Геохимия методические указания и контрольные задания для студентов направления подготовки 35.03.01 Лесное дело

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени С. М. Кирова»

Кафедра почвоведения и лесных культур

ГЕОХИМИЯ

Методические указания и контрольные задания для студентов направления подготовки 35.03.01 «Лесное дело» заочной формы обучения

Санкт-Петербург

2017

1

Рассмотрены и рекомендованы к изданию Институтом леса и природопользования

Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета 27 апреля 2017 г.

С о с т а в и т е л и :

кандидат сельскохозяйственных наук, доцент В. В. Часовская, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент Л. С. Богданова, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент С. Г. Шурыгин

О т в . р е д а к т о р доктор сельскохозяйственных наук, профессор Б. В. Бабиков

Р е ц е н з е н т

кафедра почвоведения и лесных культур СПбГЛТУ

Геохимия: методические указания и контрольные задания для студентов направления подготовки 35.03.01 «Лесное дело» / В. В. Часовская, Л. С. Богданова, С. Г. Шурыгин. – СПб.: СПбГЛТУ, 2017. – 16 с.

Методические указания по дисциплине «Геохимия» составлены в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего образования по направлению 35.03.10 «Лесное дело», в них входят также контрольные задания.

Темплан 2017 г. Изд. № 12.

2

Введение

Геохимия – наука о химическом составе Земли. Поэтому одним из главных ее разделов является изучение свойств и строения элементов. В основе геохимии лежит периодическая таблица Д. И. Менделеева, которая объясняет многие свойства элементов и их поведение.

Внастоящее время геохимия определяется как наука об элементах, их происхождении, распределении, законах миграции, концентрации и рассеивания.

Геохимия не только теоретическая наука, она также отвечает на вопросы, как ведут себя элементы при геологических процессах, где они концентрируются.

Внастоящее время геохимия занимается проблемами охраны окружающей среды.

Основным принципом обучения является индивидуальный характер выполнения заданий. Каждый студент получает самостоятельное задание в виде определенного набора аналитических данных, решение задач требует вычислений. Преподаватель следит за правильным выполнением работ, давая необходимые пояснения в ходе их выполнения. Законченные работы сдаются на проверку.

Работа завершается самостоятельным анализом полученных результатов, который дается в виде кратких выводов или заключения. Студент должен осмыслить полученные результаты, научиться сопоставлять изучаемый материал, познакомиться с дополнительной литературой. Для полноценной работы студент должен освоить не только разделы общей геохимии, но и ряд специальных вопросов систематики геохимических ландшафтов, прикладной и исторической геохимии, опираясь на которые студент может оценить причины и механизмы миграции и концентрации химических элементов в различных зональных и провинциальных типах ландшафтов.

3

Общие положения

Целью преподавания дисциплины «Геохимия» является профессиональная подготовка бакалавров в области лесного дела.

Цель дисциплины – ознакомление студентов с современными подходами и методами геохимических исследований.

Задачами изучения дисциплины являются:

-приобретение теоретических знаний в области физико-химического анализа, как инструмента геохимических исследований,

-изучение основ геохимии элементов, процессов и систем, геохимии техногенеза и экологической геохимии.

-получение навыков работы с нормативно-справочной и инструктивной литературой.

В результате изучения дисциплины студенты должны:

знать:

-общие закономерности распределения химических элементов в различных ландшафтах,

-виды их миграции и аккумуляции;

-иметь представление о ландшафтно-геохимических процессах и миграционной структуре ландшафтов, закономерностях протекания в них химических и миграционных процессов, имеющих экологическое значение;

уметь:

-применять физико-химический анализ для понимания и описания геохимических систем и процессов;

-различать по соотношению химических элементов различные виды геохимических ландшафтов;

владеть:

-методами проведения геохимических исследований при изучении ландшафтов разного типа.

Дисциплина «Геохимия» относится к дисциплинам по выбору естественнонаучного цикла вариативной части Б.1 В. ДВ 7.2

Для полноценного усвоения учебного материала по почвоведению студентам необходимо иметь прочные знания по химии, физике, геологии, почвоведению, экологии, географии.

Теоретические сведения

Одной из фундаментальных концепций геохимии является анализ распространенности химических элементов в различных сферах и оболочках Земли и их компонентах. Среднее содержание химического элемента в земной коре или какой-либо ее части называется термином «кларк». Закономерности распространенности химических элементов в изучаемых системах описываются основными геохимическими законами: законом Гольдшмидта и законом Кларка-Вернадского.

4

Различают глобальные, региональные и локальные кларки элементов. В настоящее время установлен ряд глобальных кларков литосферы и основных типов горных пород, который используется для дальнейших расчетов.

Содержание химических элементов в различных типах горных пород обычно отличается от кларка литосферы. Средние содержания химических элементов в главнейших типах горных пород называют кларками этих пород. Одни типы пород близки по химическому составу к литосфере, другие могут сильно отличаться от нее и между собой.

В гранитной оболочке преобладают кремний и алюминий, но меньше магния, титана, марганца, железа, кальция, а в базальтовой – больше кальция, железа, титана и меньше калия.

Наиболее контрастно распределение в природных объектах микроэлементов. Особенно большие различия характерны для редких и рассеянных элементов (тория, кобальта, никеля, хрома, ниобия, лантана и др.), а также некоторых элементов-биофилов (углерода, азота), содержания которых в породах различаются в десятки и сотни раз.

Преобладающие среди осадочных пород глины и сланцы по своему химизму ближе всего к составу гранитного слоя. Карбонатные породы обычно обеднены большинством химических элементов, кроме кальция, магния, углерода и стронция. В органогенных породах (углях, углистых сланцах) концентрация некоторых элементов (бора, германия, молибдена) составляет десятки и сотни кларков концентрации.

Химический состав горных пород зависит от возрастных, региональных и других особенностей, дифференцирующих геохимическое поле земной коры. Химический состав горных пород может существенно изменяться под воздействием наложенных (эпигенетических) процессов, обусловленных эволюцией тектонических, климатических, ландшафтно-геохимических условий в течение геологического времени. Трансформация химического состава пород ведет или к накоплению макро- и микроэлементов (ожелезнение, пиритизация, омарганцевание и др.), или к выносу.

Системный анализ биологического круговорота химических элементов, биогеохимических циклов в ландшафтах и биосфере в целом основывается на сопоставлении химического состава живых организмов с составом других природных систем – горных пород, почв, вод, атмосферного воздуха. Для этого используется понятие кларков живого вещества.

С конца 60-х годов важное значение в развитии теории, методов и практического применения геохимии ландшафта приобрели проблемы загрязнения окружающей среды – начался «техногенный» этап геохимии ландшафта. Теория, методология и методика ландшафтно-геохимического анализа составляют одну из теоретических основ более широкого научного направления – геохимии окружающей среды как составной части науки об окружающей среде.

5

Медико-геохимические аспекты заключаются в анализе зависимости здоровья человека от техногенных, агрогенных и других факторов риска и связанных с ними заболеваний.

Необходимой составляющей ландшафтно-геохимического прогнозирования должна стать разработка сценарных экологических моделей состояния природной среды на ближайшую перспективу и отдаленное будущее на основе материалов ландшафтно-геохимического анализа и оценки отдельных районов. Результаты экологического моделирования должны использоваться в качестве теоретической основы разработки мероприятий по охране природы от токсичных веществ, их локализации и нейтрализации, экономической оценки ущерба от сельскохозяйственной деятельности и, в результате, для управления качеством природной среды региона.

Рабочая программа дисциплины

Введение в геохимию

Предмет, область деятельности и основные задачи геохимии. Методология геохимии. Геохимические классификации. Геохимия систем, процессов и элементов. Прикладная геохимия.

Строение, состав и химическая эволюция Земли. Источники информации о глубинных зонах Земли. Ядро, мантия и земная кора, их состав и свойства. Границы Мохоровичича и Конрада. Распространенность химических элементов в космосе и в Земле. Стадии геохимических процессов по А. Е.Ферсману. Состав и эволюция гидро- и атмосферы. Понятие о сидерофильных, халькофильных, литофильных и атмофильных элементах.

Историческая геохимия

Общие закономерности, круговороты воды и биологический круговорот атомов. Геохимические циклы. Историческая геохимия океана, подземных вод и атмосферы.

Миграция химических элементов. Кларки и миграция. Внутренние и внешние факторы миграции. Виды миграций химических элементов. Геохимические барьеры.

Биогенная миграция

Образование живого вещества. Разложение органических веществ. Биологический круговорот элементов в ландшафте. Биосфера.

Механическая миграция. Техногенная миграция. Физико-химическая миграция.

Водная миграция химических элементов. Воздушная миграция химических элементов.

6

Классификации элементарных и геохимических ландшафтов

Геохимические формулы ландшафтов. Факторы формирования и закономерности размещения геохимических и элементарных ландшафтов. Зональность по В. В. Докучаеву.

Геохимия отдельных элементов в ландшафте

Геохимическая классификация элементов. Характеристика распределения и миграции химических элементов в ландшафте.

Прикладная геохимия ландшафта

Геохимия ландшафта и поиски полезных ископаемых. Систематика геохимических ландшафтов.

Методические указания к изучению дисциплины

В ходе изучения дисциплины предусмотрены лабораторные занятия, которые проводятся в сессионный период. На лабораторных занятиях изучаются следующие вопросы:

Распределение химических элементов в литосфере. Кларки концентрации и рассеивания химических элементов.

Механическая миграция химических элементов в ландшафтах. Водная миграция химических элементов в ландшафтах.

Особенности биогенной миграции химических элементов в ландшаф-

тах.

Радиальные ландшафтно-геохимические системы. Выделение геохимических барьеров в почвах.

Каскадные ландшафтно-геохимические системы. Классификация элементарных ландшафтов. Классификация геохимических ландшафтов.

Техногенные миграции химических элементов в ландшафтах. Определение и нахождение природных и техногенных аномалий хи-

мических элементов в почвах.

По итогам самостоятельной проработки теоретических основ дисциплины студенты выполняют контрольное задание, состоящее из пяти вариантов, номера которых определяются в зависимости от последней цифры номера зачетной книжки.

	Вариант	Последняя цифра
		номера зачетной книжки
	1	0, 5
	2	1, 6
	3	2, 7
	4	3, 8
	5	4, 9

7

Самостоятельная работа студентов включает: проработку лекционного материала по конспектам и учебной литературе в соответствии с методическими указаниями по дисциплине, подготовку к лабораторным занятиям и зачету. Текущая успеваемость контролируется опросами (КО) по теоретическому курсу на лабораторных занятиях и тестированием (Т). Итоговая успеваемость студентов определяется по результатам зачета.

Вопросы для самостоятельного изучения

1.Геохимия ландшафтов как наука.

2.Общие понятия и термины геохимии ландшафта. Разделы геохимии ландшафта.

3.Кларки и миграция.

4.Внутренние и внешние факторы ландшафта.

5.Виды миграции химических элементов в ландшафте.

6.Биогенная миграция. Образование живого вещества.

7.Разложение органических веществ.

8.Биологический круговорот элементов в ландшафте. Биосфера.

9.Физико-химическая миграция.

10.Водная миграция химических элементов.

11.Воздушная миграция химических элементов.

12.Механическая миграция.

13.Техногенная миграция.

14.Факторы формирования и закономерности размещения геохимических элементарных ландшафтов.

15.Зональность по Докучаеву.

16.Геохимия отдельных элементов в ландшафте.

17.Геохимическая классификация элементов.

18.Характеристика распределения и миграции химических элементов

вландшафте.

19.Прикладная геохимия ландшафта.

20.Геохимия ландшафта и поиск полезных ископаемых.

21.Геохимическая классификация ландшафтов. Ее общие принципы.

22.Классификация элементарных ландшафтов.

23.Классификация геохимических ландшафтов.

24.Ландшафтно-геохимические карты.

25.Абиогенные ландшафты.

26.Геохимия лесных ландшафтов. Влажные тропики.

27.Ландшафты широколиственных лесов.

28.Таежные ландшафты.

29.Общие черты водной и воздушной миграции в степях и пустынях.

30.Засоление и рассоление ландшафтов.

31.Концентрация химических элементов в результате испарения пленочных вод и диффузионных процессов.

8

32.Степные ландшафты. Биологический круговорот.

33.Черноземные степи. Сухие степи.

34.Пустынные ландшафты.

35.Кларки концентрации (КК) и кларки рассеяния (КР). Формулы

расчета.

36.Тундровая группа ландшафтов. Верховые болота.

37.Горно-луговые ландшафты.

38.Коэффициент водной миграции (Кх). Расчетные формулы.

39.Лесостепные ландшафты.

40.Коэффициент биологического поглощения (Ах). Расчетные формулы. Приведите примеры.

41.Примитивно-пустынные ландшафты.

42.Геохимические барьеры. Коэффициент радиальной дифференции (R). Расчетные формулы.

43.Коэффициент техногенной концентрации (Кс). Формулы расчета. Выявление техногенных аномалий в почвах.

44.Историческая геохимия ландшафта.

45.Геохимические диаграммы.

Контрольные вопросы

1.Геохимия как наука (определение и понятия).

2.Назвать основоположников геохимии.

3.Важнейшие задачи геохимии.

4.Гольдшмидтовская геохимическая классификация элементов.

5.Кларки (определение).

6.Виды миграций химических элементов.

7.Механическая миграция.

8.Биогенная миграция.

9.Физико-химическая миграция.

10.Техногенная миграция.

11.Геохимические барьеры, виды барьеров.

12.Типоморфные элементы.

13.Технофильность элементов.

Контрольные задания

Ва р и а н т 1

1.Среднее содержание элемента в литосфере.

(Кларк, кларк концентрации, кларк рассеивания).

2. Химические свойства элемента, способность давать соединения различной растворимости, твердости, летучести, поглощаться организмами.

(Внешние факторы миграции, внутренние факторы миграции).

9

3.Какие химические элементы могут быть типоморфными?

(Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Н, Ti, P, S, Сl).

4.Как называется миграция химических элементов, которая подчиняется законам физики и химии, – диффузией, растворением, осаждением, сорбцией, десорбцией и т. д.

5.Геохимическая формула влажных тропиков.

6.Какие четыре элемента составляют главную массу живого вещества (более 98 %)?

(Si, Al, С, Fe,N,Ca, Na, K,О, Н, Ti, P, S, Сl).

7.Как называется отношение ежегодной добычи химического элемента в тоннах к его кларку?

(Типоморфность, технофильность, кларк рассеивания).

8.Что лежит в основе классификации барьеров и какие в связи с этим выделяются барьеры?

9.Муравейник в лесу – это элементарный ландшафт или деталь ландшафта? (Вспомните критерий выделения элементарного ландшафта).

10.Субаквальный элементарный ландшафт – это (надводный, подвод-

ный).

Ва р и а н т 2

1.Отношение содержания элемента в природном объекте к кларку литосферы.

(Кларк концентрации, кларк рассеивания).

2.Температура, давление, щелочно-кислотные (рН), окислительновосстановительные (Еh) условия воды.

(Внешние факторы миграции, внутренние факторы миграции).

3.Как называются распространенные химические элементы, определяющие существенные и характерные особенности данного ландшафта?

4.Как называется миграция химических элементов, которая обязана деятельности живых организмов?

5.Где находится супераквальный ландшафт в соответствии с систематикой элементарных ландшафтов Б. Б. Полынова?

6.Геохимическая формула верховых болот.

7.Какой химический элемент является наиболее технофильным?

(Железо, марганец, углерод, алюминий).

8.Назовите три главных фактора формирования геохимических ландшафтов.

9.Парагенетическая ассоциация сопряженных элементарных ландшафтов, связанных между собой миграцией элементов, – это …………...…..

10.……………………… ландшафт приурочен к плоским водоразделам с глубоким залеганием грунтовых вод, не оказывающим заметного влияния на биологический кругооборот.

(Супераквальный, элювиальный, субаквальный).

10