Учение об окружающей среде

Так что все в этой гипотезе, как будто, сходится; все известные факты находят объяснение. А недавно нашлось и еще одно подтверждение. В тонком слое осадочных пород, как раз на самой границе отложений мезозоя и кайнозоя, ученые обнаружили большое количество иридия (так называемую "иридиевую аномалию"). Иридий - тяжелый металл, в породах земной коры его обычно очень мало. А вот в некоторых разновидностях метеоритов - во много раз больше. Если на Землю упал метеорит как раз такого типа, и его вещество в виде пыли рассеялось в атмосфере, а потом выпало в осадок - все ясно, "иридиевая аномалия" - не случайность, а реальный след космической катастрофы, которая погубила динозавров.

Но такие катастрофы - события случайные и очень редкие. А в основном развитие Земли и земной биосферы шло постепенно, по своим собственным законам и независимо от всяких катастроф.

Формирование структуры биосферы, близкой к современной, происходит по мере развития похолодания климата, максимум которого приходится на четвертичный период. При этом было несколько эпох масштабного оледенения и отступления ледников. С этим чередованием связано неоднократная смена во многих районах таёжных и тундровых, степных и пустынных и других ландшафтов.

После загадочного исчезновения динозавров 60 или 70 млн. лет назад почти все пищевые цепочки на Земле замыкаются теплокровными животными. Уже к эоцену сложились все основные группы млекопитающих, которые существуют в настоящее время.

Таким образом, если подвести некоторые итоги, появление жизни приводит к существенным изменениям в процессах функционирования географической оболочки, в составе и строении не только её, но и всех внешних геосфер в целом. В качестве главных аспектов этих изменений можно выделить следующие:

Изменение состава гидросферы (газовая фаза, состав солей) и атмосферы. Вначале, с появлением фотосинтезирующих организмов, меняется газовый состав океанических вод. Первичная атмосфера Земли была бескислородной, и в природных водах растворённого кислорода также не было. В отсутствие кислорода железо способно формировать растворимые соединения, и воды первичного океана содержали их в больших количествах. Фотосинтезирующая деятельность цианобионтов привела к поступлению в Мировой океан кислорода, который тратился на окисление железа и его осаждение на океаническом дне, протекавшее в огромных масштабах (все крупнейшие месторождения железа в мире образовались именно в это время). В результате принципиально изменился и солевой состав океанических вод.

После того, как очистка океанических вод от соединений железа была завершена, свободный кислород стал проникать в атмосферу. И здесь в результате произошли принципиальные изменения. Во-первых, атмосфера очистилась от сероводорода. Окисление H2S в присутствии паров воды приводило к образованию серной кислоты, которая в растворённом виде выпадала на поверхность суши кислотными дождями. Окислялись и разлагались метан и другие углеводороды. Изменение окислительно-восстановительного потенциала привело к неустойчивости аммиака NH3 и переходу атмосферного азота в свободную молекулярную форму. Одновременно продолжался процесс «откачки» из атмосферы в Мировой океан, путём растворения, избытка углекислого газа CO2, который там частью расходовался теми же цианобионтами на фотосинтез, частью связывался ими на дне в виде карбонатных осадков. В результате принципиально изменился и состав атмосферы, и её термодинамический режим. Существенное уменьшение числа парниковых газов привело к снижению парникового эффекта и уменьшению температуры в тропосфере и на поверхности Земли. К концу докембрийского времени на нашей планете появляются первые ледники.

Изменение химизма ландшафтных сред на поверхности суши. Наряду с созданием кислородной атмосферы большое влияние оказала химическая активность продуктов жизнедеятельности и разложения органического вещества. Химическая разнонаправленность биологических процессов привела к возникновению на поверхности Земли химически контрастных, неравновесных условий. В частности, наряду с ростом содержания свободного кислорода, на отдельных участках, в местах накопления неразложившихся остатков органического вещества, стали вторично возникать восстановительные условия. Такая контрастность привела к большему разнообразию и большим скоростям химических процессов в биосфере по сравнению с добиогенным состоянием географической оболочки.

Существенно изменился ход процессов выветривания горных пород на поверхности Земли. Во-первых, благодаря изменению состава атмосферы другую направленность - преимущественно окислительную - приобрели процессы химического выветривания. Во-вторых, к двум основным типам выветривания - физическому и химическому - добавилось органическое (биогенное). Кроме того, заселение суши растениями способствовало задержанию в грунтах влаги, что способствует углублению химического выветривания. А наличие в продуктах разложения органического вещества органических кислот приводит к повышению кислотности грунтовых вод и большей активности химических процессов.

Заселение живыми организмами поверхности суши привело к появлению в географической оболочке совершенно нового процесса - почвообразования. И, соответственно, совершенно нового компонента географической оболочки - почв. Образование их явилось результатом переработки верхних горизонтов кор выветривания живыми организмами в процессах их жизнедеятельности и разложения органического вещества.

Результатом всей совокупности перечисленных выше процессов явилось существенное увеличение разнообразия обстановок в географической оболочке нашей планеты.

Существенные изменения произошли в круговоротах вещества и энергии в географической оболочке:

новые ветви и качественные особенности в круговороте воды (биологическое поглощение, с целью использования воды для создания ОВ и как носителя, обеспечивающего биохимические и физиологические процессы в организме; транспирация; возможность задержания воды в почвах и рыхлых грунтах под защитой растительного покрова);

влияние живого вещества на геологический круговорот (концентрация отдельных элементов живыми организмами, биогенное осадконакопление);

появляется новый тип круговорота вещества - биологический круговорот, осуществляемый в процессах жизнедеятельности организмов и разложения органического вещества, на основе нового механизма использования энергии Солнца.

Общий результат развития биосферы - увеличение дифференциации химических элементов, разнообразия их форм, структурирования внешних оболочек Земли, накопление информации, уменьшение энтропии.

Наиболее важны для нас две особенности развития живого вещества в кайнозое:

Усложнение структуры биосферы, нарастание ее многообразия. На разных материках, в разных природных зонах складываются очень разные группы животных, которые и по внутреннему, строению, сильно отличаются друг от друга и находятся друг с другом в различных усложняющихся отношениях.

Млекопитающие становятся более разумными; уровень цефализации, сложность повеления, степень воздействия на неживую природу, прочность семейных групп, сплоченность стаи нарастают на протяжении всей эпохи. Ведь все виды животных связаны между собой - если изменяется поведение и образ жизни одного вила, тут же приходится изменяться и всем остальным, которые живут в той местности и встречаются с представителями этого вида. Высшие млекопитающие как бы поддерживают друг друга в движении по направлению к цефализации. Получается, что развитие живого вещества в кайнозое подготовило его переход к качественно новому этапу эволюции.

В дальнейшем и структура вещества усложняется, и все вещество планеты Земля организуется за счет совсем других закономерностей.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

Как в течение эволюции Земли менялся состав ее атмосферы? Какова роль живого вещества в этом процессе?

Какие изменения происходили в составе гидросферы?

Перечислите основные этапы геохимической эволюции биосферы.

Когда началось формирование педосферы?

В чем заключается роль озонового экрана?

Какова роль растений в формировании современного состава биосферы?

Почему существует неразрывная связь между всеми компонентами биосферы?

Практическая работа №8. Биосфера, техносфера, ноосфера - объективный ход эволюции состояния окружающей среды

Понятие ноосферы и общие вопросы ноосферогенеза

На основе глубокого теоретического изучения вопросов трансформации биосферы в результате воздействия техногенных процессов В.И. Вернадский выдвинул идею о неизбежности её перехода в качественно новое состояние - ноосферу (сферу разума). Идея ноосферы является не только важным чисто теоретическим достижением научной мысли. Это, вместе с тем, и важнейшая концептуальная (идейная) основа, на базе которой могут быть найдены пути решения проблем, порождаемых техногенезом.

Согласно идеям В.И. Вернадского, ноосферой следует называть такое новое состояние биосферы, при котором протекающие в ней природные и техногенные процессы разумно регулируются человеком на основе научных знаний. При этом сам В.И. Вернадский лишь выдвинул ряд основополагающих идей, касающихся теории ноосферы. Систематизировать же их и разработать детально он не успел. Поэтому в понимании идей В.И. Вернадского о ноосфере существуют весьма различные трактовки.

Разные мнения есть даже в вопросе, существует ли ноосфера уже в наше время, или завершение её становления - дело будущего? Есть авторы, которые определяют ноосферу как часть планеты, охваченную техногенезом. В этом определении нет самого важного - характеристики ноосферы как системы. Другие считают, что уже сейчас вся биосфера перешла в качественно новое состояние, которое и следует называть ноосферой. Но если сверять оба эти определения с сутью идей В.И. Вернадского, становится совершенно очевидно, что говорить о существовании ноосферы как о свершившемся факте пока преждевременно. В наше время воздействие техногенных процессов на биосферу носит всё ещё в основном стихийный, а не разумный характер. И называть это состояние ноосферой неверно.

Пожалуй, следует считать, что мы являемся свидетелями достаточно продолжительного процесса перехода биосферы в ноосферу. Для характеристики такого переходного этапа предложены термины «антропогеосфера» и «техносфера». Техносфера определяется как часть географической оболочки, охваченная техногенными процессами. Аантропогеосфера - как биосфера в целом, подвергшаяся преимущественно стихийной трансформации в результате хозяйственной деятельности человека. Весь процесс длительного перехода биосферы в ноосферу называется ноосферогенезом. Пока этот процесс еще далёк от завершения.

Почему В.И. Вернадский рассматривал преобразование биосферы в ноосферу как закономерный процесс, несмотря на многочисленные описанные им примеры негативного, разрушительного воздействия техногенных процессов на биосферу и её компоненты? Потому что, по его заключению, у человечества нет выбора. С одной стороны, мы не можем, как бы ни хотели, законсервировать биосферу в том неизменном виде, тем более - вернуться к тому её состоянию, которое имело место на заре человеческого общества. С другой - если мы не сможем подойти к качественной трансформации биосферы разумно, по-прежнему будем оставлять всё на волю стихии, биосфера будет разрушена, и само человечество, являясь её частью, тоже прекратит существование. Слишком велики те силы, которыми сейчас обладает человек, и потому альтернативы не остаётся.

Ещё один вопрос, обсуждавшийся в рамках теории концепции ноосферогенеза, состоит в том, когда же начался процесс перехода биосферы в ноосферу? Неоднозначность ответа связана с тем, что человечество с самых ранних этапов своего существования воздействовало природные системы. Но, видимо, пока эти изменения происходили на основе присваивающего хозяйства, это ничем принципиально не отличалось от аналогичных процессов, происходящих в природных биоценозах (уменьшение поголовья травоядных животных вследствие охоты совершенно аналогично такому же результату деятельности хищных животных). По-видимому, началом антропогенной трансформации биосферы следует считать момент перехода человека от присваивающего хозяйства к производящему, который получил у историков название «неолитической революции» (примерно 7-9 тысяч лет назад). Именно с этого момента человек начитает качественно изменять природные ландшафты и создавать новые. В результате в древних земледельческих областях природные ландшафты оказались изменены коренным образом. Далее, появление и рост городов, развитие горного дела привели к увеличению масштабов и разнообразия процессов техногенного преобразования природы. Наконец, максимально ускорила этот процесс промышленная революция XVIII-XIX вв. В результате к началу ХХ в. Техногенез стал ведущим процессом на поверхности Земли. Сейчас во многих районах мира одни только масштабы добычи минерального сырья, перемещения материалов при строительстве, промышленного производства новых веществ, накопления промышленных и бытовых отходов многократно превосходят масштабы чисто природных процессов обмена веществом между компонентами 

Практическая работа №9. Биогеохимические ландшафты, геохимические барьеры

ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЛАНДШАФТЫ

Особо следует отметить, что такая громадная природная структура, как биосфера, не может быть однородной. Следовательно, в различных ее частях безопасность жизнедеятельности людей определяется целым рядом меняющихся природных и техногенных факторов. Переход биосферы в ноосферу (по крайней мере, в переживаемый нами период) не уменьшил эту неоднородность. Разработка мероприятий для конкретного увеличения безопасности жизнедеятельности в разных частях биосферы стала одной из причин, побудивших разделить биосферу на отдельные составляющие ее части - своеобразные "кирпичики", из которых построена эта гигантская природная структура.

Каждая из таких частей должна сохранять основную особенность биосферы - ее биокосность. В каждой из них должно проявиться своеобразие биологического круговорота химических элементов, а при значительной техногенной нагрузке - и своеобразие техногенной миграции и концентрации элементов. У каждой из этих частей должны быть определенные источники энергии, обеспечивающей миграцию элементов. При соблюдении этих условий в каждой такой части биосферы воздействие постоянных природных факторов на процессы жизнедеятельности будет одинаковым.

Кроме того, в составных частях биосферы должны складываться условия и для определенной производственной деятельности. Следовательно, в пределах таких участков биосферы должны действовать и относительно однородные техногенные факторы, негативно действующие на безопасность жизнедеятельности. Таким образом, в частях биосферы, отвечающих перечисленным требованиям, должны проводиться сравнительно одинаковые мероприятия, повышающие безопасность жизнедеятельности людей.

Опыт многочисленных работ по изучению особенностей биосферы показал, что перечисленные условия в наибольшей мере соответствуют разделению биосферы на отдельные части, именуемые геохимическими ландшафтами.

Что такое геохимический ландшафт? Учитывая основополагающие труды Б.Б. Полынова, М.А. Глазовской, А.И. Перельмана, геохимическим ландшафтом можно считать участок биосферы, обладающий, как и она, таким важнейшим свойством, как биокосность. Его верхнюю часть составляет атмосфера, а нижнюю - коренные горные породы, подземные воды. Кроме того, каждый обособляемый геохимический ландшафт имеет своеобразные характерные отличия, определяющие особенности миграции и концентрации веществ (атомов химических элементов и их соединений) в его пределах. Эти характернейшие отличия было предложено (В.А. Алексеенко, 1981,1982,1986,1990, 2000) рассматривать на отдельных таксономических уровнях. В зависимости от конкретной климатической и ландшафтно-геохимической обстановки число таких уровней с характерными отличиями в миграции и концентрации веществ может изменяться. Рассмотрим характеристику ландшафтов с использованием таксономических уровней несколько подробнее.

На первом таксономическом уровне учитываются основные формы движения материи. По этому признаку отдельные ландшафты могут быть объединены в абиогенные, биогенные и техногенные (антропогенные). В абиогенных несущественна роль и БИКа, и антропогенного воздействия. К ним относятся центральные части Антарктиды и Гренландии, горные ледники. В биогенных явно выражен биологический круговорот элементов (БИК). В техногенных БИК нарушен, а определяющим видом миграции является техногенная (социальная).

На втором уровне объединение отдельных ландшафтов происходит с учетом особенностей ведущего вида миграции. По этому признаку среди биогенных ландшафтов в первую очередь обособляются отличающиеся друг от друга по БИКу и количеству ежегодно производимой биомассы леса, степи (луга, саванны), пустыни, тундры и верховые болота, примитивные пустыни. Среди техногенных обособляются сельскохозяйственные, промышленные, лесотехнические, дорожные, населенных пунктов (селитебные) ландшафты, также отличающиеся друг от друга по особенностям ввоза в них и вывоза различных веществ.

На третьем таксономическом уровне и в биогенных, и в техногенных ландшафтах учитываются важнейшие особенности почв, определяющие перемещение и концентрацию в них химических элементов. Так, в первую очередь учитывается окислительно-восстановительная обстановка (наличие или отсутствие свободного кислорода и сероводорода), затем щелочно-кислотные условия, а также наиболее распространенные и интенсивно перемещающиеся, так называемые типоморфные химические элементы.

Четвертый уровень характеризует особенности состава подземных вод.

На пятом уровне учитывается атмосферная миграция. При этом выделяются ландшафты, подверженные воздушной эрозии, не подверженные эрозии, и с отложением переносимого по воздуху материала.

На шестом уровне принимаются во внимание особенности развития (или отсутствия) многолетней мерзлоты.

Седьмой уровень характеризует особенности рельефа местности, влияющие на миграцию элементов.

На восьмом уровне учитываются особенности почвоподстилающих горных пород, из которых химические элементы постоянно поступают в верхние части ландшафтов.

Ландшафты, отличающиеся хотя бы одним из перечисленных признаков, считаются отличными друг от друга. Однако часто бывает необходимо объединять ландшафты по признакам, учитываемым на определенном классификационном уровне. Для разработки мероприятий по обеспечению безопасности жизнедеятельности наиболее часто объединяют для последующих исследований в отдельные группы различные биогенные, техногенные ландшафты, ландшафты с развитием многолетней мерзлоты или же подверженные воздушной эрозии и т.д. Ясно, что безопасность жизнедеятельности в биогенных ландшафтах будет в значительной мере зависеть от природных факторов, тогда как в техногенных - и от природных, и от техногенных. При этом роль последних в большинстве случаев будет определяющей. В районах с развитием многолетней мерзлоты различные процессы жизнедеятельности в той или иной мере будут связаны именно с этим природным фактором.

Так как геохимические ландшафты отличаются условиями миграции, то и концентрация в них химических элементов часто бывает резко различной. В связи с этим одинаковые предприятия, находящиеся в разных ландшафтно-геохимических условиях, могут в одном регионе быть практически безвредными (малоопасными), а в другом создавать экологическую обстановку, опасную для жизнедеятельности. Для населения, особенно много поколений проживавшего в определенной ландшафтно-геохимической обстановке, резкая смена ее обычно вызывает осложнения в здоровье.

Массовые переселения людей и последующая безопасность их жизнедеятельности связаны еще одной проблемой с геохимическими ландшафтами. Для сохранения многих природных ландшафтов плотность населения, а часто даже число посещений их людьми, строго ограничены. В ряде случаев уничтожение определенных природных ландшафтов (например, в курортных зонах) не только грозит ухудшением условий жизни и безопасности проживающих в данной местности, но и лишает их работы. После распада СССР и в связи с ведением локальных войн подобные проблемы возникли на Черноморском побережье России и в целом на Западном Кавказе.

Число примеров, показывающих связь ландшафтно-геохимической обстановки с безопасностью жизнедеятельности, довольно велико.

Для вопросов безопасности жизнедеятельности, решаемых на региональном уровне, можно пользоваться картами геохимических ландшафтов с масштабами от 1: 1000000 до 1: 500000. Такие карты изданы для значительной части европейских регионов России и для некоторых - в Сибири. Для решения более локальных проблем безопасности жизнедеятельности (районных, городских) целесообразно использовать более крупномасштабные (до 1: 10000) карты геохимических ландшафтов.

ГЕОХИМИЧЕСКИЕ БАРЬЕРЫ

Геохимические барьеры - участки, где на коротком расстоянии происходит резкое снижение миграционной способности химических элементов, ведущее к их накоплению.

Наиболее важные типы механических геохимических барьеров:

аэродинамический;

гидродинамический;

фильтрационный.

Все эти виды барьеров Вы хорошо представляете и сами легко можете привести примеры таких барьеров (оконное стекло, полоса лесонасаждений, запруда и т.д.)

Теперь попробуем разобраться с барьерами при физико-химической миграции. Этот вопрос займёт значительно больше времени, так как физико-химические барьеры значительно более многообразны и в целом оказывают значительно большее влияние на природные процессы концентрации химических элементов.

В общем случае физико-химические барьеры приурочены к узким пограничным зонам, где контактируют (соприкасаются) две обстановки, существенно различающиеся какими-либо химическими или физическими параметрами среды и, как следствие, разными условиями миграции химических элементов. При этом обязательным условием, чтобы барьер реально функционировал, является осуществление миграции через них химических элементов, переносимых тем или иным способом (обычно с потоками поверхностных и подземных вод). Если же существует контакт двух контрастных обстановок, через который перенос вещества не осуществляется, такой контакт называют потенциальным геохимическим барьером (то есть таким, который может возникнуть при появлении этого дополнительного условия).

Самой по себе смены обстановки для возникновения отчётливо выраженного геохимического барьера тоже недостаточно. Надо, чтобы эта смена была резкой, осуществляющейся на небольшом промежутке. Если же смена условий происходит постепенно, на значительном расстоянии, барьер оказывается как бы «размазан» в пространстве, и повышение концентраций осаждающихся на нём химических элементов будет незначительным. Но для изучения общей картины миграции химических элементов и такие неявные, «размытые» барьеры тоже нужно учитывать.

По масштабам проявления среди геохимических барьеров существуют макро-, мезо- и микробарьеры. Некоторые типичные примеры таких барьеров рассматривает в своих работах А.И. Перельман.

Примером макробарьеров могут служить зоны смешения речной и морской воды в устьях рек, иногда имеющие ширину до первых километров. Эти барьеры являются зонами массовой коагуляции и осаждения коллоидных частиц. Другой случай макробарьера - зоны апвеллинга (подъёма глубинных холодных вод в океане, обогащённых СО2, и их смешения с тёплыми прибрежными водами.

Пример мезобарьера - краевые части болот, где в болото (восстановительная среда) поступают с окружающих возвышенностей богатые кислородом поверхностные и грунтовые воды.

Пример микробарьера - место выхода на поверхность источника с восстановительными водами.

Эффективность геохимического барьера определяется его градиентом и контрастностью.

Градиент барьера - это скорость нарастания изменения параметров среды по направлению миграционного потока:



G= m1- m2/l,

где l - протяжённость барьера;

m1 и m2 - геохимические параметры среды до и после барьера

(параметры любые - кислотность, окислительно-восстановительный потенциал, давление и т.д.).

Контрастность барьера - отношение величин геохимических параметров в направлении потока до барьера и после него:

S= m1/ m2

Интенсивность накопления химических элементов на барьере увеличивается с ростом контрастности и градиента (случай постепенного изменения параметров среды можно рассматривать как барьер с очень малым градиентом - и отсюда понятно, почему повышение содержания химических элементов будет незначительным).

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 всё более смещаться в направлении движения водного потока.

Специфическим типом геохимических барьеров являются двусторонние барьеры. Они возникают в тех случаях, когда через границу раздела обстановок с разными параметрами среды миграция осуществляется попеременно то в одну, то в другую сторону. Тогда барьер будет действовать в обоих направлениях.

В зависимости от направленности движения миграционного потока можно выделить барьеры латеральные и радиальные. На латеральном барьере миграция происходит по горизонтали, из одного элементарного ландшафта в другой. В этом случае барьеры приурочены к границам ландшафтов, резко различающихся по условиям миграции. Радиальные барьеры связаны с вертикальной миграцией вод, они локализованы внутри соответствующих ландшафтов, на границах раздела сред по вертикали.

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. Вы уже знаете, что 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, которые были охарактеризованы ранее (лекция 4)

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).

Рис. 8. Классификация геохимических барьеров А.И. Перельмана с дополнениями А.И. Летувнинкаса

Окислительные (кислородные) барьеры (А).

Такие барьеры возникают на участках резкого повышения Eh среды - окислительно-восстановительного потенциала. Поскольку в условиях земных ландшафтов увеличение Eh обычно связано с увеличением концентрации свободного кислорода (основного окислителя), то можно называть окислительный барьер кислородным, считая эти термины в данном случае практически синонимами.

На этих 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.

Сероводородные (сульфидные) барьеры (В).

Эти барьеры возникают там, где кислородные или глеевые воды встречают на своём пути сероводородную обстановку. Естественно, если в сероводородную среду проникают сероводородные воды, никакого барьера не возникает. Поэтому символы, соответствующие барьерам с индексами В9-В12,выделены курсивом - эти барьеры запрещены. Сероводородные обстановки в зоне гипергенеза встречаются редко, так что и сероводородные барьеры тоже распространены мало. На сероводородных барьерах наиболее эффективно накапливаются халькофильные элементы (так как они непосредственно связываются с серой, образуя сульфидные соединения), отчасти - сидерофильные, и в наименьшей мере литофильные.

Самый обычный случай возникновения природного сероводородного барьера при латеральной миграции - это контакт кислородных вод с сероводородными илами. Например, при впадении реки в озеро, на дне которого развиты сероводородные илы. Такой барьер может возникать в приустьевых частях рек. Подобный случай подробно изучен Алексеенко на примере устья Дона. Здесь при ветровом нагоне морской волны воды в приустьевой части реки приобретают сульфатно-кальциево-натриевый состав. А микроорганизмы в донных илах восстанавливают сульфатные соединения до сульфидных, и возникает сероводородная среда. На контакте этих илов с кислородными водами возникает сероводородный барьер, где накапливаются сульфидные соединения различных металлов.

Пример функционирования природных геохимических барьеров типов В5-В8 при вертикальной миграции выявлен и изучен Н.С. Касимовым в солончаках, подпитываемых водами солёных озёр (побережья Аральского моря, Балхаша, озёр Тургайской котловины). В этих ландшафтах непосредственно под поверхностной соляной коркой расположен маломощный горизонт с окислительной обстановкой (первые сантиметры). Под ним - горизонт с сероводородным заражением (от 5 до 30 см). А ещё глубже - горизонт со слабовосстановительными глеевыми грунтовыми водами. В условиях сухого климата господствует вытяжной водный режим: вода капиллярными силами вытягивается в направлении поверхности, где испаряется (пример относительно редкого случая водной миграции в направлении снизу вверх). В результате формируются два барьера. первый - сероводородный, второй (выше первого) - окислительный.

Известны случаи возникновения локальных очагов сероводородного заражения (и, следовательно, возможности появления сероводородных барьеров) в гумидном климате при смешении грунтовых кислородных и глеевых вод. Необходимое условие для этого - сульфатный состав кислородных вод. Это может быть следствием миграции кислородных вод через зону окисления горных пород, содержащих сульфиды. При окислении сульфидов образуется сульфат-ион SO42-. При просачивании таких насыщенных сульфат-ионами кислородных вод в основание низинного торфяника, они попадают в среду с восстановительными условиями. Здесь сульфат-ион, действуя как окислитель, окисляет, при участии деятельности серобактерий, присутствующие в торфе органические углеводородные соединения. А сам при этом восстанавливается с образованием сероводорода. В результате в узкой полосе вдоль границы между кислородными водами и глеевой средой возникает сероводородная обстановка. И, с учётом направления водной миграции, функционирует сероводородный барьер типа В2.

Глеевые барьеры (С).

Эти барьеры в наиболее типичных случаях возникают на участках резкой смены кислородной обстановки глеевой. Реже - слабоглеевой обстановки резкоглеевой, то есть тоже глеевой, но характеризующейся ещё более низкими значениями окислительно-восстановительного потенциала. Теоретически можно предположить вероятность существования в природе глеевых барьеров типов С9-С12, которые возникали бы при поступлении сероводородных вод в глеевую среду. Но такие барьеры пока не изучены.

Глеевые барьеры очень широко распространены в гумидных и семиаридных ландшафтах, особенно в супераквальных (с неглубоким залеганием грунтовых вод), где развиваются процессы заболачивания. При заболачивании формируется глеевая среда. В результате нисходящего движения почвенных вод или латерального стока грунтовых вод из сопряжённых возвышенных ландшафтов по периферии зоны заболачивания формируются глеевые барьеры типа С2 или С3.

Возможно также возникновение глеевых барьеров в краевых частях артезианских бассейнов. Воды внутренних частей этих бассейнов залегают между водоупорными горизонтами, которые также изолируют водоносный горизонт от проникновения атмосферного кислорода. Те же воды, которые поступают в артезианский бассейн из области питания, по мере своего продвижения могут терять кислород, расходуя его на окисление содержащегося в водоносном горизонте органического вещества. В результате во внутренних частях артезианского бассейна формируется бескислородная среда. Если при этом в водах содержится мало сульфат-иона, они будут глеевыми. На границе кислородных вод, поступающих из области питания, и глеевых вод внутренней части артезианского бассейна, будет формироваться подвижный глеевый барьер.

Щелочные барьеры (D).

Возникают на участках резкого повышения рН среды в нейтральной, кислой и щелочной обстановках. В соответствии с общими законами миграции на них происходит накопление преимущественно катионогенных химических элементов, лучше мигрирующих в кислой среде: Fe, Mn, Ni, Co, Cu, в том числе такие высоко токсичные загрязнители природной среды, как Pb, Cd, Hg, As, U и др.

Характерный пример: почвенный профиль элювиального ландшафта влажных тропиков на карбонатных породах. Сверху формируются кислые почвы, повышенная кислотность которых обеспечивается разложением больших объёмов органических остатков. Растворы, фильтрующиеся через эти почвы, попадают в карбонатные горные породы, трещинные воды которых имеют щелочную реакцию. Возникает щелочной барьер типа D2.

Способность многих токсичных элементов осаждаться на щелочных барьерах используют для локализации загрязнения, создавая такие барьеры искусственно. Например, для обработки виноградников широко используется в качестве фунгицида смесь медного купороса CuSO4 и гашеной Ca(OH)2 извести (бордосская смесь). В результате при многолетнем применении этого средства в почве накапливается избыток меди, достигающий опасного уровня - особенно в почвах подчинённых ландшафтов, куда мигрируют почвенные растворы. Для борьбы с загрязнением на путях миграции растворов роют траншеи, которые заполняют песчано-карбонатной смесью, в которых возникает щелочная среда. Формируется щелочной барьер, на котором медь связывается в форме малоподвижного в этих условиях гидрокарбонатного соединения малахита - Cu2CO3(OH)2.

Кислые барьеры (Е).

Возникают на путях миграции химических элементов при резком снижении рН среды. В противоположность щелочным барьерам, на них накапливаются не катионогенные, а анионогенные элементы, более активно мигрирующие в условиях щелочной среды. К ним принадлежат Si, Al, Mo, Be, Ga, Sc, Y, Zr, TR и др. Как правило, эти элементы мигрируют в форме растворимых солей щелочных металлов, подвижных в щелочной среде - Na2SiO3, Na2AlO2, Na2MoO4 и др.

Чаще всего в природе встречаются (и лучше всего изучены) кислые барьеры, возникающие при попадании щелочных содовых вод в кислую среду. Такая ситуация возникает при радиальной испарительной миграции (капиллярное «вытягивание» щелочных растворов с глубины в более кислую почвенную среду) - пример хорошо изучен в Северном Казахстане. Накапливаются Si, Y, Be, Se, Zr и ряд других элементов.

Яркий пример действия кислого барьера - замещение древесных остатков опалом и халцедоном (оксидными соединениями кремния). Если древесина захороняется в почвах аридных ландшафтов, имеющих щелочную среду, то при её разложении возникают очаги повышенной кислотности на щелочном фоне. Щелочные растворы, содержащие подвижные соединения кремния, приникают в разлагающуюся древесину - и здесь, на локальном кислотном барьере, осаждаются слабо подвижные соединения кремнезёма. В более широком плане этот процесс назван М.А. Глазовским хемогенным опалогенезом. Он протекает в различных ландшафтных обстановках именно на кислых барьерах.

Специфический случай возникновения кислого барьера - водонефтяной контакт. Уходящий из нефтяной залежи метан окисляется, и подкисляет поровые воды выше контакта нефтяной залежи. Этого оказывается достаточно для выпадения из раствора кремнезёма и закупоривания им пор в рыхлых грунтах.

Испарительные барьеры (F).

Это участки зоны гипергенеза, где накопление химических элементов обусловлено процессами испарения. Первая существенная особенность этих барьеров - действие в условиях самых разнообразных по химизму обстановок. То есть действие испарительного барьера лишь в незначительной степени зависит от параметров кислотности-щёлочности среды или окислительно-восстановительного потенциала. Главным фактором является климат. Вторая важная особенность - то, что именно на этих барьерах концентрируются наиболее растворимые химические элементы. Те, которые подвижны в водах любого химического состава (Na, K, Rb, Cl и др.). Понятно, что самый простой способ осадить такие элементы - это просто выпарить раствор, в котором они переносятся.

Условия возникновения испарительного барьера - сухой климат и неглубокое залегание грунтовых вод (нарисовать схему). В такой ситуации водные растворы поднимаются с водоносного горизонта к поверхности. Поднимает их сила поверхностного натяжения в капиллярах. Так как в условиях сухости климата вытянутая по капиллярам вода сразу же испаряется, ей на смену с водоносного горизонта поступают всё новые и новые порции. И этот «вытягивающий» воду механизм действует непрерывно. Постоянно всё новые и новые порции H2O испаряются, а содержавшиеся в них растворённые соли концентрируются в грунтах и почвах.

Глубина, с которой возможен капиллярный подъём грунтовых вод к поверхности, зависит от температуры (чем выше Т, тем с больших глубин возможен такой подъём). Другие факторы - размеры пор, минеральный состав грунтов, минерализация растворов. То есть зависимость достаточно сложная. Но в целом обычно испарительная концентрация солей в условиях аридного климата начинает проявляться начиная с глубин 3,5-4 м, и особенно усиливается с глубин 2,5-3 м. Нередко полное испарение воды происходит раньше, чем она достигает поверхности, то есть внутри почвенного профиля. Для испарительных барьеров характерна вертикальная зональность, связанная с тем, что разные соли имеют разную растворимость и, при повышении минерализации раствора, выпадают в осадок поочерёдно. Вначале идёт осаждение и накопление карбонатов Ca и Mg, затем - гипса (сульфат Ca), и наконец - наиболее растворимых соединений (хлоридов Na и K, некоторых сульфатных соединений, реже - нитратов Na и Mg).

Аналогичная зональность нередко бывает развёрнута и по латерали, так как минерализация грунтовых вод обычно увеличивается в процессе их стока от области питания (если процессы испарения действуют на значительных интервалах по пути движения грунтовых вод).

Так как в типичном случае испарительный барьер возникает при вертикальном движении вод в сторону земной поверхности, он может в природе совмещаться с кислородным и термодинамическим барьерами. С кислородным - так как одновременно может резко увеличиваться окислительно-восстановительный потенциал среды. С термодинамическим - так как выход грунтовых вод на поверхность означает резкое изменение термодинамических параметров, в особенности давления.

Испарительные барьеры могут также формироваться по периферии водоёмов (рек, озёр, водохранилищ). Дело в том, что капиллярно-плёночное перемещение может иметь не только вертикальную, но и латеральную (горизонтальную) направленность. Если грунты постоянно «подпитываются» водами поверхностного водоёма, то в условиях засушливого климата тот же механизм капиллярного «вытягивания» может действовать и в латеральном направлении. Это явление нередко приобретает опасный характер в условиях техногенного загрязнения водоёмов в аридных ландшафтах. В.А. Алексеенко описан случай, когда в окрестностях отстойника, куда сбрасывались загрязнённые воды, содержание свинца в почвах окружающих территорий выросло до 1%, а цинка - даже до 10%!. На рудных месторождениях такие содержания уже считались бы промышленными, а здесь они сформировались в почве!

Но такие случаи являются относительно редкими. А вот типичный негативный результат действия испарительного барьера заключается в том, что с ним связано развитие процессов засоления почв и, как результат - ухудшение плодородия почв, вплоть до полной непригодности для земледелия. Ежегодно из-за процессов засоления огромные площади земель выходят из сельхозоборота. особенно вредными являются процессы содового засоления, так как кроме увеличения содержания солей в почвах одновременно резко увеличивается и щёлочность среды.

Сорбционные барьеры (G).

Ещё одна важнейшая группа процессов, определяющих физико-химическую миграцию в водных средах - это сорбционные процессы (сорбция и десорбция). Сорбцией называется способность тел поглощать из окружающей среды растворённые вещества или газы. В том числе такой способностью обладают присутствующие в водной среде мелкие взвешенные частицы, в том числе и мицеллы коллоидов. Сорбированные ионы могут либо выводиться из водной среды в результате выпадения частиц в осадок (в частности, при коагуляции коллоидов), либо мигрировать дальше, пассивно переносясь сорбировавшими их частицами.

Сорбционные барьеры возникают в результате резкого снижения миграционной способности химических элементов при фильтрации ионных водных растворов или газовых смесей через среды, обладающие повышенной сорбционной способностью. Эти барьеры особенно важны для элементов с низкими кларками, так как осаждение в процессе сорбции может происходить при очень низких концентрациях, намного меньших, чем концентрации насыщения.

Таким образом, роль сорбции в миграционных процессах может быть двоякой, в зависимости от конкретных условий:

сорбция может быть причиной осаждения вещества из раствора;

сорбция может способствовать пассивной миграции вещества при механическом переносе частиц-сорбентов.

Различаются два вида процессов сорбирования: адсорбция и абсорбция. В первом случае сорбируемое вещество поглощается только поверхностью тела, во втором - всем его объёмом.

Адсорбция может иметь разную природу. Химическая адсорбция основана на установлении прочных химических связей адсорбента с поглощающим веществом и практически необратима. Физическая адсорбция происходит на основе слабых межмолекулярных связей (ван-дер-вальсовых) и является обратимой. Следовательно, возможны процессы не только сорбции, но и десорбции, то есть перехода сорбированных частиц обратно в раствор. Поэтому при таком типе сорбции адсорбированное вещество находится в состоянии подвижного равновесия с неадсорбированной (остающейся в растворе) частью того же вещества. Интенсивность адсорбции возрастает с уменьшением размеров частиц адсорбента и, следовательно. С возрастанием общей поверхности. Адсорбции способствует образование плохо растворимого соединения адсорбата и адсорбента (например, адсорбция фосфат-ионов гидроокисью трехвалентного железа).Величина адсорбции увеличивается при возрастании концентрации вещества и снижении температуры раствора. Снижение концентрации вещества в растворе и повышение его температуры, напротив, усиливают процессы десорбции. В целом, вещества адсорбируются тем лучше, чем ниже их растворимость (правило П.А. Ребиндера). Поэтому любой внешний фактор, снижающий растворимость, усиливает сорбцию, и напротив - любое изменение условий, приводящее к увеличению растворимости вещества, будет усиливать десорбцию. Важный фактор, влияющий на активность сорбционных процессов - изменение валентности ионов, то есть процессы окисления и восстановления. Многозарядные ионы адсорбируются легче, чем ионы низкой валентности. Например, хорошо растворимый в своей шестивалентной форме уран, попадая в богатые органическим веществом илы, оказывается в восстановительной среде и восстанавливается до четырёхвалентного. В результате растворимость его резко снижается, он сорбируется этими илами и накапливается в них.

Особой разновидностью сорбционных процессов является процесс обменной сорбции - когда адсорбент, поглощая какие-либо ионы из окружающего раствора, отдаёт эквивалентное количество ранее сорбированных им ионов другого вещества. Процессы обменной сорбции широко развиты в почвах (при этом участие в них обычно принимают только катионы). Совокупность присутствующих в почве веществ, способных к обменной сорбции, называется почвенным поглощающим комплексом (ППК). Он в основном состоит из гумусового вещества и глинистых минералов.

Наиболее распространённые сорбенты в зоне гипергенеза :

глины и глинистые минералы;

гумус;

рассеянное органическое вещество;

битумы;

торф;

бурые угли;

гидрооксиды Fe, Al, Mn;

гели кремнезёма;

мицеллы коллоидов;

частицы аэрозолей.

Классическим примером сорбционного барьера являются краевые части болот (где этот барьер обычно совмещается с глеевым, иногда также с кислым). Торф и богатые гумусовым веществом болотные почвы активно сорбируют металлы - U, Be, Ge, Mo, Pb, Zn и др. Концентрации урана в торфяниках могут превосходить концентрацию в питающих водах в 10 000 раз. Таким путём могут формироваться промышленные месторождения урана.

В нефтегазоносных областях сорбционные барьеры возникают в результате процессов окисления нефтей и превращения их в полужидкие и твёрдые битумы. Здесь сорбционный барьер нередко совмещается с сероводородным. Дело в том, что в этом процессе окисление нефтей сопровождается восстановлением сульфатной серы в результате деятельности бактерий. Здесь концентрируются U, V, Ni, Co, Mo, Cu, Zn и другие металлы.

Очень высокой сорбционной способностью обладает гумусовое вещество почв, особенно чернозёмных и каштановых. Поэтому почвенный поглощающий комплекс тоже может выступать в роли сажного геохимического барьера. На этом барьере идёт активное поглощение катионов металлов (Ca, K, Pb, Zn, Cd, Hg и др.), а также некоторых комплексных анионов (содержащих As, P, Se, Mo, V). Если бы вся потенциальная ёмкость поглощения металлов ППК реализовалась только за счёт поглощения токсичных тяжёлых металлов, то ПДК по Pb, Hg, Cd могли бы быть превышены в почвах в сотни и тысячи раз. На деле этого обычно не происходит потому, что здесь столь же активно поглощаются и вполне «безобидные» Ca, K, Mg. А так как их кларки на несколько порядков выше, то основной объём сорбированного вещества приходится именно на эти элементы. Но в условиях техногенного загрязнения формирование повышенных концентраций токсичных элементов на почвенном сорбционном барьере тоже возможно, хотя и не в столь гигантских масштабах.

Очень важную роль в зоне гипергенеза играют два сорбционных макробарьера. Первый - на путях стока речных вод в мировой океан. Здесь идёт массовое осаждение мелких принесённых реками глинистых частиц и мицелл коллоидов. А ведь и те, и другие, обладают высокой сорбционной способностью и связывают большое количество атомов токсичных элементов. Адсорбционные процессы могут приводить к удалению многих ионов из природных вод. Адсорбирующая способность глинистых минералов, особенно монтмориллонита, очень высока. Химическая адсорбция ионов калия монтмориллонитов может приводить к образованию иллита. Многие комплексные ионы, например, содержащие мышьяк и молибден, а также ионы тяжелых металлов, адсорбируются на коллоидных частицах и удаляются из раствора, впоследствии накапливаясь в осадочных железных и марганцевых рудах. Так происходит систематическое обезвреживание гидросферы. Если бы не было этого явления, целый ряд биологически вредных элементов накапливался бы в воде океанов, т.к. значительное количество таких элементов как медь, селен, мышьяк, свинец освобождаются в больших количествах и в процессах выветривания и эрозии и попадает в природные воды. Таким образом, этот барьер выполняет важнейшую геохимическую функцию, способствуя естественному самоочищению водных систем Земли. К сожалению, масштабы техногенного загрязнения в наше время возрастают настолько, что даже ёмкость этого крупнейшего барьера нередко оказывается превышенной, и сама по себе природа с очисткой загрязнённого речного стока не справляется.