Геохимия окружающей среды

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«СТАВРОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ГЕОХИМИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

учебное пособие

Ставрополь, 2014

УДК  550.4 (075.8)
ББК  26.30 я 73

П 627

Рецензент

доктор географических наук,  А.В. Лысенко

Геохимия окружающей среды
: учебное пособие
/ сост.: О.А. 

Поспелова ; Ставропольский государственный аграрный университет.  –
Ставрополь: изд-во СтГАУ,  2013. – 60 с.

Рассматриваются основные закономерности геохимических процес
сов и явления в геосфере.

Учебное пособие предназначено
для студентов направления 

022000.62 – «Экология и природопользование» в качестве основного литературного источника по дисциплине «Геохимия окружающей среды».

Составлено в соответствии с требованиями, предъявляемыми к ООП 

ВПО направления подготовки 022000.62 – «Экология и природопользование» (квалификация (степень) - бакалавр), и включают краткое содержание 
курса лекций, методические разработки к лабораторным занятиям, оценочные средства для текущего и итогового контроля знаний, глоссарий.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Пояснительная записка
4

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ЛЕКЦИОННОГО КУРСА
7

ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ
87

Занятие 1-2. Геохимические классификации химических элементов

87

Занятие 3-4.  Минеральная форма нахождения. Связь свойств 
минералов с их кристаллохимическими показателями 

92

Занятие 5-6. Биогенная форма нахождения
95

Занятие 7-8. Распространенность химических элементов
98

Занятие 9-10. Миграция химических элементов в ландшафтах
102

Занятие 11-15. Радиоэкологический фактор в биосфере и основные геохимические закономерности формирования радиационной обстановки в агропромышленном комплексе при 
ядерных инцидентах
106

ОЦЕНОЧНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ 
УСПЕВАЕМОСТИ, ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ 
ПО ИТОГАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ И УЧЕБНОМЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ 
РАБОТЫ СТУДЕНТОВ
122

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К КУРСУ «ГЕОХИМИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ»
127

ГЛОССАРИЙ
130

ЛИТЕРАТУРА
134

Пояснительная записка

1.
Цель освоения дисциплины

Целями освоения дисциплины «Геохимия окружающей среды» явля
ются: формирование основ научного мировоззрения, являющегося фундаментом естественнонаучной эрудиции; развитие  у студентов научного языка 
будущего специалиста; дать необходимый минимум знаний по геохимии, который способствовал бы  усвоению профилирующих дисциплин, а в практической работе обеспечивал понимание геохимических аспектов природных 
явлений;  привить навыки геохимических расчетов, способствующих выработке  первичных  профессиональных умений. 

2.
Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата

Учебная дисциплина «Геохимия окружающей среды» относится к 

Б2.Б.ОД.4  – Математическому и естественнонаучному циклу.

Для успешного освоения дисциплины должны быть сформированы  

компетенции в области физики, химии, учения об атмосфере, геологии  на 
повышенном уровне.

Для изучения данной учебной дисциплины необходимы следующие 

знания, умения и навыки, формируемые предшествующими дисциплинами:

- «Физика» (ЕН):
Знания: знание законов сохранения массы, импульса, тепловой энер
гии, механической энергии;

Умения: умение применить законы физики к открытым системам;
Навыки: студент должен ставить познавательные задачи,  выдвигать 

гипотезы, описывать результаты эксперимента, формировать выводы

- «Химия» (ЕН):
Знания: знание строения молекулы воды, основных свойств воды, агре
гатного состояния и фазовых переходов.

Умения: выполнять подготовительные и основные операции при про
ведении химического эксперимента; проводить взвешивание и работать на 
приборах, предназначенных для исследований; рассчитывать соотношение 
компонентов и готовить растворы заданной концентрации; Навыки: проводить статистическую и графическую обработку результатов эксперимента.

- «Учение об атмосфере» (ПЦ):
Знания: теплового и водного режимов атмосферы, основных циркуля
ционных систем в различных широтах, процессов климатообразования, климатической системы Земли;

Умения: дать оценку климатическим условиям местности, составить 

уравнение теплового баланса территории.

Навыки: постановка эксперимента, проведение метеорологических на
блюдений, графическая обработка результатов эксперимента.

- «Геология» (ЕН):
Знания: строения земной коры, классификации минералов, условия по
родообразования;

Умения: дать оценку геологических условий местности, определение 

минералов.

Навыки: чтения геологических карт.
- Учение о гидросфере (ПЦ)
Знания: гидрологических процессов, химического состава природных 

вод;

Умения: дать оценку трансформации химического состава вод в зави
симости от климатических условий.

Навыки: определения химического состава природных вод, экотокси
кологической оценки водных объектов.

Для успешного освоения дисциплины должны быть сформированы: 

ОК-3, ПК-2 на пороговом уровне и ОК-1, ОК-7, ПК-3, ПК-5, ПК-7 на повышенном уровне.

Перечень последующих учебных дисциплин, для которых необходимы 

знания, умения и навыки, формируемые данной учебной дисциплиной:

- «Геоэкология»;
- «Охрана окружающей среды»;
- «Экологический мониторинг»;
- «Безопасность жизнедеятельности»;
- «Ландшафтно-экологическое планирование для оптимизации приро
допользования»;

- «Устойчивое развитие»;
- «Техногенные системы и экологический риск»;
- «Региональное и отраслевое природопользование».

3.
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование 

элементов следующих компетенций 

А) общекультурных (ОК) - понимать социальную значимость своей 

будущей профессии, обладать высокой мотивацией к выполнению профессиональной деятельности (OK-3);

Б) профессиональных (ПК)
- обладать базовыми знаниями фундаментальных разделов физики, хи
мии и биологии в объеме, необходимом для освоения физических, химических и биологических основ в экологии и природопользования; владеть ме

тодами химического анализа, а также методами отбора и анализа геологических и биологических проб; иметь навыки идентификации и описания биологического разнообразия, его оценки современными методами количественной обработки информации (ПК-2);

– знать теоретические основы геохимии и геофизики окружающей сре
ды, владеть методами геохимических и геофизических исследований, владеть 
методами общего и геоэкологического картографирования (ПК-13).

В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Знать: задачи экологической геохимии,  основные формы нахождения 

химических элементов в земной коре,  распространенность химических элементов,  геохимические циклы миграции химических элементов в биосфере,  
концентрации химических элементов в биосфере,  геохимические барьеры,  
поведение химических элементов в период формирования ноосферы.

Уметь: дать эколого-геохимическую оценку состояния окружающей 

среды на основе экспериментальных данных.

Владеть: владеть методами геохимических и геофизических исследо
ваний, владеть методами общего и геоэкологического картографирования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ЛЕКЦИОННОГО КУРСА

Лекция 1. Общие сведения о предмете 

1. Геохимия, ее место в системе наук
2. Понятие природного комплекса и их классификация

1. Геохимия, ее место в системе наук

Геохимия окружающей среды или экологическая геохимия – это 

часть другой крупной научной системы – общей геохимии.

В курсе геохимии рассматриваются закономерности перемещения 

и концентрации атомов (чаще ионов) различных химических элементов 
в зависимости от внешних и внутренних факторов. Внутренние факторы 
определяются особенностями строения самих атомов (ионов),  внешние 
– зависят от условий среды,  включая формы нахождения как 
изучаемых элементов,  так и элементов,  создающих среду,  в которой 
они находятся.

Очень часто геохимию определяют как химию Земли. В этом определе
нии есть доля истины. Но есть и существенные различия между химией и 
геохимией. Простое перенесение всех химических закономерностей на поведение химических элементов в Земле не позволит ни объяснить их истинное 
поведение в различных оболочкоах,  ни дать прогноз их поведения в результате каких-то изменившихся условий. А.И. Перельман даже особо отмечает 
(1990) различия «химического» и «геохимического» мышлений. Чем же объясняются отличия поведения химических элементов в Земле,  а точнее – даже 
в отдельных ее оболочках от их поведения в лабораторных условиях?

1) Крайне неравномерная распространенность химических элементов в 

земной коре. В лабораториях  обычно не возникает проблемы для  осуществления реакций с равными молярными концентрациями элементов. В земной 
коре содержание одних элементов в миллиарды раз меньше,  чем других. В 
этих условиях у части из них остаются нереализованными многие химические свойства. Так,  элементы с малой концентрацией часто не могут образовать достаточное число собственных минералов,  попадая в виде примесей 
(закономерных и случайных) в «чужие» минералы.

2) Многие внешние факторы,  такие как температура,  давление,  осве
щенность и др.,  в условиях земной коры ограничены гораздо более узкими 
рамками,  чем те,  которые существуют в лабораториях. Разница будет особенно большой,  если рассматривать не всю земную кору,  а только ее внешнюю часть – биосферу,  в которой обитают живые организмы. Следует отметить,  что в экологической геохимии рассматривается в основном именно эта 
сфера Земли. Ограниченность изменения основных внешних факторов миграции ведет к ограничению проявления многих свойств элементов.

3) В определенной части земной коры химические элементы находятся 

не только в виде солей (минералов) или растворов,  но и образуют довольно 
разнообразные формы нахождения – системы относительно устойчивых химических равновесий. Пока элементы остаются в этих системах,  они не могут проявлять свои собственные свойства. Для этого должны быть разрушены формы совместного нахождения элементов. Многие из них в условиях 
отдельных оболочек Земли довольно устойчивы.

4) В природных условиях практически никогда не происходят реакции 

только между отдельными определенными элементами. В них участвуют 
(хотя и в различной мере) очень многие химические элементы (в соответствии с законом Кларка-Вернадского в каждом природном объекте присутствуют все химические элементы). Конечно же,  не все они,  в прямом смысле,  
участвуют в определенных химических реакциях. Многие из этих элементов 
ускоряют или замедляют реакции,  другие создают определенные щелочнокислотные и т.п. условия,  часть из них входит в состав новых образований в 
виде закономерных и случайных примесей.

5) Все химические реакции в биосфере происходят или с участием жи
вых организмов,  или в среде,  созданной под их влиянием.

Подводя итог сказанному о науке «геохимия»,  можно отметить,  

что она изучает всю историю атомов (ионов) химических элементов 
Земли. Именно такое определение дал геохимии ее основатель –
величайший ученый Владимир Иванович Вернадский. 

Экологическая геохимия как часть общей геохимии занимается изучени
ем данной проблемы в верхней оболочке Земли,  населенной животными и 
растительными организмами – биосфере. Изучая особенности распределения 
и миграции химических элементов в биосфере,  можно установить самые 
общие закономерности,  характеризующие ее в целом. Однако биосфера –
очень неоднородная система. Внешние факторы миграции элементов весьма 
существенно изменяются в ее пределах как по вертикали,  так и по горизонтали – по поверхности Земли. Для установления закономерностей распределения и миграции химических элементов в отдельных,  отличающихся друг
от друга частях биосферы необходимо в первую очередь такие части. Это 
должны быть своеобразные «блоки» или «кирпичики»,  сохраняющие основную особенность биосферы (ее биокосность) и отличающиеся друг от друга 
внешними факторами миграции элементов. Кроме того,  эти составляющие 
обязательно должны отвечать еще одному требованию – объединяться между 
собой по определенным признакам,  и эти объединения также должны представлять единую природную систему. 

Опыт многочисленных исследований показал,  что для такого изучения 

наиболее удобным является ландшафтный уровень. При этом геохимические 
ландшафты должны рассматриваться как составляющие биосферы. Сами же 
ландшафты,  по определению А.И. Перельмана,  «…такое же фундаменталь

ное понятие естествознания,  как «химический элемент»,  «живой организм»,  
«почва»,  «минерал». Являясь биокосными образованиями,  ландшафты 
вполне отвечают первому требованию условного разделения биосферы на 
отдельные блоки.

Геохимические ландшафты отвечают и второму из перечисленных тре
бований: их объединение с учетом различных факторов миграции элементов,  
заложенных в классификационных уровнях,  дает относительно самостоятельные геохимические системы.

Центром геохимических ландафтов считаются почвы,  также представ
ляющие собой сложную биокосную систему. Для их верхнего гумусового горизонта характерно максимальное напряжение геохимических процессов. 
Изучение этих процессов позволяет переходить к закономерностям распределения химических элементов в ландшафте и в его отдельных частях. Следовательно,  экологическая геохимия довольно тесно связана с почвоведением и геохимией почв.

Составной частью геохимических ландшафтов являются также расти
тельные и животные организмы, Ж коры выветривания,  поверхностные и 
подземные воды и,  отчасти,  - почвоподстилающие горные породы. Без изучения геохимических особенностей этих составных частей ландшафта часто 
невозможно прогнозировать поведение химических элементов в конкретном 
ландшафте в целом. Следовательно,  экологическая геохимия теснейшим образом связана с гидрохимией и гидрогеохимией,  изучающими поверхностные и подземные воды,  а также с биогеохимией,  геохимией горных пород и 
кор выветривания. 

В современном естествознании структура биосферы представляется в 

следующем виде. Океаны и континенты – горизонтальная стурктурная особенность планеты,  определяющиая в общих чертах строение биосферы. Но,  
конечно же,  структура биосферы гораздо сложнее. Г.Д. Рихтер (1969) предложил в основу классификации природных подразделений биосферы положить структуру их вертикальной ярусности.

2. Понятие природного комплекса и их классификация

В учении о биосфере используют понятие «Природный комплекс» в 

смысле определенного ее подразделения – подсистемы. Выделяют следующие природные комплексы первого ранга: континентальный и океанический.

Наиболее крупные подразделения в этой классификации отделы при
родных комплексов:

1)
наземные;

2)
водные;

3)
ледовые;

4)
переменного режима с систематической и периодической сменой 

ярусной структуры.

В континентальной области биосферы выделяют следующие 

природные комплексы второго ранга:

1)
сухопутные (почвы,  коры выветривания);

2)
земноводные (речная сеть,  озера);

3)
ледовые (суша,  покрытая ледниками);

4)
с переменным режимом (периодический снежный покров).

В океанической области также четок выделяются природные комплек
сы второго ранга:

1)
водные;

2)
ледовые;

3)
с переменным режимом.

Между океанической и континентальной областями выделяется и пере
ходная область биосферы. Это шельфовая область океана. В шельфовой области различаюдт следующие природные комплексы:

1)
земноводные – ежесуточно заливаемая во время приливов часть 

береговой зоны (литоральная зона);

2)
мелководные – акватория океана с глубиной около 200 м;

3)
ледовая – многолетний припай льда в Антарктике и Арктике;

4)
переменного режима – акватории морей,  систематически покры
вающиеся льдом.

В шельфовой области вся толща воды населена фотосинтезирующими 

бактериями,  поэтому водно-поверхностный ярус непосредственно переходит 
в донный ярус.

Континентальная область биосферы занимает 149 млн. кв. км (133 – су
хопутная,  16 – ледовая). Переходная (без литоральной) – 28 млн. кв. км.

Таким образом,  рассмотрев структуру биосферы,  приходим к выводу,  

что одна из основных особенностей биосферы – ее неоднородность,  мозаичность.

Вернадский,  рассматривая биосферу как геологическую оболочку, ясно 

понимал,  что структура этой оболочки не отражает всей сложности идущих 
в ней процессов. Поэтому он ввел понятие об организованности биосферы. 
Еще в 1931 году в работе «Об условиях появления жизни на Земле» Вернадский определил организованность биосферы как устойчивость динамической 
системы,  равновесие.

Организованность биосферы в геологическом времени подтверждается 

тем,  что вся биосфера охватывается и тропосферой,  и гидросферой,  и литосферой,  и живым веществом. Эти части ее взаимопроникают и взаимодейтсвуют между собой,  образуя единое целое.

Таким образом,  понятие «организованность» подразумевает,  что окру
жающая природа не есть хаос разрозненных элементов,  но представляет собой единое и связное целое. Организованность природы не есть только
внешний эмпирический факт,  но это – ее основное свойство. Оно наиболее 
ярок выступает в явлении живого,  где каждая крупица может рассматриваться как своеобразный микрокосм. Следовательно организованность биосферы 
подразумевает единство,  равноценность и связь ее частей.

До сих пор мы рассматривали предмет «Экологическая геохимия» пре
имущественно как часть геохимии,  почти не вспоминая об определяющем 
его понятии «экологическая». В современном понятии экология – это наука,  
изучающая условия существования животных и растительных организмов,  
взаимосвязи между этими организмами,  а также между ними и средой их 
обитания.

Одним из важнейших показателей не только комфортности существова
ния,  но даже выживания является характеристика среды проживания животных или произрастания растений. Если мы начнем производить оценку среды 
с точки зрения химического состава на атомно-ионном уровне и с учетом 
форм нахождения химических элементов – это будет геохимическая оценка 
условий существования организмов. Ее проведение – одна из основных задач,  стоящих перед экологической геохимией. Такую оценку можно проводить,  подходя с глобальных позиций. При этом она должна быть сделана исходя из особенностей распределения,  миграции,  концентрации и форм нахождения химических элементов в биосфере в целом. 

Первая часть оценки необходима для установления самых общих геохи
мических критериев существования живых организмов. Таким образом будут 
определены первые геохимические реперы для оценки возможности развития 
жизни,  подобной той,  которая есть на Земле. И вот здесь мы подходим к 
второй части этой оценки – космической оценке геохимических параметров 
возможности появления (а в первом приближении к комфортности) жизни 
(аналогичной той,  что развилась на Земле) на других космических объектах. 
Эта часть глобальной оценки геохимических параметров существования 
жизни на Земле только в настоящее время начинает иметь практическое значение. По мере обживания космического пространства она будет резко возрастать.

Оценка геохимических условий существования огранизмов проводится 

и при более крупномасштабных исследованиях.  В этих случаях определяются геохимические условия жизни организмов в отдельных частях биосферы.

Лекция 2. Химические элементы в биосфере

1. Общие сведения о формах нахождения
2. Самостоятельные минеральные виды
3. Изоморфная форма нахождения

1. Общие сведения о формах нахождения
Для решения проблем,  стоящих перед экологической геохимией,  необ
ходимо изучать поведение химических элементов в различных горных породах и составляющих их минералах,  в почвах,  подземных и поверхностных 
водах,  растениях и т.д. С точки зрения современного естествознания,  все 
перечисленные образования представляют собой конкретные виды материи,