Геохимическое поле и его параметры

ЛЕКЦИЯ 3

Геохимическое поле и его параметры

1. Основные законы геохимии как теоретическая основа эколого-геохимических исследований

В настоящее время экологическая наука в основном нацелена на выявление антропогенной составляющей в системе факторов изменении естественных свойств окружающей среды. Насколько велико его влияние можно спорить до хрипоты. Очевиден весомый вклад в загрязнение геосфер крупных мегаполисов с чрезмерной концентрацией населения и промышленного производства, локальные же очаги загрязнения можно обнаружить повсеместно и в небольших населенных пунктах особенно в странах с низкой экологической культурой. Увы, Россия в этом черном списке. Что интересно, спад промышленного производства и демографии 90гг нисколько не улучшил ситуацию.

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. Что по этому поводу говорит нам наука. А говорит она, что статистика все может, все знает и все объясняет. Мало получить анализы из лаборатории. Надо 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

Любая наука по своей структуре представляет цепь логических построений вытекающих одно из другого. Некоторые понятия в науке являются краеугольными, ключевыми. При этом всегда имеется начальное звено, часто представляющее собой некий закон или даже постулат как аксиому не требующее особых доказательств. В прикладной геохимии такими понятиями являются представления о геохимическом поле, его нормальности и аномальности. Они заимствованы у геофизиков, по аналогии с физическими полями: гравитационным, электрическим, магнитном. Аналогия в том, что имеются общие законы заполнения пространства, как атомами вещества, так и физическими полями. По-видимому, разница между физическими телами и энергией обусловлена лишь размерами структурных форм. Ученые приходят к выводу о единстве корпускулярных и волновых свойств материи. Это нашло отражение в формуле де Бройля, которая связывает волновые и корпускулярные свойства физических тел как массу объекта и длину его волны - λ (лямбда) = h/mv, где h постоянная Планка. Из формулы следует, что чем меньше масса объекта и скорость движения, тем больше его длина волны.

И вещество и энергия могут рассеиваться и концентрироваться в координатах пространства и времени по определенным законам. В природе и энергия и материя не существуют друг без друга. Скопление больших масс вещества вызывает повышенное гравитационное поле. Энергия связи максимальная для ядерных нуклонов, плотность ядерного вещества также максимальна. Для синтеза ядер требуется огромная температура, которая возникает лишь в условиях скопления огромных плотных масс, образующих звезды. Кинетическая энергия движущегося тела прямо связана с его массой

Энергия способна совершать работу посредством проявления силы, как векторной величины. В любой природной системе пока она устойчива, действуют две взаимоисключающие разнонаправленные силы. Система Земля-Луна устойчива пока центростремительная сила притяжения Земли уравновешена центробежной силой суммы орбитального и спинового моментов Луны. Следовательно, эта система устойчива при определенном расстоянии между ними и сохранении масс, а также скорости движения. Измени расстояние между этими телами или измени моменты их количества движения и произойдет катастрофа. Это проявление всемирного закон тяготения, открытого Ньютоном

Существует всемирный закон геохимической зональности, по которому распределение в пространстве материи происходит по схеме эпицентр и периферия в зависимости от плотности. А плотность в свою очередь является следствием проявления сил связи между компонентами. Чем они сильнее, тем больше вещества в единице пространства. Ядра атомов состоят из одних и тех же нуклонов: протонов и нейтронов. Масса атома в основном сосредоточена в ядре. Ядро Земли сложено наиболее плотным веществом - оно железоникелевое, литосфера каменная – силикатная, она менее плотная, гидросфера – водная оболочка еще менее плотная, а самая легкая - атмосфера ее газовая оболочка занимает периферию нашей планеты. Итак, в центре тяготения сосредоточены вещества с большой плотностью, а по периферии все мене плотные, все более легкие. Возьмите в целом солнечную систему, основная масса ее сосредоточена в нашей звезде – Солнце, далее в ней расположены внутренние железо каменные планеты Меркурий, Венера, Земля, а внешние – газовые. Это и есть примеры геохимической зональности, которая проявляется на двенадцати иерархических уровнях.

Такое распределение в пространстве масс имеет универсальный характер. Прекрасный пример геохимической зональности в земной коре дают рудные месторождения металлов. В рудном теле сосредоточена основная масса металла, его зальбанды сложены некондиционными забалансовыми рудами, а в прилегающих вмещающих породах формируются ореолы повышенных концентраций металла, но повышенных лишь относительно удаленных от рудного тела вмещающих пород, но пониженных относительного рудного тела и его ореолов. Итак, мы имеем дело с двумя типами пространственного нахождения масс - концентрированного и разряженного (рассеянного, рассосредоточенного). Первый тип занимает меньшее пространство, а второй большее. Это имеет важное значение для методологии геохимических исследований.

2. Понятие нормального и аномального геохимического поля

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 к которым эндемичные (местные) биоценозы давно приспособлены. Такие концентрации называются фоновыми.

Площади фоновых концентраций обычно обширнее аномальных Рудные тела и сопровождающие их ореолы как геохимические аномалии встречаются гораздо реже пустых вмещающих пород. 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, оно встречается чаще и это считается нормой, а то, что является аномалией, встречается реже. Есть даже поговорка - хорошего понемногу, к счастью, как и плохого. Однако, то и другое относительно. Рудная аномалия это хорошо с точки зрения геолога поисковика, но эколога - плохо.

В антропогенных ландшафтах также возникают техногенные аномалии, Биосфера Земли сформирована в определенных довольно узких условиях средней концентрации вещества и энергии, которые считаются нормой. Поэтому 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 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.

Более обоснованным и научным подходом в геохимических исследованиях являются статистический. Он успешно применяется в поисковой геохимии, но применим и в экологической. Статистические методы основаны на теории вероятности и имеют дело с величинами, которые меняют свои значения закономерно, они называются параметрическими или просто параметрами

3. Основные законы геохимии как основа прикладных исследований

Первый закон образно сформулировал Вернадский. В каждой песчинке, капле воды, можно обнаружить все известные химические элементы. Это постулат о вездесущем присутствии химических элементов. Если какой либо из них вы не обнаружили в вашем образце, это не означает, что его здесь нет - просто недостаточна чувствительность того метода, которым вы определяете этот элемент. Этот постулат пока находит подтверждение практикой. До сих пор не удалось обнаружить абсолютно чистых веществ, даже при самой высокой чувствительность современных методов анализа. Что это означает? А означает то, что не существует значений концентраций нулевых или наоборот - сто процентных.

Второй закон - закон о миграции химических элементов, о вечном их движении. Они постоянно мигрируют, хотя и скорость миграции имеет широкий диапазон от скоростей близких к скорости света и до диффузии атомов или ионов, когда скорость может составлять всего доли мм за сотни или тысячи лет. Нет абсолютно застывших форм материи, все течет, все изменяется, но с очень разной скоростью.

Третий закон. О многообразии форм химических элементов. Химические элементы находятся в природе в различных формах - атомарном и ионном состоянии, самородном, как золото и углерод, или в молекулярной форме - вода, газы; химические соединения. оксиды, сульфиды, силикаты. Растворы - жидкие и твердые, в разных растворителях; минералы и изоморфные смеси, горные породы и их расплавы, живые организмы, планеты и звезды, звездная пыль и т.д. Все эти формы при этом находятся в тесной взаимосвязи и взаимопереходах. Живая ткань – биота создается на основе абиотической или с ее участием, а затем снова переходит в неживую материю, вода превращается в лед, а лед в воду итак бесконечно.

Четвертый закон. О преобладании рассеянного состояния над концентрированным. Этот постулат достаточно очевиден. Мы видим, что на земле много пустых горных пород и гораздо меньше руд. Мы видим сколь огромные массы планет, а еще больше солнца и звезд, но в межзвездном пространстве общая масса материи все же намного ее превосходит Такое мы видим на всех уровнях организации материи.. Почему рассеянного вещества больше, чем концентрированного. Наверное, потому, что согласно второму закону термодинамики, самопроизвольно идут те процессы, направленность которых связана с уменьшением внутренней энергии, а это и есть рассеивание. Вещество Вселенной рассеяно в большей мере наверно, Известно что даже Вселенная расширяется, следовательно, рассеянное состояние это норма, а концентрированное это в общем случае аномалия. Пустые горные породы распространены широко, но не часто в них удается найти крупицы ценной руды. Вот поэтому руды мы ищем, а о породы спотыкаемся

4. Параметры геохимического поля

Это характеристики, которые помогают количественно оценить пространственное распределение тех или иных веществ в геохимических объектах любого масштаба.

C_i -Главный параметр геохимического поля- это содержание или концентрация того или иного химического элемента, соединения или группы веществ в данной точке геологического пространства. Измеряется в разных единицах концентрации, т. е это или количество объема, которое занимает вещество или его масса Часто используется относительная доля в весовых или объемных единицах или в процентах от единицы массы или объема, например золото в песке измеряют в г/м3, а содержание вещества в растворе в мг/литр. Это определяется практикой пробоотбора, удобствами при анализах, расчетах. Шкала единиц измерения не принципиальна, они легко пересчитываются одна в другую. За ними нужно видеть главное – количество нужного вещества в массе наполнителя, например руды в пустой породе или загрязнителя в единице объема компонента окружающей среды.

Второй параметр – это среднее содержание вещества или его геохимический фон

Третий параметр дисперсия, как мера разброса, неоднородности распределения C_i по всему объему объекта изучения, где пусто, а где густо. Она количественно выражается по разному, как стандартное отклонение, средне квадратичное, стандартный множитель, коэффициент вариации и т.д., в зависимости от аппроксимации - приближения к тому или иному математическому закону распределения, но об этом чуть позже. С начала о законах, на которые опирается статистика в геохимии.

Дата добавления: 2015-08-29