«экологическая гидрогеология и гидрогеохимия»

Вид материалаЛекция

Содержание


Окружающая среда
Природный объект
Антропогенный объект
Подобный материал:
Лекция 1. Вводная


Дисциплина, которую мы будем изучать в этом семестре, называется довольно сложно – «экологическая гидрогеология и гидрогеохимия». Эта наука возникла на стыке гидрогеологии и экологической геохимии. Основная цель ее - вычленить антропогенный фактор, как одну из основных причин нарушения природного баланса потоков вещества в гидросфере, складывающегося на нашей планете в течение многих миллионов лет. Мы уже говорили, что человечество развивается по экспоненте. Следовательно, если изменения этого баланса, которые формировались в течение геологического времени под влиянием природных факторов, мы можем считать эволюционными, вкладывая в это понятие длительность и известную направленность процесса, то изменения потоков вещества под влиянием техногенеза имеют лавинный (революционный) характер, суть которого в быстротечности и неопределенности направления.

Гидросфера - важнейший компонент биосферы и в то же время особо уязвимый, благодаря особенностям воды как уникального вещества со многими только ей присущими свойствами. Главное из них это свойство универсального растворителя, затем конформизм и подвижность, молекулярная структурированность так называемого мерцающего типа, высокая диэлекрическая постоянная, высокая теплоемкость и многие другие удивительные свойства, которые как будто специально изобретены, чтобы вода стала матрицей жизни.

Относительно масштабов влияния человека на биосферу в целом и гидросферу в частности, направленности этого влияния в глобальном масштабе не все так однозначно. Ученые спорят и относительно антропогенного влияния на климат, парникового эффекта, появления озоновых дыр, колебаний уровня морей и Мирового океана и так далее. Все дело в том, что для геологов, астрофизиков, палеобиологов очевидно, что еще задолго до появления человека, на нашей планете не единожды кардинально менялись условия обитания живых существ, которые приводили к изменению их видового состава, гибели одних видов и расцвету других. В то же время достаточно очевидно и то, что жизнь на планете развивалась в направление усложнения структуры и функций организмов и самый молодой на земле биологический вид это Хомо Сапиенс. с его наиболее сложной организацией. Мы видим, что человек по сравнению с другими биологическими видами получил определенные преимущества в борьбе за место под солнцем, он научился не только приспосабливаться к ОС, но и менять ее, приспосабливая среду обитания в угоду своим потребностям. Это качественно отличает его от других видов. Человек сложное и тонкое творение. В этом его сила, но в этом его слабость, потому, как известно, где тонко там и рвется. Наиболее примитивные сине-зеленые водоросли существуют на Земле миллиарды лет, нисколько не заботясь об экологии, человек же, особенно современный, существует в очень узком диапазоне условий внешней среды и небольшой сдвиг в ту или иную сторону от них грозит для него катастрофическими последствиями. Представьте себе Воронеж без электричества хотя бы на тройку дней. Нас очень беспокоит климат, который, кажется, меняется прямо на глазах. Что на самом деле нас ждет, никто не знает, разве лишь создатель мира сего, но и в этом мы не уверены. Очевидно одно, человек на Земле не должен вести себя как слон в посудной лавке, он далеко не венец природы и не на столько всесильный, как сам себе иной раз кажется, хотя ему действительно многое удается сделать для обеспечения комфортности существования. Однако здесь много подводных камней, которые грозят бедой нашему общему кораблю. Главный из них, это внутривидовая конкуренция, которая не дает возможности объединить усилия всего человечества для процветания вида в целом. Человечество как единый социальный организм пока еще очень не равновесная система, в ней слишком много противоречивых факторов внутреннего развития, чтобы единым фронтом противостоять внешним угрозам природного характера.

Вернемся к воде - веществу, без которого жизнь в тех формах, которые нам известны, существовать не может. При изучении новой дисциплины будет сделан акцент на экологическое значение динамики подземных вод и вариаций их вещественного состава, как в естественных условиях так и в условиях так называемых природно-техногенных систем, где вода как главный носитель жизни, ее матрица, вдруг приобретает негативные агрессивные свойства.

Гидрогеохимия, если дать краткое определение - это геохимия подзем­ных вод, которая сформировалась на стыке двух наук – гидрогеологии и геохимии, являясь их самостоятельными разделами. Гидрогеохимия по о предмету исследований делится на три части - теоретическую, региональную и прикладную. Каждая из них в свою очередь под­разделяется на ряд направлений. Следует отметить, что их содержание и границы исследований непрерывно обновляются и расширяются, что способствует образованию новых направлений, дальнейшему расчлене­нию и углублению существующих. Так, например, в теоретической гидрогеохимии выделяется направление - гидрогеохимия отдельных элементов, соединений и комплексов, в которой, в свою очередь, имеются такие ответвления как органическая, неорганическая, био­- и радиогидрогеохимия. Биогидрогеохимия своими корнями уходит в биогеохимию, которая, благодаря трудам В. И. Вернадского, отпочковалась от геохимии и превратилась в самостоятельную науку.

Объектом гидрогеохимии, если руководствоваться задачами, кото­рые приходится ей решать, является подземная гидросфера, а предметом изучения система: вода - порода - газ – живое вещество.

Гидрогеохимия рассматривает свой объект исследований в динамике, пространстве и времени. Так, динамическое обновление подземной гидросферы устанавливается при изучении процессов массопереноса (диффузионного и конвекционного). Гидрогеохими­ческие закономерности устанавливаются в геологическом пространстве, где выявляются особенности распределения вод различного состава, изменения гидрогеохимической обстановки и направленности гидро­геохимических процессов. Все указанные выше характеристики изу­чаются во времени, что позволяет получить представление о гидрогеохимическом режиме - изменении химических показателей в разные геологические эпохи, в прошлом, настоящем и будущем.

С учетом сказанного, можно дать полное определение гидрогеохимии с выделением круга решаемых задач - это раздел гидрогеологии и геохимии, изучаю­щий взаимодействие воды с горными породами, газами и живым веществом. Она изучает формирование химического состава подземной гидросферы и ее эволюции во времени и пространстве, геохимическую роль воды в развитии Земли и образовании месторождений полезных ископаемых, состав подземных вод для различных практических целей: водоснабже­ния, лечебных, в качестве химического сырья, для охраны от загрязнения, для мелиорации, строительства и др.

Можно рассматривать объект гидрогеохимии шире, как это делают О. А. Алекин [1] и В. С. Самарина [41], и область интересов гидрогеохимии (гидрохимии) распространить на все при­родные воды, в том числе и поверхностные. Такой подход, наверное, является правильным, так как он отражает существование тесных связей подземной гидросферы с другими ее частями и остальными оболочками Земли. Он соответствует взглядам В. И. Вер­надского и Б. Л. Личкова о единстве природных вод. Поэтому не следует искать противоречий в том, что в предлагаемых вам учебниках нередко авторы выходят за рамки указанных выше «объекта» и предмета» гидро­геохимии, поскольку это позволяет лучше понять причинно-следствен­ные связи единого и целостного мира. Тем не менее, напоминаю, что традиционно сложилось деление науки о природных водах на гидрологию и гидрогеологию. Наш объект это литосферные а точнее воды двух ее близповерхностных зон: 1) зоны аэрации с поровыми водами (не насыщенные горизонты литосферы) и зоны насыщения (грунтовые и подземные воды).

Изучение геохимии подземных вод представляет собой актуальную задачу геологической науки. В природе не существует вещества, которое бы в той или иной форме и в том или ином количестве не содержало бы воду. Поэтому роль воды в геологических процессах и истории развития нашей планеты исключительно велика. С другой стороны в природе не существует химически чистой воды. Даже самые пресные и чистые атмосферные воды всегда содержат соли, металлы, органические и другие вещества, растворенные газы в количествах, подчас трудно уловимых анализом. Про воду говорят, что она многолика, так как может находиться в разных фазах (жидкой, твердой, газообразной), в разных видах (свободной, физически и химически связанной), обладать различными физико-хими­ческими свойствами в зависимости от величины окислительно-восста­новительного потенциала и рН, температуры, степени насыщенности солями и другими особенностями.

Но мы изучаем не просто гидрогеохимию а экологическую ветвь этой науки.. Вода является началом жизни на Земле и тесно связана с живым веществом; вода постоянно находится в движении, в непрерывном взаимодействии с вмещающей средой и обновлении своего химического состава. Все это свидетельствует об исключительной сложности изучения проблем геохимии подземных вод. Такое утверждение становится особенно понятным, если представить себе разнообразие условий формирования состава подземных вод и широкий диапазон требований, предъявляемых к качеству воды, использующейся в разных целях (питьевых, технических, лечебных, мелиоративных и др.). Следует отметить, что требования к оценке качества воды все более ужесто­чаются, а масштабы загрязнения подземных вод тем временем также растут. Чтобы оценить остроту необходимости экологической защиты подземных вод, вспом­ним цифры, приводимые ЮНИСЕФ (Детским фондом ООН),- около 15 млн детей в возрасте до 5 лет в странах Африки и Азии умирает из-за отсутствия чистой воды. Кроме того, сотни миллионов людей в разных странах мира страдают от желудочных болезней из-за плохого качества воды. Или можно привести пример из другой области. Гидрогеохимики прекрасно знают состав минеральных вод, но приготовить ее в лабора­торных условиях со свойствами природной лечебной воды им никак не удается. Причина простая: в лабораторной обстановке даже при самом высоком уровне оснащения не удается воспроизвести то, что происходит в природе. Речь идет, прежде всего, о длительности и характере взаимо­действия вода - порода - газ - живое вещество

С каждым годом совершенствуются методы анализа воды. Если каких-то двадцать-тридцать лет назад в воде определялось не более 10-20 химических элементов, то теперь это число возросло до 70-80, недалеко то время, когда в воде можно будет определить почти все элементы таблицы Менделеева. Но более важным является то, что вода содержит огромное, можно сказать, бесконечное число различных соединений и комплексов. Их изучению не видно предела. Особенно учитывая, что не только природа постаралась спрятать вещество в сложные и многообразные химические упаковки Человек тоже старается не отстать в этом деле, особенно в комбинировании органических и металлоорганических соединений; эти усилия приносят не только пользу, но иногда приводят к пагубным последствиям. Чтобы правильно понимать гидрогеохимические процессы, во благо, а не во вред использовать все многообразие природных вод, надо многому научиться. На современном этапе развития гидрогеохимии, наряду с ее диф­ференциацией, образованием новых ответвлений происходит ее напол­нение новым содержанием. Если сказать коротко, то наблюдается углубление ее связей с геологией, химией, математикой и экологией. Без глубокого познания геологической среды невозможен прогресс в разви­тии геохимии подземных вод. Он необходим и для более глубокого изучения условий образования место­рождений полезных ископаемых (руды, нефти, солей и др.) и эпигенетических изменений самих горных пород, которые происходят почти всегда при активном участии воды и для экологии, как философии жизни и ее сохранения.

В гидрогеохимию теперь интенсивно внедряется хими­ческая термодинамика, позволяющая количественно оценивать и моде­лировать гидрогеохимические процессы. А где появляется счет, там необходима математика, компьютеризация всех расчетов. За последние годы эта область знаний шагнула далеко вперед и обогатила гидро­геохимию и новым содержанием, и новыми возможностями, особенно при оценке происходящих процессов и прогнозе их последствий.

Экологическая направленность гидрогеохимических исследований становится все более весомой. Вода, как один из важнейших элементов окружающей среды, требует усиленного внимания и заботы. Гидрогео­химия здесь находится на самых первых и важных рубежах.

Для новой дисциплины нами разработана учебная программа на основе двух учебников: 1) экологической гидрогеологии под авторством А.П. Белоусовой и др, который вышел в свет в 2006 году, то есть новейший учебник, но в библиотеке ВГУ его пока нет и второй учебник это гидрогеохимия 1993 года издания, авторы которого Вл.Андр.. Кирюхин и др. Последний учебник в нашей библиотеке есть, но, скорее всего, в ограниченном количестве, так что лекции единственный пока наиболее доступный для вас источник знаний. Для тех, кому этого мало, а таких у вас насколько я уже знаю, тоже мало, есть еще Интернет, где при желании можно найти публикации по данному предмету, было бы желание. В учебной программе имеются перечни тем и лекций по ним и экзаменационные вопросы. Со всем этим можно будет познакомиться на кафедре. Всего программой предусмотрено 9 тем и 16 лекций, которые и раскрывают эти темы. Плюс к этому у вас будет 8 лабораторных занятий, на которых вы будете производить расчеты масс-переноса вещества в воде и строить учебные карты разного содержания.

Ну а теперь перейдем непосредственно от вводной части к конкретным вопросам. Давайте для начала дадим более строгое определение объекта и предмета читаемого курса с точки зрения авторов рекомендуемых вам учебников. В названии дисциплины заложено три ключевых слова: гидрогеология, гидрогеохимия, экология. Следовательно, объектами изучения являются все типы литосферных вод, а предметом изучения их вещественный состав и его влияние на экологию

Внутри многих наук сформировались научные направления, занимающиеся про­блемами экологии и охраны окружающей среды. Названия этих направлений сложи­лись как производные от названий наук с присоединением слова «экология»: напри­мер геоэкология. Многие авторы дают различные определения геоэкологии: так, В.И. Осипов считает геоэкологию междисциплинарной наукой об экологических проблемах геосфер [3], а В.Т. Трофимов и Д.Г. Зилинг - метанаукой, объектом кото­рой являются экосистемы [10].

Термин «экологическая гидрогеология» предложил в 1992 r. Н.И. Плотников, ко­торый рассматривал экологическую гидрогеологию как прикладное направление в гидрогеологии и социальной экологии. Научное обоснование экологической гидро­геологии было дано им в 1998 г. в монографии «Введение в экологи­ческую гидрогеологию» [6]. В 1999 r. Е.В. Пинеккер в монографии «Экологические проблемы гидрогеологии» [5] рассмотрел экологические проблемы земных недр, влияние деятельности человека на подземную гидросферу, проблемы защиты под­земных вод от истощения и загрязнения. Новые аспекты по диагностике и управле­нию эколого -гидрогеологическими процессами на основе биосферного подхода и по содержанию экологической гидрогеологии рассмотрены в сборнике научных трудов под редакцией И.К. Гавич, 2003 г. «Техногенные про­цессы в подземных водах: Биосферный подход, диагностика, управление» [9].Процесс формирования основных и прикладных направлений экологии продол­жается. Пока еще нет общепринятого определения объекта и предмета экологичес­кой гидрогеологии, хотя многие аспекты этого научного направления исследовались в гидрогеологии и ранее, особенно в таких ее дисциплинах, как гидрогеодинамика и гидрогеохимия. Основное внимание уделялось воздействию окружающей среды на гидрогеологические объекты (прямые связи), но практически не изучалось их воз­действие на окружающую среду (обратные связи), не рассматривалась и социальная направленность этих воздействий. В настоящее время обстановка существенно изме­нилась: воздействие rидрогеологических объектов на окружающую среду стало опре­деляющим в силу своей мобильности и активности проявления.

Авторы учебника (Белоусова и др.) под эколоrической rидрогеолоrией понимают само­стоятельное научное направление в гидрогеолоrии. «Экологи­ческая гидрогеология - наука о гидрогеологических, гидродинамических и гидpoгeoxuми­ческих трансформациях подземной гидросферы (гидролитосферы), как компонента окружающей среды и базовой составляющей природно-технических (техногенных) гид­рогеологических систем (ПТГГС), под влиянием антропогенной нагрузки и природно-тех­нических катастроф».

Если следовать данному определению в названии изучаемой вами дисциплины слово «гидрогеохимия» лишнее, так как экологическая гидрогеология уже включает в себя гидрогеохимические аспекты. Тем не менее, собственно гидрогеохимическим проблемам подземных вод в этом учебнике уделено недостаточно внимания, поэтому мы вам рекомендуем дополнительно также учебник В.А.Кирюхина «Гидрогеохимия». Оба учебника неплохо дополняют друг друга, а в лекционном курсе я попытаюсь сделать наиболее плодотворный синтез материала из того и другого.

Экологическая гидрогеология является по своему содержанию прикладной наукой с социальной направленностью. Она решает задачи обеспечения населения качест­венной питьевой водой, создания приемлемой экологической обстановки в районе инженерных объектов, сохранения подземной гидросферы как одной из жизнеобес­печивающих систем на планете, рассматривает важнейшие социальные аспекты экологии, связанные с влиянием качества подземных питьевых вод на здоровье населения Главной причиной, обусловливающей необходимость выделения экологи­ческой гидрогеологии как самостоятельного направления гидрогеологии является то, что подземные воды по мере увеличения объема и разнообразия техногенной нагруз­ки на подземную гидросферу начинают все более активно влиять на компоненты экосистем, собственно экосистемы и биосферу в целом и, следовательно, на условия жизнедеятельности человека и его здоровье.

Приведем далее некоторые основные понятия, используемые в учебниках, которыми будем руководст­воваться в дальнейшем.

Окружающая среда - совокупность компонентов природной среды, природных, природно-антропогенных и антропогенных объектов.

Компоненты природной среды - земля, недра, почвы, поверхностные и подземные воды, атмосферный воздух, растительный и животный мир, а также озоновый слой атмосферы и околоземное космическое пространство, обеспечивающие в совокуп­ности благоприятные условия для существования жизни на Земле.

Природный объект - естественная экологическая система, природный ландшафт и составляющие их элементы, сохранившие свои природные свойства.

Природно-антропогенный объект - природный объект, измененный в результате хозяйственной и иной деятельности, и (или) объект, созданный человеком, но обла­дающий свойствами природного объекта и имеющий рекреационное и защитное зна­чение.

Антропогенный объект - объект, созданный человеком для обеспечения его соци­альных потребностей и не обладающий свойствами природного объекта.

Качество окружающей среды - состояние окружающей среды, которое характери­зуется физическими, химическими, биологическими и иными показателями и их со­вокупностью.

Загрязнение окружающей среды - поступление в окружающую среду вещества и (или) энергии, свойства, местоположение или количество которых оказывают нега­тивное воздействие на окружающую среду.

Загрязняющее вещество - вещество или смесь веществ, количество и (или) концен­трация которых превышают установленные для химических веществ, в том числе ра­диоактивных, иных веществ и микроорганизмов нормативы и оказывают негативное воздействие на окружающую среду [41].