ЛЕКЦИЯ 3 Геохимические законы О причинах
реклама
ЛЕКЦИЯ 3 Геохимические законы 1. О причинах пространственной упорядоченности химических элементов В настоящее время экологическая наука в основном нацелена на выявление антропогенной составляющей в системе факторов изменении естественных свойств окружающей среды. Химическое загрязнение, т.е. нарушение сложившегося баланса вещества, лежит в основе большинства экологических проблем. В природе повсюду действует один и тот же закон, который может формулироваться по-разному, но суть его одна - абсолют движения и относительность покоя. В геохимии это закон миграции атомов, под которым понимается постоянное перераспределение атомов в пространстве. Под влиянием внешних источников воздействия и свойств самих атомов в пространстве возникают неоднородности в их плотности, которую мы называем концентрацией или содержанием. Последнее может измеряться разными единицами, но всегда относительно объема или массы вмещающей среды. Например, в мг/кг. Это будет обозначать, что в каждом кг природной среды имеется столько то мг того или иного вещества. Т.е это удельная плотность атомов вещества или его концентрация. Наши представления о микромире строятся по аналогии с макромиром (та же планетарная модель атома или капельная модель ядра). В природных системах веществ, обладающих массой и энергией, согласно формуле Эйнштейна E=mc2 с последние вязаны между собой. На бытовом уровне мы их различаем органами чувств. Вещество через форму, физические и химические свойства, а энергию через силу воздействия. На самом деле это все единое, но в разных его проявлениях. Формула Эйнштейна та же формула силы в механике. Более сильный имеет большую массу, но не всегда. В формуле силы недостаток массы можно более эффектно компенсировать ускорением. Поэтому говорят про некоторых: 1 людей «неповоротлив как тюлень», если он поворачиваться. Пуля весит граммы, не способен быстро но поражающая способность ее огромна. Все природные системы в состоянии относительной устойчивости находятся в результате равновесия двух противоположных сил – центробежной и центростремительной. Центробежные тенденции. Согласно второму закону термодинамики, движение атомов, как и иных микрочастиц, носителей энергии, направлено от большей их плотности к меньшей. В этом проявляется центробежная тенденция – самопроизвольное стремление природных систем к минимуму свободной энергии и максимуму энтропии, а в пределе в системе хаос и разброд, анархия. Каждая его частица сама по себе свободна, никем не координируется и система не способна совершать полезную работу dU= dQ pdV , работа равна нулю (pdV), вся энергия системы превращается в пшик в рассеянное тепло каждой частицы. Центростремительные тенденции. С другой стороны мы видим, что природные системы устроены центростремительно (планетные системы, структура атома, стая животных во главе с вожаком, государственное устройство с политическим центром.) Существует всемирный закон геохимической зональности, по которому распределение в пространстве материи происходит по схеме плотный эпицентр и рыхлая периферия.. А плотность в свою очередь является следствием проявления сил связи между компонентами. Чем они сильнее, тем больше вещества в единице пространства, тем больше в них энергии. Масса атома в основном сосредоточена в ядре. Ядерная энергия по своей концентрации превосходит все виды химической энергии. Ядро Земли сложено наиболее плотным веществом - оно железоникелевое. Температура его максимальна высокая для планеты. Литосфера каменная – силикатная, она менее плотная и менее нагретая. Гидросфера – водная оболочка еще менее плотная, а самая легкая атмосфера она занимает периферию нашей планеты. 2 Возьмите сосредоточена в целом солнечную систему, в нашей звезде – Солнце, основная масса ее далее в ней расположены внутренние железо-каменные планеты Меркурий, Венера, Земля, а внешние – газовые. Такое распределение в пространстве масс имеет универсальный характер. Это и есть примеры геохимической зональности, которая проявляется на двенадцати иерархических уровнях. В социальных системах мы также центробежных и центростремительных сил. видим взаимодействие Почему возникли города и почему они превращаются в мегаполисы. Они выгодны энергетически. Чем сложнее и компактнее структура, тем больше в ней ресурсов, тем она более энергоемка. Советский Союз распался, хотя и был огромным и сложным социальным организмом, но некомпактным. Энергетические и людские ресурсы и сейчас в нашей стране используются неэффективно и это крайне опасно дальнейшей деградацией. Люди устремляется в крупные города и экономически более эффективные страны в надежде лучше устроиться. Сравните средние зарплаты в Москве и остальной России! Но Москва по сравнению с мировыми центрами промышленности, культуры и науки далеко не лучший город, отсюда утечка мозгов и передовых технологий. Однако во всем есть свой предел. С точки зрения экологии и биологических законов чрезмерная концентрация ресурсов плохо. Болезни и эпидемии всегда там, где перенаселение. Очевиден основной вклад в загрязнение геосфер именно крупных мегаполисов с чрезмерной концентрацией населения и промышленного производства. Как разрешить это противоречие. Имеющие возможность решают это просто. Днем работают в городе, а на ночь или хотя бы в выходные, чтобы перевести дух бегут в загородные поместья, на дачи. Но убегать приходиться все дальше. Если для Воронежа и Семилуки загород, то для Москвы сто и двести км уже не предел. Что же касается распространения загрязняющих веществ (ЗВ), то оно строго следует второму закону термодинамики, т.е. рассеивается. Итак, что 3 имеем? Источники загрязнения (люди и их производительные мощности) концентрируются, а ЗВ рассеиваются. Вокруг городов образуются ореолы загрязнения, а сами города являются их эпицентрами. При этом площади ореолов загрязнения гораздо больше, чем площади, занимаемые городами. В геохимии рудных месторождений модели заполнения пространства абсолютно те же. Рудные тела это эпицентры концентрации, вокруг них возникают ореолы рассеяния с меньшими концентрациями, убывающими к их периферии и внешняя зона это пространство с фоновыми (наименьшими ) концентрациями. Рудные тела и ореолы рассеяния вокруг них с точки зрения геохимии это геохимические аномалии как области пространства, где концентрации выше фоновых. В поисковой геохимии эти модели созданы давно, еще в 30 годы прошлого столетия. Понятие рудного тела и геохимического ореола не только геологическое, но одновременно и экономическое. С точки же зрения экологии геохимическая аномалия не просто концентрация выше фоновой, но это такая концентрация, которая вызывает дискомфортное состояние и даже гибель живых организмов. То есть понятия геохимической аномалии у геолога и эколога близкое, но со своими нюансами. Есть и третий подход, когда геохимическую аномалию не зависимо от профессиональных пристрастий, можно выделить чисто математически по законам вероятности, используя такие базовые понятия статистики как среднее и отклонение от среднего. Итак, усилия экологов в настоящее время сосредоточены на оценке уровней загрязнения, а задача эта тонкая и порой политическая, так как нередко связана с правовыми отношениями общества и субъектов права. Например, предприятия, которые пока не успели перестроиться на современные ресурсосберегающие и природоохранные технологии, вынуждены платить штрафы за ущерб ОС. Поэтому они будут кровно заинтересованы в дискредитации предъявляемых экологами материалов. Следовательно, последние должны быть безупречными с точки зрения науки, метрологии и права. Мало получить анализы из лаборатории, которые 4 покажутся страшными. Но надо будет еще уметь их обработать и показать, что называется товар лицом, убедить не только себя, но и других в значимости тех выводов, которые мы делаем на основании полученных данных. А это называется их смысловая интерпретация, что не менее важно, чем сами анализы. 2. Математические законы распределения и их параметры 2.1 Понятие среднего как оценка фоновых (нормальных концентраций) И вещество и энергия могут рассеиваться и концентрироваться в координатах пространства и времени по определенным законам, которые можно описать математическими формулами. Практика показывает, что распределение малых химических компонентов в природных системах (а именно такие и приходиться изучать экологам-геохимикам) можно описать двумя математическими функциями: нормального и логнормального распределения случайной величины. Эти функции графически выглядят одинаково, имея колоколообразный вид (кривая Гаусса). Ордината на ней построена в значениях частоты встречаемости проб с теми или иными содержаниями атомов, абсцисса - концентрации. При нормальном законе модальное и медианное значение на кривой Гаусса совпадают, а это означает идеальную симметрию отклонения встречаемости проб с определенным от наиболее вероятной частоты содержанием в них изучаемого элемента в сторону как больших, так и меньших значений. При этом встречаемость проб с экстремальными значениями в меньшую или в большую сторону затухает по экспоненте. Медианное значение на этом графике равняется среднему арифметическому. Особенность логнормального распределения в том, что симметричной кривой не получается, но если по оси абсцисс вместо концентраций взять их логарифмы, то снова получим кривую Гаусса, но среднее значение здесь уже не арифметическое, а геометрическое, которое можно вычислить как 5 антилогарифм от среднего арифметического логарифмов содержания. В природе встречается распределение атомов, соответствующее как нормальному, так и логнормальному распределению, но технически аналитические лаборатории имеют ошибку определения концентраций, которая подчиняется логнормальному распределению, поэтому фоновое значение элементов всегда следует определять как средне геометрическое, т.е считать через логарифмы. В геологии особенно при подсчете запасов полезного ископаемого применяется среднее взвешенное, в котором среднее считается не относительно числа проб в выборке, а относительно мощности интервалов проб с определенным содержанием элемента. Представьте себе простой объект в разрезе, состоящий из трех слоев разных пород: например слой глины мощностью 2м с содержанием свинца 10мг/кг, второй слой – доломит мощностью 0,2м, но с содержанием свинца 1000мг/кг и трети слой из песчаника мощностью концентрациях на 10м, порядки но и с содержанием 1мг/кг. среднее арифметическое Разница и в среднее геометрическое не могут показать истинного суммарного содержания свинца в этой пачке из трех слоев, что для металлургического завода более важно. Среднее взвешенное будет представлять себе отношение суммы произведений мощности каждого слоя на концентрацию свинца в нем к суммарной мощности трех слоев. В результате средневзвешенное будет равно С1М1+С2М2+С3М3/ М1+М2+М3=10*2+1000*0,2+1*10=18,85мг/кг. Зная массу в целом этих слоев, можно определить запасы металла в них. Для экологии большее значение будет иметь не запасы металла, а то, сколько его может попасть в почву из этих слоев, а из них в растения, а из растений в наш пищевой рацион. В этом случае нас будут интересовать формы металла в слоях, т.е насколько они растворимы и насколько тесно связаны с почвенным слоем. В почвенном слое для оценки концентрации свинца более важно знать среднее геометрическое содержание и то насколько оно отличается от предельно допустимого т.е от ПДК. 6 3. Соотношение понятий нормы и аномалии с концентрированным и рассеянным состоянием атомов . В прикладной геохимии часто используют понятие геохимической аномалии, под которой понимаются участки территории с повышенным или наоборот пониженным содержанием относительно некоторой нормы. В экологической геохимии под нормой принимаются концентрации веществ, обычные для данного ландшафта и биоценозы давно приспособлены. к которым Такие эндемичные концентрации (местные) называются фоновыми. Если подсчитать количество любого металла в рудах и сопоставить его с количеством, рассеянным в горных породах то легко убедимся, что масса рассеянного металла всегда намного больше. И вообще это какой-то универсальный принцип Бытия - что обыденно, то встречается чаще и это считается нормой и наоборот. Есть даже поговорка - хорошего понемногу. В антропогенных ландшафтах возникают и техногенные аномалии, Биосфера Земли сформирована в определенных довольно узких условиях частных ландшафтов, где на протяжении миллионов или десятков тысяч лет сформировались определенные уровни концентрации вещества и энергии, которые считаются нормой. Они в среднем в пределах ландшафта выдержаны. Поэтому существенные отклонения в ту или иную сторону от нормы считаются аномалией или положительной при высокой концентрации или отрицательной при пониженной концентрации. То и другое негативно сказывается на существовании живых организмов, что может проявляться в их болезненном состоянии или привести к гибели. Таким образом, возникают 7 биогеохимические аномалии. Они имеют не только техногенную природу, но возникают и естественным путем. Но как точно узнать где граница между аномалией и нормой, по каким критериям ее определить, что следует считать нормой, а что аномалией, судьи кто будут ? Во всех сферах жизни этот вопрос часто ставит людей в тупик. Где грань между гением и шизофреником, между умным и неумным ? Опыт показывает, что на самом деле между крайними проявлениями уйма промежуточных, переходных типов. В геохимии косной материи нормой считается среднее содержание в пределах данной геохимической системы, под которой можно принять отдельный минерал, ту или иную горную породу, геологическое тело, геологическую формацию, провинцию, земную кору в целом. Используется понятие кларков, как значений наиболее близких к понятию нормы. В современную эпоху за норму стали принимать значения меньшие ПДК, ОДК, которые нормируются обычно эмпирически по характеру физиологических воздействий. Научность этих норм не всегда бесспорна, хотя бы уже на примере того факта, что в России эти нормы другие в основном более мягкие, чем на западе. Что там люди из другого материала сделаны ? Кроме того, они разработаны лишь для малого перечня веществ. . 8
