Геоаномальные зоны и биота

Содержание



	Концентрационные интервалы элементов в биотической и абиотической среде

	Факторы образования почвенных аномалий. Рельеф

	Сущность геохимической оценки урбанизированных территорий

	Практическая задача 1 (проба 2168)

Список использованных источников




1. Концентрационные интервалы элементов в биотической и абиотической среде



Воздействие человека на биосферу сложно и многообразно, весьма часто оно ведет к необратимым изменениям. В то время как изменения поверхности Земли, обусловленные геологическими и биологическими процессами, очень медленны, изменения, вносимые и/или интенсифицируемые человеком, накапливаются в последние годы чрезвычайно быстро. Все изменения антропогенной природы нарушают естественный баланс каждой экосистемы, сформировавшийся постепенно в течение длительного периода времени. Поэтому такие изменения ведут чаще всего к деградации естественной среды обитания человека. В результате расширения сельскохозяйственной деятельности некоторые экосистемы превратились в искусственные агроэкосистемы. Хотя воздействие человека на биосферу началось еще в неолите, проблема ухудшения состояния экосистем, вызванного их загрязнением, стала резко обостряться в последние десятилетия XX в.

Микроэлементы-загрязнения, проникшие в растительные ткани, играют активную роль в метаболических процессах, но они могут также сохраняться в виде неактивных соединений в клетках и на клеточных мембранах. В любом случае химический состав растений может меняться без появления явно видимых повреждений. Вариации элементного состава живых организмов в «нормальных» условиях, а также при умеренном избытке и недостатке химических элементов и относительный уровень токсичных доз подчиняются одной и той же закономерности. Общим в этой закономерности является увеличение интервалов варьирования с уменьшением средней концентрации элемента. Вероятно, любая биологическая система имеет определенные концентрационные интервалы как для внутренней, так и для внешней среды.

В нормальных физиологических и биогеохимических условиях содержание каждого элемента в любом субстрате и в организме в целом осциллирует около средних значений. Это могут быть естественные вариации, коротко периодичные, суточные, сезонные, возрастные и т.д., а также вариации, вызванные какими-то внешними воздействиями. При этом интервалы варьирования увеличиваются с уменьшением как среднего содержания элемента, так т степени организованности объекта (положение на эволюционной лестнице). Аналогичным образом может изменяться элементный состав окружающей среды (поступление элементов питания). Важно, что в биотической и абиотической средах эти колебания не связаны с какими-то существенными нарушениями.

Аналогично можно предположить наличие интервала концентраций с несколько большим размахом варьирования. В этот интервал укладываются изменения элементного состава внутренней среды, вызванные патологическим состояниями организма, экстремальными внешними воздействиями и экстремальными изменениями биогеохимической обстановки (поступление элементов). Такой же интервал должен существовать в случаях избыточного или недостаточного поступления химических элементов, в результате которого отмечаются более или менее серьезные нарушения физиологического состояния организмов.

Таким образом, для биотической среды (элементного состава органов, тканей и всего организма) или абиотической среды возможны три концентрационных интервала.

Первый интервал (нормальный, или интервал нормальных концентраций) включает физиологические вариации состава или вариации внешней среды, не вызывающие патологических состояний. Иными словами, это интервал концентраций элементов во внутренней и внешней средах, в пределах которого нормально функционируют гомеостатические процессы.

Второй интервал (патологический, или интервал патологических концентраций) включает вариации, связанные с патологическим состояниями. Этот стрессовый интервал можно рассматривать как предельную нагрузку нормальных гомеостатических процессов.

Третий интервал (парабиотический, или интервал парабиотических концентраций) можно рассматривать как интервал вариаций состава внутренней среды при критических патологических процессах или интервал критического избытка или недостатка элемента в абиотической среде. Достижение границ этого интервала вызывает гибель организмов в связи с летальным избытком или дефицитом элемента во внутренней или внешней среде.

Концепция концентрационных интервалов позволяет рассматривать феноменологию такого явления, как привыкание к повышенному поступлению токсичных элементов. Так, известны регионы, где большая часть населения потребляла мышьяковистые соединения в количествах, близких или даже превышающих летальные дозы. Это принято объяснять уменьшением всасываемости таких соединений в желудочно-кишечном тракте. Процесс привыкания можно объяснить и с позиций концентрационных интервалов. Если при постоянном умеренном поступлении соединений мышьяка постепенно увеличивается концентрация этого элемента в организме, то при таком «привычном» содержании мышьяка изменятся и границы концентрационных интервалов. Так, при увеличении концентрации мышьяка границы концентрированных интервалов сузятся, причем допустимым окажется меньшее относительное увеличение поступления мышьяка, чем в норме. В абсолютном выражении это означает, что летальная для нормального организма доза станет допустимой для организма, «обогащенного» мышьяком. Однако при этом нормальное поступление элемента станет ниже границ допустимого дефицита (поскольку границы концентрационных интервалов станут уже) и организм будет испытывать недостаток элемента. В литературе описано не только привыкание организма человека к повышенному поступлению мышьяка, по и явления специфической мышьяковой недостаточности для «привыкшего» организма при нормальной диете, устраняемые повышением поступления мышьяка в организм. Мышьяковый дефицит для «привыкших» организмов не объясняется уменьшением всасываемости. Это можно считать подтверждением концепции концентрационных интервалов.



2. Факторы образования почвенных аномалий. Рельеф

абиотическая рельеф почвенная геохимическая

Являясь неотъемлемой частью регуляторной системы организмов, микроэлементы имеют важное экологическое значение. Распределение элементов на поверхности суши очень неравномерно. Неоднородность микроэлементарного состава почвенного покрова планеты заложена задолго до его образования благодаря дифференциации элементов по минералам носителям. Даже в пределах одной минералого-геохимической провинции содержание меди в обломочном кварце и глинистых минералах различается в 10-20 раз, а цинка - в 100 раз и более. Разные соотношения обломочного кварца и высокодисперсных частиц, складывающиеся в процессе переотложения продуктов выветривания, определяют геохимическую неоднородность почвообразующих пород. Ее дальнейшему углублению способствуют процессы почвообразования.

В результате почвообразования образуется почва, которая при хорошей сформированности состоит из ряда слоев - горизонтов, подразделяющихся в свою очередь на подгоризонты. Верхний горизонт А обычно является наиболее гуминовым, но содержание органических веществ неуклонно уменьшается по направлению к нижним горизонтам профиля. Материал выщелачивается из горизонта А, который называется элювиальным вследствие удаления растворимых солей и коллоидного материала. Этот материал отлагается в иллювиальном горизонте В. Горизонт С образуется в результате эрозии материнских пород. Этот процесс называется полигенезом.

Подгоризонты получили обозначения соответственно А0, А1 А2, В1, В2 и т. д., и их классификация представляется достаточно сложной. Но так как в персонал поисковой партии редко включают почвоведов, то в геохимическом исследовании при классификации горизонтов следуют простому подходу, используя только три основных горизонта (т. е. А, В и С). Такая упрощенная классификация объясняется тем, что часто не хватает времени для тщательного предварительного изучения почв, которое подтвердило бы наличие более трех горизонтов.

Почва – это весьма специфический компонент биосферы, поскольку она не только геохимически аккумулирует компоненты загрязнений, но и выступает как природный буфер, контролирующий перенос химических элементов и соединений в атмосферу, гидросферу и живое вещество. Микроэлементы, поступающие из различных источников, попадают в конечном итоге на поверхность почвы, и их дальнейшая судьба зависит от ее химических и физических свойств. Хотя химия веществ, загрязняющих почву, была в последнее время предметом большого числа исследований, наши знания о поведении микроэлементов-загрязнений еще далеки от совершенства. Продолжительность пребывания загрязняющих компонентов в почвах гораздо больше, чем в других частях биосферы, и загрязнение почв, особенно тяжелыми металлами, по-видимому, практически вечно. Металлы, накапливающиеся в почвах, медленно удаляются при выщелачивании, потреблении растениями, эрозии и дефляции. Первый период полуудаления (т. е. удаления половины от начальной концентрации) тяжелых металлов, по расчетам Иимуры и др., для почв в условиях лизиметра сильно варьирует: для Zn – от 70 до 510 лет, для Cd – от 13 до 1100 лет, для Сu – от 310 до 1500 лет и для Рb – от 740 до 5900 лет.




Рис. 1. Схематическое изображение почвенных профилей. а — характерные почвенные профили; б — климатические вариации. Ао—В — почва, образованная механическими, химическими и органическими процессами: Ао — частично разложившиеся органические остатки; А1 — гумус, зона органического накопления, имеет темную окраску; Аз — зона выщелачивания, имеет светлую окраску; В — зона накопления, коричневая до красно-бурой, плотная; С — зона эрозии коренных пород и структуры остаточных коренных пород; D — коренная порода.



Баланс привноса – выноса металлов в почвах показал, что концентрации микроэлементов в поверхностном слое почв в глобальном масштабе, по-видимому, возрастают с расширением индустриальной и сельскохозяйственной деятельности. Есть признаки того, что поверхностный слой почв, вероятно, подвергается как локальному загрязнению, так и региональному переносу загрязнений. Первес [634] указывает, что степень зараженности почв в городах сейчас настолько велика, что можно идентифицировать большинство проб почв как городские или сельские по содержанию в них нескольких микроэлементов, известных как главные компоненты загрязнения в городской среде.


Рис. 2. Воздействие климата на почвенную зональность (а) и роль органического материала в образовании почв в соотношении с климатом (б). Границы а и б совпадают.



Региональное загрязнение почв, как указывается в большинстве публикаций, происходит главным образом в промышленных районах и в центрах крупных населенных пунктов. Наиболее важными источниками микроэлементов здесь являются предприятия, транспорт и коммунальные сточные воды. Однако из-за воздушного переноса на большие расстояния микроэлементов-загрязнений, особенно тех, которые образуют летучие соединения (например, As, Se, Sb, Hg), стало трудно определять природный фоновый уровень некоторых микроэлементов в почвах.

В дополнение к воздушным источникам микроэлементов следует также отметить поступление последних в почвы с удобрениями, пестицидами и при орошении. Важным источником загрязнения почв в некоторых промышленных районах могут быть отвалы металлургических заводов и рудников за счет мобилизации и переноса тяжелых металлов просачивающейся через них водой или разноса пыли ветром. Влияние орошения сточными водами на состав почв вызывает особенно серьезное беспокойство, оно было предметом большого числа исследований и многих законодательных мер. Рекомендуемые стандарты и инструкции по предотвращению накопления микроэлементов при орошении полей стоками находятся еще в стадии разработки и обсуждения. Есть участки почв, на которых предельные уровни уже превышены – в огородах, фруктовых садах и других местах – за счет загрязнения от промышленных источников или обильного и многократного орошения сточными водами. Высокое содержание тяжелых металлов в стоках – наиболее важное препятствие для использования последних в сельском хозяйстве.

Рельеф создает микроклимат и вызывает значительные различия в развитии профилей. Наиболее крутые склоны образуют более поверхностные почвы и меньшую профильную дифференциацию. Подвижные элементы быстро выщелачиваются с верхних слоев почвы и вновь осаждаются в нижней части склона на площадях с более пологим рельефом. Известь часто отлагается в таких районах и придает почве более высокую кислотность (рН) в нижней части склона. Плохо дренированные почвы в районах с низким рельефом обычно имеют более высокое содержание органических веществ, чем дренированные участки ландшафта. Именно здесь образуются торфяные болота.



3. Сущность геохимической оценки урбанизированных территорий



В настоящее время сеть крупных городов становится главным источником локальных влияний на природную среду, что определяет необходимость специальных исследований по геохимической оценке урбанизированных территорий. Опыт исследований в области геохимии техногенеза свидетельствует о том, что степень концентрации в ландшафте некоторых веществ-загрязнителей в общем отражает интенсивность поступления их в окружающую среду с отходами различных производств. Выявление и картографирование техногенных аномалий могут быть положены в основу оценки антропогенного воздействия на исследуемую территорию. При изучении антропогенных потоков непременно предполагается анализ их распространения с фиксацией на местности в зонах или сферах влияния тех или иных хозяйственных объектов. Зона влияния рассматривается как область обмена геотехнической системы со средой веществом и энергией через подвижные компоненты: водные и воздушные массы, животные и растения. Выявление т оконтуривание зон влияния проводятся в процессе картографирования территории.

Целесообразный уровень исследований загрязнения - мезотерриториальный, соответствующий уровню районных планировок, когда картографирование ведется в определенном диапазоне масштабов - от 1:25000 до 1:300000. Карты инвентаризации антропогенных комплексов сами по себе должны быть результатом анализа и синтеза экономико-географических и химико-технологических данных; они основываются на оценке хозяйственного объекта как потенциального источника загрязнения. Содержание такой карты должно опираться, с одной стороны, на классификацию типов производства, с другой - на классификацию выбросов, загрязняющих компоненты природной среды.

Наиболее доступны для количественного измерения показатели изменения состава, количества и соотношения веществ в природных комплексах. В первую очередь это относится к веществам-загрязнителям, вредным для здоровья человека. При этом особенно важен вопрос о выборе веществ-индикаторов, наиболее ярко характеризующих изучаемый тип воздействия. Карты такого рода позволяют восстановить пути распространения антропогенных потоков, оконтурить зону влияния хозяйственных объектов и выявить пространственную структуру таких зон.

Таким образом, работа по составлению оценочных карт должна включать следующие этапы: 1) картографирование природных ландшафтно-геохимических систем и определения их устойчивости к антропогенным воздействиям; 2) инвентаризационное картографирование хозяйственных объектов и определение их как потенциальных источников загрязнения; 3) выбор показателя, дающего качественную и количественную характеристику загрязнения, и составление карт распределения этого показателя; 4) картографирование антропогенных ландшафтов и их групп с бонитировкой по выбранному показателю. Общее свойство всех типов промышленных отходов - широкий комплекс микроэлементов-примесей, в составе которого часто наблюдаются элементы, известные отрицательным влиянием на живые организмы (кадмий, ртуть, свинец, мышьяк). Учитывая токсичный и канцерогенный характер некоторых микроэлементов, необходимо проводить специальные исследования по загрязнению среды микроэлементами. Кроме того, концентрация их в ландшафте служит косвенным индикатором распространения других вредных веществ, связанных с выбросами промышленного производства: мелкодисперсной пыли, окислов углерода, серы, азота, органических соединений и т.п.

Эти обстоятельства позволяют рассматривать накопление микроэлементов в природных средах в качестве одного из важных оценочных показателей загрязнения территории промышленными отходами. Техногенные аномалии в снеговой пыли и в верхнем горизонте почв отражают загрязнение атмосферного воздуха. Такая аномалия представляет собой ореол рассеяния, центр которого - территория источника. Поскольку механизм формирования техногенных ореолов и потоков рассеяния во многом сходен с механизмом формирования вторичных ореолов рудных месторождений, к изучению техногенных аномалий целесообразно применять методы прикладной геохимии, разработанные для целей геохимических поисков полезных ископаемых. Выделение и картографирование аномалий проводится на примере почв как депонента, фиксирующего картину многолетнего распределения выпадений из атмосферы пыли антропогенного происхождения.

Изучение промышленного загрязнения проводится путем геохимического картирования ключевых участков, связанных с промышленно селитебными территориями и зонами их влияния. Первый этап исследования - характеристика содержания микроэлементов в природных почвах в зависимости от ландшафтных особенностей территории. В результате устанавливаются опорные фоновые содержания всех исследуемых элементов; эти данные ложатся в основу определения уровня аномальности наблюдаемых концентраций элементов. Второй этап - характеристика промышленно-селитебных территорий и их частей путем исследования геохимических выборок. Третий этап связан с исследованием пространственного распределения содержания микроэлементов и их комплексов, с оконтуриванием аномалий разного уровня, т.е. непосредственно с геохимическим картографированием городских территорий и зон их влияния.



4. Практическая задача 1 (проба 2168)



На основе справочных материалов устанавливается фоновое содержание микроэлементов в почвенном покрове АР Крым.

На основе фактических материалов вычислить коэффициент концентрации.

Проанализировать вычисленный коэффициент концентрации (сгруппировать данные в три блока: 1- накапливающиеся по сравнению с фоном; 2 - находящиеся на уровне фона; 3 - содержащиеся ниже фоновых значений). Построить гистограмму.

Рассчитать суммарный показатель загрязнения для пробы и района.

Расчёт выполнить последовательно для 3-х уровней стандартов – СОГ, СОР, СОЛ.



Таблица 1. Фоновое содержание элементов (стандарты сравнения)

Химический элемент

Знак

Глобальный уровень (кларк), СОГ мг/кг

Региональный уровень, мг/кг, СОР

Локальный уровень, мг/кг, СОЛ

Литий

Li

32

20

20

Бериллий

Be

3,8

2

2,5

Бор

B

12

53

50

Натрий

Na

25000

5900

4000

Магний

Mg

18700

6100

8000

Алюминий

Al

80500

54800

63000

Кремний

Si

295000

443000

250000

Фосфор

P

930

740

630

Хлор

Cl

170

690

-

Калий

K

25000

19000

-

Кальций

Ca

29600

11600

40000

Скандий

Sc

10

12

20

Титан

Ti

4500

4400

5000

Ванадий

V

90

77

100

Хром

Cr

83

82

50

Марганец

Mn

1000

590

1000

Железо

Fe

465000

26600

25000

Кобальт

Co

18

10

15

Никель

Ni

58

33

32

Медь

Cu

47

22

25

Цинк

Zn

83

52

100

Галлий

Ga

19

10

10

Германий

Ge

1,4

-

1,2

Мышьяк

As

1,7

-

-

Селен

Se

0,05

-

-

Бром

Br

2,1

-

-

Рубидий

Rb

150

84

-

Стронций

Sr

340

130

-

Иттрий

Y

29

39

25

Цирконий

Zr

170

450

200

Ниобий

Nb

20

17

15

Молибден

Mo

1

1

1

Серебро

Ag

0,7

-

0,32

Кадмий

Cd

0,13

-

-

Олово

Sn

2,5

3,9

8

Сурьма

Sb

0,5

-

-

Йод

I

0,4

-

-

Цезий

Cs

3,7

3,7

-

Барий

Ba

650

430

320

Лантан

La

29

38

25

Церий

Ce

70

-

-

Иттербий

Yb

0,33

4

3,2

Гафний

Hf

1

-

-

Ртуть

Hg

0,083

16

-

Таллий

Ta

1

-

-

Свинец

Pb

16

-

20

Торий

Th

13

-

-

Уран

U

2,5

-

-

Висмут

Bi

0,009

-

-

Вольфрам

W

1,3

-

-



Таблица 2. Результаты геохимического изучения пол-ва Казантип, Керченский полуостров, Ленинский р-н АР Крым (проба 168)

Cu

10-4

Pb

10-4

Co

10-4

Ni

10-4

Zn

10-4

Mo

10-5

Cr

10-3

V

10-3

Ti

10-2

Sn

10-4

15

20

12

32

63

1

80

80

50

2,5

Mn

10-3

Ba

10-3

Be

10-4

Nb

10-4

Zr

10-3

Ga

10-4

Ag

10-5

Bi

10-4

Ge

10-4

Sc

10-4

100

10

2

15

40

10



2,5

1,2

12

Li

10-3

P

10-2

Y

10-3

Yb

10-4

Al

100

Fe

100

Ca

100

Si

100

Mg

10-1

Na

10-1

1,5

10

1,5



8

4

12

32

32

5





Проба 168

элемент

Фоновые содержания

Проба 168 коэффициенты концентрации





Кларк

СОР

СОЛ

Кларк

СОР

СОЛ

15

Li

32

20

20

0,46875

0,75

0,75

2

Be

3,8

2

2,5

0,05263

1

0,8



B

12

53

50







500

Na

25000

5900

4000

0,02

0,0847

0,125

32000

Mg

18700

6100

8000

1,71122

5,2459

4

80000

Al

80500

54800

63000

0,99378

1,4598

1,2698

32000

Si

295000

443000

250000

0,10847

0,0722

0,128

1000

P

930

740

630

0,10752

1,3513

1,5873



Cl

170

690

-









K

25000

19000

-







120000

Ca

29600

11600

40000

4,05405

10,3448

3

12

Sc

10

12

20

1,2

1

0,6

5000

Ti

4500

4400

5000

1,1111

1,1363

1

80

V

90

77

100

0,8888

1,0389

0,8

80

Cr

83

82

50

0,9638

0,9756

1,6

1000

Mn

1000

590

1000

1

1,6949

1

40000

Fe

465000

26600

25000

0,08602

1,5037

1,6

12

Co

18

10

15

0,6666

1,2

0,8

32

Ni

58

33

32

0,5517

0,9696

1

15

Cu

47

22

25

0,3191

0,6818

0,6

63

Zn

83

52

100

0,7590

1,2115

0,63

10

Ga

19

10

10

0,5263

1

1

1,2

Ge

1,4

-

1,2

0,8571



1



As

1,7

-

-









Se

0,05

-

-









Br

2,1

-

-









Rb

150

84

-









Sr

340

130

-







15

Y

29

39

25

0,5172

0,3846

0,6

400

Zr

170

450

200

2,3529

0,8888

2

15

Nb

20

17

15

0,75

0,8823

1

1

Mo

1

1

1

1

1

1



Ag

0,7

-

0,32









Cd

0,13

-

-







2,5

Sn

2,5

3,9

8

1

0,6410

0,3125



Sb

0,5

-

-









I

0,4

-

-









Cs

3,7

3,7

-







100

Ba

650

430

320

0,1538

0,2325

0,3125



La

29

38

25









Ce

70

-

-









Yb

0,33

4

3,2









Hf

1

-

-









Hg

0,083

16

-









Ta

1

-

-







20

Pb

16

-

20

1,25



1



Th

13

-

-









U

2,5

-

-







1,5

Bi

0,009

-

-

166,66







W

1,3

-

-









Суммарный показатель загрязнения

Zc (Кларк)

Zc (СОР)

Zc (СОЛ)

8,07637

25,1482

15,0571



Накапливающиеся элементы

Проба 168 Коэффициенты концентрации

Элементы

Кларк

Элементы

СОР

Элементы

СОЛ

Mg

1,71122

Mg

5,2459

Mg

4

Ca

4,05405

Al

1,4598

Al

1,2698

Sc

1,2

P

1,3513

P

1,5873

Ti

1,1111

Ca

10,3448

Ca

3

Zr

2,3529

Mn

1,6949

Cr

1,6

Pb

1,25

Fe

1,5037

Fe

1,6

Bi

166,66

Co

1,2

Zr

2





Zn

1,2115









Рис.1. Элементы Кларк






Рис.2. Элементы СОР





Рис.3. Элементы СОЛ




Список использованных источников



	Гончарук Е.Н., Сидоренко Г.И. Гигиеническое нормирование химических веществ в почвах. – М.: Медицина, 1986.- 320 с.

	Корженевский В.В. Геоаномальные зоны и биота. Конспект лекций. – Ялта: ЯИМ, 2002. – 231 с.