется общим закономерностям процесса накопления химических элементов организмами. Известно, что биомасса растений примерно в 1000 раз больше зоомассы. Соответственно и большая масса веществ накапливается на биогеохимических барьерах, представленных растениями. Однако процесс накопления химических элементов животными организмами (не в последнюю очередь обусловленный накоплением элементов растениями), а особенно его последствия часто имеют особо большое значение для людей. Однако, несмотря на это, особенности таких биогеохимических барьеров к настоящему времени изучены в гораздо меньшей мере. Обусловлено это, не в последнюю очередь, более упрощенной формой контроля процесса накопления элементов у растений, чем у животных. Значимость проблемы за последние десятилетия резко увеличилась. Без изучения концентраций загрязняющих веществ в организмах практически невозможно оценивать последствия антропогенной деятельности. Ведь само определение загрязнения каким-либо элементом подразумевает причинение вреда живому организму (человеку) вследствие этого, поэтому важным является найти взаимосвязь между загрязнением и накоплением химических элементов. Однако данные о распределении биомассы дают возможность получить представление только об общем количестве веществ, сконцентрированных в настоящее время на непосредственно действующих (еще не захороненных) биогеохимических барьерах. Данные о ежегодной продукции живого вещества в различных ландшафтно-геохимических условиях суши позволяют говорить об общей скорости накопления химических элементов на всех биогеохимических барьерах в определенных ландшафтно-геохимических зонах континентов (таблица 4.1)[1]. Таблица 4.1 – Ежегодная концентрация живого вещества (продукция) на биогеохимических барьерах в различных ландшафтно-геохимических условиях (по данным П. Дювиньо и Р.Дажо)
Исходя из представленных данных, можно увидеть, что наибольшая масса веществ концентрируется за год на природных биогеохимических барьерах в ландшафтах лесов. С этим явлением может быть связано большое очищающее действие на грунтовые воды (извлечение растворенных веществ) лесных ландшафтов. Ландшафты с сельскохозяйственными культурами могут рассматриваться как зоны развития техногенных биогеохимических барьеров. Одной из отличительных черт является большая (по сравнению с природными барьерами) выборочность концентрации определенных элементов. Она объясняется двумя основными причинами: развитием монокультур и подбором растений (выращиваемых монокультур), концентрирующих преимущественно определенные вещества. Следует также отметить, что общее количество веществ, концентрирующихся на техногенных биогеохимических барьерах, весьма существенно изменяется в зависимости от культивируемых растений. А каждая из рассматриваемых культур содержит ряд веществ в существенно повышенных концентрациях. Концентрация веществ на биогеохимических барьерах в Океане еще более неравномерная. В прибрежных районах и на участках поднятия глубинных вод, обогащенных питательными веществами, она гораздо выше, чем в водах (удаленных от суши) экваториального пояса. Выделяемую отдельно зоомассу можно рассматривать как своеобразный (подвижный) барьер. Влияние этого геохимического барьера на общую миграцию элементов в биосфере и на их биологический круговорот гораздо меньше, чем барьеров, связанных с растениями. Однако на жизнь людей животные организмы оказывают большое влияние (поскольку относятся к числу основных продуктов питания) и, следовательно, важным является знать взаимосвязь между загрязнением окружающей среды и накоплением элементов в организмах животных. Если рассматривать животные организмы Океана, то их зоомасса также колеблется в очень широких пределах в зависимости от конкретных условий аквальных ландшафтов и времени года. Вообще же следует, что если физико-химические и механические барьеры могут служить показателем только количества мигрирующих элементов (показателем загрязнения), то биогеохимические – плюс к этому показателем влияния этих загрязнителей на биосферу. Но, конечно же, найдя четкие взаимосвязи, для облегчения задачи, можно оценивать воздействие на организмы посредством анализа физико-химических и механических барьеров. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||