Программа курса "Охрана окружающей среды"
Скачать 489.6 Kb.
|
ХИМИЯ ЛИТОСФЕРЫ В границы Биосферы входит часть литосферы, ее верхняя оболочка – земная кора, химический состав и свойства которой отличаются от более глубоких слоев. Эта часть литосферы находится во взаимодействии с атмо- и гидросферой, химический состав которых в значительной мере отражает длительное действие химической работы живого вещества (Вернадский). С другой стороны, литосфера является наиболее консервативной частью Биосферы, и ее состав в большей степени определяется общими факторами состояния твердого вещества в р,Т,Х-условиях на поверхности планеты Земля. Состав, свойства, структура земной коры определяют границы и потоки веществ в эволюционно сложившихся экосистемах. Действие общих факторов состояния земной коры отражает кларковый состав, вес.% (в скобках - порядковый номер элемента) Солнце Метеориты Земля в целом Земная кора Атомные кларки Число минералов H (1) 42 O (8) 35 O (8) 33 O (8) 47.2 58.0 1221 He(2) 36 Fe(26) 25 Fe(26) 29 Si (14) 27.6 20.0 500 O (8) 1 Si(14) 18 Si(14) 17 Al (13) 8.86 6.6 350 C (6) 0.3 Mg(12) 14 Mg(12) 13 Fe(26) 5.10 2.0 350 N (7) 0.08 S (16) 2 S (16) 2 Ca(20) 3.6 2.0 Si(14) 0.07 Ni(28) 1.4 Ni(28) 2 K (19) 2.6 1.4 43 Mg(12) 0.03 Ca(20) 1.4 Ca(20) 1.6 Na(11) 2.6 2.4 100 S (16) 0.03 Al(13) 1.3 Al(13) 1.4 Mg(12) 2.1 2.0 43 Состав метеоритов в Солнечной системе, Земли в целом и земной коры схожий и отличается от состава Солнца (ядерные реакции), что свидетельствует о наличии общих закономерностей их устойчивости. Они проявляются на кривых lgK-N (Ферсман): преобладание легких элементов; преобладание четных элементов (правило Оддо-Гаркинса); "избыточными" (кларки которых выше средних) являются элементы с номерами, кратными 6, 12 или 18:  2 O S Ca Fe Sr Ba W N 8 14 20 26 38 56 74 Lg K 6 6 6 12 18 18-  12N Земная кора в сравнении с Землей в целом обогащена легкими Si, Al ("СиАлическая оболочка"), что объясняется более ранней кристаллизацией из расплава "корки" из соединений этих элементов (дифференциация в ходе остывания поверхности планеты) с кислородом. Это определяет главную геохимическую особенность литосферы Земли - высокий кларк кислорода (объемный кларк 91.8 !), формирование уникальной твердой кремнекислородной оболочки. Эти элементы образуют и основное количество минералов, различие физических и химических свойств которых определяет разнообразие слагающих литосферу пород в определенных р, Т, Х -условиях. Эти условия меняются при переходе от глубинных слоев Земли к поверхности. Геохимическая классификация элементов Гольдшмидта (1911) связывает вертикальную неоднородность распределения элементов с их атомными объемами: сидерофильные элементы (тяготеющие к центру планеты) - Fe, Ni, Co… всего 14 - имеющие минимальный объем; атмофильные - H, N, благородные газы, всего 8 - имеющие максимальный объем; халькофильные, концентрирующиеся ближе к ядру Земли над сидерофильными, на кривых lgK(об)-N занимают восходящие ветви - Si,Al,Cu,Zn,Ag,Hg…всего 20; литофильные, концентрирующиеся в верхних слоях, на кривых lgK(об) - N занимают нисходящие ветви. Закономерности распределения элементов в литосфере - первый уровень ее организации; важно, в каких формах они находятся (горные породы и минералы, магмы, рассеянные элементы) и за счет каких факторов способны мигрировать в геологических процессах. Закономерности образования минералов обусловлены свойствами кристаллической решетки, энергией ее образования, размером атомов. Миграция атомов в геологических процессах обусловлена не только способностью образовывать минералы. Выделяют внутренние и внешние факторы миграции. К первым относят свойства связи атомов в решетке, химические свойства соединения, свойства кристаллической решетки (в т.ч. полиморфизм), гравитационные свойства, радиоактивность (часть их обобщается в подходе Ферсмана). К внешним факторам относят концентрации, температуру, давление, степень ионизации расплава и раствора, окислительно-восстановительный потенциал среды, рН, поверхностные силы. В реальных условиях сочетание этих факторов определяет образование ассоциаций минералов в литосфере. Общее число минералов ( 2000) сравнительно невелико; они образованы ограниченным числом элементов. Большинство других не способны к образованию самостоятельных минералов и находятся в рассеянном состоянии, как входящие в структуру минерала-носителя по законам изоморфизма или в неупорядоченном состоянии, так и сорбированные поверхностью или в микроминералогических формах. Все это определяет их неравномерное распределение в литосфере. В верхнем слое литосферы наблюдается дальнейшая дифференциация элементов. При растворении пород за счет их взаимодействия с водами с последующим выносом растворенных продуктов происходила трансформация минералов и пород. В современном минеральном составе океана, по расчетам В.М.Гольдшмидта (1954) на 1 кг воды приходится 0.6 кг первичных изверженных пород. Внесено совр. содержание Внесено совр. содержание 0.6кг пород г/кг г-экв/кг г/0.6кг пород г/кг г-экв/кг Cl- 0,29 19,3534 0,54582 Na+ 17,0 10,7638 0,46806 SO42- 0,9(0,3S) 2,7007(0,9S) 0,05623 Mg2+ 13,0 1,2970 0,10666 HCO3- - 0,1427 0,00234 Ca2+ 22,0 0,4080 0,02035 Br- 0,0030 0,0659 0,00083 K+ 15,0 0,3875 0,00991 F- 0,160 0,0013 0,00007 Sr2+ 0,25 0,01364 0,00031 По этим расчетам можно заключить, что катионный состав современных вод Океана сформировался за счет выноса с континентов продуктов растворения первичных пород. В самом океана при изменении рН, ок.-восст. обстановки часть привнесенного материала выпадала в донные осадки. На континентах в результате смены восстановительной обстановки на окислительную и кислой реакции гидросферы на нейтральную и слабощелочную формировались осадочные породы (в т.ч. карбонаты), отличные по своему составу от коренных, изверженных пород. В свою очередь, они трансформируются при изменении внешних условий. Геохимическое значение имеет процесс углекислотного химического выветривания: CaCO3 + CO2 + H2O Ca(HCO3)2, 2NaAlSi3O8 (альбит)+ 2CO2 + 11H2O Al2Si2O5(OH)4 (каолинит) + 2Na+ + 2HCO3- + 4H4SiO4, приводящий к образованию растворимых продуктов при взаимодействии твердой породы, атмосферного воздуха и воды. Миграция растворенных форм с водными потоками (в т.ч. в подземных водах) может локально изменяться на геохимических барьерах (испарительном, сорбционном, кислородном, сульфидном, щелочном, окислительно-восстановительном…), возникающих при локальном резком изменении геохимической обстановки. Активизации процессов изменения состава пород на таких барьерах часто способствуют живые организмы (напр., тионовые бактерии ускоряют окисление нерастворимых сульфидов до растворимых сульфатов). Роль биотической деятельности в формировании состава литосферы проявляется не только в изменении общего состава атмо- и гидросферы и образовании захоронений отмершей неокисленной органики. Наиболее активная часть литосферы - почвы, как в силу дисперсности (площадь поверхности частиц почвы достигает 20 км2/м3), увеличивающей газо- и водопроницаемость, так и за счет наличия химической активности функциональных групп гуминовых и фульвокислот. Ежегодно образуется 120 млрд.т опада листвы и отмирает 12-15 млрд.т корней растений, перерабатываемых деструкторами с образованием гумусовых веществ. Повышенная кислотность и восстановительная среда, наряду с комплексообразующим действием органических кислот, способствуют изменению миграции многих металлов. Поэтому в почвах реализуется существенная часть эволюционно сложившихся биогеохимических циклов элементов в Биосфере, определяющих возможность длительного совершения химической работы в практически закрытой термодинамической системе. Частью этих циклов является биотический оборот элементов, имеющий особую роль в функционировании наземных экосистем. Воздействие человека на химические процессы в литосфере имеет разнообразный характер: разработка месторождений, изменение ландшафта, водных потоков, распашка земель и т.д. В частности, при добыче угля, руд металлов в шахтах активизируется деятельность тионовых бактерий, окисляющих сульфидную серу в сульфат; это способствует увеличению кислотности вод и концентрации в них металлов. Откачка шахтных вод на поверхность влечет резкое изменение условий функционирования местных экосистем. Организация золоотвалов на ТЭЦ, различных хвостохранилищ в горнодобывающих и перерабатывающих отраслях не только изменяет границы естественных экосистем, но приводит к появлению новых форм твердого вещества, нарушению процессов вещественного обмена с грунтовыми водами. Процессы изменения свойств извлеченных на поверхность минералов и пород, приводящие к повышенной миграции ряда элементов, в т.ч.токсичных, происходят медленно и негативные экологические последствия могут проявиться через многие десятилетия после завершения разработки конкретного месторождения. Проблема "химических бомб замедленного действия" становится все более актуальной в густонаселенных странах Европы, где давно прекращена добыча и переработка руд. Эти примеры показывают возможные последствия техногенеза, затрагивающие состояние литосферы на уровне отдельных экосистем; в глобальном масштабе такие последствия могут проявиться как изменение геохимических циклов элементов, в первую очередь с низкими кларковыми содержаниями, находящихся в литосфере, перераспределением их в Биосфере. В настоящее время техногенные потоки ряда элементов, извлеченных из литосферы, достигли или превосходят естественные потоки. МИГРАЦИЯ И ТРАНСФОРМАЦИЯ ВЕЩЕСТВ В БИОСФЕРЕ. ПОКАЗАТЕЛИ ТЕХНОГЕНЕЗА. Цикличность вещества в Биосфере реализуется за счет переноса (миграции) в атмосфере, гидросфере, литосфере и живых организмах. Поэтому следует выделить физическую миграцию под действием градиентов силы тяжести, температуры, давления, и биологическую миграцию с живыми организмами, происходящую по иным закономерностям, часто - против градиентов параметров среды. Поскольку такие свойства, как летучесть, растворимость, способность к фотохимической, биологической деструкции и ряд других свойств, определяющих миграцию, для разных соединений одного и того же химического элемента отличаются, важное значение имеет способность вещества к трансформации при попадании в иные условия. В обобщенном виде миграцию элементов в Биосфере описывают глобальные геохимические циклы, включающие массообмен данного элемента между атмо-, гидро-, литосферой (наиболее активной частью которой является педосфера), и совокупностью живых организмов. Они рассчитаны на основании данных о кларковых содержаниях данного элемента в компонентах Биосферы, массе этих компонент и годовых потоках атмосферных осадков, речного стока, биологической продуктивности. Для элементов, поступивших в Биосферу в результате дегазации мантии, имеющих устойчивые летучие формы (N,O,С,S,Cl,H,,.), значительный вклад в геохимические циклы дает атмосферный перенос, тогда как для литофильных элементов, поступивших в Биосферу в результате выветривания литосферы (Ca,Si,Na,K,P, …,тяжелые металлы) более существенной оказывается миграция с речным стоком. Рассмотрим геохимические циклы этих групп элементов на примерах углерода и кальция (жирным шрифтом выделены запасы элемента, 1012 т, курсивом - потоки, 109 т/г): Ц    икл С Цикл Са             Атмосфера 0.58 Атмосфера 00.003 130 100 0.048 0,27 0,20 94 36 1.6 0.8      1.4 Педосфера Живое в-во 1.3 Океан 37 14 Педосфера Живое в-во 22.6 Океан 558960    Речной сток 0.01 0.1 Речной сток
   органическое в-во ионы газы биогенная миграция ионы взвесиГлобальный цикл С состоит из двух блоков: биологи- В цикле Са основной вклад дает водная миграция, ческого (связывания и выделения СО2, захоронения направленная с континента в океан. Удержанию Са в орг.в-ва) и карбонат-бикарбонатной системы в обмене Биосфере способствует накопление в живом веществе атмосферы и океана), регулирующих концентрацию и регулирование равновесия СаСО3 - Са(НСО3)2 СО2 (и, след.,климат) в атмосфере. Циклы элементов в Биосфере не являются полными, т.к. некоторая их часть выводится из круговорота в осадки в мировом океане; пополнение запасов происходит за счет вулканической деятельности (для С - в газовой форме в атмосферу, для Са - при тектонических подвижках и при извержении вулканов). В условиях современной Биосферы в циклах всех элементов процессы биоаккумуляции и биологической миграции играют огромное значение, в частности, способствуя временной консервации части элементов на континентах за счет аккумуляции растениями и почвами. Глобальные геохимические циклы, таким образом, точнее определять как биогеохимические, в которых процессы жизнедеятельности, по Вернадскому, изменяют "судьбу" элементов в Биосфере. Циклы элементов на уровне экосистем менее замкнуты, чем глобальные в масштабах Биосферы. Однако эволюционно сложившиеся экосистемы (биогеоценозы) формировались в определенных границах, ограничивающих потоки веществ таким образом, что цикличность ряда важных элементов внутри этих границ была достаточной для поддержания параметров (гомеостаз экосистем). Из этого можно заключить, что техногенные нарушения потоков веществ за счет изменения физической миграции, доли биологического оборота, изъятия или введения веществ могут повлиять на их цикличность элементов как условия функционирования экосистем и Биосферы в целом. Сопоставим естественные и техногенные потоки некоторых элементов в современной Биосфере (млн.т/г): Ме Континент.сток Атмосф.перенос Биологич.круговорот Техногенные раствор взвеси (аэрозоли) на суше в океане потоки Fe 0.25 705 65 34 32 ? Mn 0.37 43 4 41 6 > 12 V 0.033 2,7 0.25 2.6 0.4 ? Cr 0.037 2.1 0.19 0.31 0.28 2.4 Ni 0.074 1.9 0.18 0.35 2.9 0.76 Zn 0.74 1.6 0.15 8.6 10 4.5 Cu 0.26 1.2 0.11 1.7 16 7.4 Pb 0.037 0.41 0.038 0.43 0.4 > 0.4 Hg 0.0026 0.008 0.00076 0.0021 0.0024 0.007 Cd 0.0074 0.0061 0.00057 0.00086 0.032 0.007 . Оценка техногенных потоков элементов показывает, что по некоторым из них за короткий период достигнут или даже превзойден уровень естественных потоков. При этом не всегда это связано с специальной добычей для производства товарной продукции, а является результатом попутного использования при производстве энергии. Кроме того, "кларки" техносферы и Биосферы сильно отличаются: в техногенные потоки вовлечены большие массы редких и рассеянных элементов. Наконец, пути техногенных потоков могут отличаться от естественной миграции элементов в Биосфере. Все это дало основание Вернадскому выделить геохимическую функцию человека как отдельную в общих биогеохимических функциях живого вещества. Для анализа проявлений этой функции в масштабах Биосферы и отдельных территорий А.И.Перельманом, Н.Ф. и М.А.Глазовскими предложена система показателей. Показатель технофильности N - отношение общей массы добываемого элемента к его кларку в литосфере, характеризует степень использования данного элемента в техногенезе. Наибольшей (порядка 1010) величина N оказывается для Cl,Bi, Au, Cd, Ag, тогда как для более распространенных элементов она ниже (107 для Fe). Показатель специальной техногенности Na - отношение суммарной добычи элемента (как целевого сырья) к кларку этого элемента в биосфере (учитываются и другие части Биосферы), и показатель общей техногенности Nб (с учетом добычи из естественных потоков, напр., водных), отражают степень извлечения элемента; их отношение показывает полноту техногенного исполььзования данного элемента. Доля целенаправленного вовлечения в техногенные потоки сильно отличается для разных элементов: для Cl 98%, для Na, Cu, Ag, Ba порядка 90%, для Be - всего 2%. Малая величина этого отношения показывает, что либо имеются большие потери этого элемента в техногенезе, что может быть связано с несовершенством технологии извлечения, либо этот элемент не находит применения и извлекается как попутный. Помимо глобальных аспектов техногенного использования элементов, этот подход оказывается продуктивным для оценки влияния техногенеза на миграцию элементов на региональном уровне. Техногенное давление - сумма добываемого и баланса ввоза-вывоза в данном регионе элемента, можно оценить по разным видам сырьевых продуктов. Модуль техногенного давления - величина техногенного давления, отнесенная к площади или к количеству населения. В сумме по всем элементам в Германии МТД составляет 1500000 на км2, 6.2 - на 1 жителя, в Швеции - 20000 и 1100, в Монголии - 5000 и 5800, в Зап.Сибири - 42 и 1.8, соответственно. Очевидно, степень насыщенности производством и воздействия на местные экосистемы для разных территорий отличается на несколько порядков. |
Похожие:
 | И охраны окружающей среды администрации города ижевска доклад об экологической обстановке Администрация города/Структурные подразделения Администрации города Ижевска/Управление природных ресурсов и охраны окружающей среды... |  | 20. 1 О-92 Охрана окружающей среды в Рунете Охрана окружающей среды в Рунете [Текст] : веблиогр список / гбук "Самар обл универс науч б-ка", информ библиогр отд.; сост. И. Л.... |
| В амурской области Издание доклада профинансировано из областного бюджета в рамках подпрограммы «Обеспечение экологической безопасности и охрана окружающей... | | Учебной дисциплины наименование дисциплины Охрана окружающей среды... Дисциплина "Охрана окружающей среды" обязательная дисциплина цикла оп, объединяющая тематику безопасного взаимодействия человека... |
| Загрязнение окружающей среды и экологические проблемы География мировых природных ресурсов. Загрязнение и охрана окружающей среды | | Основная образовательная программа по специальности 280201. 65 –... Цель ооп – обеспечение углубленной фундаментальной и профессиональной подготовки в области охраны окружающей среды, которая обеспечит... |
| Рабочая программа дисциплины «биоразнообразие и охрана окружающей среды» В связи с этим, наиболее актуальной задачей является задача экологического воспитания нового поколения, творчески применяющего экологические... | | Це ль и з а д а ч и ди с цип л ины Дисциплина «Безопасность жизнедеятельности (охрана окружающей среды)» относится к вариативной части (дисциплины по выбору студентов)... |
| Учебно-методический комплекс дисциплины нанотехнологии Специальность... Специальность – 280201. 65 «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов» | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Экологический глобус «Охрана природы – охрана здоровья» – к Всемирному дню охраны окружающей среды |
| Учебно-методический комплекс дисциплины химия окружающей среды Специальность... Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего профессионального... | | Рабочая программа по учебным дисциплинам профессионального модуля... Мкд 04. 02 «Охрана окружающей среды и природоохранные мероприятия» разработана на основе Федерального государственного образовательного... |
| Постановление от 06 апреля 2012 г. N 99-пр об утверждении государственной... В соответствии с Федеральным законом от 10 января 2002 г. N 7-фз "Об охране окружающей среды", в целях улучшения экологической ситуации... | | Об утверждении государственной программы Ивановской области «Охрана... Ивановской области «Охрана окружающей среды Ивановской области на 2014 2020 годы» |
| Программа элективного курса предпрофильной подготовки для учащихся... В законе Российской Федерации «Об охране окружающей среды» в статье 72 «Преподавание основ экологических знаний в образовательных... | | Тема: География мировых природных ресурсов. Загрязнение и охрана окружающей среды |
