Kovalchik_end

ТЕХНОГЕННАЯ МИГРАЦИЯ

Под техногенной миграцией элементов понимают совокупность геохимических и минералогических процессов, вызванных хозяйственной деятельностью человека. Основу геохимического изучения техногенной миграции заложили в начале XX в. В. И. Вернадский и А. Е. Ферсман. Значительный вклад в разработку теории и методов оценки геохимического воздействия техногенеза на природу внесли А. И. Перельман, М. А. Глазовская, Ю. Е. Сает, К. И. Лукашев.

Вовлечение химических элементов в циклы техногенной миграции характеризует показатель технофильность элемента (Т), рассчитываемый как отношение ежегодной добычи элемента (Д) к его кларку в земной коре:

Т= Д / К.

Врезультате техногенного воздействия в компонентах природной среды (атмосфера, вода, почва, растения) формируются участки с повышенным содержанием некоторых химических элементов – техногенные геохимические аномалии. По охвату территории аномалии могут быть глобальными, региональными или локальными.

Оценка аномальности химического состава природного компонента, измененного техногенезом, основывается на сопоставлении с фоновыми аналогами. Для этого используется показатель коэффициент содержания

(Кс), показывающий, во сколько раз содержание элемента в атмосферном воздухе, водах, почвах или растениях выше содержания элемента в соответствующем природном компоненте на фоновом участке, выбранном на достаточном удалении от техногенных источников:

Кс = С / Сф.

На измененных или загрязненных техногенезом территориях, как правило, аномальные концентрации в компонентах среды характерны для целого ряда химических элементов, который в таких случаях называют ассоциацией элементов-загрязнителей. Интенсивность загрязнения объекта (например, почвы) ассоциацией элементов отражает суммарный показатель загрязнения (Zc):

Zс = ∑Kc – (n – 1),

где ∑Кс – сумма коэффициентов содержания элементов, величина которых превышает значение 1,5; n – число элементов с Кс > 1,5.

21

На основе значений суммарного показателя загрязнения разработана ориентировочная шкала оценки эколого-геохимического состояния почв (табл. 7).

Для эколого-геохимической и санитарно-гигиенической оценки загрязнения компонентов среды отдельными химическими элементами и веществами используются предельно допустимые (ПДК) и ориентировочно допустимые (ОДК) концентрации элементов и соединений, установленные экспериментально. ПДК (ОДК) – это порог опасного для живых организмов содержания элемента или химического соединения в природных компонентах (почва, вода, воздух, растения, донные отложения). Для почв разного гранулометрического состава и кислотности установлены различные ориентировочно допустимые концентрации ряда микроэлементов (Cu, Zn, Ni и др.): максимальные значения ОДК предусмотрены для нейтральных почв суглинистого и глинистого состава [9].

Содержание химических элементов в выбросах, стоках, отходах ряда производств (лакокрасочное, металлообработка и др.) в сотни раз превышает содержание элементов в почвах. В тех местах, где загрязнители поступают в природную среду, образуются контрастные геохимические аномалии в воде, почве, донных отложениях.

Химический состав отходов, складируемых на полигонах промышленных и коммунальных отходов, сложен и разнообразен. Наиболее токсичные отходы машиностроения и металлообработки – гальванические осадки, в которых в высоких концентрациях присутствуют Cd, Cu, Cr, Pb. Для химических производств характерно образование шламов, обогащенных Cd, Zn, Cu, Pb и другими элементами. Промышленный мусор, состоящий из отходов бумаги, резины, бетона и полиэтилена, обогащен Zn, Cu, Pb, Sb. Отходы, образование которых связано с производством кож, отличаются высоким содержанием Cr. Химический состав коммунальных отходов характеризуется высоким содержанием органического вещества, биогенных элементов (N, P, K), микроэлементов. Так, концентрации Hg, Cd, Pb, Cu, Zn и Ni значительно превышают их содержание в почвах.

Практическая работа № 5 (2 часа)

Тема. Показатели техногенной миграции.

Цель. Проанализировать уровень накопления микроэлементов в почвах зон влияния полигонов отходов. Сравнить исследуемые почвы по количественным показателям загрязнения и составу ассоциации элемен- тов-загрязнителей.

Материалы. Индивидуальные задания содержат данные о содержании микроэлементов в почвах зон влияния полигонов промышленных

22

и коммунальных отходов. Варианты индивидуальных заданий содержатся в табл. П5 прил. 5.

Основные понятия. Техногенные геохимические аномалии, коэффициент содержания, ассоциация элементов-загрязнителей, суммарный показатель загрязнения, предельно и ориентировочно допустимые концентрации элементов.

З а д а н и е 1. Рассчитать коэффициенты содержания элементов, используя данные табл. П5 прил. 5, по формуле Кс = С/Сф, где С – содержание элемента в анализируемой почве; Сф – фоновое содержание элемента.

Определить уровень загрязнения почв отдельными элементами, сопоставив концентрации элементов в загрязненных почвах с ПДК (ОДК):

КПДК = С/ПДК, где С – содержание элемента в почве; ПДК – его предельно (ориентировочно) допустимая концентрация. Внести результаты вычислений в таблицу.

З а д а н и е 2. Определить ассоциации элементов, накапливающихся в анализируемых почвах. Рассчитать суммарный показатель загрязнения (Zc) по формуле Zс = ∑Kc – (n – 1), где ∑Кс – сумма коэффициентов содержания элементов, величина которых превышает значение 1,5; n – число элементов с Кс > 1,5. Определить ориентировочный уровень за­ грязнения почв, пользуясь данными табл. 7. Результаты оценки ориентировочного уровня загрязнения почв занести в табл. 8.

23

З а д а н и е 3. Сопоставить почвы, загрязненные коммунальными и промышленными отходами, по уровню загрязнения и составу ассоциации элементов-загрязнителей. Выявить наиболее опасные эле­ менты-загрязнители исходя из класса опасности и уровня превышения ПДК (ОДК).

ЛАНДШАФТНО-ГЕОХИМИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ТЕРРИТОРИИ

Методология геохимии ландшафта основана на системном подходе, который предполагает анализ химического состава компонентов территориально сопряженных ландшафтов, связанных потоками вещества и энергии [5].

По условиям миграции вещества на участках однородного рельефа, составу пород­ и растительности выделяют элементарные ландшафты, которые относят к автономным (элювиальным) или подчиненным (супер­ аквальным, субаквальным).

Сочетания элементарных ландшафтов в ряду от местного водораздела к местной депрессии образуют геохимические сопряжения, или катены, которые в свою очередь являются звеньями ландшафтно-геохимических систем более высокого ранга – каскадных. По определению М. А. Глазовской [10], каскадными называют парагенетические (разного генезиса) системы, целостность которых определяется потоками вещества, энергии и информации от верхних гипсометрических уровней рельефа к нижним. В условиях Беларуси каскадные ландшафтно-геохимические системы территориально совпадают с водосборными бассейнами 1-го порядка площадью до нескольких квадратных километров и соответствуют понятию

геохимический ландшафт.

Для выражения особенностей миграции и концентрации химических элементов в пределах геохимических ландшафтов используют понятие фоновой геохимической структуры, под которой понимают соотношение между содержанием элементов в компонентах ландшафта, выраженное через набор соответствующих коэффициентов [11].

В вертикальном профиле элементарного ландшафта фоновая структура описывается через коэффициенты, отражающие соотношение элементов в подсистемах вода – порода (Кх), почва – растение (КБП) и др.

24

В подсистеме почва – порода для описания соотношения элементов используют коэффициент радиальной дифференциации (R):

R = С / Спор,

где С – содержание элемента в одном из почвенных горизонтов; Спор – содержание элемента в нижнем почвенном горизонте (почвообразу­ющей породе).

Радиальная неоднородность содержания элементов зависит от распределения в почвенном профиле органических и минеральных веществ, гранулометрического состава пород, щелочно-кислотных и окислитель- но-восстановительных условий [12].

В горизонтальном направлении фоновая почвенно-геохимическая структура описывается через соотношения элементов в почвенных горизонтах сопряженных элементарных ландшафтов. Эти соотношения отражает коэффициент латеральной миграции (L):

L = С / Савт ,

где С – содержание элемента в почве геохимически подчиненного ландшафта; Савт – содержание элемента в почве автономного ландшафта.

На перераспределение элементов по разрезу почв влияет изменение таких условий миграции, как содержание органического вещества, фи- зико-химические свойства (сорбционные, щелочно-кислотные, окисли- тельно-восстановительные) и др. Так, в верхних горизонтах с высоким содержанием гумуса концентрируется марганец, в меньшей степени – медь. В иллювиальных горизонтах почв тяжелого гранулометрического состава, обогащенных оксидами железа и алюминия, накапливаются соединения ванадия, свинца. В щелочных условиях аккумулируется медь. Цирконий проявляет значительную геохимическую инертность.

На перераспределение элементов по почвенно-геохимической катене оказывают влияние расчлененность рельефа, гранулометрический состав пород, глубина залегания грунтовых вод и др. В целом в условиях Беларуси при однородном составе пород катены характерно увеличение от элювиального к супераквальному ландшафту содержания большинства химических элементов [12].

Практическая работа № 6 (4 часа)

Тема. Ландшафтно-геохимическая структура территории.

Цель. Выявить особенности радиальной и латеральной дифференциации элементов в почвах Беларуси.

25

Материалы. Индивидуальные задания содержат данные о свойствах и содержании микроэлементов в почвах Беларуси [4]. Варианты индивидуальных заданий см. в табл. П6–П6A прил. 6.

Основные понятия. Элементарные и каскадные ландшафтно-геохи- мические системы, почвенно-геохимическая катена, фоновая геохимическая структура, коэффициенты радиальной и латеральной дифференциации элементов.

З а д а н и е 1. Рассчитать коэффициенты радиальной дифференциации элементов, используя данные табл. П6 прил. 6 по формуле

R = С / Спор,

где С – содержание элемента в почвенном горизонте; Спор – содержание элемента в почвообразующей породе (нижнем горизонте почвы). Внести результаты вычислений в таблицу.

З а д а н и е 2. Построить геохимические диаграммы, отражающие распределение анализируемых элементов в вертикальном профиле почв. Диаграммы строятся в виде прямоугольников, расположенных друг над другом, длина которых равна величине R элемента, а ширина – условной мощности почвенного горизонта. Диаграмма каждого элемента закрашивается цветом, принятым в почвенно-геохимическом картировании: Mn – розовым, Cu – голубым, V – желтым, Zr – серым. Пример построения диаграмм радиальной дифференциации элементов приведен на рис. 3.

Рис. 3. Радиальная дифференциация марганца, меди и ванадия в почве

За д а н и е 3. Рассчитать коэффициенты латеральной миграции элементов в почвах геохимического сопряжения (катены), используя данные табл. П6A прил. 6 по формуле L = С / Савт, где С – содержание элемента

впочве геохимически подчиненного ландшафта; Савт – его содержание

впочве автономного ландшафта. Внести результаты вычислений в соответствующие ячейки таблицы.

За д а н и е 4. Построить геохимические диаграммы, отражающие распределение анализируемых элементов в верхнем горизонте почв сопряженных ландшафтов.

26

Диаграммы строятся в виде прямоугольников, расположенных в ряд, ширина которых равна рассчитанной величине L элемента, длина – протяженности элементарного ландшафта на условном профиле. Пример построения диаграммы латеральной миграции элементов – на рис. 4.

Рис. 4. Латеральная миграция марганца, меди и ванадия по почвенно-геохимической катене

З а д а н и е 5. Проанализировать свойства почв, влияющие на миграционную активность элементов. Из названия почвы определить условия, которые могут оказывать влияние на концентрацию элементов в почве. Выявить особенности радиальной дифференциации элементов в почве автономного ландшафта, латеральной миграции элементов в почвах сопряженного ряда элементарных ландшафтов.

ГЕОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Фактическим основанием геохимии служат данные о содержании химических элементов и их изотопов в различных объектах: оболочках Земли, горных породах, минералах, рудах, почвах, живых организмах и т. д. Получение этих данных в основном производится с помощью современных физических и физико-химических методов определения содержания

27

исостояния химических элементов в минеральном, жидком, газообразном и живом веществе.

Рассмотрим сущность отдельных видов анализа.

Атомно-эмиссионная спектрометрия используется для определения более 70 элементов. Это широко распространенный экспрессный высокочувствительный метод при выполнении аналитических работ геохимического профиля. Элементный состав вещества определяется по оптическим линейчатым спектрам излучения атомов и ионов анализируемой пробы, возбуждаемым в источниках света (пламя горелки, электрическая дуга). Аппаратура включает источник энергии, спектрограф и устройство для регистрации и оценки относительной интенсивности спектральных линий. Количественное содержание элемента определяется сравнением интенсивности линий в спектрах излучения подготовленной пробы

иградуировочных смесей (эталонов). Основное достоинство – бесконтактное экспрессное одновременное количественное определение большого числа элементов в широком интервале концентраций с приемлемой точностью при использовании малой массы пробы. Отличается сравнительной простотой подготовки пробы к анализу, хорошо подходит для определения общего содержания химического элемента в пробе (валовое содержание).

Пламенная фотометрия – один из видов атомно-эмиссионной спектроскопии. Используется для определения щелочных, щелочноземельных

инекоторых других элементов в растворах и водах по атомным спектрам или молекулярным полосам. Источником возбуждения служит пламя сжигаемого газа (водород, ацетилен). Метод обладает высокой чувствительностью, быстротой, точностью, позволяет определять элементы в солях, смесях, растворах, минералах, биологических объектах.

Атомно-абсорбционная спектрометрия лучше всего подходит для работы с жидкими веществами, поэтому чаще используется для определения подвижных форм химических элементов, позволяет определять содержание­металлов в растворах их солей по атомным спектрам поглощения (абсорбции). Абсорбционный метод дополняет эмиссионный, имеет преимущества из-за более высокой чувствительности и установления микроколичества элемента. Определяется более 60 элементов. Определение валового количества элементов требует применения концентрированных кислот для полного растворения пробы.

Рентгеноспектральный анализ – метод элементного анализа, основанный на изучении спектра рентгеновских лучей, прошедших сквозь образец или испущенных им. Относительно слабочувствительный. Позволяет определять в порошкообразных, твердых и жидких пробах содержание

28

химических элементов от Na до U (по таблице Менделеева). С помощью рентгенофлуоресцентного спектрометра можно определять и очень низкие концентрации на уровне мг/кг, и очень высокие. Метод характеризуется относительной простой и быстрой подготовкой пробы.

Рентгеноструктурный анализ используется для установления кристаллической структуры, идентификации веществ и определения состава смесей, содержания минералов в глинах. Разработано несколько методов определения.

Флуоресцентный метод измеряет интенсивность флуоресценции растворов. Это достигается облучением раствора пробы монохроматическим светом и наблюдением испускаемого излучения под прямым углом в отношении падающего луча. Вещество поглощает свет выборочно. Для определения движения подземных вод добавляется красящее вещество флуоресцин желтого цвета.

Хроматография базируется на графическом использовании цвета при идентификации соединений, изолированных процессами диффузии. Различают абсорбционную и распределительную хроматографию: существует бумажная тонкослойная, колончатая, парофазная (газовая). Используют для качественного и количественного разделения органических и неорганических веществ.

Пирохроматография используется для определения углеводородов с высокой температурой кипения, применяется для непосредственной оценки различных типов нефти.

Нейтронно-активационный анализ позволяет дискретным образом определять элементы, так как не учитывает химическую форму образца, основан на облучении исследуемого образца нейтронами. Может использоваться для определения активности радиоактивных образцов и благородных металлов в рудах. Позволяет обнаружить до 74 элементов в зависимости от методики.

Колориметрический метод основан на переводе определенного компонента в окрашенное соединение и установлении его концентрации по интенсивности или оттенку окраски.

При полярографическом (электрохимическом) методе измеряется сила тока, возникающего при электровосстановлении или электроокислении анализируемого вещества на микроэлектроде, для определения анализируют силу тока в цепи и по приложенному напряжению.

Кинетический метод основан на зависимости скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ. Кинетические методы анализа характеризуются высокой чувствительностью, что особенно касается определения концентрации ионов некоторых металлов.

29