Геохимия окружающей среды Лекция Ландшафты

Геохимия окружающей среды Лекция: «Ландшафты»

• • Ландшафтом называется генетически однородный природнотерриториальный комплекс, имеющий одинаковый геологический фундамент, один тип рельефа и одинаковый климат. Функционирование ландшафта как единой материальной системы обусловлено протеканием взаимосвязанных процессов обмена и преобразования вещества и энергии: трансформация солнечной энергии; влагооборот (круговорот воды); биогеохимический круговорот атомов; трансформация энергии силы тяжести.

Структурно-функциональные части ландшафта • • К аэромассам относится воздух, не содержащий паров воды и твердого атмосферного аэрозоля. Гидромассами называются водные массы, находящиеся в ландшафте в жидком, твердом и газообразном виде (поверхностные и грунтовые воды, лед, снег, пары воды, осадки). К литомассам в природно территориальном комплексе относятся коренные породы, выходы скальных обнажений, обломочный материал в почве и на ее поверхности (щебень, дресва, галька). Фитомассами называется органическое вещество растений, накопленное к данному моменту как в надземной, так и в подземной части ландшафта. Зоомассой называется органическое вещество тел животных, насекомых, простейших микроорганизмов, находящихся в данный момент времени в пределах ландшафта. Мортомассой называется органическое вещество, заключенное в отмерших органах растений, трупах животных и т. д. Педомассами называют органоминеральные смеси, почвенный мелкозем вместе с гумусом, т. е. это почва без влаги, фито и зоомасс, обломочного материала и газовой фазы.

Для различных типов ландшафтов средние годовые значения Сr • • • арктические пустыни 42 104 к. Дж/м 2 тундра 84 104 к. Дж/м 2 тайга 125 104 к. Дж/м 2 леса умеренного пояса 167 104 к. Дж/м 2 субтропики 209 225 104 к. Дж/м 2 тропические леса 251 334 104 к. Дж/м 2

Каменный уголь

кальцит

Круговорот азота

Круговорот фосфора

апатит

вивианит

Круговорот серы

гипс

пирит

Процессы выветривания в природных ландшафтах

• • • Выветривание - процесс механического разрушения и химического изменения горных пород и минералов на земной поверхности и в самых верхних частях земной коры под воздействием: различных атмосферных агентов (атмосферных осадков, ветра, колебаний температуры воздуха, воздействия на породы атмосферного кислорода и др. ); грунтовых и поверхностных вод; жизнедеятельности растительных и животных организмов и продуктов их разложения.

Гематит-гетит-гидрогетит-лимонит

Анортит – каолин + гипс

Коэффициент водной миграции

Образование коры выветривания зависит от климата, состава коренных пород, гидрогеологических условий, рельефа местности, тектонической структуры, длительности образования, эпохи формирования и степени мобильности земной коры. • • Согласно современным представлениям, выветривание горных пород проходит 4 стадии: Обломочная стадия. Стадия обизвесткования. Сиалитная стадия. Аллитная стадия.

Обломочная стадия характеризуется разрушением горной породы, ее дезинтеграцией. Химический состав породы практически не изменен. Эта первая стадия выветривания, при которой наиболее интенсивно протекают процессы физического выветривания.

Обломочная стадия (гранито гнейсовые скалы)

• Стадия обизвесткования связана с началом химического выветривания, когда из зоны выветривания вынесены наиболее подвижные химические элементы (Cl, S, Na). В продуктах выветривания увеличивается относительное содержание Са в виде малорастворимого карбоната Са. СО 3. • Сиалитная стадия характеризуется выносом всех подвижных химических элементов и увеличением относительного содержания Si и Al.

Аллитная (ферраллитная) стадия является конечной стадией выветривания и характеризуется увеличением содержания алюминия и железа по сравнению с кремнием (вследствие выноса части кремния в виде кремнезема).

Коры выветривания в различных ландшафтах

Гумидные ландшафты

Ландшафт влажного тропического леса

Широколиственный лес

Смешанный лес

тайга

• Гинкго — лиственные деревья, высотой достигающие 20— 35 метров. Обычно имеют хорошо развитую корневую систему, хорошо устойчивы к сильным ветрам и снежным заносам. Растения этого класса были широко распространены на Земле в мезозойскую эру. Листопадное голосеменное двудомное растение.

Тундра

• • • Все гумидные ландшафты характеризуются следующими общими геохимическими свойствами: формирование в результате разложения отмершей фитомассы и промывного режима территории химически активных кислых вод; интенсивные процессы выщелачивания из литомасс ландшафта легкомигрирующих химических элементов; на интенсивность процессов миграции химических элементов оказывает значительное влияние температурный фактор - продолжительность периода с положительными температурами ( наибольшая интенсивность миграции в тропическом ландшафте, наименьшая - в тундровом); образование малоплодородных кислых почв; резкое уменьшение рассеивающего характера ландшафта при наличии карбонатных пород в литомассах ландшафта. Для гумидных ландшафтов характерна аккумуляция химических элементов на тех геохимических барьерах, которые связаны с образованием нерастворимых соединений - окислительных, сульфидных, щелочных, сорбционных, а также на биогеохимических барьерах (концентрирование и накопление элементов в фитомассе растений).

Аридные ландшафты

Степной ландшафт

Степной ландшафт

Пустынный ландшафт

Пустынный ландшафт

Геохимические особенности • Основные геохимические черты аридных ландшафтов определяются лимитирующим фактором - дефицитом влаги. • В отличие от гумидных ландшафтов, где носителем химической энергии являются поверхностные и грунтовые воды, аридные ландшафты - системы со значительно меньшей рассеивающей способностью. • Из-за нейтрализации (поглощения) значительной части выделяющейся при разложении живого вещества химической энергии характерны процессы аккумуляции химических элементов. Элементы питания растений не рассеиваются из ландшафта, почвы обычно богаты питательными веществами. • Аккумуляция химических элементов в аридных ландшафтах часто происходит на испарительных и сорбционных геохимических барьерах.

Закономерности воздушной (атмосферной) миграции химических элементов в ландшафтах

• • Химические элементы и их соединения в воздушной среде мигрируют в виде двух форм: растворенной, входящей в состав главной фазы природной среды (воздуха); взвешенной, представляющей собой непостоянную, механически перемещаемую дисперсную фазу, нестабильную по составу и объемам. По источнику образования атмосферные пылевые частицы можно разделить на пять категорий: пылевые частицы, выдуваемые с континентов (по всей вероятности, их средний химический состав близок к составу лёсса); пылевые частицы растворимых солей, выдуваемые с поверхности океа нов и морей; пыль вулканических извержений; пылевые частицы внеземного происхождения; пылевые частицы антропогенного (техногенного) происхождения.

• • • Фоновые выпадения взвешенных веществ на земную поверхность для различных районов характеризуются следующими значениями: плато Колорадо (США) - 100 кг / км 2 сутки Новая Зеландия - 5 кг/ км 2 сутки Антарктида - 1 кг/ км 2 сутки Арктика - 0. 006 - 0. 06 кг/ км 2 сутки для Европейской территории России природный фон по пылевым выпадениям оценивается величиной 10 кг/км 2 сутки при флуктуациях от 6 до 20 кг/км 2 сутки. для горно-промышленных районов Урала фоновые пылевые выпадения характеризуются величиной 40 - 60 кг/ км 2 сутки.

В результате атмосферной миграции техногенных загрязнений возможны два принципиально различных типа нагрузки химических элементов на земную поверхность: 1. Высокая нагрузка, формируемая в результате выпадения больших количеств пыли с фоновым или близким к нему содержанием химических элементов. 2. Высокая нагрузка, связанная с выпадением пыли с высоким содержанием химических элементов.

Пылевидные выпадения (г. Сухой Лог)

Выпадение тяжелых металлов (г. Сухой Лог)

Анализ многочисленных данных по формированию геохимических аномалий от техногенных источников загрязнения атмосферы позволил установить следующие закономерности: 1. Центр наиболее высоких концентраций загрязняющих веществ в депонирующих средах (почвы, снеговой покров) приурочен к источнику выброса. Размеры зоны сильных геохимических аномалий хорошо коррелируются с мощностью источника выброса. 2. Форма и размеры области сильных геохимических аномалий слабо зависят от "розы ветров", характерной для данного региона. 3. Форма и размеры области слабых геохимических аномалий, окружающих зону наибольших выпадений, хорошо коррелируются с метеорологическими параметрами региона.

Водная миграция химических элементов

Хлорид ион, Cl

Натрий Na+

Сульфат ион SO 42

Карбонат и гидрокарбонат ион НСО 3 , СО 32

Кальций Са 2+

Калий (К+) и магний (Mg 2+)

Шахта «Северная» (дренажная шахта выведенного из эксплуатации карьера) Катион Мг/л Натрий Na+ Калий K+ Мг/л Мг экв, % 7, 11 Сульфат 29, 3 6, 40 SO 42 3 0, 81 Хлорид Cl 66, 5 20, 06 28, 7 15, 24 Нитрит NO 2 0, 27 0, 06 87, 9 76, 83 Нитрат NO 3 1, 35 0, 23 Гидрокарбо нат 379, 8 66, 67 Кальций Ca 2+ Магний Mg 2+ Анион 15, 4 Мг экв, % HCO 3

Шахта «Центральная» (дренажная шахта эксплуатируемого карьера) Катион Мг/л Натрий Na+ Калий K+ 23, 9 Мг/л Мг экв, % 8. 26 Сульфат 54. 1 9. 04 4, 9 1. 0 Хлорид Cl 163. 1 37. 66 9 3. 58 Нитрит NO 2 18. 75 3. 34 123, 7 80. 94 Нитрат NO 3 - 111. 7 14. 76 14, 1 6. 23 Гидрокарбо нат 245. 6 32. 98 Кальций Ca 2+ Аммоний NH 4+ Анион SO 42 Магний Mg 2+ Мг экв, % HCO 3

Процессы трансформации загрязнений в зоне распределения.

Геохимия техногенных ландшафтов

Значение коэффициента полноты техногенного использования для современной техносферы

Значение величины модуля техногенного давления для современной техносферы

Элемент Кларк, г/т ПДК(воздух), мг/м 3 ПДК (вода), мг/л Zn 83 0, 5 1, 0 Cu 47 0. 1 1. 0 Pb 16 0. 0007 0. 1 As 1. 7 0. 03 0. 05 Sb 0. 5 0. 2 0. 05 Cd 0. 13 0. 1 0. 005 Tl 1. 0 0. 004 0, 0001 Hg 0. 083 0. 0003 0. 005

Устойчивость ландшафтов к техногенным геохимическим нагрузкам

Понятие устойчивости 1. В наиболее общем виде устойчивость можно определить как потенциал сохранения режима функционирования ландшафта. 2. В понятие устойчивости природного комплекса должны входить его способность сопротивляться внешним воздействиям и способность к восстановлению нарушенных этим воздействием свойств.

При оценке деструктивной активности для биоценоза ландшафта все поступающие в природный комплекс вещества можно разделить на три группы: 1. Геохимически инертные - соединения элементов с высокими кларками, что отражает природную способность адаптации к ним биоценоза. 2. Геохимически активные - соединения элементов с низкими кларками, что отражает невозможность быстрой адаптации биоценоза к превышению их концентраций в объектах окружающей среды. 3. Вещества, неизвестные в природной обстановке, которые попадают в объекты окружающей среды вследствие несовершенства современных технологий.

Характеристика воздействия Примеры Реакция природных систем Постоянные, ниже предельно допустимого для данной системы уровня воздействия, без выраженного кумулятивного эффекта Глобальные выпадения соединений углерода Нарушения функционирования не происходит, варьирование свойств укладывается в рамки природных (сезонных, годовых) колебаний Постоянные, ниже предельно допустимого для данной системы уровня воздействия, с выраженным кумулятивным эффектом Глобальные выпадения соединений серы Изменение исходного функционирования системы из за постепенного нарастания интенсивности воздействия. Частичная деградация свойств природных систем Постоянные, выше уровня допустимого для данной системы воздействия, без выраженного кумулятивного эффекта Воздействие гидроэлектро станций Изменение характера первичного геохимического функционирования, устойчивое сохранение нового геохимического режима природных систем Постоянные, выше уровня допустимого для данной системы воздействия, с выраженным кумулятивным эффектом Воздействие металлургических заводов Устойчиво нарастающая деградация исходных природных систем вплоть до их полного разрушения

Характеристика воздействия Примеры Реакция природных систем Эпизодические, ниже Воздействие удобрений при предельно допустимого для внесении их в физиологически данной системы уровня оправданных дозах воздействия, без выраженного кумулятивного эффекта Нарушение геохимического режима функционирования природных систем не происходит Эпизодические, ниже предельно допустимого для данной системы уровня воздействия, с выраженным кумулятивным эффектом Воздействие отдельных групп пестицидов Постепенное изменение геохимического режима функционирования природных систем из за повторяющихся воздействий Эпизодические, выше уровня допустимого для данной системы воздействия, без выраженного кумулятивного эффекта Воздействие высокоминерализованных сточных вод и сырой нефти в районах нефтедобычи Изменение характера геохимического режима с последующим возвратом в исходное состояние, но при устойчивом характере остаточных признаков техногенного воздействия Эпизодическое, выше уровня допустимого для данной системы воздействия, с выраженным кумулятивным эффектом Воздействие отвалов токсичных пород горных предприятий Устойчивое изменение характера геохимического режима и невозможность возврата в исходное состояние