Геохимия окружающей среды как наука. Основные геохимические понятия

Геохимия окружающей среды как наука. Основные геохимические понятия

Геохимия окружающей среды – наука, изучающая распределение химических элементов в пространстве и во времени, возникновение и трансформацию разных форм нахождения элементов, процессы их миграции, проявления рассеяния и аккумуляции в разных природных условиях.

Идеи В.И.Вернадского о планетарной роли живого вещества обогатили теорию геохимии и привели к формированию новой науки – биогеохимии, или экологической геохимии, изучающей миграцию и распределение химических элементов в биосфере, где главной движущей силой служит деятельность организмов. Главной задачей биогеохимических исследований является изучение массообмена химических элементов между живыми организмами и окружающей  средой.

Практическое применение геохимии окружающей среды:

1. Биогеохимический метод поисков месторождений полезных ископаемых. Существо этого метода заключается в выявлении участков повышенных концентраций рудообразующих элементов в растениях. Участки повышенных концентраций металлов в растениях и верхнем горизонте почвы — биогеохимические аномалии — дают основание предполагать присутствие на глубине залежей руд, не выходящих на поверхность. Биогеохимические исследования сыграли важную роль в открытии многих месторождений руд цветных и редких металлов, сырья для атомной промышленности и других полезных ископаемых.
2. Изучение влияния содержания химических элементов в окружающей среде на организмы животных и человека. В отдельных районах природные геохимические отклонения настолько велики, что они вызывают ответные, часто патологические реакции организмов. Такие районы получили название биогеохимических провинций. В.В.Ковальский обнаружил связь между продуктивностью сельскохозяйственного скота и избытком и недостатком бора, кобальта, меди, молибдена, селена. В некоторых местах установлено влияние содержания микроэлементов в питьевой воде и местных продуктах на здоровье человека. Помимо широко известных примеров заболевания щитовидной железы от недостатка йода установлена связь содержания микроэлементов в почвах и растениях с сердечно-сосудистыми заболеваниями. Обнаружена связь между содержанием свинца в горных породах и заболеванием рассеянным склерозом.
3. Изучение водной миграции химических элементов, выноса химических элементов в Мировой океан, оценка техногенной составляющей.
4. Проведение комплексной эколого-геохимической оценки состояния окружающей среды на конкретных территориях.

 

Формы нахождения химических элементов в земной коре

Формы нахождения химических элементов:

• горные породы и минералы;
• биогенная форма нахождения (живое вещество);
• магматические расплавы;
• изоморфные примеси;
• водные растворы;
• газовые смеси;
• коллоидная и сорбированная формы нахождения элементов (т.е. коллоиды и сорбированные ими вещества);
• форма нахождения в виде техногенных соединений, не имеющих природных аналогов.

 

Самостоятельные минеральные виды (минералы)

В литосфере самостоятельные минеральные виды являются наиболее распространенной природной формой нахождения химических элементов. В настоящее время насчитывается около 2000 видов минералов различных комбинаций и нахождений в самородном состоянии. Наибольшее число минералов (свыше 1500) образовано при участии кислорода. Более 1000 минералов содержит водород и более 500 — кремний. Еще 16 элементов (Са, S, Fe, Al, Na, Mg, Сu, Pb и др.) входят в состав более чем 100 минералов (каждый). В то же время более десяти элементов (Rh, Os, Ru и др.) образуют всего несколько собственных минералов.

Следует сразу же отметить, что только распространенностью элементов нельзя объяснить их способность образовывать самостоятельные минералы. Так, среднее содержание в земной коре свинца составляет 1,6 ∙ 10 – 3 %, а число собственных минералов — 199; для галлия эти значения соответственно равны 1,9∙10 – 3 % и 2.

Входящие в состав твердых минералов химические элементы становятся доступными для организмов либо в процессе, либо после разрушения минералов. В связи с этим при изучении экологической геохимии большое значение имеет не только состав минералов, но и их прочность и особенно растворимость.

 

Водные растворы

Водные растворы составляют отдельную оболочку Земли — гидросферу. Ее большая часть приходится на долю Мирового океана, меньшая — на поверхностные и подземные воды континентов.

По химическому составу природные воды чрезвычайно разнообразны. Различия обусловлены не только качественным составом и общей концентрацией растворенных веществ, но и соотношением компонентов и различных форм их нахождения в воде. Растворенные газы находятся в природных водах в виде молекул и частично гидратированных соединений, минеральные и органические вещества встречаются в истинно растворенном, коллоидном и взвешенном состоянии.

Природные воды представляют собой сложные растворы, содержащие дисперсные взвеси и соединения, находящиеся в истинно растворимом состоянии.

В состав растворимых соединений входят простые и комплексные ионы, нейтральные молекулы. В речных водах в составе растворимых соединений преобладают анионы [НСОз] -, [SO4]2-, C1-, составляющие от суммы растворенных веществ соответственно 48,8; 10,0 и 5,3%. Среди катионов преобладают (%): кальций — 10,8, магний — 2,8, натрий — 3,8 и калий — 1,2. В варьирующих микроколичествах присутствуют остальные элементы (10-2 ÷ 10-5 %).

Образование неорганических комплексных соединений характерно для хрома, никеля, кобальта, меди, цинка, урана.

В водах Мирового океана основную массу растворенных соединений составляют хлориды (55,3 %) распространенных щелочных и щелочно-земельных элементов, меньше содержится сульфатов (7,7 %), гидрокарбонатов – 0,41 %. Среди катионов преобладает натрий – 30,8 %, затем следует магний – 3,7 %.

Органические вещества, содержащиеся в природных водах, включают органические кислоты, фенолы, гумусовые вещества, аминокислоты, амины, углеводы и т. д.

Растворенные в воде газы - кислород, азот, диоксид углерода, сероводород и др.

 

Магматические расплавы

Плавление пород в недрах Земли приводит к образованию жидкого расплава – магмы. В магме существуют два основных вида комплексов, соответствующих будущим минералам:

• октаэдрические группы – среди них преобладают [МgО6] и [СаО6];
• тетраэдрические группы – среди них преобладают [SiО4] и [АlО4].

Кроме того, предполагается, что в магме содержатся свободные подвижные катионы, атомы растворённых металлов, соединения типов FeS и Fe3О4, а также отдельные молекулы, прежде всего газы. Таким образом, магматические расплавы – это сложные изменчивые, насыщенные газами системы.

 

Изоморфная форма нахождения химических элементов

Изоморфные смеси в минералах представляют собой закономерные замещения аналогичных элементов друг другом в кристаллических решетках. Явление установлено немецким химиком Э. Митчерлихом в 1819 г. Процесс изоморфного замещения подразделяют на изовалентный и гетеровалентный. При изовалентном в кристаллических решетках замещаются ионы равной валентности, при гетеровалентном — разной.

Возможность изоморфного замещения зависит от ряда внешних и внутренних причин или факторов.

Внутренние факторы изоморфизма определяются свойствами самих элементов (ионов):

1. Замещающий и замещаемый ионы должны иметь примерно равные радиусы.
2. Взаимозамещающиеся ионы должны обладать и подобными поляризационными свойствами.
3. Изоморфное замещение возможно между ионами с близкими величинами потенциалов ионизации.
4. Обычно изоморфное замещение возможно между ионами с близкими величинами электроотрицательности, а преимуществом в построении кристаллической решетки обладает ион с меньшей величиной электроотрицательности.
5. При изоморфном замещении не должен нарушаться тип химической связи между элементами в кристаллической решетке.

Внешние факторы изоморфизма. К настоящему времени изучено (хотя и относительно ограниченно) влияние на изоморфизм таких факторов, как температура, давление, концентрация веществ в среде протекания процесса.

1. Наиболее детально изучено влияние на изоморфизм температуры: с ее увеличением возрастает степень смесимости веществ. Многие ионы, не замещающие друг друга в решетках минералов при низких температурах, при высоких образуют изоморфные смеси. Такое положение позволило сказать А.И. Перельману: «Магматизм — основная область проявления изоморфизма в земной коре». К этому следует добавить, что большей изоморфной емкостью обладают породообразующие минералы основных пород, за ними — кислых. Большим числом редких элементов, изоморфно входящих в минералы при их повышенной концентрации отличаются щелочные породы.
2. Повышение давления способствует изоморфизму, происходящему с увеличением координационного числа.
3. Повышение концентрации в среде минералообразования элемента, изоморфно входящего в кристаллическую решетку, способствует изоморфизму. Процесс протекает более интенсивно, если в рассматриваемой среде будет понижена концентрация «главного», т.е. замещаемого, элемента.

К настоящему времени значительная часть редких и рассеянных элементов добывается из изоморфных смесей. Традиционно и вполне обоснованно предпочтение отдается примесям рассеянных элементов в высокотемпературных магматических минералах. Так, значительное количество Hf добывается из циркона, где гафний находится в виде изоморфной смеси к Zr. В изоморфной примеси к цирконию могут находиться иттрий, тяжелые лантаноиды.

 

Коллоидная и сорбированная формы нахождения элементов

Одной из основных особенностей коллоидного состояния веществ является гетерогенность — коллоидная система должна состоять не менее чем из двух фаз. При этом одна из них содержит частицы размером 0,1—1 мкм (дисперсная фаза), распределенные в другой — дисперсионной среде.

Распространенность. Рассматриваемая форма нахождения химических элементов получила относительно широкое распространение в биосфере. Коллоиды встречаются в атмосфере, в океанических и континентальных водах. Широко распространены они и на суше. Так, «наиболее важные составные части ландшафта, определяющие его своеобразие, или находятся в коллоидном состоянии (а сам «ландшафт — это подлинное царство коллоидов»), или в процессе своего образования прошли через коллоидное состояние» (А.И. Перельман). В ландшафтах зрелых стадий влажных тропиков почти 100% почв и кор выветривания состоит из коллоидов и метаколлоидных минералов. К последним относятся вещества, которые прошли в своем развитии через коллоидную стадию и размеры частиц которых несколько больше, чем у коллоидов.

Чрезвычайно широкое развитие дисперсные частицы получили в тропосфере. В.В. Добровольский считает, что «они играют не менее важную роль, чем дисперсные взвеси твердого вещества в Мировом океане». По его данным, в 1 м3 воздуха содержание аэрозольных частиц над континентами составляет n • 10-5 г, а над океанами на один—два порядка меньше. В их составе большую роль играют многие токсичные тяжелые металлы.

В районах, относительно свободных от воздействия промышленных предприятий, в столбе воздуха высотой  1 км над площадью суши содержание отдельных металлов доходит до десятков грамм. По В.В. Добровольскому, эти металлы можно разделить на две группы, в каждой из которых их концентрация уменьшается примерно на порядок:

1. Zn>Cu>Mn>Cr>Pb>V>Ni>As;
2. Cd>Se>Co>Hg>Sb>Sc.

Получается, что над континентами в дисперсной форме находятся тысячи тонн металлов первой группы и As, сотни тонн Se, Hg, Sb, Cd. Особо подчеркнем, что приведенные цифры характеризуют только природную составляющую этих элементов в тропосфере. Техногенная же составляющая, накладывающаяся на природную, существенно ее превосходит.

Со взвесями переносится основная часть металлов в речных водах. Совместно со взвесями большинство металлов переходит из океанических вод в осадки.

 

Биогенная форма нахождения (живое вещество)

Так как состав фитомассы суши определяет кларки всего живого вещества Земли, то наибольший интерес представляют данные о содержании рассеянных элементов в растениях. На современном уровне знаний можно дать следующую оценку масс рассеянных элементов, находящихся в растительности Мировой суши:

Группа элементов      Масса, млн т

I - Мn ................................................................................ 100n

И - Sr, Zn, Ti, В, Ва, Сu.................................................... 100n

III - Zr, Вг, F, Rb, Pb, Ni, Cr, V, Li........................................ n

IV - La, Y, Co, Mo, I, Sn, As, Be...................................... 0,1n

V - Se, Ga, Ag, U, Hg, Sb, Cd...................................    ....0,01n

 

Следовательно, массы рассеянных элементов, связанные в растительности суши, представлены внушительными значениями: от десятков миллионов тонн до десятков тысяч тонн, а масса марганца приближается к значениям таких элементов, как алюминий и железо.

В растениях океана по сравнению с растительностью суши значительно выше концентрация почти всех главных зольных элементов, особенно натрия и магния, а также хлора и серы. Еще заметнее выражено превышение концентрации многих рассеянных элементов. Так, в фотосинтезирующих организмах океана в сотни раз выше концентрация иода и брома, в десятки раз — некоторых тяжелых металлов (кадмия, цинка, ртути, свинца, ванадия и др.) и близких им поливалентных элементов (мышьяка).