Учение об окружающей среде

Объем, л Масса, кг

Морская вода 268,45 278,11

Пресная вода 0,10 0,10

Континентальный лед 4,50 4,50

Водяные пары 0,003 0,003

В большинстве случаев именно наличие воды контролирует развитие живых организмов. Вода является и основным природным растворителем минералов, газов и техногенных соединений, не имеющих аналогов в природе. Считается, что в воде взаимодействие между ионами в 80 раз слабее, чем в кристаллах. Поэтому для растений и животных облегчено выборочное поступление необходимых им ионов из водных растворов.

Без воды невозможна жизнь организмов, существующих сейчас на Земле. При этом для большинства из них, в том числе и для людей, нужна не просто вода, а пресная, т. е. такая, в 1 л которой содержание сухого остатка меньше 1 г. А такой воды содержится на Земле всего около 2% ее общих запасов. Большая часть вод отличается довольно высокой степенью минерализации. Так, средняя соленость морей и океанов (а это более 70% всей гидросферы) составляет 3,5 г/л, а соленость минерализованных подземных вод континентов часто доходит до 200 г/л.

Пресную воду люди используют не только для питья, но и в самых разнообразных техногенных процессах. Считается, что общее годовое потребление составляет около 3500 км3, т.е. на одного человека приходится порядка 800 м3 воды. Наличием пресных вод в еще большей мере, чем крупными скоплениями определенных минералов, обусловлены возникновения и развитие населенных пунктов. Практически все крупные города расположены на реках. Однако довольно часто русла рек приурочены к ослабленным зонам литосферы. В случае землетрясений по этим зонам происходят наибольшие смещения земной коры, вызывающие разрушения построек и гибель жителей. Это необходимо учитывать при организации безопасности жизнедеятельности жителей таких населенных пунктов.

Газовые смеси. Химические элементы, составляющие эту форму нахождения, образуют верхнюю оболочку Земли - атмосферу. Кроме того, значительное количество газов заполняет пустоты и полости в почвах и в горных породах, находится в сорбированном состоянии. Для всех живых организмов, в том числе и для людей, наиболее важны атмосферные и почвенные газы. Поскольку раньше условия жизнедеятельности людей определялись приземной атмосферой, то техногенные процессы влияли на атмосферу в основном на первых километрах от земной поверхности; теперь же этот показатель изменился и составляет уже десятки километров.

В первую очередь следует отметить, что процессы жизнедеятельности воздействуют на так называемый озоновый слой, вызывая его разрушение. Сам озоновый слой представляет собой особую оболочку в составе атмосферы с максимальной концентрацией озона на высоте около 20 км. Этот слой резко снижает интенсивность ультрафиолетовой радиации Солнца. В результате она минимальна у поверхности Земли. Таким образом, озоновый слой обеспечивает сохранность живых организмов и жизни на поверхности Земли в целом.

Коллоидная и сорбированная формы нахождения получили максимальное развитие в почвах, хотя они довольно широко распространены в гидросфере и атмосфере. В этих формах переносятся и отлагаются очень многие загрязняющие вещества. Следовательно, без учета коллоидов невозможно полно и комплексно охарактеризовать условия безопасной жизнедеятельности.

Коллоидные системы обычно неоднородные, гетерогенные, состоят не менее чем из двух фаз. При этом одна из них состоит из частиц размером 0,1...1,0 ммк и называется дисперсной фазой. Частицы этой фазы распределены в другой - дисперсионной среде. Вещества, составляющие разные фазы, отличаются рядом свойств и имеют реальную физическую поверхность раздела. Сорбция представляет собой концентрирование на поверхности частиц лишь определенных веществ из дисперсионной среды. Концентрация этих веществ может быть весьма существенной, а связь их с сорбентом - сильной и сохраняющейся продолжительное время.

В результате антропогенной деятельности масса коллоидов возрастает, особенно в атмосфере. По данным В.В. Добровольского, в 1 м3 воздуха содержание тяжелых металлов над континентами составляет n·10-5г. Будучи тонкодисперсными, они, попав в легкие человека, могут быстро и в значительных количествах переходить в кровь, что особо вредно. В очень больших количествах аэрозоли содержатся в атмосфере крупных городов. В работах В.А. Алексеенко (1993, 1994, 2000) показано, что основная их часть довольно быстро осаждается в пределах населенных пунктов. Это существенно ухудшает условия жизнедеятельности людей в местах их наибольшей плотности проживания.

Техногенные соединения, не имеющие природных аналогов, впервые были выделены автором в 1989 г. как самостоятельная форма нахождения химических элементов в земной коре. Количество соединений, созданных человеком и не имеющих природных аналогов, в последние десятилетия непрерывно и очень быстро растет как по их общей массе, так и по видовому разнообразию. Усиливается и их воздействие на организмы. Не учитывать геохимической (биологической) роли техногенных соединений становится невозможным.

Кратко рассмотрим основные группы таких соединений. К ним в первую очередь следует относить различные пластмассы, синтетические моющие средства; многие галогеносодержащие органические соединения, пестициды, полициклические ароматические углеводороды. Их бесконтрольное производство уже сейчас начинает угрожать безопасности жизнедеятельности. Можно уверенно предполагать, что в будущем эта проблема может войти в число основных, стоящих перед человечеством. Причин, позволяющих высказать такое предположение, довольно много. Кратко рассмотрим три из них, которые мы относим к основным:

Очень большое число техногенных соединений, не имеющих природных аналогов, относится к токсичным или становится таковым, вступая в реакции с другими веществами. При этом многие из этих соединений создаются не специально, а являются побочными продуктами различных производственных процессов.

Особое значение имеет проблема утилизации веществ, очень медленно разлагающихся в условиях биосферы. Это относится к различным пластмассам, диоксинам, синтетическим волокнам, фреонам и т. д. Учитывая опыт других стран, стоит задуматься, следует ли создавать многие пестициды, красивые и трудно разлагающиеся упаковки для различных товаров и многие другие соединения во вред развития живых организмов, включая, в конечном счете, человека. Непосредственное воздействие (а особенно его поздно сказывающиеся последствия) рассматриваемых соединений на человека и другие живые организмы изучено явно недостаточно. Вероятно пройдут еще многие годы, прежде чем будет решена эта проблема.

К биогенной форме относятся химические элементы и их сочетания в земной коре, образующие все многообразие животных и растительных организмов. Впервые эта форма была рассмотрена В. И. Вернадским. Несмотря на сравнительно небольшое содержание живых организмов, обитающих в земной коре, без учета их деятельности невозможно правильно представить геохимические процессы, протекающие на поверхности Земли. Особо отмечая это, В.И. Вернадский писал: "...живое вещество в биосфере играет активную основную роль и по своей мощности ни с чем, ни с какой геологической силой не может даже быть сравнимо по своей интенсивности и направленности во времени". К живому веществу биосферы, по определению В.И. Вернадского, относится совокупность всех ее живых организмов. Не останавливаясь на многообразии процессов, протекающих под воздействием живого вещества, отметим только, что в результате жизнедеятельности и автотрофных бактерий (синтезируют из неорганических соединений органические, используя энергию Солнца), и гетеротрофных (используют органические вещества, созданные другими организмами) образуется вода. В результате процессов фотосинтеза выделяется свободный кислород.

Таким образом, ряд живых организмов создает условия, обеспечивающие жизнь и безопасность жизнедеятельности людей.

Контрольные вопросы:

Что объединяет планету Земля с другими планетами Солнечной системы и в чем их отличия?

Что понимается под формой нахождения химических элементов?

Назовите основные формы нахождения химических элементов.

Какова связь каждой из основных форм нахождения химических элементов с безопасностью жизнедеятельности?

Назовите основные отличия живого вещества от косного.

Каков состав живого вещества?

Объясните, как живое вещество участвует в создании условий, обеспечивающих безопасность жизнедеятельности.

Рекомендуемая литература

Алексеенко В.А. Миграция и концентрация химических элементов в биосфере. Краснодар: Изд-во КГТУ, 1997. - 120 с.

Алексеенко В.А. Геохимические методы поисков месторождений полезных ископаемых. М.: Логос, 2000. - 354 с.

Аллисон А., Палмер Д. Геология. М.: Мир, 1984. - 567 с.

Вернадский В.И. Живое вещество и биосфера. М.: Наука, 1994. - 672 с.

Добровольский В.В. Основы биогеохимии. М.: Высшая школа, 1998. - 414 с.

Короновский Н.В., Якушева А.Ф. Основы геологии. М.: Высшая школа, 1991. - 416 с.

Науки о Земле: состояние, приоритетные направления развития / Под ред. акад. В.А. Жарикова. М.: ИПКОН РАН, 1996. - 113 с.

Перельман А.И. Геохимия. М.: Высшая школа, 1989. - 528 с.

Практическая работа №3. Живое вещество

Пока только на одной планете Солнечной системы - на Земле - известна жизнь. Формы существования живых организмов многочисленны. В настоящее время мы выделяем бесклеточное живое вещество (вирусы), бактерии (имеющие и не имеющие ядра), растения, грибы, животные. Изучение их элементного состава показало, что они состоят из тех же химических элементов, что и неживые (косные) естественные тела. Однако еще В.И. Вернадским было подчеркнуто, что "между живыми и косными естественными телами биосферы нет переходов - граница между ними на всем протяжении геологической истории резкая и ясная".

Суммарная масса живого вещества (в пересчете на сухой вес) равняется (2,4...3,6) · 1012 т (Реймерс), т.е. очень мала по сравнению с массой земной коры (28,46 · 1018 т). (Вспомним сравнение литосферы и живого вещества, сделанное В.М. Гольдшмидтом.)

Однако следует учесть, что определенная часть живых организмов постоянно отмирает, а на смену ей образуются новые организмы (по мнению В.И. Вернадского, общая масса живого вещества остается все время примерно одинаковой). Чтобы охарактеризовать течение этого процесса во времени, используют такой показатель, как ежегодная продукция живого вещества. Для Земли в целом он равняется 2,3 · 1011 т. Выдающийся геохимик нашего времени А.И. Перельман подсчитал, что если последние 500 млн лет годичная продукция была близка к современной, то ее суммарное количество за это время превысило массу земной коры. Правда, вполне вероятно, что основная часть химических элементов, составляющих живые организмы, в процессе биологического круговорота снова попадает в организмы и существенного обмена между организмами и литосферой не происходит.

Каждый химический элемент, входя в организм, по В.И. Вернадскому, "проходит длинный ряд состояний, входит в ряд соединений, прежде чем выйти из него... Атомы, вошедшие в какую-нибудь форму живого вещества, захваченные жизненным вихрем, с трудом возвращаются назад в косную материю". В этой связи интересны данные, полученные при изучении миграции изотопов. Они позволяют считать, например, что выделяющийся при фотосинтезе кислород образуется преимущественно за счет воды, а кислород из углекислого газа идет на образование органических соединений. Всего же кислород составляет около 70% массы живого вещества. На долю углерода приходится 18%, а водорода - 10%. Таким образом, в сумме три этих элемента составляют свыше 98% всей массы живых организмов.

Еще пять химических элементов (Са, К, N, Na, Si) содержатся (каждый из них) в организмах в десятых долях процента. Естественно, что все остальные химические элементы обычно образуют в живом веществе концентрации от n · 10-2 % до n · 10-12 %.

Считается, что в живом веществе резко преобладает фитомасса, а зоомасса не превышает 2% массы растений. Леса же составляют около 82% фитомассы.

При изучении живого вещества отдельной проблемой стоит его специфика - коренные отличия от косного, неживого вещества. Впервые этот вопрос довольно детально рассматривался В.И. Вернадским. К настоящему времени можно выделить ряд таких основных отличий:

1. Живое вещество биосферы характеризуется огромнейшей свободной энергией. В неорганическом мире с ней сопоставимы только незастывшие лавовые потоки. Но последние, очень быстро остывая, теряют ее.

2. В живом веществе скорость протекания химических реакций в тысячи (а иногда - в миллионы) раз выше, чем в неживой. При этом незначительные начальные порции масс и энергии могут вызвать трансформацию гораздо больших масс и энергий. Так, определенные виды гусениц перерабатывают в сутки в 200 раз больше пищи, чем их собственная масса.

3. Основные химические соединения, определяющие состав живого вещества (белки, ферменты и др.), устойчивы в природных условиях только в живых организмах.

4. Для живых организмов характерны две формы движения, выделенные В.И. Вернадским: пассивная, определяемая их ростом и размножением, и активная, осуществляемая за счет направленного перемещения. Первая из них характерна для всех организмов, вторая - в основном для животных. Пассивное движение организмов отличают стремление заполнить большинство пространства. В.И. Вернадский назвал этот процесс давлением жизни. Его сила (т. е. скорость размножения) в целом обратно пропорциональна размерам организмов. Очень большим давлением обладают бактерии, вирусы, грибы. У отдельных видов бактерий новое поколение образуется через 22...23 мин. При отсутствии преград к размножению они почти за сутки заняли бы всю поверхность Земли. В этих же условиях гриб дождевик (каждый экземпляр дает около 7,5 млрд спор) уже во втором поколении имел бы объем, в 800 раз превышающий размеры нашей планеты. Слонам же для заселения поверхности Земли потребуется более 1000 лет. Рассмотренной особенностью пассивного движения объясняется распространение эпидемий, вызываемых бактериями и вирусами.

Движение второй формы происходит за счет собственного передвижения организмов. У раздельнополых оно осуществляется самками, приносящими потомство в новых районах.

5. Для организмов характерно гораздо большее морфологическое и химическое разнообразие, чем для неживой природы. Говоря о разнообразии размеров и морфологии, достаточно сравнить вирус со слоном или китом. Их размеры отличаются в миллиарды раз. Химический же состав живого вещества определяют более 2 млн различных органических соединений. Вспомним, что число природных минералов составляет всего около 2 тыс., т.е. в тысячу раз меньше.

Тела живых организмов могут состоять из веществ, находящихся одновременно в трех фазовых состояниях, и, несмотря на это, представлять единое целое.

6. При огромном разнообразии химического состава организмов они построены в основном из белков, содержащих одни и те же аминокислоты. Передача наследственной информации идет у них по одному пути (ДНК - РНК - белок) с использованием одного генетического кода.

7. Нормальное развитие организмов, в том числе человека, в природе возможно только в их сообществе с другими организмами (биоценоз). Это одно из основных положений безопасности жизнедеятельности людей на практике часто игнорируется. В процессе своей жизнедеятельности мы часто уничтожаем многие виды живых организмов (и часто - безвозвратно), забывая, что тем самым уменьшаем свою безопасность. Перефразируя Дж. Дона, можно сказать: уничтожая живые организмы, не спрашивай никогда, по ком звонит колокол - он звонит по Тебе.

8. Живое вещество существует только в форме непрерывного чередования поколений. Поэтому оно генетически связано с организмами прошлых геологических эпох.

9. Со сменой поколений идет эволюция живого вещества. Как правило, этот процесс наиболее характерен для высших организмов, поскольку чем примитивнее организм, тем он более консервативен. Периодически возникает вопрос о начале жизни на нашей планете. Обычно высказываются две основные точки зрения на эту проблему: жизнь проникла на нашу планету из космического пространства и жизнь образовалась каким-то неизвестным путем из косной (неживой) материи в один из древнейших периодов ее геологического развития. Иначе подходил к этим проблемам В.И. Вернадский. В работе 1940 г. "Начало жизни и эволюция видов" все живые организмы он объединяет в "момент жизни", "жизненную среду" (не путать со средой обитания организмов). Отрицая начало жизни как точку, от которой в процессе эволюции должен расходиться пучок ветвей, он говорит о параллельных ветвях развития организмов, независимых в происхождении друг от друга, но составляющих единый момент жизни. Он остается в главных своих чертах постоянным в течение геологического времени. Однако при этом формы жизни изменяются. В соответствии с этим В.И. Вернадский считает несостоятельными и фантастичными попытки объяснить происхождение наземных организмов из морских. Кроме того, в другой своей работе "Биосфера" он указывает, что и "воздушная жизнь в рамках геологического времени так же стара, как и морская; ее формы развиваются и изменяются, но это изменение происходит всегда на земной поверхности".

Не разбирая подробно гипотез возникновения жизни на Земле, будем в дальнейшем придерживаться, вслед за В.И. Вернадским, точки зрения о практически одновременном формировании планеты Земля и возникновении на ней жизни. Результаты последних исследований в этой области все больше и больше согласуются с таким подходом к рассматриваемой проблеме. По поводу соседних с Землей планет пока достоверно можно говорить лишь о таких формах нахождения химических элементов, образующих поверхностные оболочки, как о минеральной, о газовых смесях и, вероятно, о состоянии рассеяния.

Минералы, определенные на всех доступных к настоящему времени планетах, близки к земным. Состав же газовых смесей, определенный на этих планетах, весьма отличается от земной атмосферы (см. табл. 1.1). В атмосфере ближайших к Земле планет (Венеры и Марса), помимо указанных в табл. 1.1, предварительно установлены в виде примесей N2, CO и следы паров воды. Кроме того, в атмосфере Венеры отмечены пары HCI и HF. Достоверно говорить о наличии на указанных планетах коллоидной и сорбированной форм пока нельзя. С освоением космического пространства на ближайших к нам планетах появились элементы в форме техногенных соединений.

Все сказанное позволяет сделать следующие выводы:

Планета Земля по своим параметрам и положению в Солнечной системе довольно близка к соседним планетам, но существенно отличается по формам нахождения химических элементов, образующих поверхности этих планет.

Только на Земле к настоящему времени выявлена биогенная форма нахождения элементов. Скорее всего, отсутствием этой формы можно объяснить весьма существенные отличия состава газовых смесей на ближайших к ней планетах, а, возможно, и отсутствие на них химических элементов в такой форме, как поверхностные водные растворы.

Создание на нашей планете условий, определяющих не только возможность жизни людей, но и безопасность их жизнедеятельности, следует связывать с наличием на планете живого вещества. Это необходимо учитывать при любых видах антропогенной деятельности и прилагать максимальные усилия для сохранения общей биомассы организмов и их существующего биоразнообразия.

Различные соотношения химических элементов, образующих на поверхности Земли основные формы нахождения, как и само соотношение различных форм, часто определяют развитие того или иного вида производственной деятельности в конкретном регионе и мероприятия по безопасности жизнедеятельности.

Практическая работа №4. Миграция химических элементов в Окружающей среде

4.1. Среда миграции

4.2. Факторы миграции

4.3. Миграция элементов в зоне гипергенеза

4.4. Виды миграции

4.5. Особенности различных видов миграции

Миграция - это процесс перемещения химических элементов в пространстве и во времени, приводящий к их концентрации или рассеянию.

4.1. Среда миграции

Среда миграции может быть твёрдой (диффузия), жидкой (истинные и коллоидные растворы, расплавы, взвеси или суспензии) или газообразной (газовые смеси, взвеси, дымы - смесь газа и твердых частиц, аэрозоли, туманы - смесь газа и частиц жидкости, флюидизаты).

Поэтому давайте вспомним что представляют собой истинные и, особенно, коллоидные растворы, которые нередко возникают в гипергенных условиях. Кроме того, геохимия биосферы - это прежде всего геохимия реакций, происходящих в присутствии воды. Вы уже знаете из предыдущих лекций (лекция 3), что вода по целому ряду аномальных свойств никоим образом не может быть отнесена к обычным жидкостям.

Очень многие химические соединения хорошо растворимы в воде и миграция входящих в их состав элементов происходит в ионной форме (K, Na, Cl и др.), поэтому здесь необходимо особо остановиться на необычных свойствах воды как растворителя. Никакая другая жидкость не может сравниться с водой ни по числу веществ, которые могут в ней растворяться, ни по количеству вещества, которое она может удерживать в растворе. Объяснение этих замечательных свойств следует искать в структуре воды, о которой мы говорили ранее (лекция 3). Вы помните, что каждая молекула воды является миниатюрным диполем. Важным следствием дипольной природы молекул воды является ее очень высокая диэлектрическая постоянная - 80. Высокая диэлектрическая проницаемость как раз и объясняет активность воды как растворителя ионных соединений. Это связано с тем. Что силы притяжения ионов друг к другу уменьшаются пропорционально диэлектрической проницаемости среды, а растворение ионных соединений не что иное, как разрыв ионов, составляющих молекулу растворяемого вещества молекулами растворителя. В растворе катионы притягивают отрицательные полюсы ближайших диполей молекул воды, а анионы - положительные полюсы диполей. Этот процесс, как Вам известно из курса химии, называется гидратацией. Число молекул воды, окружающих каждый ион напрямую зависит не только от размеров этого иона, но и от плотности заряда на его поверхности. То есть гидратация иона возрастает с увеличением его заряда (Z) и убывает с увеличением его радиуса (r). Величина Z/r, называемая ионным потенциалом, определяет не только гидратацию данного иона, но и многие другие его свойства в водных растворах. По существу, ионные потенциалы являются мерой электроотрицательности, т.к. - чем меньше радиус положительного иона и чем больше его заряд, тем более ярко выражены кислотные свойства соответствующего окисла. И, наоборот, чем больше радиус и чем меньше заряд, тем сильнее соответствующее основание. Положительный заряд поверхности иона отталкивает протоны, входящие в состав молекул воды, координированных вокруг него. Если это отталкивание достаточно сильно, некоторые из протонов могут отрываться от молекул воды, в результате чего заряд центрального иона нейтрализуется образовавшимися гидроксильными группами. В результате - может выпадать в осадок нерастворимая гидроокись.

В истинных растворах элементы присутствуют либо в виде отдельных ионов, либо входят в состав растворимых комплексных ионов. Вам должно быть известно, что на растворимость тех или иных соединений существенно влияют и такие параметры природных вод как их общая минерализация, ионный состав, кислотность-щелочность, окислительно-восстановительный потенциал. Все эти рассмотренные нами геохимические параметры вод в первую очередь определяют миграцию химических элементов в ионной форме. Но в водной среде возможны и иные формы физико-химической миграции элементов. Одна из таких форм - миграция в коллоидных растворах.

Процесс образования истинных растворов достаточно подробно рассматривается в курсе химии, поэтому несколько подробнее остановимся на свойствах коллоидных систем, изучению которых уделяется явно недостаточное внимание в школьном курсе химии.

Коллоидным является такое состояние дисперсной системы, в которой размер диспергированных частиц колеблется приблизительно от 10-3 до 10-6 мм. Нельзя провести четкой границы между истинными и коллоидными растворами: коллоидные растворы, с одной стороны, переходят в истинные, а с другой - в суспензии. Степень их диспергированности такова, что частицы нельзя различить в световом микроскопе, но они крупнее молекул, т.е коллоидные частицы обычно мультимолекулярны (состоят из многих молекул). Коолоидные частицы (дисперсная фаза) разделены дисперсионной средой и в целом составляют коллоидную систему. Существует большое количество разнообразных типов коллоидных систем: твердое - газ (дымы), жидкость-газ (туманы), жидкость-жидкость (эмульсии), твердое-жидкость, т.е. коллоидные растворы (золи, гели и пасты). Жидкость в природныхз коллоидных системах обычно представлена водой.

Коллоидные растворы представляют собой жидкие системы, состоящие из жидкости и свободно (в процессе броуновского движения) передвигающихся в ней частичек дисперсной фазы - мицелл. Мицеллы - это не ионизированные атомы, и даже не отдельные недиссоциированные молекулы, а агрегаты из большого числа недиссоциированных молекул. С окружающей их жидкостью (дисперсионной средой) они имеют физические поверхности раздела. В зависимости от соотношения твердой и жидкой фаз коллоидные растворы подразделяются на золи, гели и пасты. Золи представляют собой системы, похожие по своим физическим свойствам на жидкости: они обладают большой текучестью и сравнительно небольшой вязкостью. Для гелей характерна повышенная вязкость. Пасты представляют собой системы, в которых концентрация твердых частиц столь высока, что они заполняют собой почти весь объем системы. Коллоидные растворы могут быть получены двумя способами: при дроблении более грубых частиц до коллоидных размеров или, напротив, путем объединения более мелких частиц (атомов, молекул или ионов). Большинство природных коллоидов, по-видимому, образуется вторым способом.

Есть обширная группа химических элементов, способность которых к миграции в ионной форме ограничена. Это так называемые элементы-гидролизанты - они в растворах легко вступают в реакции гидролиза и выпадают в осадок. Это Fe, Mn, Al, Ti, Sn, Zr, Cr, W, Mo и др. Большей частью они мигрируют в зоне гипергенеза в форме коллоидных растворов. Их растворимость в коллоидной форме в десятки, сотни, иногда и в тысячи раз превышает растворимость в форме истинных (ионных) растворов.

Коллоидные частицы электрически заряжены. Происхождение заряда двояко: либо адсорбция ионов из раствора, либо прямая ионизация вещества частицы. Некоторые коллоиды, например, гидроокись железа, заряжаются положительно или отрицательно в зависимости от среды, в которой они образуются. Для наиболее важных коллоидов характерен заряд:

Положительные коллоиды - гидроокись алюминия, гидроокись трехвалентного железа, гидроокись хрома. Гидрат двуокиси тория, гидрат двуокиси титана, гидрат двуокиси циркония;

Отрицательные коллоиды - кремнезем, гидроокись двухвалентного железа, гидрат пятиокиси ванадия, гидрат двуокиси марганца, гуминовые коллоиды, сульфидные золи.

Коллоидное состояние всегда метастабильно. Являясь гетерогенной системой, коллоидный раствор характеризуется агрегатной неустойчивостью. Им присуща тенденция к уменьшению свободной энергии мицелл, которая реализуется путём их слипания и укрупнения. Такой процесс называется коагуляцией коллоидного раствора. Результат коагуляции - выделение из коллоидного раствора в качестве самостоятельных фаз гелей (студенистых масс, в которых слипшиеся мицеллы образуют пространственную «сетку»). Далее может следовать постепенная потеря этими студенистыми массами содержащейся в них воды, «высыхание».

Причины, вызывающие ускорение процесса коагуляции, сложны и многообразны и могут быть связаны с любыми изменениями физико-химических параметров среды. Одной из наиболее распространённых причин коагуляции коллоидов в зоне гипергенеза является смешение коллоидных растворов с истинными, которые действуют на них как электролиты. Поэтому средой активной миграции коллоидов обычно являются слабо минерализованные поверхностные и грунтовые воды (пресные и ультрапресные), а зоной массового осаждения коллоидных частиц - устья рек, т.к. значительная часть коллоидов быстро коагулирует в морской воде. Область широчайшего распространения коллоидов - это почвы, где значительная часть минеральных веществ содержится именно в этой форме.

Факторы миграции

Факторы миграции подразделяются на внутренние и внешние.

Внутренние факторы миграции определяются строением атомов. От них зависит способность элементов давать летучие, растворимые или инертные формы. К ним относятся:

электростатические свойства ионов:

ионный потенциал - отношение заряда иона к его радиусу,

энергетический коэффициент ионов);

свойства связи соединений, включая строение кристаллической решетки (определяют способность соединения противостоять разрушению);

химические свойства соединений (это уже с учётом условий среды - например, более высокой устойчивости кислородных соединений в большинстве гипергенных обстановок);

гравитационные свойства атомов (проявляются при кристаллизации, седиментации, выветривании);

радиоактивные свойства.

Внешние факторы миграции - ландшафтно-геохимические условия, определяющие поведение элементов в различных химических (окислительно-восстановительных, щёлочно-кислотных) обстановках:

температура (в целом повышение ускоряет физико-химическую миграцию, а для некоторых видов миграции, например, биогенной, нужны определённые диапазоны температур);

давление (повышение давления в равновесной системе приводит к изменению системы в сторону уменьшения объёма);

степень электролитической диссоциации (зависит от соотношения свойств растворителя и растворяемого вещества, температуры раствора и его концентрации);

концентрация водородных ионов, определяющая кислотность-щёлочность среды (pH);

окислительно-восстановительный потенциал;

поверхностные силы коллоидных систем (определяют масштабы селективной сорбционности);

комплексы типоморфных ионов в почвах и водах (что такое типоморфные ионы - будет рассмотрено далее);

геоморфологические факторы (рельеф);

радиационные характеристики среды;

жизнедеятельность организмов и техногенез - наиболее сложные по механизму влияния.

Результат миграции - это рассеяние и концентрация химических элементов.

Миграция элементов в зоне гипергенеза

В гипергенных условиях ведущая роль принадлежит миграции в газовой и водной средах.

С учётом этого А.И. Перельманом составлена ещё одна геохимическая классификация элементов, в которой элементы классифицируются по особенностям их миграции в гипергенных условиях. (рис. 1).



Рис. 1 Геохимическая классификация А.И. Перельмана по особенностям миграции химических элементов в зоне гипергенеза.

В соответствии с этой классификацией химические элементы подразделяются на воздушные и водные мигранты

Среди воздушных мигрантов, в свою очередь, выделяются:

активные, образующие соединения (O, H, C, N, I);

пассивные (все инертные газы).

Водные мигранты - подразделяются, с одной стороны - по степени подвижности и, кроме того, на катионогенные и анионогенные элементы, т.е. их классификация имеет табличную (матричную) форму. Подвижность элементов определяется коэффициентом водной миграции (отношение содержания химического элемента в минеральном остатке воды к его содержанию во вмещающих породах).

KX = (MX/anx)100,

где MX - содержание элемента в воде, а - минерализация воды,

nx- содержание элемента во вмещающей породе.

Дополнительные характеристики - постоянная или переменная валентность, подвижность или же способность осаждаться при различном типе химизма среды, интенсивность миграции в растворах с различными щелочно-кислотными условиями, интенсивность миграции с органическими комплексами. В дополнение ко всему элементы независимо от других признаков подразделяются по роли биогенного накопления в их миграции (существенная или несущественная). Так что в целом классификация стройная, но достаточно сложная.

Виды миграции

Разнообразие миграции - определяется числом форм, в которых переносится элемент. Для химически сходных элементов разнообразнее миграция того из них, у которого кларк выше.

Примеры для минералов с кларками одного порядка: S - многовалентна (0, -2, +4, +6), может входить в состав разнообразных соединений (сульфиды, сульфаты, органические соединения), образует 369 минеральных видов. Cl - одновалентен, образует 96 минералов. У Mo - 15 минеральных видов, Hf - 0. Последний пример еще раз отражает различие между редкими и рассеянными элементами.

Виды миграции (или формы движения материи) - выделяются в соответствии с различными уровнями организации вещества. Выделяются механическая, физико-химическая, биогенная и техногенная миграция.

Механическая: перенос без преобразования вещественного состава. Определяется размерами минеральных частиц, их плотностью, скоростью движения среды, являющейся агентом переноса (водного потока, ветра и т.д.).

Физико-химическая: подчиняется физическим и химическим законам. Процессы диффузии, растворения, осаждения, плавления, кристаллизации, сорбции, десорбции и т.д. Подвиды - ионная миграция (в растворах), коллоидная, газовая и др.

Биогенная: определяется деятельностью организмов. Взаимодействие между живым веществом и инертной материей Земли происходит в форме массообмена химических элементов между живыми организмами и окружающей средой. Именно процессы массобмена элементов объективно характеризуют геохимическую деятельность организмов. Подобные закономерные процессы миграции химических элементов, осуществляемые не под воздействием геологических факторов, а в результате жизнедеятельности организмов были названы В.И. Вернадским биогеохимическими. Здесь учёт лишь химических свойств элементов (валентности, ионных радиусов и др.) недостаточен. Здесь значительно большую роль приобретают информационные процессы (иногда не вполне корректно утверждают, что они только на этом уровне и появляются; но Вы уже знаете, что информация и управление существуют на всех уровнях организации вещества, только на добиологических уровнях их сложность и значение несравнимо ниже).

Техногенная: связана с деятельностью человека. Освоение сырьевых ресурсов, хозяйственное использование сырья, значительные по масштабам перемещения вещества, создание веществ, не существующих в природе.

ОСОБЕННОСТИ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ МИГРАЦИИ

Давайте несколько подробнее рассмотрим особенности и геохимическую роль каждого вида миграции, а также действие некоторых геохимических барьеров, которые способствуют замедлению миграции и концентрации элементов.

Механическая миграция, как Вы уже знаете, происходит без изменений химического состава и физического состояния вещества. Процессы механической миграции включают два аспекта:

Перемещение масс газообразных (атмосфера, вулканические газы), жидких (наземные и подземные воды, магматические расплавы) и твёрдых (движение ледников, горнопородных масс и грунтов на склонах, блоков литосферы в тектонических процессах).

Миграция взвесей в газовых, жидких и твёрдых (ледники) средах. Это процесс циклический; он включает:

механическую дезинтеграцию горных пород и минералов;

механический перенос дезинтегрированного минерального вещества;

механическую дифференциацию в процессе переноса;

накопление перемещённых частиц.

Дезинтеграция - результат физического (температурного) выветривания. Наиболее интенсивна при максимальном контрасте дневных и ночных температур (горные области, районы без растительности - т.к. наличие растительного покрова, особенно лесной растительности, сглаживает температурные контрасты). В холодном климате дополняется морозным выветриванием.

Перенос осуществляется различными агентами: ветром, текучими водами, ледниками, иногда непосредственно под действием гравитации (на склонах). В наибольших масштабах осуществляется текучими водами, в меньшей мере - ветром. В высокогорных и полярных районах в современную эпоху большую роль играет ледниковый перенос. Все реки мира ежегодно поставляют в океан 15-16 млрд. т наносов (оценка масштабов переноса). Это только итоговый результат, массы переносимого и переотлагаемого материала внутри континентов не менее значительны.

В конечном счёте все виды переноса, кроме эолового - это прямой результат действия гравитационных сил. Поэтому Ферсман назвал механогенез «областью геохимического влияния силы тяжести».

Механическая дифференциация осуществляется благодаря непостоянству скоростей движения водных и воздушных потоков, переносящих частицы твёрдого вещества. Способность потока переносить частицы определённой массы определяется энергией потока. Она прямо пропорциональна массе воды и квадрату скорости течения. Поэтому зависимость процесса от скорости потока очень велика, и даже небольшие горные реки могут переносить крупную гальку и валуны.

При снижении скорости происходит механическое разделение частиц - крупные обломки остаются на дне, более мелкие переносятся дальше. Сначала происходит в основном разделение по размеру, но когда дело доходит до разделения песчаной фракции достаточно существенную роль начинает играть удельный вес минеральных частиц. Частицы близкого размера, но с разным удельным весом выпадают в осадок неодновременно. Так как минералы имеют и различный химический состав, результатом механической дифференциации оказывается и определённое различие в химизме. Это ещё и механизм формирования россыпных месторождений.

Другие причины возникновения различий в химическом составе при механическом водном переносе:

Дифференциация по механической устойчивости: прогрессирующее механическое разрушение (истирание) менее устойчивых минералов в процессе переноса, и как следствие - более дальний перенос их более мелких частиц;

Отделение минерального вещества, проходившего стадию химического выветривания (и, соответственно, химически изменённого) от продуктов чисто механического выветривания. Связано с тем, что частицы вещества, образующегося при процессах химического выветривания, относятся к наиболее мелкой фракции и накапливаются большей частью в глинистых осадках.

Коэффициенты концентрации элементов в глинах относительно песков очень различны. Co - 63, Ni - 34, As - 13, U - 8, Fe - 4,8, Al - 3,2, W - 1,1, Zr - 0,7, TR - 0,6, Si - 0,5.

При эоловом (ветровом) переносе дифференциация в большей мере механическая, но разделение песчаной и глинистой фракций тоже возможно.

В атмосфере обычными объектами механического переноса являются пыль, песок и соли. Песок переносится только на небольших высотах (первые метры). Пыль и микрочастицы соли - значительно выше, но основной объём тоже ограничен тропосферным переносом. Источники солей - как высохшие соляные озёра и солончаки, так и акватории соляных озёр и морей (испарение мелких брызг солёной воды, после чего частицы соли остаются в атмосфере). В условиях непромывного режима почв и грунтов соли, поступающие из атмосферы, могут в них накапливаться. Масштабы процесса могут быть очень значительны (пример - великая «соляная буря» на западе США в 1933 г.).

Другой пример - эоловый перенос вулканического пепла, представляющего собой глубинный материал, с иными концентрациями микроэлементов, чем в образованиях верхней части земной коры. Этот процесс оказывает прямое влияние на содержание этих микроэлементов в почвах и является природным механизмом повышения их плодородия.

Третий пример - разнос мелких частиц, образующихся в результате разрушения крупных метеоритов (иридиевые аномалии). Возможно влияние заражения атмосферы и почв космогенными токсикантами на вымирание некоторых видов живых организмов в геологическом прошлом.

Специфика переноса в твёрдых средах (ледникового) - это малые скорости процесса и полное отсутствие дифференциации вещества.

При механической миграции действуют геохимические барьеры:

аэродинамический;

гидродинамический;

фильтрационный.

Физико-химическая миграция. Глубинные (эндогенные) процессы Прямого влияния на миграцию элементов в биосфере глубинные процессы, как правило, не оказывают (исключение составляют лишь области современного вулканизма). Но все глубинные процессы вносят очень большой вклад в формирование геохимической неоднородности литосферы, которая является неотъемлемой составной частью биосферы. Поэтому, чтобы получить представление о механизме формирования таких неоднородностей, надо хотя бы вкратце рассмотреть наиболее важные из эндогенных процессов.

Самый значительный вклад в создание геохимических неоднородностей в литосфере вносят две группы эндогенных процессов: магматические и гидротермальные.

Водная миграция. Водный перенос является ведущим для подавляющего большинства элементов в условиях биосферы. При этом именно вода, находясь в обратимых взаимоотношениях с горными породами, организмами, атмосферой обеспечивает интенсивное взаимодействие между всеми компонентами ландшафта (являясь «кровью ландшафта» по А.И. Перельману).

Масштабы водного переноса связаны с растворимостью химических соединений. Интенсивность процесса для каждого элемента определяется коэффициентом его водной миграции. Вынос элементов при этом происходит в зонах активной циркуляции проточных вод, а накопление - в конечных бассейнах стока (озёрные котловины, мировой океан). Надо иметь в виду, что для разных элементов в составе одного и того же растворимого соединения значения коэффициента могут быть очень различны. Пример - NaCl. В растворённой форме всегда будут переноситься эквивалентные количества катионов и анионов. Но если для Cl- доля такой миграции будет весьма существенной по отношению к общему количеству его в ландшафте, то её удельный вес в миграции Na+ может значимой величиной не выражаться, так как кларк Na на два порядка выше.

Миграция ряда элементов имеет в значительной мере циклический характер. Они не только поступают с речными водами в океан, но и частично возвращаются из океана в атмосферу, а затем с атмосферными осадками возвращаются на сушу. Это, помимо самих О и Н - Cl, S, Na, Li, B, J и др.

Как Вы помните, в классификации А.Е. Перельмана (по особенностям миграции в гипергенных обстановках) водные мигранты подразделяются двояко: по степени подвижности и кроме того на катионогенные и анионогенные элементы. Подвижность определяется коэффициентом водной миграции (отношение содержания химического элемента в минеральном остатке воды к его содержанию во вмещающих породах).

KX = (MX/anx)100,

где MX - содержание элемента в воде, а - минерализация воды,

nx- содержание элемента во вмещающей породе.

Дополнительные характеристики - постоянная или переменная валентность, подвижность или же способность осаждаться при различном типе химизма среды, интенсивность миграции в растворах с различными щелочно-кислотными условиями, интенсивность миграции с органическими комплексами. В дополнение ко всему элементы независимо от других признаков подразделяются по роли биогенного накопления в их миграции (существенная или несущественная).

Важнейшие геохимические барьеры при физико-химической миграции:

Окислительный барьер (резкое увеличение Eh) - накопление Fe, Mn, Co, S.

Восстановительные (сероводородный, глеевый - приток кислых вод в соответствующую среду) - накопление Cu, Au, Ag, S, Se, U, Mo.

Кислотные и щелочные - возникают на границах различных горизонтов.

Испарительный барьер

Сорбционные барьеры

Термодинамический барьер

В условиях встречного движения вод возникают двусторонние барьеры.

Возникновение барьеров может быть связано также с резкими изменениями температур, давлений и др. параметров.

Взаимодействие водной среды с атмосферой:

испарение воды, поступление в атмосферу солевых частиц, аэрозольных взвесей с поверхности водоёмов;

растворение газов, осаждение в воду атмосферной пыли и аэрозолей.

Взаимодействие гидросферы и атмосферы с литосферой:

Химическое выветривание. Реакции гидратации, окисления, карбонатизации.

Разложение алюмосиликатов и образование глинистых минералов.

Разложение Fe-содержащих силикатов приводит к образованию гидрооксидных соединений железа - Fe (OH)3, FeOOH и др., присутствие которых придаёт выветрелому веществу бурую окраску, очень распространённую в условиях нашего умеренно влажного климата (пример столбовских сиенитов, которые буреют на выветрелой поверхности).

В аридном климате существенную роль играет карбонатизация.

Во влажном и жарком климате (экваториальном) химическое выветривание заходит наиболее далеко, до полного разложения алюмосиликатов на простые гидрооксиды (латеритные почвы).

Переход части минерального вещества в растворимые формы - и, соответственно, в водную среду.

Химическое осаждение растворённого минерального вещества, его возврат в литосферу.

Взаимодействие вещества, осаждаемого из грунтовых вод, с дезинтегрированным рыхлым материалом верхних уровней литосферы (почвы, кор выветривания, рыхлых осадков) цементация. Образуются «уплотнённые» горизонты внутри почв и осадков (кремнистые, железистые, известковистые, огипсованные). В конечном счёте такой механизм приводит к формированию из рыхлых осадков осадочных горных пород.

Биогенная миграция. Взаимодействие между живым веществом и инертной материей Земли происходит в форме массообмена химических элементов между живыми организмами и окружающей средой. Именно процессы массобмена элементов объективно характеризуют геохимическую деятельность организмов. Подобные закономерные процессы миграции химических элементов, осуществляемые не под воздействием геологических факторов, а в результате жизнедеятельности организмов были названы В.И. Вернадским биогеохимическими.

Изучение закономерностей биогенной миграции химических элементов понимание планетарной (геологической) роли жизнедеятельности живых организмов стало возможным благодаря введению понятия «живого вещества». Пока наука XIX в. концентрировала всё внимание на изучении жизнедеятельности отдельных организмов, всё живое представлялось ничтожным по сравнению с могучими силами неживой природы. Считалось, что удел жизни - только приспосабливаться к тем условиям, которые создаются в природе физическими и химическими процессами, которым безоговорочно приписывалось ведущее значение.

Подвижность химических элементов в процессах, где ведущая роль принадлежит биогенной миграции, зависит как от формы нахождения этих элементов, так и от той роли, которую они выполняют в живых организмах. Растительные и животные организмы удерживают в своих тканях миллиарды тонн минеральных веществ. Чем больше биогенное значение химического элемента, тем в большей степени он захватывается живыми организмами и, следовательно, оказывается защищенным от выноса из почв грунтовыми и речными водами.

Подробнее некоторые особенности биогенной миграции, вопросы о геохимической роли живого вещества, общего биологического круговорота элементов и циклов отдельных элементов мы рассмотрим в следующей лекции

Техногенная миграция. С появлением человека и развитием человеческого общества появляется новый и самый сложный вид миграции химических элементов - техногенная миграция. Особенно быстро её роль возрастает последние два столетия (с начала промышленной революции). При этом многократно возрастает влияние техногенеза на природные процессы, техногенная нагрузка на природные системы, вплоть до биосферы в целом. Биосфера трансформируется и переходит в новое качество. В то же время люди до сих пор плохо знают законы, которым подчиняется техногенная миграция, механизмы влияния этих процессов на природные системы. Лишь в начале ХХ в. эти вопросы были поставлены В.И. Вернадским, и им же заложены концептуальные подходы к решению данного круга проблем. Но систематические исследования начались (и у нас, и за рубежом) только с 50-х годов ХХ в.

Концептуальная основа - идея перехода биосферы в качественно новое состояние: ноосферу (сферу разума). Подробнее этот вопрос мы рассмотрим, завершая этот курс.

Для характеристики техногенной миграции и связанного с нею распределения химических элементов на земной поверхности используются понятия:

Техногенные ореолы рассеяния.

Техногенные аномалии (выделяются в депонирующих, т.е. накапливающих средах и могут соответствовать ореолам рассеяния). Могут быть не только вредными, но и полезными. Например, те, которые являются результатом известкования кислых почв, что улучшает агрохимические свойства. Практикуется также непосредственное внесение дефицитных минеральных компонентов не в среду, а непосредственно в пищу животных и человека (пищевые добавки).

Техногенные потоки рассеяния (выделяются в транзитных средах - водах, воздухе, донных осадках водотоков).

Техногенные зоны выщелачивания. В большинстве связаны с выщелачиванием элементов из отвалов горнодобывающих предприятий. В этих случаях с ними могут быть связаны техногенные потоки рассеяния и ореолы загрязнения в сопряжённых ландшафтах, где выщелоченные компоненты будут накапливаться. Нередко выщелачивание применяется искусственно как технология извлечения минерального компонента из руд.

Техногенные геохимические барьеры. Понятие двоякого употребления, что не очень удобно. С одной стороны - так называют природные барьеры, на которых концентрируются элементы, попавшие в ландшафт в результате техногенной миграции. С другой - искусственно создаваемые барьеры для локализации загрязнения. Например, известковые валы, служащие для осаждения элементов, переносимых кислыми водами. Или искусственные сорбционные барьеры.

В общем виде эти процессы сводятся к изъятию элементов из одних ландшафтно-геохимических систем, их переносу и поступлению в другие ландшафтно-геохимические системы, включая и накопление в последних. Для этих процессов, как и собственно в биосфере, используется, главным образом, преобразованная солнечная энергия, причём формы её использования более разнообразны. Широко используется в том числе и солнечная энергия, аккумулированная в прошлые геологические эпохи (горючие полезные ископаемые). Используются и эндогенные источники энергии, в том числе и энергия радиоактивного распада, использование которой в таких масштабах чуждо биосфере и возможные последствия её применения ясны ещё далеко не в полной мере.

Выделяется два геохимических типа процессов техногенной миграции.

Миграция, унаследованная от биосферы, но техногенно изменённая. Это процессы, связанные с биологическим круговоротом, водной и воздушной миграцией элементов. Для их характеристики можно использовать те же понятия, которые разработаны применительно к процессам биогенной и физико-химической миграции.

Собственно техногенная миграция в формах, чуждых биосфере. Производство веществ, не существующих в природе, использование атомной энергии, перемещения вещества, подчиняющиеся социальным законам. Здесь требуется новый понятийный аппарат, который сейчас находится в стадии разработки.