Геофізичні та геохімічні методи

Геофізичні методи в ландшафтознавстві – це сукупність прийомів, за допомогою яких вивчають фізичні властивості геосистем: процеси обміну речовиною, енергі­єю та інформацією геосистем з довкіллям і всередині себе (метаболізм).

Для опису фізичної сторони взаємодії компонентів геосистем, потоків речовини та енергії із зовнішнього середовища в геосистему, сезонних і річних станів геосистем використовують два самостійні підходи.

Перший базується на зв’язаному аналізі-синтезі чотирьох основних балансів гео­систем: радіаційного, теплового, водного і балансу речовини. Для геофізики ланд­шафту балансовий метод – один з основних, але його, як правило, використовують разом з порівняльним географічним.

Другий підхід базується на зв’язаному описі засобами фізики станів аеро-, фіто-, літо-, гідро- і маси органічних рештків ПТК (опалого листя та ін.), типізації станів у розрізі сезонів року.

Одні із сучасних методів дослідження Землі – геохімічні методи, які дають змогу вивчати розподіл, процеси міграції і концентрації хімічних елементів і їхніх сполук у різних геосферах.

Приклади найбільш поширених напрямів геохімії ландшафтів.

У багатьох країнах світу, у тому числі і в Україні, проводяться широкі міждисциплі­нарні екологічні дослідження, або екологічний моніторинг, тобто контроль стану і змін природних систем під впливом антропогенних навантажень (спостереження, вивчення екологічної ситуації та її прогноз). Традиційно екологічний моніторинг ді­литься на два основні види – фоновий, що полягає у спостереженні за біологічними, геохімічними і геофізичними параметрами довкілля в районах, розташованих поза сферою впливу локальних джерел забруднення, і імпактний, спрямований на оцін­ку ступеня забруднення і трансформації середовища в промислових, урбанізованих і сільськогосподарських районах.

Серед геохімічних методів, що використовуються у фоновому моніторингу довкіл­ля, можна вирізнити три основних:

1. Метод кларків.

2. Вивчення геохімічної структури ландшафту.

3. Метод біогеохімічних циклів.

Метод кларків – дослідження, пов’язані з оцінкою поширеності хімічних елементів у різних природних середовищах, – від глобальних геосфер до локального рівня ландшафтів або екосистем.

Розрізняють глобальні, регіональні і локальні кларки елементів. Нині встановлено низку глобальних кларків літосфери і основних типів гірських порід.

Вміст хімічних елементів у різних типах гірських порід, як правило, відрізняється від кларка літосфери. Кількісно цю відмінність Вернадський запропонував виражати кларком концентрації (КК), що є відношенням вагового вмісту певного елемента в природному об’єкті С_і до кларка літосфери К:

>1.

Ця величина завжди більше 0. Якщо КК = 1, то і вміст елемента в об’єкті дорівнює його вмісту в літосфері. У тому разі, коли С_і набагато менше К, для отримання ці­лих чисел і більшої контрастності показника доцільно розраховувати зворотні вели­чини – кларки розсіювання (КР), що показують, у скільки разів кларк більше вмісту елемента в певному об’єкті:

<1.

Кларки гідросфери. Гідросфера Землі складається з трьох нерівних за масою склад­ників – вод Світового океану (93%), поверхневих (озерних і річкових), підземних і ґрунтових вод. Води кожного з цих складників мають свій середній хімічний склад.

Особливо сильно за ступенем мінералізації, іонним і мікрокомпонентним складом, формами існування елементів відрізняються води континентального блоку і води Світового океану.

Великі коливання глобальних і глобально-регіональних кларків у гідросфері харак­терні для штучно створених забруднювальних речовин (пестициди, поліхлорбіфеніли та ін.), високі концентрації яких, на відміну від сполук, що існують у природі, наприклад, важких металів, стосуються регіонів з найбільш інтенсивною промисловою і сільськогосподарською діяльністю.

Кларки живої речовини. Як і інші глобальні геохімічні константи, кларки живої ре­човини лише умовно характеризують середній хімічний склад організмів Землі.

Між складом живої речовини і земної кори загалом немає прямої пропорцій­ної залежності. У складі літосфери за масою переважають слабо рухомі елементи – кремній, залізо, алюміній, яких мало в живих організмах. Кисень, якого багато і в живих організмах, і в літосфері, міститься в них у різних формах: в організмах він разом з воднем утворює воду й органічні сполуки, а в літосфері він входить до скла­ду силікатів, оксидів, органогенних порід та інших сполук. Живі організми вибірково поглинають з довкілля тільки доступні їм рухомі форми елементів. Тому вони збага­чені так званими біофілами–фосфором, сіркою, калієм, бором.

Як правило, використовують три основні методи вираження хімічного складу біоло­гічних об’єктів: з розрахунку на живу (сиру) масу організму, на масу сухої органічної речовини і на золу, тобто на кількість мінеральних речовин, що містяться в організмі. Кожний з цих способів розрахунку застосовується в різних цілях. За порівняння складу живої речовини і літосфери використовують, як правило, дані про вміст хімічних елемен­тів у золі. На глобальному рівні одні з найзагальніших параметрів, що характеризують специфіку хімічного складу біосфери, – кларки концентрації елементів, розраховані на сиру масу живої речовини, які Перельман назвав біофільністю елементів. Най­більшу біофільність мають вуглець (7800 КК), азот (160 КК) і водень (70 КК). Висока біофільность у сірки, фосфору, кальцію, калію, бору, брому, цинку, йоду, срібла.

Хімічний склад рослин залежить від двох головних чинників:

1.Ландшафтно-геохімічного (екологічного), який визначає геохімічну обстановку росту рослин (рівні вмісту елементів у живильному середовищі, рухомі, до­ступні для рослин форми знаходження).

2.Генетичного, що визначає біогеохімічну спеціалізацію окремих родин, родів і видів рослин.

Кларки літосфери, гідросфери і живої речовини постійно уточнюють і деталізують для окремих районів, типів гірських порід, класів вод і систематичних груп рослин.

Разом з перевагами (масовість, зіставність та ін.) метод кларків має низку недоліків, пе­редусім пов’язаних із зайвою узагальненістю даних, отриманих у результаті їхньої статистичної обробки, а найголовніше – відсутністю цілісного підходу до таких складних систем, якими є ландшафти. Тому у здійсненні фонового геохімічного моніторингу дані, отримані за допомогою методу кларків, повинні поєднуватися з виокремленням і детальним вивченням ландшафтно-геохімічних систем і їхньої геохімічної структури.

Геохімічна структура ландшафту (R, L-аналіз). Різним ландшафтно-геохімічним си­стемам властиві свої зональні, провінційні і місцеві особливості. Тому для цілісної характеристики фонового стану елементарних і каскадних ландшафтно-геохіміч­них систем запропоновано поняття фонова геохімічна структура, під якою розумі­ють співвідношення між різними підсистемами ландшафту, виражене, наприклад, набором ландшафтно-геохімічних коефіцієнтів – радіальної і латеральної міграції, біологічного поглинання та ін.

Фонова геохімічна структура складається з радіальної і латеральної структур, що ха­рактеризують відповідно вертикальну і горизонтальну (схил) диференціацію ланд­шафтів. Залежно від поєднання зональних і азональних чинників фонові території відрізняються певними радіальними і латеральними структурами. У межах однієї природної зони і підзони, як правило, є кілька варіантів таких структур. Саме тому для ландшафтів і ґрунтів розрахунок глобальних кларків або кларків великих регіонів хоча й має певне значення, але не відображає складної картини просторового роз­поділу хімічних елементів і сполук у цих системах. Таким чином, у рамках цього методичного підходу основного значення набуває не скільки рівень вміста елементу в ґрунтах, рослинах, водах (метод кларків), як типи перерозподілу і взаємозв’язку елементів між підсистемами і компонентами фонових ландшафтів.

Радіальна геохімічна структура ландшафту (R-аналіз). Перший етап ландшафтно-геохімічного аналізу території – вивчення геохімічної диференціації вертикального профілю різних елементарних ландшафтів.

Радіальна геохімічна структура ландшафту характеризується низкою геохімічних коефіцієнтів.

Так, для характеристики накопичення або винесення елементів у генетичних го­ризонтах ґрунтів щодо ґрунтоутворювальних порід використовують коефіцієнти радіальної диференціації R, що є відношенням вмісту (валового або рухомого) хі­мічного елемента в тому або іншому генетичному горизонті ґрунту до його вмісту в ґрунтоутворювальній породі. У кожному горизонті профілю, як правило, є кілька груп елементів з різною радіальною диференціацією, наприклад, сильного накопичення (Л>5), середнього накопичення (R = 2-5), винесення (R < 1) та ін. Ці групи або утворені ними ряди в першому наближенні відображають радіальну ґрунтово-гео­хімічну структуру елементарного ландшафту.

Інший важливий складник радіальної структури ландшафтів – взаємодія в системах типу літосфера – рослинний покрив, ґрунт – рослини, порода – ґрунт – рослини та ін. Їх вивчення дає змогу встановити основні «фонові» типи зв’язків між живими організмами і довкіллям, що уможливлює визначення ступеня їхнього порушення в техногенних умовах.

Конкретний метод оцінки інтенсивності біологічного поглинання елементів живи­ми організмами, в основному рослинами, – зіставлення їхнього вмісту в золі рос­лин із вмістом у живильному середовищі – породах, ґрунтах, водах.

Запропонований Полиновим показник Перельман назвав коефіцієнтом біологічного поглинання (Ах):

Ах= ,

де l – вміст елемента в золі рослин; п — вміст цього ж елемента в ґрунтах.

У літературі трапляються різні позначення (Кб, КБП) і модифікації цього коефіцієнта.

Співвідношення мінеральних форм елементів у рослинах і ґрунтах відображає ніби потенційну біогеохімічну рухливість елементів. Доступність елементів рослинам і ступінь використання ними рухомих форм елементів, що містяться в ґрунті, харак­теризує порівняння складу сухої речовини рослин і рухомих форм елементів (во­дорозчинних, сольових, органомінеральних), що витягуються з ґрунтів слабкими розчинниками. Це відношення називають коефіцієнтом біологічної рухливості (Вх),який у більшості елементів, як правило, набагато вищий, ніж Ах,розрахований для валового вмісту.

Окрім біофільності, потенційної і актуальної біогеохімічної рухливості, що харак­теризуються коефіцієнтами Ах і Вх, є низка інших загальних і приватних показ­ників. Наприклад, Глазовська запропонувала коефіцієнт біогеохімічної активності KB – відношення споживання елемента живою речовиною в рік до його винесення з іонним стоком з континентів в океан або з великих річкових басейнів; коефіцієнт деструкційної активності Ка — відношення надходження елемента в біосферу (ви­добуток, складування) до споживання рослинністю та ін.

Латеральна геохімічна структура (L – аналіз). Для встановлення основних особли­востей просторової геохімічної структури (L-аналіз) території базовими є локальні каскадні системи — ландшафтно-геохімічні (ґрунтово-геохімічні) катети – ряди ландшафтів або ґрунтів, розташованих на одному схилі.

Залежно від складності літогенного субстрату ґрунтово-геохімічні катени діляться на монолітні і гетеролітні. Монолітні катени розвинені в найменших водозбірних басейнах 1–2-го порядків. Тут геохімія долин практично повністю визначається міграцією речовин з автономних ландшафтів, вони називаються автохтонними,або геохімічно-підлеглими катенами. У каскадних системах високих порядків (великих рі­чок) всі катени, як правило, гетеролітні, в них надходить речовина з інших ландшафтів, вони називаються геохімічно слабо підпорядкованими, або алохтонними катенами.

У цих видах катен геохімічні дослідження спрямовані на вирішення різних завдань. Монолітні катени є зручними об’єктами для вивчення латеральної міграції елемен­тів у каскадних ладшафтно-геохімічних системах, що характеризуються коефіцієн­том місцевої міграції Км (відношення вмісту елемента у ґрунтах підлеглих ландшаф­тів до його вмісту в ґрунтах і корі вивітрювання автономних ландшафтів). Тільки у монолітних катенах можливий розрахунок Км без поправки на літогеохімічну неоднорідність. Тому сучасну міграцію і концентрацію елементів у ландшафтах до­цільно вивчати в районах з порівняно простою геологічною будовою, особливо з пухкими покривними відкладеннями однорідного літологічного складу. На гетеролітному субстраті міграція елементів маскується геохімічною специфікою ґрунто­утворювальних порід, і тому аналіз Км з позицій тільки латерального перенесення методично не виправданий. У цьому разі такі показники називають коефіцієнтами латеральної диференціації або контрастності (L).

Так само, як радіальна геохімічна структура відображає характер взаємодії і спів­відношення між компонентами і блоками елементарних ландшафтів, латеральна структура характеризує відношення в геохімічно-зв’язаних каскадних системах різ­них рівнів (катенах, водозбірних басейнах та ін.).

Аналіз радіальної і латеральної геохімічної структури ландшафтів є основним ме­тодом геохімії ландшафтів, що лежить в основі практично всіх фундаментальних і прикладних ландшафтно-геохімічних досліджень.

Метод біогеохімічних циклів елементів. Біогеохімічний підхід до аналізу живої речо­вини, заснований на ідеях В.Вернадського, полягає передусім у зіставленні хіміч­ного складу живих організмів зі складом інших природних систем – гірських порід, ґрунтів, вод, атмосферного повітря. Це створює можливості для системного аналізу біологічного кругообігу хімічних елементів, біогеохімічних циклів у ландшафтах і біосфері загалом. Інший спосіб пізнання міграційних циклів елементів у природних системах – детальне вивчення балансу хімічних елементів у системах різного рівня: від локального до глобального. Нині моделі кругообігу речовин краще розроблено для першого (елементарні ландшафти, катени) і останнього рівнів (біосфера).

Для елементарних ландшафтно-геохімічних систем моделі розробляють на основі інформації, яку отримують за стаціонарних досліджень. Моделі глобальних біогео­хімічних циклів елементів мають поки що орієнтовний характер.

І в тому, і в іншому разі набагато повніша інформація є про цикли макроелемен­тів — кисню, азоту, вуглецю, фосфору, сірки. Цикли мікроелементів, пестицидів та інших органічних речовин (поліциклічних ароматичних вуглеводів – ПАВ, поліхлорбіфенілів та ін.) вивчено ще слабо. У цілій низці випадків даних недо­статньо для опису повного міграційного циклу яких-небудь елементів і сполук у природній системі. Тоді важливе значення мають багаторічні або сезонні ряди спостережень за тими або іншими середовищами, які мають високу динамічність і варіабельність (повітря, вода).

Таким чином, можна вирізнити два напрями дослідження станів ландшафтів. Пер­ший з них користується ніби методом кларка, але з урахуванням тимчасових змін параметрів. Цей методичний напрям загалом переважає зараз у здійсненні про­грами фонового геохімічного моніторингу в біосферних заповідниках і на станціях моніторингу. Виконано дуже великий обсяг вимірювань різних показників, у низці випадків виявлено їхні динамічні коливання залежно від природних і техногенних чинників. У цих дослідженнях, як правило, слабо враховують просторову диференці­ацію параметрів, механізми міграційних процесів і потоки речовин між блоками і компонентами ландшафту.

Другий напрям – це аналіз фонового функціонування ландшафту на основі ви­вчення потоків і балансів речовини й енергії, біогеохімічних кругообігів елементів.

Основною сферою застосування методів геохімії ландшафтів нині стало вирішення проблем довкілля, зокрема виявлення кризових екологічних ситуацій через оцінку забруднення ландшафтів. Ландшафтно-геохімічні методи використовують на всіх стадіях оцінки стану локальних і регіональних природно-антропогенних геосистем. На регіональному рівні такі оцінки містять такі блоки:

-оцінку природного геохімічного фону регіону;

-аналіз геохімічного впливу сільського господарства на природні геосистеми;

-оцінку стану і ступеня забруднення промислових центрів, впливи гірничодо­бувного виробництва на довкілля;

-комплексне еколого-геохімічне картографування і районування території за ступенем забруднення на відповідь реакціям і стійкості природних геосистем до техногенних дій.