Геохимические барьеры и защита окружающей среды

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  МОСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ОБЛАСТНОЙ УНИВЕРСИТЕТ

ГЕОГРАФО-ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ  ФАКУЛЬТЕТ

КАФЕДРА ОБЩЕЙ И РЕГИОНАЛЬНОЙ ЭКОЛОГИИ

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

Специальность: геоэкология

«Геохимические барьеры и защита окружающей среды».

 

 

 

Исполнитель:

Студент 34 группы                                            Мазуров Андрей Анатольевич

 

Научный руководитель                                       Новиков Анатолий Петрович

 

 

 

 

 

 

МОСКВА

2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение…………………………………………………………………...…...3-4

Глава1. Общие положения ………………………………………………....5-7

Глава 2. Виды геохимических барьеров…………………………………..…8-12

Глава 3. Техногенные геохимические барьеры и защита окружающей среды…………………………………………………………………..…...…12-18

Итоги………………………………………..…………………………………..32

Список использованных источников информации. ………………………33

Приложения. …………………………………………………………….….34-40

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Как и в биосфере в целом, в пределах отдельных ландшафтов и в их группах, составленных по определенным признакам, практически непрерывно идет перемещение атомов химических элементов, часто с изменением форм их нахождения. Другими словами, идут процессы миграции. Однако их интенсивность  в разных участках биосферы может  весьма различаться. Само же перемещение, как правило, можно ограничить в  пространстве, выделив своеобразный миграционный поток.

Участки биосферы (и даже земной коры), на которых в миграционном потоке на коротком (по сравнению с  его протяженностью) расстоянии резко  уменьшается интенсивность миграции химических элементов и, как следствие  этого процесса, повышается их концентрация, получили название геохимических барьеров. Этот термин был предложен в 1961 г. А.И. Перельманом. Им же были разработаны  основы учения о геохимических барьерах, которое к настоящему времени  стало одной из важнейших частей целого ряда наук о Земле.

Геохимические барьеры –  участки ландшафтной сферы, на которых  происходит резкое уменьшение интенсивности  миграции и концентрация химических элементов и соединений. С латеральными (боковыми) миграционными потоками и сменой на их пути геохимической  обстановки связано появление ландшафтно-геохимических  барьеров, а с радиальными (вертикальными) потоками и контрастностью условий  миграции в различных генетических горизонтах почв — почвенно-геохимических  барьеров. По форме геохимические барьеры разделяются на линейные, приуроченные к границам между элементарными ландшафтными ареалами, и площадные, имеющие субгоризонтальное простирание. Размеры геохимических барьеров могут варьироваться от нескольких сантиметров до сотен и тысяч метров. Выделяют следующие основные виды геохимических барьеров: механические — участки резкого изменения скорости движения миграционных водных потоков или ветра, на которых происходит накопление химических элементов и соединений, передвигающихся в виде обломочных частиц различного размера; физико-химические — возникающие на участках резкого изменения окислительно-восстановительных и/или щелочно-кислотных характеристик природных вод (среди них выделяют кислородный, сульфатный, карбонатный, испарительный и др.); биологические — приурочены к местам накопления химических элементов и соединений за счет жизнедеятельности различных организмов.

В природе встречаются  как отдельные виды геохимических  барьеров, так и их разнообразные  сочетания. Каждая разновидность геохимического барьера обладает способностью концентрировать лишь определенную ассоциацию мигрирующих веществ (например, на карбонатном геохимическом барьере теряют подвижность ионы Ca, Sr, Ba; на испарительном — ионы Li, Na, Mg, Ca, U и т.п.). Детальное изучение геохимических барьеров является одной из основных задач геохимии ландшафта в связи с огромной практической значимостью, так как концентрации отдельных элементов на геохимические барьеры могут достигать значимых в промышленном отношении величин, а также иметь экологические последствия. Геохимические барьеры выполняют функцию природных "фильтров", сильно снижающих миграционную способность большинства загрязнителей и способствующих их фиксации и различению. Более того, теория геохимических барьеров служит основой для научного обоснования создания искусственных геохимических барьеров (техногенные геохимические барьеры), ограничивающих или полностью исключающих распространение химических загрязнителей.

 

 

Глава 1. Общие положения.

 

Геохимические барьеры. Этим термином А.И, Перельман в 1961 году предложил именовать участки земной коры, в которых на коротком расстоянии происходит резкое уменьшение интенсивности миграции химических элементов и, как следствие, их концентрация. Явление, которое именуется геохимическим барьером, привлекало внимание исследователей и ранее, в частности, при изучении условий образования минералов и руд, при трактовке процессов осаждения элементов из вод. Однако ранее оно рассматривалось изолированно, как предмет разных наук – минералогии, литологии, почвоведения, науки о рудных месторождениях и т.д.

Но в почвах, илах рек  и озер, корах выветривания, горизонтах грунтовых вод, зонах разломов и других системах протекают сходные процессы концентрации элементов. Это и позволило установить общие типы таких процессов, сформулировать понятие о геохимическом барьере, которое относится к фундаментальным понятиям геохимии. Главная особенность барьера – резкое изменение концентрации элементов, это зона, где одна геохимическая обстановка сменяется другой. Между понятием «геохимический барьер» и «геохимическая обстановка», следовательно, имеется глубокая связь: уменьшение пространства, занимаемого обстановкой, приводит к переходу количества в качество, превращению обстановки в барьер и наоборот.

На геохимических барьерах образуются руды большинства месторождений, различные геохимические аномалии, приводящие к загрязнению окружающей среды, другие практически важные виды концентрации элементов. Все это  определяет важность изучения геохимических  барьеров. По стабильности своего положения  геохимические барьеры подразделяются на подвижные и неподвижные. Неподвижные барьеры занимают фиксированное положение в пространстве. Они распространены более широко, так как обычно смена параметров среды связана с изменением каких-то характеристик ландшафта, занимающих фиксированное положение.

Подвижные барьеры могут  возникнуть в тех случаях, когда  сам миграционный поток является причиной изменения химизма среды. Например, поток грунтовых вод, богатых  свободным кислородом, проникает  вглубь зоны, характеризующейся восстановительной  обстановкой. Зона раздела этих сред является геохимическим барьером, и  с течением времени барьер будет  все более смещаться в направлении  движения водного потока.

При совмещении в одном  месте различных геохимических  процессов формируются комплексные  барьеры, образующиеся в результате наложения двух и или нескольких взаимосвязанных геохимических  процессов. Выделяют также двухсторонние  барьеры, которые формируются при  движении различных элементов к  барьеру с разных сторон. На двухстороннем  барьере происходит осаждение разнородной  ассоциации химических элементов.

Различаются также латеральные  барьеры, образующиеся при движении вод в субгоризонтальном направлении, например на границе элементарных ландшафтов, и радикальные (вертикальные) барьеры, формирующиеся при субвертикальной (снизу вверх или сверху вниз) миграции растворов в почвах, зонах разломов, корах выветривания и т.д. В зависимости от способа массопереноса различаются диффузионные и инфильтрационные барьеры. В.С. Голубев разработал понятие о подвижном геохимическом барьере, когда барьер перемещается медленнее фильтрации вод. В основу классификации геохимических барьеров положены виды миграции. Выделяется два основных их типа – природные и техногенные. Природные в свою очередь разделяются на три класса:

1) механические барьеры — участки резкого уменьшения интенсивности механической миграции; 2) физико-химические барьеры — участки резкого уменьшения интенсивности физико-химической миграции; различают окисли тельные А, восстановительные В и С, щелочные D, кислые Е и прочие барьеры; 3) биогеохимические барьеры связаны с уменьшением интенсивности биогенной миграции (угольные залежи, торф, концентрации металлов в гумусовых горизонтах почв и т. д.).

Техногенные геохимические  барьеры—результат техногенной  миграции. Они также разделяются на три класса — механические, физико-химические и биогеохимические барьеры. Изучение техногенных барьеров приобретает важное значение в связи с охраной природы и борьбой с загрязнением окружающей среды. Размеры барьеров различны и можно говорить о макро-, мезо-, и микро барьерах (аналогично макро-, мезо- и микрорельефу, климату и т. д.).

Следовательно, главное значение имеют не абсолютные, а относительные  размеры барьеров. Барьеры — это  граница, переходная область, где одна устойчивая обстановка на сравнительно коротком расстоянии сменяется другой. Напри мер, зона встречи пресных  речных вод с морскими в устьях рек представляет собой геохимический  барьер шириной в сотни и тысячи метров, но по сравнению с пространствами океана и дли ной рек (тысячи километров) это ничтожная величина. В почвах мощность отдельных горизонтов обычно измеряется десятками сантиметров, а граница между ними (геохимический барьер) — миллиметрами и сантиметрами.

Изменение геохимических  показателей m (t, P, Eh, рН и т. д.) в направлении миграции химических элементов называется градиентом барьера G (рис. 1):

 

Рис. 1. Параметры геохимического барьера:

 

1 — направление миграции  химических элементов до барьера,  2 — после барьера, 3 — область концентрации элементов на барьере (рудные тела, аномалии и др.), m₁ — геохимические характеристики среды до барье ра, m₂ — после барьера, l— длина барьера

 

G = dm/dl или G = (m₁ — m₂ )/ l

 

где m₁ - значение данного геохимиче ского показателя до барьера, m₂ - пос ле барьера, l -ширина барьера.

При изучении геохимических  барье ров желательно строить функции m = f ( l) и устанавливать тип кривой.

Контрастность барьера S характеризуется отношением величины геохимических показателей в направлении миграции до и после барьера:

 

 

 

Интенсивность накопления элемента увеличивается с ростом контрастности  и градиента барьера.

Чтобы построить общую  систематику физико-химических барьеров, надо учесть хотя бы основные, наиболее распространённые в природе случаи изменения физико-химических параметров среды. Основной средой миграции на Земле  является водная среда. Химизм поверхностных  и грунтовых вод определяется условиями их формирования. В зависимости  от них формируются воды с конкретными  параметрами по кислотности и  окислительно-восстановительным условиям, поэтому, если учитывать эти два наиболее важных параметра в качестве основных, мы будем иметь 12 классов вод.

Мигрируя в ландшафте, эти воды могут попадать в обстановки, характеризующиеся иными параметрами. Если параметры исходных вод разместить в виде столбцов (арабские цифры  от 1 до 12), а возможные направления  изменений в среде их миграции – по горизонтали (латинские буквы, обозначающие тип геохимического барьера), получится систематика физико-химических барьеров в форме таблицы (матрицы).

Разработана эта классификация  А.И. Перельманом. Позднее, А.И. Летувнинкас, внёс в эту классификацию ценное дополнение, показав тёмно-серым цветом клеточки, отвечающие барьерам, существование которых невозможно по определению («запрещённые» барьеры). А светло-серым цветом он выделил клеточки, отвечающие барьерам, существование которых теоретически возможно, но пока они в природе достоверно не выявлены и не изучены.

 

Рис. 2.2.1. Классификация геохимических  барьеров А.И. Перельмана с дополнениями А.И. Летувнинкаса

 

Окислительные (кислородные) барьеры (А)

При резкой смене восстановительных  условий на окислительные возникает  окислительный барьер А (кислородный). Он возникает при смене резковосстановительных условий слабовосстановительными или слобоокислительных – резкоокислительными, т.е. при резком повышении Eh вод (окислительно-восстановительного потенциала).

На окислительных (кислородных) барьерах идут процессы окисления мигрирующих  химических элементов. И, если окисленные формы того или иного элемента будут обладать меньшей подвижностью, они будут выпадать из раствора в  осадок и концентрироваться на данном барьере.

В наиболее типичном варианте окислительный барьер возникает  в зоне поступления глеевых или  сероводородных вод в кислородную  среду. Но иногда такие барьеры могут  возникать и в пределах собственно кислородных обстановок, когда на границе раздела слабоокислительные условия сменяются резкоокислительными. Поэтому барьеры типа А1-А4 также не являются запрещёнными.

Окислительные барьеры очень  широко распространены в равнинных  ландшафтах, характеризующихся обилием  органического вещества. Здесь для  грунтовых вод характерна глеевая  обстановка, а в местах их выхода на поверхность или на дно водоёма  с кислородным режимом (реки, озера) она сменяется кислородной. В  местах разгрузки таких вод происходит активное накопление гидрооксидов железа и марганца в виде обохривания грунтов и горных пород (приобретающих характерную ржаво-бурую окраску) или даже формирования железистых и марганцовистых конкреций и стяжений.

Нередко такие барьеры  возникают в местах выхода глубинных  подземных вод по зонам разломов, где в этих случаях наблюдается  интенсивное обохривание пород.

Своеобразные барьеры  возникают в местах выхода на поверхность  сероводородных источников или при  смешении сероводородных вод с богатыми кислородом грунтовыми водами. При  этом сульфидная сера (2^-) окисляется или до элементарной, нейтральной серы (0), или, что бывает чаще, до сульфатной (с валентностью 6⁺).

 

2H₂S + O₂ = 2H₂O = 2S

H₂S + 2O₂ = H₂SO₄

 

В первом случае, если такие  условия сохраняются в течение  длительного времени, могут формироваться  крупные скопления самородной серы (это бывает в зонах окисления  на нефтяных месторождениях). Второй случай интересен и важен тем, что  он ведёт к резкому увеличению кислотности среды (за счёт образования  серной кислоты).

Интересно, что в истории  развития биосферы роль окислительных  барьеров и их положение заметно  изменялись. Как мы подробнее узнаем далее, первоначально атмосфера  Земли была восстановительной и  не содержала свободного кислорода. Не содержали его и природные  воды. Начало накопления свободного кислорода  связано с появлением фотосинтезирующих  организмов, вначале морских. Но в  течение очень долгого периода  времени, на протяжении архея и раннего  протерозоя, продуцируемый в океане кислород, видимо, практически не поступал в атмосферу. Дело в том, что первично-восстановительная морская водная среда содержала большое количество растворённого железа. И поначалу почти весь синтезируемый кислород расходовался на окисление железа и связывался с ним в нерастворимых оксидных соединениях. Весь ранний протерозой – это гигантская по продолжительности эпоха массового накопления на дне древних океанов железооксидных осадков (так называемых железистых кварцитов). Это было время функционирования первого и притом гигантского по своим размерам кислородного можно сказать даже не макро-, а мегабарьера. И лишь после того, как в результате его работы воды океана были очищены от растворённого в них железа, началось массовое поступление кислорода в атмосферу. Здесь тоже кислород первоначально расходовался на окисление серы – до всё той же серной кислоты - H2SO4. Окисление атмосферной серы неизбежно должно было сопровождаться кислотными дождями, что в конечном счёте привело к очищению атмосферы от сернистых соединений и вытеснению их свободным кислородом. И уже как следствие формирования кислородной атмосферы стало возможным появление окислительных барьеров в наземных ландшафтах.